3. Ультразвуковые измерители скорости и расхода

Среди бесконтактных методов измерения объемного расхода наиболее широко используются ультразвуковые измерители расхода и скорости. Эти преобразователи основаны на методе измерения скорости ультразвуковых колебаний в двигающейся среде, которая равна векторной сумме скорости среды и скорости звука в данной неподвижной среде, которая известна. Если ультразвуковые колебания распространяются в неподвижной среде со скоростью a, то в той же среде, движущейся со скоростью , они будут распространяться в направлении движения потока со скоростью , а против потока – со скоростью , где – угол между направлениями потока и ультразвукового излучения. Время прохождения ультразвукового излучения (импульса) от излучателя до приемника, расположенных друг от друга на расстоянии L, называемом базой, равно:

– в направлении, совпадающим с направлением потока вещества

; (17)

– в направлении, противоположном направлению потока вещества

. (18)

Существует несколько разновидностей ультразвукового метода измерения объемного расхода: времяимпульсный, частотно-импульс-ный доплеровский (рис. 6), фазовый (рис. 7) и метод на основе измерения интенсивности сноса (рис. 8) ультразвуковых колебаний (УЗК) движущимся потоком вещества. Ультразвуковые методы в основном применяются для измерения расхода жидких сред. Для уменьшения нестабильности скорости звука от изменения температуры, плотности, давления и других факторов используются двухканальные расходомеры, включенные по дифференциальной схеме.

Рис. 6. Структурная схема УЗ–расходомера с использованием эффекта Доплера: 1 – излучающий электроакустический излучатель; 2 – приемный акустоэлектронный преобразователь; 3 – диаграмма направленности электроакустического излучателя; 4 – генератор; 5 – усилитель; 6 – смеситель; 7 – фильтр низкой частоты;

8 – частотомер.

На основе фазового метода созданы устройства для измерения расхода природного газа в диапазоне с основной погрешностью измерения 0,4%. Всем ультразвуковым методам измерения расхода присуща методическая гидродинамическая погрешность, обусловленная отличием измеряемой этим методом скорости движения среды, осредненной по пути излучателя до приемника ультразвуковых колебаний, от скорости, осредненной по площади сечения трубопровода. Эта погрешность зависит от структуры потока, которая определяется рядом факторов, например, шероховатостью трубопровода, физико-химическими свойствами перемещающейся среды и др. Указанная погрешность может быть уменьшена либо соответствующим выбором размеров ультразвукового канала и трубопровода с учетом его шероховатости, либо введением соответствующих конструктивных элементов, обеспечивающих выравнивание эпюры скоростей на длине базового расстояния .

В последнее время ультразвуковые преобразователи нашли также применение и для непосредственного измерения массового расхода. Действительно, массовый расход контролируемой среды можно определить по формуле

(19)

где k – коэффициент пропорциональности, M – число Маха-Маевского ( );  – плотность измеряемой среды.

Рис. 7. Фазовый расходомер: 1 – излучатель; 2 – приемник; 3 – генератор стандартных сигналов; 4 – фазометр; 5 – индикатор.

Следовательно, одним из возможных путей определения массового расхода является непрерывное измерение числа Маха и акустического сопротивления измеряемой среды с последующим умножением результатов измерений [34]. Измерение числа Маха может осуществляться несколькими способами: по сносу ультразвуковых колебаний, по величине доплеровского смещения частоты и др. В ультразвуковых расходомерах с частотным выходным сигналом удобно вычислять число Маха как произведение:

(20)

где – коэффициент пропорциональности.

Значение скорости звука определяется суммой выходных частот “ синхроколец” [2]

(21)

где – коэффициент пропорциональности.

Рис. 8. Ультразвуковой расходомер со сносом ультразвуковых колебаний: 1 – источник ультразвуковых колебаний; 2 – генератор; 3 –приемник ультразвуковых колебаний; 4 – дифференциальный преобразователь.

Во временных и фазовых схемах удобно использовать другой алгоритм вычисления:

(22)

где – коэффициент пропорциональности.

Для непосредственного измерения акустического сопротивления контролируемой среды можно использовать ячейку [34-36], выполненную из титановой гильзы с коническим дном, которая заглушена пьезоэлементом так, что между дном гильзы и поверхностью пьезоэлемента образуется волновод цилиндрической формы, а акустическая волна распространяется как по стенке гильзы, так и по волноводу. Часто энергия ультразвуковых колебаний отражается от свободного торца волновода и вновь воспринимается пьезоэлементом в виде "сухого импульса", амплитуда которого практически не зависит от внешних факторов и определяется отношением акустических сопротивлений титана и воздуха. Другая часть энергии зондирующего импульса распространяется в стенках гильзы и, достигая контролируемую среду, отражается и образует на пьезоэлементе “влажный” приемный импульс. Измеряя отношение амплитуд "сухого” и “влажного” импульсов, находят значение акустического сопротивления измеряемой среды.

