Ультразвуковые методы измерения расхода жидкостей (стр. 1 )

Ультразвуковые методы измерения расхода жидкостей

Начало разработки ультразвуковых методов измерения расхода жидкости было положено в 1919 году, но лишь тридцать лет спустя появилась возможность реализовать эти методы. Первые ультразвуковые расходомеры имели высокую стоимость и не обеспечивали необходимой точности измерений. Это было обусловлено, прежде всего, недостаточным уровнем развития электроники.
  В последние два десятилетия положение существенно изменилось. До настоящего времени происходит совершенствование приборов, реализующих ультразвуковые методы измерения расхода жидкости. Технические характеристики ультразвуковых расходомеров улучшаются, а их стоимость снижается.
  Ультразвуковые методы находят применение в самых разных отраслях промышленности и коммунального хозяйства. Ультразвуковые расходомеры используются для контроля расхода воды, нефти, нефтепродуктов, а также различных растворов. Эти приборы применяются как для измерения криогенных жидкостей с температурой до -200°С, так и для измерения жидких веществ при температуре до +500°С.
  Ультразвуковые методы позволяют создавать расходомеры и счетчики, обладающие рядом преимуществ, таких как:
 -высокая точность измерения;
 -простота эксплуатации;
 -высокая чувствительность;
 -незначительное энергопотребление;
 -широкий рабочий диапазон;
 - допустимость содержания в воде взвешенных частиц, в том числе

обладающих магнитными свойствами;
 - отсутствие в приборах движущихся механических частей,

подверженных износу.
  Потребители зачастую рассматривают различные ультразвуковые счетчики жидкости как сходный по характеристикам класс приборов. Однако это не так. Для того чтобы ориентироваться среди многообразия ультразвуковых счетчиков жидкости, следует знать, что разный типы этих приборов имеют не только конструктивные отличия, но и могут реализовывать разные ультразвуковые методы измерения. От применяемого в приборе ультразвукового метода зависят его эксплуатационные и метрологические характеристики. На рисунке 1 представлена классификация ультразвуковых методов. Сразу отметим, что некоторые из указанных методов не имеют в настоящее время промышленного применения.
  Например, шумовой метод не применяется из-за того, что характеризуется большой погрешностью. Данный метод является пассивным, так как для его реализации не требуется излучение ультразвука. Метод основан на зависимости между скоростью звука, возбуждаемого турбулентными пульсациями в потоке и скоростью потока.
  Также не получил распространения разработанный в 50-е годы метод смещения, который основан на сносе распространяющихся под практически прямым углом к потоку ультразвуковых колебаний. Суть метода - в измерении величины смещения колебаний потоком с использованием различных технических решений, например, по интенсивности ультразвука. Данный метод характеризуется низкой помехоустойчивостью и зависимостью от характера турбулентности потока.

Комбинированные методы

  Комбинированные ультразвуковые методы базируются на двух физических явлениях, каждое из которых в отдельности является основой одного из существующих методов измерения расхода жидкости.

Вихревой ультразвуковой метод

Этот метод основан на двух физических явлениях - генерации вихрей телом, введенным в поток, и модуляции частоты ультразвуковых колебаний вихревым потоком. Ультразвуковой расходомер, реализующий этот метод, состоит из тела плохообтекаемой формы, за которым образуется вихревая дорожка, контролируемая с помощью ультразвукового преобразователя, состоящего из пары ультразвуковых датчиков, работающих в непрерывном режиме. При этом на датчике, работающем в режиме приема, возникают модулированные электрические колебания, частота огибающей которых равна частоте срыва вихрей. Такие расходомеры выпускаются для трубопроводов диаметром до 200 мм. Применение данного метода для приборов большего диаметра не эффективно. Вихревые расходомеры чувствительны к механическим вибрациям, распределению скоростей в измеряемом потоке, содержанию в жидкости волокнистых включений. Данный метод измерения не пригоден при малых скоростях движения жидкости.

