8.7. Ультразвуковые расходомеры

Действие ультразвуковых расходомеров основано на зависимости от расхода вещества разности времен прохождения ультразвуковых сигналов по потоку вещества и против него. Измеряется время прохождения ультразвукового сигнала от одного излучателя до приемника по направлению течения вещества (например, жидкости), так и против его течения. Разница во времени прохождения ультразвукового сигнала будет прямо пропорциональна скорости потока вещества, а знак этой разности покажет направление потока.

В трубопроводе на его внешней поверхности устанавливаются два первичных измерительных преобразователя-излучателя ультразвуковых колебаний и два их приемника (частота ультразвуковых колебаний составляет 1...3 МГц). При скорости ультразвука с длительность прохождения импульса в неподвижной жидкости, находящейся в трубопроводе, составит

где — расстояние между излучателями и приемниками ультразвуковых колебаний.

При перемещении жидкости со скоростью v время прохождения ультразвука по направлению потока и навстречу ему равно:

откуда разность времен прохождения импульсов по потоку и против потока, учитывая, что

(5.104)

Рис. 94. Двухканальная схема ультразвукового преобразователя:

/ — излучающий пьезоэлемент; 2 — приемные пьезоэлементы

Основными элементами преобразователей являются пьезоэлементы, преобразующие переменное электрическое напряжение в ультразвуковые колебания среды. Часто применяются кольцевые пьезопреобразователи, создающие не направленное, а сферическое излучение. Может быть реализована одноканальная схема ультразвукового преобразователя, в которой каждый из двух пьезоэлементов по очереди излучает и принимает акустические колебания. На рис. 5.94 представлена двухканальная схема ультразвукового преобразователя, на которой средний пьезоэлемент является излучающим, а два крайних — приемными.

Замечание

Существуют различные способы измерения очень малого значения разности времен, например фазовый, при котором измеряется разность фазовых сдвигов акустических колебаний, направляемых по потоку и против него (фазовые расходомеры), или частотный, при котором измеряется разность частот повторения коротких импульсов (или пакетов) акустических колебаний, направляемых по потоку и против него (частотные расходомеры).

Ультразвуковые расходомеры обычно измеряют среднюю по диаметру, а не среднюю по сечению трубопровода скорость потока (в силу чего предъявляются высокие требования к длинам прямых участков перед расходомерами).

Как правило, ультразвуковые расходомеры измеряют объемный расход.

Достоинства: ультразвуковые расходомеры не создают препятствий для потока, и, как следствие этого, падения давления в трубопроводе малы (минимальные потери давления); не имеют движущихся частей; обладают возможностью достижения высокой точности измерений и высоким быстродействием. Важное преимущество преобразователей с внешними пьезоэлементами — это отсутствие контакта с измеряемым веществом и сохранение целостности трубопровода.

Недостатки: методические ограничения (влияние пузырьков, механических частиц, приводящих к возможности засора излучателя и приемника, находящихся внутри трубопровода). Для преобразователей с внешними пьезоэлементами трубопровод создает повышенный уровень паразитных сигналов и помех, вызванных прохождением акустических колебаний по стенке трубопровода, что снижает чувствительность преобразователей.

Основные источники погрешностей: неправильный учет влияния профиля скорости; изменение скорости ультразвука в измеряемой среде; паразитные акустические сигналы; асимметрия электронно-акустических каналов.

Основные погрешности, %: 1...5.

Применение: для больших диапазонов измерения расхода незагрязненного газа.

Замечание

В процессе эксплуатации ультразвуковых расходомеров необходимо систематически проверять электрическое сопротивление изоляции цепи питания преобразователя и соотношение «сигнал/шум» входного сигнала. Снижение этого сигнала свидетельствует либо об ухудшении характеристик расходомера, либо о загрязнении отверстий излучателя и приемника.