8.3.4. Ультразвуковые расходомеры
Ультразвуковой (частота выше 20 КГц) метод измерения расхода основан на явлении смещения звукового колебания движущейся жидкой или газообразной средой. Измерение расхода, в основном, осуществляется пу
тем косвенных измерений следующих величин:
- разности времен Δt (времяимпульсный метод) прохождения ультра-
звуковых импульсов по потоку и против него;
- разности фаз Δϕ (фазовый метод) между ультразвуковыми колеба-
ниями, распространяющимися по потоку и против него;
- разности частот Δf (частотный метод) двух автогенераторов, в качестве элемента обратной связи которых используется контролируемая среда.
Рис. 63. Схема ультразвукового расходомера |
Современные расходомеры, как правило, реализуют времяимпульсный метод. На рис.63 представлена принципиальная схема измерения
расхода ультразвуковым расходомером, использующим времяимпульсный
метод.
Расходомер включает в себя два (рис.63, а) или четыре (рис.63, б)
электроакустических приемопередающих преобразователя А (А') и B (B'),
монтируемых с внешней стороны трубопровода. Преобразователи работа-
ют как в режиме источника ультразвукового сигнала, так и в режиме при-
емника. Расстояние между преобразователями равно L.
Если ультразвуковые колебания распространяются по направлению
скорости потока v, то они проходят расстояние L за время
|
где а - скорость звука в данной среде.
При распространении колебаний против скорости потока
|
Отношение v/a весьма мало по сравнению с единицей (для жидко-
стей а ≈ 1000÷1500 м/сек, v ≈ 3÷4 м/сек), поэтому с большой степенью
точности можно принять:
|
В ультразвуковых расходомерах фиксируется разность времени
Δt = tВА – tАВ.
Из вышеприведенных уравнений получаем:
|
Эта разность времен прохождения импульсов по потоку и против потока является мерой расхода.
Ультразвуковые расходомеры предназначены для измерения расхода
почти всех продуктов, будь то жидкости или газы, агрессивные или корро-
зионные. Единственным условием является отсутствие в потоке большого
количества твердых и газовых включений.
Измерение не зависит от электропроводности, вязкости, температуры, плотности и давления среды. Полнопроходное сечение исключает накопление отложений, потери давления и износ.
8.3.5. Вихревые и вихреакустические расходомеры
Принцип действия этих расходомеров основан на явлении, носящим
название «эффект Кармана», согласно которому при обтекании непод-
вижного твердого тела потоком жидкости за телом образуется вихревая дорожка, состоящая из вихрей, поочередно срывающихся с противоположных сторон тела. На рис.64 показано обтекание цилиндра потоком и об разование вихрей.
Рис. 64. Схема образования вихрей |
Частота образования вихрей за телом пропорциональна скорости потока.
Детектирование вихрей и определение частоты их образования позволяет определить скорость и объемный расход среды.
В зависимости от способа детектирования частоты вихрей различают
вихревые и вихреакустические расходомеры.
В вихревых расходомерах определение частоты вихреобразования
производится при помощи двух пьезодатчиков, фиксирующих пульсации
давления в зоне вихреобразования ("съем сигнала по пульсациям давле
ния").
Конструктивно датчик представляет собой моноблок, состоящий из
корпуса проточной части и электронного блока. В корпусе проточной час-
ти датчика размещены первичные преобразователи объемного расхода, из-
быточного давления и температуры (рис.65).
Рис. 65. Вихревой расходомер |
Электронный блок представляет собой плату цифровой обработки
сигналов первичных преобразователей, заключенную в корпус. На входе в
проточную часть датчика установлено тело обтекания 1.
За телом обтекания, по направлению потока газа, симметрично расположены два пьезоэлектрических преобразователя пульсаций давления 2.
При протекании потока газа (пара) через проточную часть датчика за те-
лом обтекания образуется вихревая дорожка, частота следования вихрей в
которой с высокой точностью пропорциональна скорости потока, а, следо-
вательно, и расходу. В свою очередь, вихреобразование приводит к появ-
лению за телом обтекания пульсаций давления среды. Частота пульсаций
давления идентична частоте вихреобразования и, в данном случае, служит
мерой расхода. Пульсации давления воспринимаются пьезоэлектрически-
ми преобразователями, сигналы с которых в форме электрических колеба-
ний поступают на плату цифровой обработки, где происходит вычисление
объемного расхода и объема газа при рабочих условиях и формирование
выходных сигналов по данным параметрам в виде цифрового кода.
Преобразователь избыточного давления 3 тензорезистивного прин-
ципа действия размещен перед телом обтекания вблизи места его крепле-
ния. Он осуществляет преобразование значения избыточного давления по-
тока в трубопроводе в электрический сигнал, который с выхода мостовой
схемы преобразователя поступает на плату цифровой обработки. Термопреобразователь сопротивления платиновый (ТСП) 4 размещен внутри тела обтекания. Для обеспечения непосредственного контакта ТСП со средой в теле обтекания выполнены отверстия 5. Электрический сигнал термопреобразователя также подвергается цифровой обработке.
Плата цифровой обработки 6, содержащая два микропроцессора,
производит обработку сигналов преобразователей пульсаций давления,
избыточного давления и температуры, в ходе которой обеспечивается
фильтрация паразитных составляющих, обусловленных влиянием
вибрации, флуктуаций давления и температуры потока, и происходит
формирование выходных сигналов многопараметрического датчика по
расходу, объему при рабочих условиях, давлению и температуре в виде цифрового кода. Выходные сигналы передаются на вычислитель 7.
В вихреакустических расходомерах (рис.66) в качестве тела обтекания применяется призма трапецеидального сечения, а детектирование вихрей производится с помощью ультразвуковых преобразователей.
Расходомер состоит из проточной части и электронного блока. В корпусе проточной части расположены тело обтекания – призма трапецеидальной формы 1, пьезоизлучатели (ПИ) 2, пьезоприемники (ПП) 3 и термодатчик 7.
Рис. 66. Вихреакустический расходомер |
Электронный блок включает в себя генератор 4, фазовый детектор 5,
микропроцессорный фильтр с блоком формирования выходных сигналов 6. Тело обтекания расположено на входе жидкости в проточную часть. При обтекании этого тела потоком жидкости за ним образуется вихревая дорожка, частота следования вихрей в которой с высокой точностью пропорциональна расходу.
За телом обтекания в корпусе проточной части расположены диа-
метрально противоположно друг другу стаканчики, в которых собраны
ультразвуковой пьезоизлучатель ПИ и пьезоприемник ПП. На ПИ от гене-
ратора подается переменное напряжение, которое преобразуется в ультра-
звуковые колебания. Пройдя через поток, эти колебания в результате взаи-
модействия с вихрями оказываются модулированными по фазе. На ПП
ультразвуковые колебания преобразуются в электрические и подаются на
фазовый детектор. На фазовом детекторе определяется разность фаз между
сигналами с ПП и опорного генератора. На выходе фазового детектора об-
разуется напряжение, которое по частоте и амплитуде соответствует интенсивности и частоте следования вихрей, которая в силу пропорциональности скорости потока является мерой расхода.
Вихреакустические расходомеры применяются в чистых жидкостях с
низкой вязкостью без завихрений, которые движутся со средней или высо-
кой скоростью. В потоке не должно быть завихрений, поскольку они могут
повлиять на точность измерений. Любая эрозия, коррозия или отложения,
которые могут изменить форму плохо обтекаемого тела могут повлиять на
калибровку расходомера, и поэтому идеальные условия предусматривают
чистые жидкости.