 
Рис.1. Классификация ультразвуковых методов

Меточный ультразвуковой метод

Он основан на измерении времени распространения метки на фиксированном участке трубопровода, причем введение и регистрация метки осуществляется с помощью ультразвуковых преобразователей. Расходомер, реализующий этот метод, содержит кавитационный ультразвуковой излучатель, работающий в импульсном режиме. Кавитационная метка, образующаяся в момент излучения, переносится потоком и регистрируется преобразователем, который включает в себя пару электроакустических датчиков, расположенных перпендикулярно вектору средней скорости потока. Измерение расхода жидкости в приборе данной конструкции сводится к измерению времени между возбуждением кавитационного излучателя и началом модуляции ультра звуковых колебаний на регистраторе. Данный метод не имеет промышленного применения.

Тепловой ультразвуковой метод

Он основан на существовании зависимости между скоростью потока и теплоотдачей помещенного в этот поток нагретого проводника, причем информация о распределении температуры в проводнике снимается с помощью зондирования его ультразвуковыми сигналами. Метод пригоден для труб малого диаметра. Расходомеры, реализующие этот метод, не находят широкого промышленного применения.

Тахометрический ультразвуковой метод

Он основан на прерывании ультразвукового луча вращающимся рабочим органом и модуляции при этом колебаний с частотой, пропорциональной скорости вращения этого органа. В частности, известен шариковый расходомер с ультразвуковым способом съема информации о скорости вращения шара.
  Следует отметить, что при измерении расхода в трубах большого диаметра описанные комбинированные ультразвуковые методы могут быть реализованы в датчиках, предназначенных для измерения местной скорости в области точки потока. Однако из-за явного преимущества ультразвуковых методов активного типа комбинированные методы в дальнейшем, очевидно, не получат широкого распространения.
  Методы переменного уровня, фиксированного русла, "скорость уровень" применяются для измерения в незаполненных безнапорных каналах. Эти методы могут быть реализованы, в том числе, с применением ультразвуковых датчиков.

Ультразвуковой метод переменного уровня

Он основан на использовании стандартных сужающих устройств, встроенных в канал для обеспечения однозначной зависимости между уровнем и расходом. При этом уровень измеряется ультразвуковым уровнемером. Данный метод измерения находит широкое применение в промышленности и коммунальном хозяйстве, он хорошо отработан и обеспечивает погрешность измерения 2-3%.

Ультразвуковой метод фиксированного русла

Он предполагает измерение уровня ультразвуковым датчиком на неподтопленном прямолинейном участке трубопровода. Данный метод является одним из наименее точных, его применение нецелесообразно без градуировки прибора на месте его эксплуатации. Погрешность измерения при реализации метода фиксированного русла от 4% и более.

Ультразвуковой метод "скорость-уровень"

Он может обеспечивать высокую точность измерения. Суть его заключается в измерении с помощью ультразвуковых датчиков как уровня жидкости, так и ее скорости. Данный метод измерения является наиболее перспективным и может получить широкое распространение в случае производства относительно недорогих приборов.

Активные методы
  Наибольшее распространение получили активные ультразвуковые методы: интегральный и точечный основанные на введении в контролируемую жидкость ультразвуковых колебаний, модуляции этих колебании потоком и получении измерительной информации в результате сопоставления той или иной характеристики излученного и принятого сигнала.

Ультразвуковой точечный метод

Он основан на эффекте Доплера. Сигнал, посылаемый в поток излучателем, отражается от движущихся в потоке частиц и принимается приемником ультразвука. Разность частот излученного и принятого сигнала пропорциональна скорости движения жидкости в некоторой области потока, локализованной вокруг точки с определенными координатами. Ультразвуковые доплеровские методы эффективны при измерении расхода жидкости, содержащей различные включения. Погрешность измерения расхода жидкости доплеровским методом при непосредственном контакте излучателя и приемника с жидкостью обычно превышает 2%, а при излучении и приеме сигнала через стенку трубопровода она достигает 5-8%. Данный метод нецелесообразно применять для высокоточных измерений. Ультразвуковому доплеровскому методу присущи все недостатки метода измерения расхода по скорости в одной или нескольких точках сечения трубопровода. Необходимым условием для реализации данного метода является наличие больших прямолинейных участков трубопровода, требующихся для обеспечения равномерного по длине трубопровода течения жидкости.

