книги / Расходомеры и счетчики количества веществ. Расходомеры обтекания, силовые, тепловые, оптические, ионизационные, ядерно-магнитные, концентрационные, меточные, корреляционные, вихре

ных причин. Тем не ме­ нее точность измерения расхода ограничена малой чувствитель­

ностью самого метода. Так, при D = 100 мм, v=3 м/с и с = 1500 м/с получим х = 0,2 мм.

В связи с этим предложены расходомеры с многочисленным отражением акустических колебаний от стенок трубы. Колеба­ ния направляются не перпендикулярно к оси трубы, а образуют небольшой угол с ним (рис. 204). Путь ультразвукового луча при v = 0 изображен сплошной линией. В этом случае оба приемных пьезоэлемента получают одинаковое количество акустической энергии, и сигнал на выходе дифференциального усилителя УД отсутствует. Путь луча при появлении скорости v показан штриховой линией. Чем больше v, тем большее количество энер­ гии получает левый приемный пьезоэлемент по сравнению с пра­ вым и тем больший сигнал будет на выходе усилителя УД. От генератора Г сигналы поступают на излучатель 3 и комму­ татор Я. Вспомогательный пьезоэлемент, возбуждаемый на ре­ зонансной частоте, дает сигнал, пропорциональный акустичес­ кому сопротивлению измеряемого вещества рс. Этот сигнал через схему и детектор коррекции ДК поступает в вычислитель­ ное устройство ВУ. Здесь он умножается на основной сигнал, про­ порциональный v/Cj поступающий из усилителя УД через детек­ тор Д. Результирующий сигнал, пропорциональный ф , т. е. мас­ совому расходу, измеряется прибором ИП. Чувствительность та­ кого расходомера достаточно высокая, но его показания зависят от состояния (коррозии и загрязнения) отражающих поверхнос­ тей трубы.

361

16.11. УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ ОСОБОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Ультразвуковой метод находит применение не только для из­ мерения расходов жидкости и газов, движущихся в трубопрово­ дах, но также для измерения скоростей и расходов этих веществ в открытых каналах и реках, в шахтных выработках и метеоро­ логических установках. Кроме того, имеются разработки пере­ носных расходомеров, предназначенных для установки снаружи трубопровода.

Переносные преобразователи расхода. На основании 6 (рис. 205) укреплены две обоймы 1 и 2 из оргстекла, уменьшающего пара­ зитные внутренние отражения. В каждой обойме установлены два пьезоэлемента 3 и 4 (схема двухканальная) из керамики ЦТС-19 под углом 45° к оси трубы, работающие на частоте 2,5 МГц. Пру­ жины 5 прижимают обе камеры к трубопроводу, причем нижняя может перемещаться вдоль оси последнего по направляющей 7 с помощью ходового винта. Переносной преобразователь предна­ значен для измерения расходов жидкости от 1 до 150 л/мин в трубах малого диаметра (6-25 мм). Расходомер работает по фазо­ вой схеме. Принятые сигналы при напряжении генератора 10 В равны 50-60 мВ при стальной трубе и 130-150 мВ при трубе из алюминиевого сплава. Напряжение помех при стальной трубе не более 1,5 мВ, а при алюминиевой — не более 5 мВ.

Расходомеры для открытых каналов и рек. С помощью пьезо­ элементов, укрепленных на стержнях и устанавливаемых у про­ тивоположных боковых стенок канала, можно измерять средние скорости на любой глубине канала и по ним вычислять объемный расход. В работе [65], где был применен одноканальный частот­ ный метод, была достигнута высокая точность измерения в от­ крытом канале. Приведенная погрешность была не более ±0,5 % .

Измерение расхода воздуха в шахтах. Имеются опыты приме­ нения ультразвукового метода для измерения расхода воздуха, подаваемого в шахты [6, 13]. Два пьезоэлемента, установленные

Рис. 205. Переносной ультразвуковой преобразователь рас­ хода

362

на одной стенке шахтной выработки, направляют акустические излучения небольшой частоты (16-17 кГц) в противоположные стороны. Приемные пьезоэлементы расположены на другой стен­ ке на больших (5-6 м) расстояниях от излучателей магнитострикционного типа.

Измерение скорости воздуха в метеорологических установках. Акустические методы измерения скорости воздуха все шире вне­ дряются в метеорологическую практику. Разрабатываются спе­ циальные конструкции преобразователей, предназначенные для применения в метеорологических установках. В одной из них пьезокерамическое радиально поляризованное кольцо создает ненаправленное излучение в плоскости, перпендикулярной к оси симметрии.

