3.Ультразвуковые расходомеры
1.3.1Ультразвуковые методы.
Эти методы основаны на изменении скорости ультразвуковых колебаний в подвижной среде, которая равна геометрической сумме скорости среды и скорости звука в данной неподвижной среде, которая известна. Если ультразвуковые колебания распространяются в неподвижной среде со скоростью с, то в той же среде, движущейся со скоростью u, они будут распространяться в направлении движения потока со скоростью с + u cos(a), а против потока — со скоростью с — u cos(a), где a — угол между направлениями потока и ультразвукового излучения. Время прохождения ультразвукового импульса от излучателя до приемника, расположенных друг от друга на расстоянии L, называемом базой, в направлении потока равно
а против потока
Существует несколько разновидностей ультразвукового метода измерения расхода: времяимпульсный, частотно-импульсный, доплеровский, фазовый и метод на основе измерения интенсивности сноса ультразвуковых колебаний движущимся потоком. Ультразвуковые методы в основном применяются для измерений расходов жидких сред. Для уменьшения нестабильности скорости звука от изменения температуры, плотности, давления и других факторов используются двухканальные расходомеры, включенные по дифференциальной схеме.
1) Времяимпульсный метод основан на измерении разности времени прохождения ультразвуковых импульсов по движению потока и против него
где m — коэффициент, учитывающий отличие средней скорости потока uср от осредненной по длине луча скорости потока u; D — диаметр трубопровода.
Работа ультразвукового расходомера, основанного на частотно-импульсном методе, аналогична работе частотного расходомера действие, которого основано на методе ядерного магнитного резонанса. Каждый излучатель посылает импульс ультразвуковых колебаний в момент прихода предыдущего импульса на соответствующий приемник. Разность частот двух работающих таким образом автогенераторов пропорциональна измеряемому расходу:
Преимуществом частотно-импульсных расходомеров является независимость результатов измерений от скорости распространения ультразвука, если оба канала имеют одинаковые базы: L1=L2=L.
В фазовых расходомерах используется непрерывное излучение модулированных ультразвуковых колебаний, направленных по движению потока и против него, и измеряется разность фаз принятых приемником колебаний. Статическая характеристика таких расходомеров имеет вид
где fм — частота модуляции ультразвуковых колебаний.
Рис. 3. Структурная схема фазового ультразвукового расходомера.
На рис. 3 показана структурная схема фазового ультразвукового расходомера. Ультразвуковые колебания, создаваемые генератором 1, модулируются с помощью модулятора 2 и генератора модуляции 11. Модулированные колебания поступают на возбудители 3 двухканального датчика, установленного на трубопроводе 4. Сигналы с приемников ультразвуковых колебаний 10 через усилители 5 и 9, демодуляторы 6 и 8 подаются на фазометр 7, показания которого пропорциональны расходу.
На основе фазового метода созданы приборы для измерения скорости морских течений, а также расходомеры для измерения расхода природного газа в широком диапазоне (Qmax/Qmin=4) с погрешностью 0,4%.