Ультразвуковой корреляционный метод

Он основан на измерении времени распространения метки, переносимой потоком жидкости между двумя акустическими каналами, расположенными на определенном расстоянии один относительно другого. Время распространения метки определяется по результатам статистического анализа периодического процесса. В качестве метки могут быть использованы турбулентные вихри при измерении расхода чистой воды или взвешенные частицы при содержании в воде загрязнения. Приборы, реализующие данный метод, имеют плохие динамические характеристики вследствие необходимости статистической обработки информации в процессе выполнения измерений. Данный метод не получил широкого распространения. Погрешность измерения расхода жидкости при реализации корреляционного метода по различным данным составляет 1-3%.

Дифференциальные методы

Они получили наибольшее распространение. Данные методы основаны на неадекватности изменении характеристик ультразвуковых колебании, распространяющихся под углом к потоку жидкости в двух взаимно противоположных направлениях. При этом скорость распространения ультразвуковых колебаний в одном направлении (вдоль направления движения потока) больше, чем скорость в другом направлении (против движения потока).
  Обязательное условие реализации дифференциальных методов - неортогональность вектора скорости ультразвукового сигнала в неподвижной жидкости и вектора средней скорости потока в акустическом канале. В зависимости от регистрируемых параметров ультразвуковых волн (фаз, времен распространения или частот) различают фазовый, временной и частотный методы.
  - Фазовый метод основан на определении скорости жидкости по разности фаз ультразвуковых колебаний, прошедших через измеряемый поток. Данный метод наиболее эффективен при измерении расхода в трубопроводах диаметром менее 200 мм.
  - Частотный метод, основанный на измерении разности частот, наоборот, имеет преимущества при реализации его в приборах для трубопроводов диаметром более 200 мм.
  - Временной метод получил наибольшее распространение. Он применяется для трубупроводов и каналов диаметром (шириной) от 15мм до 4000 мм и более. Временной метод эффективен при содержании взвешенных частиц и нерастворенного воздуха в измеряемой жидкости не  более 1% по объему. Погрешность приборов, реализующих данный метод, в зависимости от их конструктивных особенно колеблется от 0,2% до 5%.
  Следует обратить внимание на то, что приборы, реализующие дифференциальные методы, имеют принципиальные различия в зависимости от конструкций их датчиков (первичных преобразователей). Так, известны преобразователи для бесконтактных измерений и преобразователи, излучатели которых контактируют с измеряемой средой. Приборы с бесконтактными преобразователями удобны для оперативного контроля, они могут быть быстро смонтированы, однако надежность этих приборов меньше, а погрешность, как правило, достигает 3-5%.
  Приборы, датчики которых контактируют с измеряемой средой, имеют более высокую надежность. Погрешность измерения этих приборов составляет 1-3% в случае применения однолучевых преобразователей (один акустический канал) и 0,2-1% - при использовании многолучевых преобразователей.
  В последнее время получили распространение преобразователи со встроенными формирователями потока, которые позволяют улучшить характеристики ультразвуковых приборов.
  В настоящее время разработано множество ультразвуковых методов измерения расхода жидкости. Эти методы основаны на различных физических явлениях, поэтому технические характеристики приборов, реализующих разные методы, могут существенно отличаться. При выборе типа ультразвукового расходомера следует принимать во внимание метод, который в нем реализован. Для точного измерения расхода жидкости наиболее эффективны дифференциальные методы, позволяющие достигать точности измерения 0,2-1%.