Рис. 9. Ультразвуковой расходомер со сносом ультразвуковых колебаний: 1 – генератор; 2 – излучающий электроакустический преобразователь; 3 – приемный акустоэлектрический преобразователь; 4 – усилитель; 5 – детектор; 6 – индикатор; 7 – доплеровский пьезопреобразователь; 8 – генератор возбуждения импульсов; 9 – арифметическое устройство.

В схемах сноса ультразвуковых колебаний для измерения массового расхода необходимо учесть, что напряжение на излучающем пьезопреобразователе при его питании через индуктивность пропорционально акустическому сопротивлению среды. Производя перемножение измеряемого на излучателе напряжения и выходного напряжения схемы сравнения, получают сигнал, пропорциональный массовому расходу.

Рис. 10. Одноканальный импульсный расходомер: 1 – излучатели; 2 – генератор; 3 – усилитель-формирователь; 4 – управляемый клапан; 5 – измеритель временных интервалов.

Если в подобной схеме измерения использовать сужающее устройство, то возникает необходимость еще в одной вычислительной операции – извлечение квадратного корня из произведения двух сигналов. Действительно, сигнал плотномера , умноженный на дает , а выходной сигнал расходомера будет равен . К недостаткам массовых расходомеров подобных схем относятся: некоторая сложность средств вторичной обработки выходных сигналов, инерционность за счет времени обработки (для электромеханических вычислительных устройств) и инерционность плотномера, а также то, что датчики плотности  и объемного расхода часто расположены в различных сечениях трубопровода.

Физические основы и функция преобразования ультра звуковых

преобразователей скорости расхода вещества

В основе работы ультразвуковых преобразователей (УЗП) скорости и расхода вещества положены три базовых процесса:

• активное воздействие УЗК на вещество, приводящее к изменениям его физико-химических свойств;

• передача и обработка сигналов с помощью УЗК;

• получение информации с помощью УЗК.

Интенсивность УЗК в УЗ преобразователях расхода находится в пределах 0,1-1,0 Вт/см² в частотном диапазоне 20-150 кГц.

Явления кавитации и дегазации жидкостей при воздействии УЗК или других факторов могут быть использованы для создания контрольных меток в измеряемой среде. В качестве источника возмущений жидкостей используется кавитационный УЗ излучатель. Кавитационные полости образуются в фазах разряжения УЗ импульса, они заполнены паровоздушной смесью и обладают ограниченной акустической прозрачностью. Эти цели способствуют также проходящий одновременно процесс дегазации жидкости.

Созданная кавитационная метка переносится потоком жидкости и фиксируется в конце мерного участка. Прохождение контрольной меткой мерного участка сопровождается модуляцией УЗК, регистрируемой приемным преобразователем. Регистратором прохождения метки служит акустопара (принимающий и излучающий) электроакустической пары (ЭАП), работающий в непрерывном режиме. Оси ЭАП располагаются перпендикулярно вектору средней скорости потока. Измерение расхода в описанном устройстве сводится к измерению времени между моментом возбуждения кавитационного излучения и началом модуляций УЗ колебаний на приемном преобразователе.

Размеры кавитационной области и паровоздушных полостей определяются с одной стороны требуемой глубиной модуляции УЗК, а с другой – гидродинамической пассивностью метки.

К преимуществам УЗК метки относятся возможность практически мгновенного ее введения (задержка не превышает десятков микросекунд) в измеряемую среду, а также простота ее формирования в заданной точке сечения трубопровода.

Существует метод измерения скорости на основе наличия в потоках вещества турбулентных пульсаций. В таких УЗ преобразователях приемник УЗП представляет пассивное устройство, воспринимающее изменения акустического давления p_ак у его поверхности, которое обусловлено турбулентными пульсациями в потоке.

Электрический шум (шумовой сигнал) на выходе УЗП имеет постоянную составляющую, знак которой зависит от направления, а величина – от скорости (расхода) потока вещества.

На принципе «шумового адаптера» реализуются регистраторы наличия потока, от которых не требуется высокой точности измерения, а также сигнализаторы расхода. Известны регистраторы морских течений серий 560-SSD и 561-SSDX, созданные фирмой Oceaniagrahy international, погрешность .

На рис. 5 показана структурная схема УЗП расхода и скорости вещества, реализованного на эффекте Доплера. Работа этого преобразователя происходит следующим образом. Электроакустический излучатель (ЭАИ) – 1, возбуждаемый генератором 2 синусоидальных напряжений формирует УЗ колебания с частотой f₀, которое, взаимодействуя с потоком измеряемой среды (ПИС), рассеивается на ее неоднородностях, которыми могут служить пузырьки нерастворенного газа, механические включения и даже турбулентные возмущения ПИС.

