ультразвукові витратоміри
Принцип дії ультразвукових витратомірів заснований на вимірюванні залежить від витрати того чи іншого акустичного ефекту, що виникає при проходженні ультразвукових коливань через контрольований потік рідини або газу.
Останнім часом використовуються два різновиди ультразвукових витратомірів. витратоміри, засновані на переміщенні ультразвукових коливань рухомим середовищем і доплеровській. Найбільшого поширення набула перша група приладів. У таких витратомірах ультразвукові коливання, що створюються п'єзоелементами, направляються по потоку рідини і проти нього. Різниця часів проходження ультразвуковими імпульсами відстані між випромінювачем і приймачем по потоку і проти потоку пропорційна швидкості потоку, тобто швидкість ультразвуку щодо стінок труби залежить від швидкості потоку.
Основні труднощі використання ультразвукового методу пов'язані з тим, що швидкість ультразвуку в середовищі залежить від фізико-хімічних властивостей останньої: температури, тиску, і вона значно більше швидкості середовища, так що дійсна швидкість ультразвуку в рухомому середовищі мало відрізняється від швидкості в нерухомому середовищі. Різниця часів проходження дорівнює 10 -6. 10 -7 с навіть при швидкостях потоку 10. 15 м / с, причому вимірювати потрібно з похибкою 10 -8. 10 -9 с. Ці обставини обумовлюють необхідність застосування складних електронних схем в поєднанні з мікропроцесорної технікою, що забезпечують компенсацію впливу перерахованих факторів.
Ультразвукові витратоміри в останні роки набувають все більш широке поширення завдяки таким позитивним рисам:
• значного динамічному діапазону, що досягає 25-30;
• високої точності вимірювання, що становить ± (1; 2)%;
• можливості вимірювання витрати неелектропровідних середовищ (нафтопродукти), забруднених середовищ, суспензій;
• широкого діапазону діаметрів трубопроводів від 10 мм і вище без обмежень;
• відсутності втрати тиску;
• широкого діапазону температур (від -220 до 600 ° С) і тисків.
До недоліків цього методу вимірювання витрати слід віднести:
• необхідність значних довжин лінійних ділянок до і після перетворювача;
• вплив на показання бульбашок повітря в потоці;
• необхідність контролю відкладень в трубопроводі на його робочому ділянці;
• складність і висока вартість приладів, яка при інших рівних умовах в 3-4 рази перевищує вартість тахометрических і електромагнітних витратомірів;
• обмеження по мінімальній швидкості потоку.
Всі ультразвукові витратоміри є мікропроцесорними, на виході вони мають струмовий і імпульсний вихідні сигнали, цифровий дисплей, інтерфейси RS-232, RS-485, ланцюг сигналізації, значення сумарної витрати архівується разом із зазначенням позаштатних ситуацій. Багато приладів можуть вимірювати витрату реверсивного потоку.
Мал. 1. Схеми ультразвукових перетворювачів витратомірів:
а - одноканального; б - з відбивачами; в - двоканального
Витратоміри за конструктивним виконанням поділяються на одно- і двоканальні. У одноканальної схемою (рис. 1, а) кожен п'єзоелемент працює поперемінно в режимі випромінювача і приймача, що забезпечується системою перемикачів. Для збільшення чутливості хід променя в середовищі може бути збільшений застосуванням рефлекторів (рис. 1, б). Чутливість ультразвукових перетворювачів також зростає зі зменшенням кута між векторами швидкості потоку і ультразвуку. У двоканальної схемою (рис. 1, в) кожен п'єзоелемент працює тільки в одному режимі - випромінювача або приймача. Двоканальні схеми простіше одноканальних (немає складних схем перемикання), але точність їх менше, внаслідок можливої акустичної асиметрії обох каналів.
Показання ультразвукових витратомірів залежать від швидкості потоку, усередненої по ходу променя, а не по діаметру труби, що є характерною особливістю витратомірів з випромінюванням по потоку. У той же час для визначення об'ємної витрати потрібно вимір швидкості усередненої по діаметру труби. Для трубопроводів круглого перетину навіть для осесиметричних потоків швидкість потоку усереднена по ходу променя не дорівнює усередненої по діаметру труби і співвідношення між ними залежить від епюри швидкостей потоку. Ця обставина є недоліком ультразвукових витратомірів, що визначає найбільш істотну складову методичної похибки.
