Ультразвуковой расходомер

   Проточная часть расходомера, смонтированная с помощью фланцев в трубопроводе содержит тело обтекания, за которым попарно установлены датчики давления. Пульсации давления, возникающие в потоке в результате вихреобразования, регистрируются датчикам, а частота процесса пропорциональна скорости потока. Парное размещение датчиков позволяет усилить полезный сигнал и минимизировать вибрационные и акустические помехи, т.к. сигнал одного из них инвертируется и суммируется с сигналом другого датчика в согласующем устройстве, а сигнал помехи вычитается на сумматоре. Расходомер также содержит нормирующий преобразователь, формирующий импульсный сигнал с весом, например, 1 л/с и вычислитель, размещенный в отдельном корпусе. Вычислитель обеспечивает оцифровку информационного сигнала, расчет суммарного количества жидкости или газа, прошедших через напорную трубу за промежуток времени, индикацию мгновенного и суммарного расхода, самодиагностику прибора, хранение информации в энергонезависимой памяти и передачу ее на компьютер верхнего уровня измерительной или управляющей системы.

   Преобразователи энергии потока: Одними из важнейших элементов вихревых расходомеров являются преобразователи энергии потока в электрический сигнал, во многом определяющие эксплуатационные возможности и технический уровень приборов. В технической документации вихревых расходомеров как отечественных, так и ведущих зарубежных фирм содержится крайне скупая информации относительно принципа действия и устройства преобразователей вида энергии. Так, корпорация EMCO (США) сообщает лишь, что сенсором является полупроводниковая тензорезистивная матрица. В документации немецких фирм информация о принципе работы сенсора вообще отсутствует, хотя в одном из патентов Endress+Hauser (Германия) описан вихревой расходомер с унифицированным ёмкостным датчиком в виде крыла, установленным за телом обтекания. Лишь YOKOGAVA (Япония) подробно описывает виброкомпенсированный пьезоэлектрический преобразователь, состоящий из набора пьезоэлементов в виде шайб, установленный в торце тела обтекания. Известны также индуктивные, анемометрические, оптоэлектронные и др. преобразователи энергии потока.

   Проблемы: Следует отметить, что физические процессы, происходящие в трубопроводе за телом обтекания, весьма сложны. В потоке возникают пульсации давления, температуры, скорости звука и других физических параметров. Несмотря на бурное развитие численных методов описания сложных объектов, до сих пор нет удовлетворительных математических моделей гидродинамических процессов, происходящих в вихревых расходомерах. Пространственно-временное распределение физических характеристик в движущейся среде в зависимости от скорости, агрегатного состояния, вязкости среды, до конца не ясно. Тело обтекания при вихреобразовании испытывает сложное напряжённо-деформированное состояние, где присутствуют и колебания кручения, и изгиба, и другие. Всё это обеспечивает простор для творчества разработчиков и большой объём экспериментальных работ для поиска оптимальных решений.

   Основные  преимущества вихревых расходомеров:

- линейный выходной сигнал;

- широкий динамический диапазон измерений;

                        - малая потеря давления;

- простота и надежность в эксплуатации.

   Распространённость: В настоящее время вихревые расходомеры с пьезоэлектрическими датчиками используются для измерения расхода жидкости, газа и пара на трубах диаметром от 15 до 500 мм с динамическим диапазоном 1:40 и выше и относительной погрешностью +(1…1,5)% при температурах контролируемой среды от минус 60 до 500 °C и давлениях до 30 МПа, обеспечивая на мировой рынке более 5% средств учета жидких и газообразных энергоносителей.

   Мировыми  лидерами по разработке и выпуску  этого типа приборов являются корпорация YOKOGAVA (Япония), Endress+Hauser (Германия), EMCO (США). Ведущими предприятиями в России в области вихревой расходометрии являются ОАО «Сибнефтеавтоматика», Опытный завод «Электрон», ЗАО «Даймет», все г. Тюмень, ООО "Пьезоэлектрик", г. Ростов-на-Дону, ООО «Глобус», г. Белгород, ЗАО «Ирвис», г. Казань, ЗАО «Взлет», г. Санкт-Петербург.

Силовые расходомеры

   Силовые расходомеры (рис. 1.3.) - это приборы, в которых вследствие изменяющегося массового расхода происходит силовое воздействие, потоку проходящего вещества придается ускорение различного вида, при этом снимаются параметры, определяющие степень воздействия или эффекта воздействия.

         1 – электродвигатель;

         2 – трубопровод;

         3, 5 - роторы с малым  радиальным зазором;

         4 – неподвижный  диск;

                                                                            6 – пружина.

Рисунок 1. 3. Схема силового расходомера.

Принцип действия: Внутри трубопровода 2 установлен ротор 3 с малым радиальным зазором, имеющий каналы для прохода жидкости, разделенные перегородками, паралллельными его оси, или же выполненный в виде прямолопастной крыльчатки. Ротор вращается от электродвигателя 1 с угловой скоростью со и закручивает жидкость, которая приобретает винтовое движение, показанное стрелками. Далее жидкость поступает на ротор 5, закрепленный на пружине 6, и закручивает последнюю на угол ф, пропорциональный массовому расходу. Неподвижный диск 4 уменьшает вязкостную связь между роторами.