Перемещающиеся вместе с ПИС рассеиватели можно рассматривать как вторичные источники УЗК с частотой

. (23)

Вторичные УЗК, возникающие в области 3 (рис. 6), достигают акустоэлектрического приемника (АЭП)-2 и воспринимаются с частотой

. (24)

Доплеровский сдвиг (или центральная частота доплеровского спектра) определяется разностью

. (25)

Если учесть, что объемный расход G_V через измерительный канал круглого сечения D связан со средней скоростью потока в облучаемой области соотношением, то выражение для определения скорости будет иметь вид

, (26)

где m – коэффициент, учитывающий несовпадение V_ср ПИС со скоростью рассеивателя (скорость локального фрагмента ПИС, облучаемый ЭАП).

А выражение (25) примет вид

. (27)

В практических схемах доплеровских УЗ-преобразователях расхода существенное влияние на результат измерения оказывает «размытие» доплеровского сдвига из-за расхождения диаграммы направленности (ДН) УЗК на величину . Вследствие этого возникает различие проекций скорости УЗК (вторичных источников) на границах облученной области ПИС, выходной сигнал будет содержать спектр частот от до .

Ширина доплеровского спектра будет вычисляться по формуле

. (28)

После преобразования получим

. (29)

Отсюда следует, что ширина f_d пропорциональна угловой ширине диаграммы направленности.

Увеличение диапазона выходной частоты УЗ генератора за счет "размытия" спектра требует расширения полосы прозрачности ФНЧ, что в результате приводит к ухудшению помехоустойчивости.

К методическим погрешностям доплеровских УЗП расхода и скорости, в первую очередь, относятся:

• сильная зависимость результатов измерений от изменений скорости УЗК;

• неравномерность рассеивателей в облучаемом объеме измеряемого потока вещества;

• нарушение условия гидродинамической пассивности рассеивателей (т.е. совпадения скорости рассеивателей со скоростью ПИС) приводит к существенной случайной погрешности;

• малый КПД преобразования (т.е. отношения энергии отраженных УЗК к возбужденной) требует больших мощностей возбуждения;

• чувствительность УЗ-преобразователей расхода и скорости к обрастанию внутренних поверхностей трубопровода фракциями ПИС, выпадающими в осадок;

• сильная зависимость показаний УЗ-преобразователей расхода и скорости доплеровского типа от характера профиля скоростей, т.к. этот тип УЗ-преобразователей относится к измерительным преобразователями с пространственным осреднением

( т.е. к интегрирующим преобразователям).

На рис. 8 показан вариант УЗ-преобразователя расхода и скорости, основанный на регистрации сноса УЗК. Работа этого УЗ-преобразователя расхода и скорости происходит следующим образом. С появлением ПИС скорость звука c и осредненная по длине ультразвукового луча скорость потока V геометрически суммируются и направление распространения ультразвукового луча (УЗЛ) отклоняются от начального на угол , величина которого определяется соотношением

. (30)

Для увеличения чувствительности этого типа УЗ-преобразователя расхода и скорости увеличивают длину УЗЛ в пределах его взаимодействия с измеряемой средой. Это достигается путем использования эффекта многократного отражения УЗК от внутренней поверхности измерительного участка трубопровода, прежде чем они попадут на приемник УЗК. В этом случае снос луча у лицевой поверхности приемного преобразователя выражается формулой

, (31)

где D – внутренний диаметр трубопровода; N – число отражений УЗК.

Отношение изменения интенсивностей УЗК на приемных пьезоэлементах I к начальной интенсивности I₀ в неподвижной среде можно считать пропорциональным отношению сноса к средней ширине УЗ луча на приемном преобразователе, т.е.

. (32)

Область применения УЗ-преобразователя расхода и скорости: металлургия; нефтехимия; пищевая промышленность.

Достоинства УЗ–преобразователя расхода и скорости:

• отсутствие потерь давления на первичном преобразователе;

• высокое быстродействие (возможность измерения пульсирующего потока с высокой частотой f пульсации);

• возможность работать с жидкостью любой вязкости;

• возможность работать на криогенных и неэлектрических жидкостях.

Недостатки УЗ-преобразователя расхода и скорости:

• зависимость скорости УЗК от физико-химических свойств жидкости;

• зависимость результата измерений от V _ср (осреднение скорости по длине акустического луча, а не по сечению трубы);

• скорость УЗК много больше скорости измеряемой среды (на 2-3 порядка), что обуславливает малое изменение информативного сигнала;

• наличие значительного коэффициента скорости УЗК _с=(2-5) (м/с)/С.

Функция преобразования УЗ-преобразователя расхода

и скорости обеспечивается путем:

• реализации заданного алгоритма функционирования УЗ генератора, а также посредством возбуждения излучения и приема УЗК;

• усиление электрического сигнала приемника УЗП;

• наглядное представление информации о расходе.