Ультразвуковые расходомеры

Принцип действия ультразвуковых расходомеров основывается на

изменении скорости распространения ультразвуковых колебаний

(УЗК) в неподвижной и подвижной среде. Существует три метода

измерения расхода вещества с помощью ультразвука: 1) по разности

времен распространения УЗК, направленных по потоку и против

него; 2) по степени отклонения УЗК, направленных перпендикуляр-

но к потоку, от первоначального направления; 3) метод, основанный

на эффекте Доплера (доплеровские расходомеры). В качестве

излучателей-приемников УЗК во всех методах используются пьезо-

электрические преобразователи.

В соответствии с п е р в ы м методом излучатели (они же являют-

ся и приемниками) УЗК располагаются диаметрально противопо-

ложно с внешней стороны трубопровода таким образом, чтобы их

плоскости были расположены под некоторым углом 9 к оси трубы

(рис. 6.9, а). УЗК под углом а = 90° - 9 к оси трубопровода проходят

в измеряемом веществе путь длиной L. Если W— скорость движения

вещества, с — скорость распространения УЗК в неподвижном из-

меряемом веществе, то значения времени прохождения УЗК указан-

ного пути по направлению движения потока t, и против него t2 будут

равны соответственно

Таким образом, разность At зависит от скорости движения веще-

ства, следовательно, от объемного расхода. Она может быть измерена

одним из трех способов: 1) время-импульсным, основанным на из-

мерении собственно ∆t; 2) фазовым, при котором измеряется разность

фазовых сдвигов УЗК, направленных по потоку и против него; 3) ча-

стотным, при котором измеряется разность частот повторения корот-

ких импульсов или пакетов УЗК, направленных по потоку и против

него. Последний метод получил наибольшее распространение.

В соответствии со в т о р ы м методом измерения расхода вещества

с помощью ультразвука УЗК излучает лишь один пьезоэлемент, а вос-

принимаются они одним или двумя пьезоэлементами (рис. 6.9, б). Угол

отклонения УЗК от перпендикулярного направления р определяется

уравнением

где x: — линейное отклонение луча на приемном пьезоэлементе; D —

диаметр трубы.

Следовательно,

т.е. линейное отклонение пропорционально скорости, или объемно-

му расходу.

Величина линейного отклонения определяется по выходному сиг-

налу усилителя, на который поступает сигнал с приемного пьезоэле-

мента. При одном приемном пьезоэлементе количество акустической

энергии, поступающей на него, будет уменьшаться с ростом скорости,

и выходной сигнал усилителя будет падать. Поэтому используется

схема с двумя приемными пьезоэлементами, расположенными сим-

метрично относительно излучателя, так как в этом случае выходной

сигнал дифференциального усилителя возрастает с ростом скорости

потока.

Третий метод измерения расхода вещества с помощью ультра-

звука основывается на зависимости от расхода доплеровской разно-

сти частот, возникающей при отражении УЗК от неоднородностей

потока. В соответствии с этим методом излучатель и приемник УЗК

размещают на одной стороне трубопровода (рис. 6.9, в). Доплеровская

разность ∆ƒ исходной ƒ₁ и отраженной ƒ2 частот УЗК определяется

выражением

т. е. доплеровская разность частот пропорциональна скорости, или

объемному расходу.

Сигнал с приемного пьезоэлемента поступает на фильтр-выпря-

митель, далее на усилитель и, наконец, на измеритель доплеровского

сдвига частот.

Достоинством ультразвуковых расходомеров является возможность

установки прибора на трубопроводах диаметром от 10 мм и более, а

также измерение расхода любых жидких сред, в том числе неэлектро-

проводных. Недостатки: необходимость индивидуальной градуиров-

ки; зависимость от профиля скоростей, который меняется с измене-

нием расхода; влияние на показания изменений физико-химических

свойств вещества и его температуры, от которых зависит скорость

ультразвука.