Акустические расходомеры

 Содержание

 

Введение……………………………………………………………………….2

1 Излучатели и приемники акустических колебаний……………………..3

2 Принцип действия и разновидности расходомеров с

колебаниями, направленными  по потоку и против него………………….4

3 Влияние профиля скоростей………………………………………………5

4 Преобразователи ультразвуковых расходомеров…………………………8 Заключение…………………………………………………………………...13

Список использованной литературы………………………………………14

 

 

 

 

 

 

          Введение

          Акустическими называются расходомеры, основанные на измерении зависящего от расхода того или другого эффекта, возникающего при проходе акустических колебаний через поток жидкости или газа. Почти все применяемые на практике акустические расходомеры работают в ультразвуковом диапазоне частот и поэтому называются ультразвуковыми.

          Они разделяются на расходомеры, основанные на перемещении акустических колебаний движущейся средой, и расходомеры, основанные на эффекте Доплера, появившиеся позже. Главное распространение получили приборы, основанные на измерении разности времен прохождения акустических колебаний по потоку и против него. Значительно реже встречаются приборы, в которых акустические колебания направляются перпендикулярно к потоку и измеряется степень отклонения этих колебаний от первоначального направления. Приборы, основанные на явлении Доплера, предназначены в основном для измерения местной скорости, но они находят также применение и для измерения расхода. Измерительные схемы у них более простые.

          Наряду с тремя указанными разновидностями ультразвуковых расходомеров имеются акустические расходомеры, получившие название длинноволновых, работающие в звуковом диапазоне частот акустических колебаний.

          Ультразвуковые расходомеры обычно служат для измерения объемного расхода, потому что эффекты, возникающие при прохождении акустических колебаний через поток жидкости или газа, связаны со скоростью последнего. Но путем добавления акустического преобразователя, реагирующего на плотность измеряемого вещества, можно осуществить и измерение массового расхода. Приведенная погрешность ультразвуковых расходомеров лежит в широких пределах от 0,1 до 2,5 %, но в среднем может быть оценена цифрами 0,5-1 %. Значительно чаще рассматриваемые расходомеры применяют для измерения расхода жидкости, а не газа, вследствие малого акустического сопротивления последнего и трудности получения в нем интенсивных звуковых колебаний. Ультразвуковые расходомеры пригодны для труб любого диаметра, начиная от 10 мм и более.

          Существующие расходомеры очень разнообразны как по устройству первичных преобразователей, так и по применяемым измерительным схемам. При измерении расхода чистых жидкостей обычно применяют высокие частоты (0,1-10 МГц) акустических колебаний. При измерении же загрязненных веществ частоты колебаний приходится существенно снижать вплоть до нескольких десятков килогерц во избежание рассеяния и поглощения акустических колебаний. Необходимо, чтобы длина волны была на порядок больше диаметра твердых частиц или воздушных пузырей. Низкие частоты применяют также при измерении расхода газов.

 

1   Излучатели и приемники акустических колебаний

 

          Для ввода акустических колебаний в поток и для приема их на выходе из потока необходимы излучатели и приемники колебаний - главные элементы первичных преобразователей ультразвуковых расходомеров. При сжатии и растяжении в определенных направлениях некоторых кристаллов (пьезоэлементов) на их поверхностях образуются электрические заряды, и наоборот, если к этим поверхностям приложить разность электрических потенциалов, то пьезоэлемент растянется или сожмется в зависимости от того, на какой из поверхностей будет больше напряжение — обратный пьезоэффект. На последнем основана работа излучателей, преобразующих переменное электрическое напряжение в акустические (механические) колебания той же частоты. На прямом пьезоэффекте работают приемники, преобразующие акустические колебания в переменные электрические напряжения.

          Пьезоэлектрический эффект был обнаружен прежде всего у природного кварца. Но теперь в качестве излучателей и приемников акустических колебаний в расходомерах применяют почти всюду лишь пьезокерамические материалы, главным образом титанат бария и цирконат титаната свинца — твердый раствор цирконата и титаната, свинца, имеющие большой пьезомодуль и высокую диэлектрическую проницаемость, в несколько сот раз больше, чем у кварца. После специальной обработки поверхности излучателей и приемников их покрывают слоем металла (в большинстве случаев путем серебрения). К этому слою припаивают соединительные провода.

          Для получения интенсивных акустических колебаний надо работать на резонансной частоте пьезоэлемента. При чистых жидкостях целесообразно работать на высоких резонансных частотах и поэтому следует применять тонкие пьезокерамические пластины. Для веществ, содержащих механические примеси или газовые пузыри, когда необходима небольшая частота приходится применять пьезокерамику большой толщины или с двух сторон тонкой пьезокерамической пластины наклеивать толстые металлические накладки. Излучатели и приемники в большинстве случаев изготовляют в виде круглых дисков диаметром 10—20 мм, иногда менее.