16.12. ПОГРЕШНОСТИ РАСХОДОМЕРОВ, ОСНОВАННЫХ НА ПЕРЕМЕЩЕНИИ АКУСТИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ

Перечислим основные источники погрешностей: неправильный учет влияния профиля скорости; изменение скорости ультразву­ ка в измеряемом веществе; паразитные акустические сигналы; асимметрия электронно-акустических каналов. Кроме этих ис­ точников, рассматриваемых далее, имеются еще погрешности, вносимые электронной схемой. Они зависят от характера схемы и должны оцениваться самостоятельно.

Неправильный учет профиля скоростей. Эта погрешность воз­ никает от неравенства средней скорости потока измеряемого ве­ щества средней скорости по пути перемещения акустических колебаний. Это неравенство учитывают поправочным коэффици­ ентом k9 определить точное значение которого затруднительно (см. ранее п. 16.4). Кроме того, в пределах шкалы прибора число Re изменяется, а при десятикратном его увеличении в турбулен­ тной области коэффициент k возрастает на 1,4 % . В переходной же области от ламинарного к турбулентному режиму изменение k еще более значительно. Поэтому, если при градуировке прибо­ ра принято постоянное значение k> соответствующее среднему или другому значению расхода, то при иных расходах возникает до­ полнительная погрешность измерения. При деформированных потоках истинное значение k особенно трудно определить. В этом случае следует применять преобразователи расхода, в которых акустические колебания направляются по четырем хордам (см. рис. 191), или же устанавливать сопло или конфузор, вы­ прямляющие эпюру скоростей.

Изменение скорости ультразвука. Скорость ультразвука с в жид­ костях и газах зависит от плотности последних, которая изменя­ ется с изменением температуры, давления и состава или содер­

363

жания (концентрации) отдельных компонентов. Для жидкостей скорость с практически зависит лишь от температуры и содержа­ ния. Для воды и водных растворов при невысоких температурах температурный коэффициент Ъ изменения с лежит в пределах (1^0-s-2,5)10—3 °С~1. При 74 °С он достигает максимума, а затем становится отрицательным. Для большинства органических жид­ костей Ь= -(2-5-5) 10-3 °С-1. Коэффициент изменения с от состава водных растворов обычно положителен и равен (0,8-г-1,5) 1(Г3 г/л.

Изменение скорости имеет существенное значение для фазо­ вых и времяимпульсных расходомеров, в уравнения измерения которых входит множитель с2. У них погрешность измерения расхода от изменения с может легко достичь 2-4 % и более, так как при изменении скорости на 1 % погрешность возрастает на 2 % . У расходомеров с излучением, перпендикулярным к оси тру­ бы, погрешность в два раза меньше, так как в формулу измере­ ния входит множитель с, а не с2. У частотных расходомеров из­ менение значения с очень мало сказывается на результатах изме­ рения.

Устранить влияние изменения скорости с на показания фазо­ вых и времяимпульсных расходомеров, а также расходомеров с излучением, перпендикулярным к оси трубы, можно, приме­ няя или соответствующие схемы коррекции, или же переходя на измерение массового расхода.

Впервом случае вводится дополнительный акустический ка­ нал, перпендикулярный к оси трубы. Для фазовых расходомеров соответствующая схема дана на рис. 201. При измерении массо­ вого расхода вводится дополнительный пьезоэлемент, служащий для измерения акустического сопротивления среды, пропорцио­ нального рс (см. рис. 202 и 204).

Впреобразователях с преломлением возможна [3] частичная

компенсация влияния с путем подбора материала звукопровода

иугла а его расположения в соответствии с формулой sin а=(с3/с) х

х(ft + &3)0,5/2Ь“0,5, где с3 — скорость звука в материале звукопро­

вода; bQ и Ь — температурные коэффициенты скоростей с3 и с. Компенсация происходит потому, что температурное воздействие измерения показателя преломления с/с3 на разность времен Ат в фа­ зовых и времяимпульсных расходомерах противонаправлено не­ посредственному воздействию на Ат изменения скорости с. Но при значительных изменениях температуры этот способ малоэф­ фективен из-за нестабильности температурных коэффициентов Ь и Ь3. Несколько большие возможности данный способ имеет при установке пьезоэлементов снаружи трубы и применении жид­ костных звукопроводов.