   Вследствие  изменения первоначального прохождения  через трубопровод вещества возникает  ускорение потока и в зависимости  от способов этих изменений расходомеры  подразделяются на группы:

- кориолисовые расходомеры;

- гироскопические расходомеры;

- турбосиловые расходомеры.

   Силовое воздействие в зависимости от конструкции расходомера бывает внутренним и внешним:

   - внутреннее воздействие происходит  вследствие уменьшения потенциальной  энергии потока вещества (одним  из способов уменьшения потенциальной  энергии потока происходит свледствие его закручивании неподвижными винтовыми лопатками);

   - внешнее воздействие, как правило,  передается от электродвигателя, который колеблет (вращает) прямолопастную крыльчатку преобразователя расхода, закручивающую проходящий поток измеряемого вещества.

   Величины  массового расхода и дополнительное ускорение потока в силовых расходомерах пропорциональны относительно друг друга. Вследствие этого массовый расход и измеряемый параметр пропорционален. Поэтому силовые расходомеры  называют массовыми расходомерами. Массовые расходомеры также используют для измерения среднего значения пульсирующих расходов.

   Одним из преимуществ является то, что  при установке массовых расходомеров нет необходимости в больших  прямых участках до и после расходомера. Исключение составляет двойное колено, придающее винтовое движение потоку. Большое количество вращающихся  частей внутри трубопровода и сложность  конструкции их преобразователей расхода силовых расходомеров является их относительным недостатком.

   У турбосиловых расходомеров ротор или крыльчатка постоянно вращаются. У гироскопических расходомеров и кориолисовых расходомеров подвижный элемент колеблется вокруг оси. Такие расходомеры называются вибрационными расходомерами.

   Погрешность измерения массового расхода  в силовых расходомерах составляет ±0,5 - 3,0 %, они иногда используются при  измерении расхода топлива или  расхода газа. В отдельную группу силовых расходомеров входят перепадно-силовые расходомеры, принцип работы которых заключается преобразовании внешнего силового воздействия в разность давлений определенных мест потока, пропорциональных массовому расходу.

   Преимущества  расходомеров с элементами сопротивления:

- Низкие затраты на первоначальную настройку.

- Можно использовать для измерения абразивных, загрязняющих и коррозионных потоков жидкостей.

- предназначаться для измерения скорости потока расхода, который направлен в одну сторону или имеет несколько направлений, при помощи конструкций сферического элемента сопротивления.

   Недостаткирасходомеров с элементами сопротивления:

- Неизбежные перепады давления из-за использования стержня и элемента сопротивления.

- Не настолько часто применяются, как раньше.

Ультразвуковые  расходомеры

   Ультразвуковыми расходомерами (рис. 1.4) называют расходомеры, принцип действия которых заключается в измерении какого-либо эффекта (в зависимости от расхода), создающегося при прохождении акустических колебаний сквозь поток жидкости или газа. Большинство акустических расходомеров работают в ультразвуковом диапазоне.

     

    1 – ультразвуковой датчик;

    2 – первичный  преобразователь;

    3 – сигнальные  кабели;

    4 – электронный  блок.

      
Рисунок 1. 4. Схема ультразвукового расходомера

   Ультразвуковые  расходомеры подразделяются на:

     - расходомеры, работающие по принципу перемещения акустических колебаний движущейся средой;

     -  расходомеры, работающие на принципе эффекта Допплера.

   Наибольшее  применение получили расходомеры, сконструированные  на принципе измерения разности времени прохождения акустических колебаний по направлению потока и против потока измеряемого вещества. Приборы, в которых акустические колебания проходят перпендикулярно к потоку, и измеряется величина отклонения этих колебаний от первоначального направления встречаются редко. Приборы, работающие на явлении Допплера, используются для измерения местной скорости потока, реже для измерения расхода вещества и имеют более простые измерительные схемы.

   Кроме вышеуказанных разновидностей расходомеров, разработаны длинноволновые акустические расходомеры, работающие в звуковом диапазоне частот акустических колебаний.

   Ультразвуковые  расходомеры, как правило, используют для измерения объемного расхода  вещества, но при добавлении в конструкцию  расходомера реагирующего на плотность  измеряемого вещества акустического  преобразователя, возможно измерение  массового расхода. Погрешность  измерения ультразвуковых расходомеров находится пределах от 0,1 до 2,5 %. Чаще всего такие расходомеры используют при измерении расхода жидкости, так как газы имеют низкое акустическое сопротивление и сложность получения интенсивных звуковых колебаний. Ультразвуковые расходомеры применяют для измерения расхода в трубах диаметром 10 мм и больше.

   Ультразвуковые  расходомеры отличаются по устройству первичных преобразователей и по используемым измерительным схемам. Высокие частоты акустических колебаний (0,1-10 МГц) используются для измерения  расхода чистых жидкостей. Для измерения  загрязненных сред частоты колебаний  значительно уменьшают до нескольких десятков КГц, чтобы предотвратить  поглощение и рассеяние акустических колебаний. Длина волны должна быть в разы больше диаметра воздушных  пузырей или твердых частиц. Для  измерения расхода газов используют низкие частоты.

   Принцип действия: Имеется несколько способов измерения очень малого значения, 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, двухлучевые 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.