 

2. Принцип действия и разновидности расходомеров с колебаниями, направленными по потоку и против него

 

          В большинстве случаев плоскости излучающих и приемных пьезоэлементов расположены под некоторым углом к оси трубы. Прохождение ультразвука направленного по потоку и против него характеризуется значением скорости прохождения требуемого расстояния и время затраченное на его прохождение.

          Таким образом, разность времен прямо пропорциональна скорости.

Имеется несколько способов измерения очень малого значения времени: фазовый, при котором измеряется разность фазовых сдвигов акустических колебаний, направляемых по потоку и  против него (фазовые расходомеры); времяимпульсный метод, основанный на непосредственном измерении разности времени прохождения коротких импульсов  по потоку и против него (времяимпульсные  расходомеры); частотный метод, при  котором измеряется разность частот повторения коротких импульсов или  пакетов акустических колебаний, направляемых по потоку и против него (частотные  расходомеры). Большое распространение  получил последний метод и  его разновидности.

          По числу акустических каналов ультразвуковые расходомеры подразделяются на однолучевые или одноканальные, двулучевые или двухканальные и многолучевые или многоканальные. У первых имеются только два пьезоэлемента, каждый из которых по очереди выполняет функции излучения и приема. Их существенное достоинство — отсутствие пространственной асимметрии акустических каналов, зависящих от различия их геометрических размеров, а также различия температур и концентрации потока в них. Вторые имеют два излучателя и два приемника, образующих два независимых акустических канала, которые располагаются параллельно или перекрещиваются друг с другом. Многоканальные применяются при необходимости измерения расхода деформированных потоков или же для достижения повышенной точности, в частности, в случае применения ультразвукового расходомера в качестве образцового.

 

3. Влияние профиля скоростей

 

          Профиль скоростей оказывает существенное влияние на показания ультразвуковых расходомеров и их погрешность. Рассмотрим это влияние для наиболее распространенных расходомеров с угловым вводом акустических колебаний в одной точке. При этом ультразвуковой луч будет реагировать на скорость, усредненную по диаметру, которая всегда будет больше средней скорости, усредненной по площади сечения трубопровода. Если акустические колебания посылать не в диаметральной плоскости, а в плоскости, проходящей через какую-либо из хорд. Действительно, по мере удаления хорды от диаметра скорость, усредненная по хорде, будет уменьшаться и при некотором расстоянии между диаметром и хордой, равном (0,5-0,54)D/2, скорость в турбулентной зоне станет равной усредненной. Зондирование по хорде способствует повышению точности измерения расхода, особенно если оно производится по нескольким хордам, но при этом устройство ультразвукового расходомера усложняется. Зондирование по нескольким хордам целесообразно прежде всего в образцовых установках, а также при измерении деформированных потоков, особенно в трубах большего диаметра, где трудно обеспечить достаточную длину прямого участка. Это дает снижение погрешности до 0,1 %, но зато здесь при ламинарном режиме погрешность возрастает до 3,5 %. Большая точность получается при зондировании по четырем (рис. 1,б, в) или пяти хордам. Имеются несколько вариантов расположения четырех хорд. В одном из них две параллельные хорды расположены на расстоянии 0,5D/2 от горизонтального диаметра, а две параллельные другие на таком же расстоянии от вертикального диаметра (рис. 1, б). Здесь длины всех хорд равны, что упрощает обработку результатов измерения. В другом варианте (рис. 1, в) все четыре хорды параллельны, причем две из них находятся на расстоянии 0,309D/2, а две другие — на расстоянии 0,809D>/2 от диаметра.

                   

Рисунок 1- Схемы расположения хорд для акустического зондирования

          Зондирование по пяти параллельным хордам, расположение которых выбрано по квадратурной формуле Гаусса.

                     

Рисунок 2 - Преобразователь с акустическим зондированием по пяти пространственным хордам

          Зондирование может производиться последовательно по пяти хордам, отстоящим на расстоянии 0.5D/2 от центра трубы и расположенным не в одной плоскости, а в пространстве (рис. 2). Во фланцах 1 и 8 смонтированы два пьезоэлемента 3 и 6 и два отражателя 2 и 7. Другие два отражателя 4 и 5 находятся на противоположных сторонах стенки трубы. Пьезоэлемент 3 утоплен для уменьшения влияния акустических помех. Проекции хорд, по которым проходят акустические каналы, на сечение, перпендикулярное к оси трубы, образуют равносторонний треугольник. При последовательном зондировании упрощается схема обработки сигнала и устраняются реверберационные помехи, так как рабочие и отраженные сигналы разделены во времени. Многоканальные акустические расходомеры могут обеспечить высокую точность, не требуют экспериментальной градуировки и могут применяться в качестве образцовых, но они сложны и встречаются сравнительно редко.

