8.3.4. Ультразвуковые расходомеры

В ультразвуковом расходомере на пьезоэлементе используется волна частотой от 100 кГц до 20 МГц, проходящая через измеряемый поток жидкости или газа. При этом регистрируются изменения параметров сигнала, вызываемые потоком. Основной элемент – электроакустический преобразователь (ЭАП), который работает в качестве передатчика и приёмника поочередно. Он может устанавливаться как в непосредственном контакте со средой, так и на стенке трубы (накладные расходомеры). Существуют два основных типа измерения: времяимпульсный и доплеровский. Времяимпульсное измерение (рис. 8.17, а) основано на разности прохождения ультразвукового сигнала по потоку и против потока.

а б

Р и с. 8.17. Типы ультразвукового измерения расхода газа (жидкости): а – времяимпульсное измерение; б – доплеровское измерение

Пусть ультразвук распространяется под углом  к стенкам трубы в осевом сечении, скорость его равна v₀ и расстояние между электроакустическими преобразователями ЭАП1 и ЭАП2 равно l. Тогда при появлении потока со скоростью V разница между временем прохождения сигнала в разные стороны составляет

^(8.33)

где .

Измерение разности времен, проводимое в интервалах времени, измеряемых микросекундами, позволяет вычислить скорость потока. Если сложить времена прохождения сигнала в разных направлениях, то можно вычислить скорость ультразвука в среде. Скорость звука зависит от температуры, давления и состава газа. Его измерение даёт возможность контролировать стабильность характеристик потока, увеличивая точность измерения.

В результате простых математических преобразований получается следующая формула для определения расхода жидкости, протекающей относительно мест установки ЭАП:

, (8.34)

где Ду – диаметр трубопровода на месте установки ЭАП; k_к –программируемый коэффициент коррекции.

Доплеровское измерение (рис. 8.17, б) использует эффект изменения частоты волны при её отражении от движущегося объекта. В случае потока газа или жидкости отражающими объектами служат примеси или участки с измененной плотностью (пузырьки воздуха). Приёмник ЭАП2 и передатчик ЭАП1 образуют измерительный луч. Если луч распространяется в потоке под углом  со скоростью v₀ и частотой f₀ , то при отражении звука от частиц примесей, находящихся в потоке скорости V, частота звука изменяется: если поток движется навстречу лучу, то частота увеличивается, если против луча – уменьшается в соответствии с формулой

. (8.35)

Измерение частоты отражённого сигнала позволяет вычислить скорость потока. Если при времяимпульсном измерении наличие инородных частиц и пузырьков нежелательно, так как они рассеивают измерительный луч, то доплеровский тип, наоборот, требует наличия примесей и пузырьков. Некоторые современные расходомеры совмещают в себе оба типа измерения, расширяя, таким образом, диапазон применения.

В большинстве ультразвуковых расходомеров реализовано несколько измерительных лучей (до восьми). Многолучевое измерение потока даёт возможность в ВИП корректировать показания, а также проводить самодиагностику. При сильном рассогласовании показаний между измерительными лучами в ВИП вырабатывается сигнал о выходе за пределы заданной точности.

Существенными достоинствами ультразвуковых расходомеров являются: отсутствие потерь давления в результате измерения; высокая надёжность вследствие отсутствия движущихся механических частей; способность работы на трубах большого диаметра без нарушения целостности трубы и рабочего процесса.