1081

жидкостей, от сверхчистых до многофазных (газо-, водонефтяные смеси, сточные воды, суспензии). Во всех расходомерах компании Panametrics используется технология автоматической следящей коррекции при изменении скорости потока, скорости звука в среде вследствие температурного дрейфа или в случае изменения вещества в многопродуктовых трубопроводах.

Метод TransitTime.

Время - проходной ультразвуковой метод основан принципе разности времен прохождения ультразвукового сигнала по направлению потока и против него и рассмотрен выше (рис. 5.7, 5,11). Зондирующий метод также рассмотрен выше (рис.5.9).

На российском рынке можно приобрести ультразвуковые расходомеры 1010 фирмы CONTROLOТRON (портативные и стационарные, накладные и врезные).

В этих приборах также реализованы два способа измерения:

Во времени прохождения(корреляционный метод);

На основе эффекта Доплера (разное время прохождения ультразвука по потоку и против).

Высокие технические характеристики расходомера 1010 фирмы Controlotron обеспечиваются разработанной системой Auto Mark для цифровой маркировки импульсов. Отметчик импульсов гарантирует точное измерение разности времени прохождения ультразвука в одном и

314

противоположном направлении даже в условиях сильной турбулентности и аэрации. Так же он обеспечивает точное определение плотности жидкости по ее акустическим свойствам для расходометрирования по массе. Датчики для системы 1010 специально разработаны широкополосными, чтобы перекрывать большой диапазон частот и обеспечивать оптимальную работу в широком диапазоне диаметров труб и толщин стенки. Ультразвук излучается широким лучом, что позволяет успешно работать даже с жидкостями, сильно меняющими свои акустические свойства.

Это позволяет иметь расходомеры:

–для практически любых жидкостей: составы на водной основе; сырая нефть и нефтепродукты; сжиженный газ; продукты питания; кислоты и опасные химикалии; бумажная масса; взвесь угля и песка; теплопередающие растворы; неочищенные сточные воды;

–для труб из любых звукопроводящих материалов: сталь; чугун; медь; алюминий; титан; пластмасса; стекло; тефлон;.

–для труб с внешним диаметром трубы от 6,3 мм до 9 м при толщине стенки трубы от 0,5 до 76 мм;

–для труб с облицовкой внутренней поверхности трубы любым звукопроводящим материалом толщиной до 25 мм;

–с диапазоном измерения скорости потока от 0 до 12 м/с (в обоих направлениях);

–с собственной погрешностью не более 2 %; при калибровке: не более 0,15 %.

Ультразвуковые расходомеры имеют и недостатки и достоинст-

ва.

Недостатки ультразвуковых расходомеров:

–зависимость показаний от профиля скоростей, который изменяется с изменением расхода, погрешность увеличивается при искаженном профиле скоростей из-за наличия, например, вблизи преобразователя местных сопротивлений, отсюда вытекает необходимость прямых участков трубы до и после расходомеров;

–влияние на показания прибора изменения физико-химических свойств контролируемой среды и ее температуры, влияющих, в свою очередь, на скорость ультразвука c;

–критичность к отложениям на поверхности трубы. Достоинства ультразвуковых расходомеров:

315

–возможность использования на трубопроводах различных диаметров (от 10 мм до 10 м);

–возможность бесконтактного измерения расхода любых сред,

втом числе и неэлектропроводных;

–отсутствие элементов, препятствующих потоку;

–широкий диапазон (Д = 50÷1) и более;

–защищенность от электромагнитных, магнитных и электрических полей.

Основная погрешность ультразвуковых расходомеров без кор-

рекции на скорость звука находится в пределах ±(2 4) %. Одноканальные расходомеры с коррекцией на скорость звука позволяют снизить эту погрешность до ±1 %. В отдельных разработках основная погрешность не превышает ±0,15 %.