          Для обычных ультразвуковых расходомеров с зондированием в диаметральной плоскости необходима или экспериментальная градуировка, или же определение поправочного множителя с достаточной точностью. К сожалению, выполнить это не так просто.

          На самом деле колебания распространяются в узком пространстве, ограниченном плоскостями, проходящими через две хорды, каждая из которых отстоит от диаметральной плоскости на расстоянии d/2 в ту и другую сторону (d — диаметр излучающего пьезоэлемента). Помимо этого, вследствие различия скоростей по сечению трубы путь ультразвукового луча отличается от прямолинейного.

          Для повышения точности ультразвукового расходомера перед преобразователем расхода можно установить сопло или сходящийся конус (конфузор), создающий на выходе весьма равномерный профиль скоростей, при котором множитель может быть принят равным единице. Особенно это необходимо при недостаточной длине прямого участка и, следовательно, деформированном профиле скоростей. Если в трубопроводе имеются сопротивления, закручивающие поток, то перед соплом или конфузором следует поместить струе выпрямитель.

          При малых диаметрах труб гидродинамическую погрешность можно исключить, если изготовить преобразователь расхода с прямоугольным каналом и прямоугольными пьезоэлементами, создающими акустические колебания по всему поперечному сечению потока.

 

          4  Преобразователи ультразвуковых расходомеров

 

          Преобразователь ультразвукового расходомера состоит из отрезка трубы, на котором установлены два или четыре пьезоэлемента. За редким исключением применяют дисковые, дающие направленное излучение.

          Если пьезоэлементы установлены снаружи трубы, то преломление луча происходит в ее стенках, но и при внутренней установке пьезоэлементов иногда считают целесообразным внутреннюю полость угловых карманов заполнять звукопроводами из металла или органического стекла, в которых также происходит преломление луча. Учитывать снос надо лишь в преобразователях, имеющих преломление луча, а влиянием скорости потока можно пренебречь.

          Обычно диаметр пьезоэлементов берут в пределах 5-20 мм. а их толщину в зависимости от частоты. В частотных и времяимпульсных расходомерах выбирают высокую частоту 5-10 МГц, а иногда даже и 20 МГц, потому что увеличение способствует повышению точности измерения. В фазовых расходомерах частота выбирается так, чтобы при максимальном расходе получить наибольшую разность фаз, которая может быть измерена фазометром. Обычно применяется частота от 50 кГц до 2 МГц. Это относится к жидкостям. В газовых же средах приходится снижать частоту до сотен и десятков килогерц из-за трудности создания в газах интенсивных акустических колебаний, особенно высокой частоты.

          При малых диаметрах труб иногда применяют не дисковые, а кольцевые излучатели и приемники.

          На рис. 3 показаны основные схемы преобразователей ультразвуковых расходомеров. В первых двух схемах (рис. 3, а, б) применяют кольцевые пьезопреобразователи, создающие не направленное, а сферическое излучение. Первая из этих схем (а) одноканальная, в которой каждый из двух пьезоэлементов по очереди излучает и принимает акустические колебания. Вторая схема (б) двухканальная, средний пьезоэлемент — излучающий, а два крайних — приемные.

                      

Рисунок 3- Схемы преобразователей ультразвуковых расходомеров

          Преобразователи сферического излучения применяются лишь в трубах весьма малого диаметра, чтобы получить достаточную длину измерительного участка, которая при угловом вводе направленного излучения была бы при малых значениях диаметра очень мала. Получить большую длину можно и с дисковыми преобразователями, если излучение направлено вдоль оси трубы (рис. 3, в, г), если имеется многократное отражение волны от стенки трубы (рис. 3, ж), если применены отражатели (рис. 3, д) или специальные волноводы (рис. 3, е). Последние особенно целесообразны при необходимости защиты пьезопреобразователя от агрессивной среды. Схема по рис. 3, г — двухканальная, остальные — одноканальные. Значительно чаще применяются схемы с угловым вводом направленных акустических колебаний. На рис. 3, ж-к показаны одноканальные, а на рис. 3, л,м — двухканальные схемы. В большинстве случаев (рис. 3. ж-и, л, м) трубопроводы снабжаются особыми впадинами - карманами, в глубине которых помещены пьезоэлементы. Полости карманов могут быть свободными (рис. 3, ж, з, л, м) или же заполнены звукопроводом из металла или органического стекла (рис. 3, и). В некоторых случаях (рис. 3, к) пьезоэлементы находятся снаружи трубопровода. Они передают акустические колебания через металлический, а иногда и жидкостный звукопровод стенки трубы и далее измеряемому веществу. Преобразователи по схемам на рис. 3, и, к работают с преломлением звукового луча. Особая схема преобразователя с многократным отражением показана на рис. 3, ж. Для увеличения пути звуковой луч движется зигзагообразно, отражаясь от противоположных стенок канала. Такой преобразователь исследован при работе в небольших каналах квадратного и круглого сечении.