Паразитные акустические сигналы. Паразитные акустические сигналы могут иметь различное происхождение. При расположе­ нии пьезопреобразователей снаружи трубы часть акустической энергии отражается от поверхности раздела труба—жидкость

364

и распространяется в виде акустических колебаний в стенке тру­ бы. При этом образуются как продольные, так и поперечные вол­ ны. Последние могут достичь приемного пьезоэлемента раньше акустических колебаний, проходящих через жидкость. Для ис­ ключения этого предлагается помещать пьезоэлементы с разных сторон фланцевого соединения, снабженного неметаллической прокладкой. Изменение формы стенки трубы путем создания утол­ щений, выточек или отражателей также может препятствовать прохождению паразитных сигналов. Ряд рекомендаций по борь­ бе с этими сигналами, включающих оптимизацию частоты изме­ рительного сигнала и угла излучения материала активного эле­ мента, его диаметра и метода сочленения с трубой, подробно рас­ смотрены в работе [51].

Другой источник паразитных сигналов — возникновение ре­ верберационной волны в результате отражений ультразвука от границ жидкости с звукопроводами или пьезоэлементами. Основ­ ное значение имеет первый паразитный сигнал, приходящий на приемный пьезоэлемент после двукратного отражения сперва от приемного, а потом от излучающего элемента. Амплитуда Ар и фа­ за фр реверберационной волны отличаются от амплитуды А и фазы ф основной волны. Приемный пьезоэлемент воспринимает резуль­ тирующие колебания, имеющие амплитуду Ап и фазу фп. В ре­ зультате возникает сдвиг фазы Дфр = Фп - Ф> особенно неприятный для фазовых расходомеров. Чтобы этот сдвиг был незначителен (не более 0,5 % от измеряемой разности фаз), следует иметь Ар < < 0,01А [3]. В частотных расходомерах реверберационный импульс может исказить фронт основного импульса и преждевременно включить частотную схему. Для исключения этого предложено сдвигать рабочие импульсы по отношению к отраженным с помо­ щью электронной линии задержки [19]. Кроме того, для борьбы с боковыми отражениями в трубах малого диаметра помогает фу­ теровка внутренней поверхности трубы звукопоглощающим ма­ териалом (например, фторопластом). Во избежание сильного сни­ жения амплитуды приемного сигнала и для частотных расходо­ меров рекомендуется [3] иметь Ар < 0,01А.

Асимметрия электронно-акустических каналов. В двухлуче­ вых расходомерах неизбежна некоторая асимметрия акустичес­ ких каналов, что может вызвать существенную погрешность из­ мерения разности времен перемещения по направлению потока

ипротив него. Погрешность Ат складывается из погрешности Дтг, вызванной различием геометрических размеров каналов, и по­ грешности Дтс, обусловленной различием в них плотности изме­ ряемого вещества. Погрешность Дтг = tab/с + 2Д/м/с м + 2Д/3/с 3, где L, 1Ми 13 — длина акустического пути в измеряемом веществе, мембранах пьезоэлементов и звукопроводах соответственно; с, см

ис3 — соответствующие скорости ультразвука. Погрешность Дтс = LAc/c2 + 2/мДсм/с м2 + 2*3Дс3/с 3 , где Ас — изменение скорос­

365

ти ультразвука из-за разности плотностей измеряемого вещества в акустических каналах; Асм и Дса — изменение скорости ультра­ звука в мембранах и звукопроводах соответственно из-за разно­ сти температур мембран и звукопроводов. Выражения для отно­ сительных погрешностей 8^ и 8ТС, в %

6ТГ = 50с2(AL/c + 2 А/мс/см + 2 AlQc/c3)/Lv cos а;

6ТС= 50с2(L Ас/с2 + 2 1мс Дсм/см2 + 2l3c A c j c 2)/Lv cos а.

Даже при весьма малых значениях AL/L и Ас/с погрешности 8ТГ и 6ТС будут большими вследствие очень большого значения отношения с/и. Так, при AL/L и Ас/с, равных всего 0,01 % , по­ грешности бтг и 6ТСмогут достичь 4 -5 %.

Погрешность 8^ от геометрической асимметрии может быть компенсирована при нулевом расходе. Но при отклонении скоро­ стей с, см и с3 от тех значений, при которых эта компенсация производилась, погрешность 8^ вновь возникнет, хотя и в значи­ тельно меньшей степени. Для уменьшения погрешности 8ТСоба акустических канала располагают возможно ближе друг к другу. В этом отношении схемы с каналами, расположенными парал­ лельно (см. рис. 194, л), лучше схем с пересекающимися акусти­ ческими каналами (см. рис. 194, м). Наибольшая погрешность 8ТС может возникнуть в схеме с тремя пьезоэлементами (см. рис. 194, б). При малых диаметрах трубы и низкочастотном, а следовательно, плохо направленном излучении, когда трудно применить преоб­ разователь углового типа, приходится применять особые меры для поддержания равенства температур в обоих каналах. Так, при измерении небольшого расхода каменноугольной смолы, со­ держащей твердые частицы и влагу, частота акустических коле­ баний была взята равной 0,1 МГц, а преобразователь расхода выполнен по схеме, показанной на рис. 194, г. Для выравнива­ ния температуры в каналах, удаленных друг от друга, они про­ сверлены в массивном металлическом блоке, покрытом теплоизо­ ляцией.

