Ультразвуковой расходомер

   Преобразователь ультразвукового расходомера состоит  из отрезка трубы, на котором установлены  два или четыре пьезоэлемента, иногда используют дисковые пьезоэлементы диаметром d и толщиной а, дающие направленное излучение. Степень этой направленности зависит от волнового параметра.

   При небольших диаметрах труб используют кольцевые излучатели и приемники. На рисунке 1.5. показаны основные схемы преобразователей ультразвуковых расходомеров. В схемах а и б используют кольцевые пьезопреобразователи, создающие сферическое излучение. Схема а - одноканальная, в ней каждый из двух пьезоэлементов излучает и принимает акустические колебания по очереди. Схема б - двухканальная, два крайних пьезоэлемента— приемные, средний пьезоэлемент — излучающий.

     

Рисунок 1.5.  Основные схемы преобразователей ультразвуковых расходомеров

   Преобразователи сферического излучения используют в трубах небольшого диаметра, чтобы  получить необходимую длину измерительного участка. Получить большую длину участка трубы возможно с дисковыми преобразователями, если излучение направлено вдоль оси трубы (схема в, г); когда возникает многократное отражение волны от стенки трубы (схема ж), когда используют отражатели (схема д) или специальные волноводы (схема е). Специальные волноводы актуальны для защиты пьезопреобразователя от агрессивной среды. Схема г — двухканальная, остальные — одноканальные. На практике больше применяются схемы с угловым вводом направленных акустических колебаний. На схеме ж-к показаны одноканальные, а на схеме л, м — двухканальные схемы. Чаще всего (схема ж, и, л, м) в трубопроводах делают впадины — карманы, где размещаются пьезоэлементы. Иногда (схема к) пьезоэлементы располагают снаружи трубопровода. Акустические преобразователи передают колебания через металлический или жидкостный звукопровод стенки трубы и потом измеряемому веществу. Акустические преобразователи (схема и, к) работают с преломлением звукового луча. В преобразователе с многократным отражением (схема ж). Для увеличения пути звуковой луч движется зигзагообразно, многократно отражаясь от противоположных стенок канала.

   Акустические  преобразователи с карманами  применяют для чистых и неагрессивных  сред во избежание засорения, иногда используют подвод воды для очистки  и применяют их для измерения  загрязненных сред. Недостатком этих акустических преобразователей является проблема возможного возникновения  вихреобразования и воздействие  на профиль скоростей.

   В акустических преобразователях с преломлением (схема и, к) такие недостатки отсутствуют, и они снижают реверберационную погрешность, так как исключают возможность попадания на приемный элемент отраженных колебаний. Но в случае изменения давления, температуры и состава измеряемого вещества меняется угол преломления и скорость звука в материале звукопровода.

   Существенным  преимуществом акустических преобразователей вихревых расходомеров с внешними пьезоэлементами (схема к) является отсутствие контакта с измеряемым веществом и сохранение целостности трубопровода. Однако в трубопроводе появляется повышенный уровень помех и паразитных сигналов, обусловленных прохождением акустических колебаний по стенке трубы, и чувствительность таких расходомеров слабее.

   Неоспоримыми  достоинствами ультразвуковых расходомеров являются:

- малое или полное отсутствие гидравлического сопротивления,

- надежность (так как отсутствуют подвижные механические элементы),

- высокая точность,

- быстродействие,

- помехозащищенность.

   Все эти достоинства определили высокую  распространенность данных расходомеров при измерении расхода жидкостей  и газов.

   Сравнительный анализ расходомеров проведем с помощью  таблицы 1.1: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                                                                           Таблица. 1.1.

     Сравнительный анализ расходомеров

	Электромагнитные  расходомеры	Вихревые  расходомеры	Силовые расходомеры	Ультразвуковые расходомеры
Принцип действия	Основан на измерении электродвижущей силы, наведенной в жидкости.	Основан на измерении частоты колебаний, возникающих в потоке в процессе вихреобразова-ния.	Основан на измерении эффекта силового воздействия, вследствие изменяющего-ся массового расхода.	Основан на измерении  эффекта, создающегося при прохождении  акустических колебаний сквозь поток  жидкости или газа.
Рабочая среда	Измерение веществ, удельная электропровод-ность которых > 10 -3 см/м	Газ, пар, вода, чистые жидкости с низкой вязкостью, умеренно коррозионные химикаты, легкие суспензии	Газ, жидкости	Газ, жидкости
Преимущества	Просты в обращении; низкая стоимость; возможность чистки и стерилизации без демонтажа; на показания  не влияют физико-химические свойства вещества; высокая стабильность показаний.	Линейный выходной сигнал; широкий динамический диапазон измерений; малая потеря давления; простота и  надежность в эксплуатации.	Низкие затраты  на первоначаль-ную настройку; возможность измерения  абразивных, загрязняющих и коррозион-ных потоков жидкостей; возможность измерения  скорости потока расхода.	Малое или полное отсутсвие гидравлического сопротивления; надежность; высокая точность; быстродействие; помехозащи-щенность.

 
 
 
 
 

                                                      Продолжение таблицы 1.1.