9.4.5.Вихревые расходомеры

Ввихревых расходомерах используется гидродинамическое явление – образование вихрей при обтекании жидкостью препятствия. Если в поток помещено препятствие (плохообтекаемое тело), отдельные слои жидкости отрываются от тела и свертываются в вихри (рис. 9.11), образуя зоны низкого давления за препятствием. Подобную картину «срывающих» вихрей можно наблюдать на порожистой реке при обтекании потоком камней или у флага, колеблющегося на ветру. Частота следования вихрей прямо пропорциональна скорости потока. Если в качестве препятствия используется поперечно расположенный цилиндр (рис. 9.11, а), то зависимость между частотой образования вихрей и скоростью потока имеет вид

где k – коэффициент, который в относительно широком диапазоне его значений не зависит от числа Рейнольдса; d – диаметр цилиндра.

При образовании вихря у одной стороны плохообтекаемого тела скорость потока увеличивается, а давление падает, а у противоположной стороны скорость падает, а давление возрастает. Это создает

316

перепад давлений, который меняет свой знак при создании вихря у противоположной стороны тела. При этом перераспределение давлений и скоростей вокруг тела происходит с частотой образования вихрей, которая пропорциональна расходу. Для определения частоты образований вихрей можно использовать датчик давления или нагреваемый током терморезистор (рис. 9.11, б), частота изменения, сопротивления которого является информативным параметром, пропорциональным измеряемому расходу.

Рис. 9.11. Схема образования вихрей: а – обтекание цилиндрического тела; б – определение частоты вихрей с помощью терморезистора

317

Из проточной части извлекается тело обтекания и производится измерение его характерного профиля.

Таким образом, вихревой метод имеет достоинства:

–широкий диапазон (Д = 50:1) и более;

–беспроливной метод поверки; недостатки:

–увеличивается сопротивление магистрали;

–нужен прямолинейный участок (десятки Ду до и после участка).

9.4.6. Вихреакустические расходомеры

Принцип действия преобразователя основан на ультразвуковом детектировании вихрей, образующихся в потоке жидкости при обтекании ею призмы, расположенной поперек потока.

9.12. Схема проточной части расходомера «Метран 300 ПР»

Преобразователь «Метран 300 ПР» состоит из проточной части и электронного блока. В корпусе проточной части расположены: те-

319

ло обтекания – призма трапецеидальной формы 1, пьезоизлучатели ПИ1 и ПИ2 – 2, пьезоприемники ПП1 и ПП2 – 3 и термодатчик 7.

Электронный блок включает в себя генератор 4, фазовый детектор 5, микропроцессорный адаптивный фильтр с блоком формирования выходных сигналов 6, собранные на двух печатных платах: приемника и цифровой обработки.

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 диаметрально противоположно друг другу две пары стаканчиков, в которых собраны ультразвуковые пьезоизлучатели ПИ1, ПИ2 и пьезоприемники ПП1, ПП2. На ПИ1 и ПИ2 от генератора подается переменное напряжение, которое преобразуется в ультразвуковые колебания. Пройдя через поток, эти колебания в результате взаимодействия с вихрями оказываются модулированными по фазе. На ПП1

иПП2 ультразвуковые колебания преобразуются в электрические

иподаются на фазовый детектор.

Две пары пьезоэлементов «излучатель – приемник» обеспечивают компенсацию влияния паразитных факторов (вибрация трубопровода, пульсация давления), возникающих в проточной части.

Для увеличения динамического диапазона преобразователя за счет измерения малых расходов, где характеристика преобразователя нелинейная и зависит от температуры теплоносителя, в проточную часть установлен термодатчик. Сигнал от него автоматически вводится в программу вычисления расхода в области малых его значений.

На фазовом детекторе определяется разность фаз между сигналами с приемников первой и второй пары. На выходе фазового детектора образуется напряжение, которое по частоте и амплитуде соответствует интенсивности и частоте следования вихрей, которая в силу пропорциональности скорости потока является мерой расхода.

Для фильтрации случайных составляющих сигнал с фазового детектора подается на микропроцессорный адаптивный фильтр и затем в блок формирования выходных сигналов. Для повышения достовер-

320