Несмотря на все перечисленные меры, устранить полностью погрешность от асимметрии при двухканальных расходомерах нельзя. Это причина преимущественного применения в настоя­ щее время одноканальных схем, особенно при необходимости точ­ ного измерения расхода.

Все, что было сказано о погрешностях 8^ и 8ТС, относится не только к времяимпульсным, но также и к фазовым и частотным расходомерам, причем в последних вследствие уже упоминавшихся паразитных реверберационных сигналов может возникнуть по­ грешность от асимметрии фронтов основных импульсов. Более подробный анализ влияния асимметрии каналов в частотных рас­ ходомерах приведен в работе [19].

366

16.13. СУММАРНАЯ ПОГРЕШНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА

Для подавляющего большинства ультразвуковых расходоме­ ров, у которых акустические колебания направляются в диамет­ ральной плоскости, объемный расход Q0 определяется по уравне­ нию

Qc = 71D2kvD/4,

где k = vJvD — отношение средней скорости vc по сечению к сред­ ней скорости по диаметру vD. Подставляя сюда значение vD из ранее полученных уравнений и считая L = D/sin а (преобразова­ тели без карманов), найдем:

для фазовых расходомеров

Q0 = n&k tg ас2Д<р/8со;

для частотных расходомеров ( с учетом лишь времени прохож­ дения ультразвука в измеряемом веществе)

Q0 = 7iDsk&f/2 sin 2а;

для времяимпульсных расходомеров

Q0 = nDk tg ас2Д*/8.

Ограничиваясь последним уравнением, получим исходя из него выражение для средней квадратической погрешности измерения расхода [33]

°Q, =(of) +4о£/sin2 а + ст|+ 4с^ + <^ +ст^)0>5.

В это уравнение помимо среднеквадратических погрешностей (диаметра трубы Gd, угла измерения аа, коэффициента а^, скоро­ сти ультразвука ас и измеряемого интервала времени oAt введены еще дополнительно среднеквадратические погрешности от пара­ зитных сигналов сгп и от асимметрии каналов ста.

Если расходомер градуируется с помощью образцовой уста­ новки, то GD и оа зависят лишь от возможного измерения D и а при изменении температуры t и давления р измеряемого веще­ ства. В работе [33] при не очень больших изменениях t u p указа­ ны значения GD < 0,01 % и ста < 0,005 % . В случае безжидкостной градуировки прибора при тщательном измерении D и а значения GD = 0,05-Ю, 1 % и Ga = 0,02+0,1 % .

Если при градуировке принимается постоянное значение ко­ эффициента k9 соответствующее среднему расходу, то при деся­ тикратном диапазоне измерения расхода Gk = = 0,7/2 = 0,35 % .

Погрешность от нестабильности ультразвука GC зависит от из­ менения температуры, состава и давления измеряемого вещества и может быть оценена в среднем значением 0,5-1,0 % . Погреш-

367

ность (Тд£ измерения интервала времени зависит от измеритель­ ной схемы расходомера. В среднем адг =0,1^0,15 % . Погрешность ап зависит от передачи акустического импульса по стенке трубы

иот реверберации ультразвука. Первый источник может быть устранен путем конструктивных мер, а влияние второго может быть снижено согласно [33] до с п = 0,01 % .

Погрешность аа от асимметрии отсутствует в одноканальных преобразователях.

Из приведенного анализа следует, что основными составляю­ щими погрешности будут c k и ос, особенно последняя. В частот­ ных расходомерах с с практически отсутствует, что и объясняет более высокую точность этих расходомеров. Точность фазовых

ивремяимпульсных расходомеров можно существенно повысить путем введения в схему узла измерения скорости ультразвука в измеряемом веществе. Их предельная погрешность обычно рав­ на 0,5-1 % .

16.14. ДОППЛЕРОВСКИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ

Рассматриваемые расходомеры основаны на измерении, зави­ сящем от расхода допплеровской разности частот fx - / 2, возни­ кающей при отражении акустических колебаний неоднороднос­ тями потока. Разность - f2 зависит от скорости v частицы, от­ ражающей акустические колебания и скорости с распростране­ ния этих колебаний в соответствии с уравнением

- f2 = f x(cos a' - cos a") o/c,

где f1 и f2 — исходная и отраженная частоты акустических ко­ лебаний соответственно; о! — угол между вектором скорости v частицы отражателя и направлением исходного луча; а" — угол между тем же вектором v и направлением луча отра­ женного. При симметричном расположении излучающего и приемного пьезоэлементов (рис. 206) относительно скорос­ ти v или, что то же, оси трубы углы а' и а" равны друг другу. Тогда из предыдущего уравнения получим

f x - f2 = 2 cos a' v/c.