В ультразвукових витратомірах SITRANS F фірми Siemens, завдяки наявності відбивачів, хід променя складається з п'яти відрізків, три з яких спрямовані по хордам, що забезпечує сканування профілю потоку та вимірювання середньої швидкості потоку в широкому діапазоні вимірювання його швидкостей. При максимальній швидкості потоку 10 м / с забезпечується похибка вимірювання витрати ± 0,5% в динамічному діапазоні 25 і ± 1% в діапазоні 100. Залежно від типу місцевого опору довжина лінійного ділянки трубопроводу становить (10. 40) D до перетворювача і 5D після нього.
За методом визначення часу проходження імпульсу між випромінювачем і приймачем ультразвукові витратоміри підрозділяються на времяімпульсние, частотні і фазові.
У времяімпульсних витратомірах періодично проводиться вимірювання коротких імпульсів тривалістю 0,1. 0,2 мкс, за якими потім визначається об'ємний витрата G0. Мікропроцесорні витратоміри UFM 005 (ЗАТ «Центропрібор», ПО «Промприлад») призначені для вимірювання витрати води і встановлюються в трубопроводах діаметром 15. 1600 мм. До їх складу входить для діаметрів до 200 мм первинний перетворювач УПР, понад 200 мм - п'єзоперетворювачі для врізки в трубопровід і обчислювач ультразвукової УВ. Первинний перетворювач УПВ представляє відрізок труби з двома врізаними п'єзоелектричними перетворювачами і привареними по торцях фланцями. При проливний методі повірки витратоміри в області витрат від перехідного до верхньої межі при динамічному діапазоні 25 мають погрішність ± 1,5%, а від перехідного до мінімального - ± 4%, причому Gmax / Gmin становить 70-75. Регулятор потоку крім цифрового індикатора має струмовий вихідний сигнал 0. 5 мА, інтерфейси RS-232 і RS-485, в ПЗП зберігається архів середньогодинних і середньодобових значень кількості води глибиною 5000 год.
У частотних витратомірах кожний наступний імпульс посилається випромінювачем тільки після досягнення попереднім імпульсом приймального п'єзоелемента.
Різниця частот проходження імпульсів, що визначається диференціальної схемою, пов'язана зі швидкістю і об'ємною витратою.
Показання частотних витратомірів не залежить від швидкості поширення ультразвуку в нерухомому середовищі, а отже, і від фізико-хімічних властивостей і параметрів середовища. Це є перевагою частотних витратомірів.
У фазових витратомірах вимірюється різниця фаз ультразвукових коливань частотою, що поширюються по потоку і проти нього. Недолік цих витратомірів - залежність показань від зміни швидкості звуку.
У доплеровских ультразвукових витратомірах використовується відображення ультразвукових коливань рухомими частинками потоку. Доплерівські витратоміри вимірюють місцеву швидкість звуку. У трубах малого і середнього діаметрів ці витратоміри можуть вимірювати середню швидкість по діаметру або частини площі труби. У трубах великих діаметрів при наявності прямих ділянок достатньої довжини відбивач повинен знаходитися на відстані 0,12 D від стінки труби, де швидкість відповідає середній швидкості потоку. В іншому випадку необхідна індивідуальна градуювання витратоміра.
Мал. 2. Схема доплерівського перетворювача
В кореляційних датчиках витрати ДРК доплеровській ефект використовується для визначення часу проходження випадковими (турбулентними) флуктуаціями між двома зміщеними по довжині труби парами ультразвукових перетворювачів. Мікропроцесор виробляє статистичну обробку сигналів, що надійшли в приймачі ультразвукових коливань кожного з перетинів. Швидкість потоку визначається за часом, відповідному максимуму кореляційної функції, що зв'язує сигнали, що надійшли на обидва приймача. На рис. 3 представлена структурна схема датчика витрати кореляційного ДРК ф. «Метран».
Мал. 3. Структурна схема кореляційного доплерівського витратоміра
Сигнали ультразвукової частоти надходять від генераторів ГУЧ1, ГУЧ2 на акустичні перетворювачі АП1- АП4, сигнали яких викликають, завдяки доплеровскому ефекту, вторинні коливання, які накладаються на основні. Фазові детектори ФД1, ФД2 і кореляційний діскрімінатор КД, керований мікропроцесором, забезпечують отримання імпульсного сигналу, пропорційного витраті. Ці сигнали можуть підсумовуватися і виводитися на цифровий індикатор, подаватися на крайовий перетворювач ДРК-30П або Теплообчислювач. Такі витратоміри можуть встановлюватися в трубопроводах діаметром від 50 до 4000 мм при швидкості середовища від 0,1 до 10 м / с, межа відносної похибки становить ± 1,5; 2%.