Недостатки	Большая погрешность; необходимость тщательного, каждодневного технического ухода (поднастройка); применение для  измерения очень малых расходов; непригоден для измерения расхода газа.	Отсутствие  удовлетвори-тельных математичес-ких моделей гидродина-мических процессов, происходя-щих в расходомере.	Неизбежные  перепады давления; нечастое применение расходомеров.	Сложность монтажа; высокая зависимость качества измерений  от физико-химических свойств жидкости; от распределения скоростей по сечению  потока жидкости; от точности монтажа  первичных преобразователей на трубопроводе.
Область применения	Отопительные  системы; металлургия; биохимическая и пищевая промышленность; строительство; медицина.	Отрасль промышлен-ности.	Нефтегазовые  компании.	Нефтедобывающие и нефтеперера-батывающие компании; биохимическая промышленность.
Погрешность измерений	1,0 – 2,5%	1,0 – 1,5%	0,5 – 3,0%	0,1 – 2,5%
Фирмы производители	ПРЭМ-2 и 3; Взлет ЭР; ADMAG AXF; РОСТ-72	ЭМИС; ВИХРЬ 200; АВВ; ISOMAG; Allen-Bradley; Control Techniques Drives	GROS; ТИРЭС	Взлет-МР; Днепр-7; Гобой-1; SONOFLO

 

   Существует  большое количество средств для измерения расхода жидкостей при различных условиях. Они всё время модернизируются с целью повышения метрологических и технических характеристик.

   Но  среди всех методов измерения  расхода особо выделяются акустические, в частности ультразвуковые. Т.к. ультразвуковые расходомеры имееют массу достоинств: высшую точность измерения в широком интервале расходов; сверхвысокое быстродействие (десятки миллисекунд), и возможность измерения пульсирующих расходов; высокие показатели надежности (из-за отсутствия подвижных узлов); отсутствие депрессирующих элементов и вызванных ими потерь давления; принципиальную возможность измерения массового расхода и сохранение работоспособности при изменении направления потока; возможность измерения большого класса сред от жидких металлов до криогенных жидкостей и газов.

   Выделяют  несколько ультразвуковых методов  измерения расхода, которые по-разному  реализуют достоинства ультразвуковых расходомеров. Поэтому современные  ультразвуковые расходомеры совмещают  в себе все преимущества каждого  метода, и идеально подходят под  высокие требования современного производства.

   Ультразвуковые  приборы - одно из новых направлений  в приборостроении, получившее интенсивное  развитие в последние 30 лет, благодаря  новым достижениям в области  микропроцессорной электроники.  Особенностью данного типа приборов является использование производителями  принципиально различных ультразвуковых методов и конструктивных решений, что приводит к  существенным различиям  эксплуатационных и метрологических  характеристик ультразвуковых приборов, производимых разными фирмами. В  основном на рынке присутствуют приборы, реализующие дифференциальный, доплеровский и корреляционный методы. 
 
 

   1.2  Конструкции ультразвуковых расходомеров  и их анализ

   Ультразвуковые  расходомеры на российском рынке  представлены несколькими отечественными и зарубежными производителями. Проанализируем их основные характеристики и особенности применения для  измерения объема жидкости.

   В ультрозвуковых расходомерах используются два метода. Первый метод основан на измерении разности фазовых сдвигов двух ультразвуковых колебаний, направленных по потоку и против него (фазовые расходомеры).

   Второй  метод основан на измерении разности частот повторения коротких импульсов  или пакетов ультразвуковых колебаний, направленных одновременно по потоку и против него (частотные расходомеры).

   В настоящее время очень много  говорится об уникальности ультразвукового  метода измерений с накладными датчиками, который заключается в возможности бесконтактного определения расхода протекающей по трубопроводу среды. При этом нельзя не отметить целый ряд существенных преимуществ накладных расходомеров:

- нет необходимости встраивать расходомерный участок в трубу;

- исключена потеря давления на расходомерном участке;

- датчики расхода не погружены в измеряемую среду, а значит, исключено их загрязнение и образование на них осадка;

- возможность использования там, где нежелательно вторгаться в   измеряемую среду.

   Такими  особенностями не обладает ни один другой метод измерения. Но при таких  особенностях, накладные датчики  имеют огромный недостаток: от точности монтажа зависит погрешность  измерений. Так при небольшом  смещении датчика ухудшение точности наблюдается на 1 – 2 %, а при большем  смещении погрешность увеличивается  до 30 %. Также существует зависимость  погрешности измерений от диаметра трубопровода и его длины. Непредсказуемость  поведения накладных датчиков в  условиях эксплуатации приводит к выводу в пользу выбора врезных датчиков. 

   Расмотрим конструкции ультразвуковых расходомеров, следующих фирм Днепр-7, Гобой-1, SONOFLO, Взлет-МР.

Днепр-7

   Доплеровский  ультразвуковой расходомер-счетчик  Днепр-7 является прибором общепромышленного  назначения с широким диапазоном контролируемых сред с накладным  монтажом датчиков.

   Расходомер-счетчик  ультразвуковой Днепр-7 предназначен для  технологических и коммерческих измерений, контроля и учета объемного  расхода, количества жидкости и насыщенного  водяного пара в системах холодного, горячего водоснабжения, теплоснабжения и водоотведения.

   Расходомер-счетчик  ультразвуковой Днепр-7 может применяться  на объектах ЖКХ, в химической, нефтедобывающей, металлургической, целлюлозобумажной, пищевой, и в других отраслях промышленности, так же на энергетических объектах ТЭЦ, АЭС.

   Контролируемая  среда:

- Вода: артезианская, чистая питьевая, сточная, горячая сиаманская, речная, c примесями, аэрированная и т.д.

- Жидкости: кислоты, ацетоны, щелочи, растворы коагулянтов, спирты и их растворы и т.д.

- Насыщенный водяной пар при температуре от 100 до 200 °С.

   При индивидуальной градуировке возможна работа на мазуте и воздухе.

   Расходомер  может применяться на металлических (в том числе и гуммированных), керамических и железобетонных, заполненных  и незаполненных (самотечных) трубопроводах.