368

нии местной скорости. Для их применения нужно знать соотно­ шение между скоростью v частицы отражателя и средней скоро­ стью потока vc. Последняя для турбулентных потоков находится на расстоянии 0,242г, где г — радиус трубы.

В одной работе рассмотрена возможность с помощью доппле­ ровского метода измерить скорости в ряде точек диаметрального сечения потока, т. е. получить профиль скоростей. Для этого из­ лучатель посылает в поток акустические импульсы длительнос­ тью 0,1-1 мкс и частотой 15-23 кГц. Приемное устройство от­ крывается лишь на мгновение через время задержки т3 после по­ сылки импульса. Измеряя время т3, можно получить информа­ цию о скорости частиц, находящихся в разных точках сечения потока.

При небольших диаметрах труб (менее 50-100 мм) встречают­ ся допплеровские расходомеры, у которых длины излучающего

иприемного пьезоэлементов равны внутреннему диаметру тру­ бы. Они реагируют не на одну, а на несколько местных скоростей частиц, находящихся в диаметральной плоскости сечения трубы. Пример такого прибора показан на рис. 207. Пьезоэлементы из титаната бария, длиной I = D = 20 мм и шириной Ъ= 5 мм, частота излучения 5 МГц, допплеровский сдвиг частот порядка 15 кГц. Измеряемое вещество — однопроцентная суспензия бетонита, имеющая диаметры частиц не более 0,1 мм. Градуировочная ха­ рактеристика расходомера, охватывающая как ламинарную, так

итурбулентную область, показана на рис. 208. Так как отноше­ ние средних скоростей по сечению vc и по диаметру vD для лами­

нарного режима меньше (vc/vD = 0,75), чем для турбулентного ( V C/DD = 0,92*0,95), то наклон характеристики для последнего режима меньше, чем для первого. При уменьшении расхода ла-

Ъ i

Рис. 207. Схема допплеровского расходомера в трубе малого диаметра:

1,2 — излучающий и приемный пьезоэлементы; 3 — генератор колебаний частотой 5 МГц; 4 — фильтр-выпрямитель; 5 — усилитель; 6 — измеритель допплеровского сдвига частот

булентной зоны, и наклон граду­ ировочной прямой стал одинаковым в обеих зонах. Для предот­ вращения образования вихрей в сравнительно больших карманах, где установлены пьезоэлементы, свободной пространство в них заполнено фольгой из полистирола, имеющего одинаковое с во­ дой акустическое сопротивление. Без фольги градуировочная за­ висимость в турбулентной зоне отклоняется от прямой 1 и при­ нимает вид кривой 2.

Теперь в большинстве случаев [68] пьезоэлементы у доппле­ ровских расходомеров помещают снаружи трубы. Это особенно необходимо в случае измерения загрязненных и абразивных ве­ ществ, но при этом надо считаться с дополнительными погрешно­ стями, обусловленными, в частности, преломлением луча в стен­ ке трубы [67].

По сравнению с другими ультразвуковыми расходомерами доп­ плеровские имеют наименьшую точность ввиду того, что выход­ ной сигнал представляет целый спектр частот, возникающих вслед­ ствие сдвига исходной частоты не одной частицей — отражате­ лем, а рядом частиц, имеющих различные скорости. Поэтому относительная погрешность измерения расхода обычно не менее 2-3 % .

Допплеровские ультразвуковые расходомеры находят все более широкое распространение. Так, согласно [40], в США их в 1985 г. установлено около 13 000 (изготовленных 23 фир­ мами). Они применяются главным образом для измерения рас­ хода различных гидросмесей, в том числе пульп, суспензий и эмульсий, содержащих частицы, отличающиеся по плотнос­ ти от окружающего вещества. Но и естественных неоднороднос­ тей (в том числе газовых пузырей), имеющихся в различных жид­ костях, бывает достаточно для проявления эффекта Допплера. При их отсутствии в работе [68] рекомендуется вдувать в по­ ток воздух или газ через трубку с отверстиями 0,25-0,5 мм на расстоянии (3-ь5)Х) перед преобразователем расхода. Расход вду­ ваемого газа составляет 0,005—0,1 % от расхода измеряемого вещества.

370