Многоканальный ультразвуковой расходомер

 

Ультразвуковой метод позволяет измерять расход стационарных и нестационарных потоков  в трубопроводах различных диаметров ,градуировать расходомеры расчетным путем , пересчитывать градуировочные характеристики с малых диаметров  на большие ис одной жидкости на другую, уменьшать влияние физико-химических свойств жидкости и параметров потока на погрешность измерений.

   Ультразвуковым расходомерам присуща гидромеханическая погрешность,обусловленная отличием измеренной скорости от средней скорости потока и зависящая от профиля скорости.Она может достигать существенных значений при изменении вязкости жидкости.Известные методы расчета и компенсации гидромеханической погрешности пригодны толькодля неискаженной эпюры осредненных скоростей потока.Кроме того,их можно использовать лишь при наличии экспериментально снятых эпюр.Поэтому в настоящее время разрабатывают ультразвуковыерасходомеры со многими ультразвуковыми каналами .Принцип действия таких расходомеров заключается в измерении осредненной локальной скорости потока по длине каждого акустического канала и суммированию их по сечению трубопровода преобразователя расхода.Расположение осей акустических каналов относительно оси трубопровода выбирают по квадратурной формуле Гаусса.При этом значения локальных скоростей ,полученные по каждому акустическому каналу,выражают как функции длины канала  со специальным весовым коэффициентом , а объемный  расход  жидкости определяют аналитическим способом.

  Ниже описывается ультразвуковой расходомер с несколькими акустическим каналами ,оси которых параллельны, отстоят друг от друга на равном расстоянии и расположены в плоскости ,пересекающей трубопровод под определенным углом.Принцип действия и конструкция расходомера исключают необходимость учитывать весовые коэффициенты.

 Рассмотрим работу функциональной схемы устройства в режиме излучения по потоку,идентичной режиму излучения против потока (см.рисунок).Генератор управляемой частоты Г1 вырабатывает импульсы ,которые через переключатель П1 и делитель Д1 поступают на счетный вход триггера  селектора ТС..Положительные перепады используют для формирования зондирующих импульсов .Для этого  импульсы через схему ИЛИ подаются на формирователь Ф. Напряжения с обоих выходов триггера поступают на временной селектор С в качестве опорного сигнала.Зондирующие импульсы через переключатель П2,который поочередно подключает к выходу формирователя Ф пьезопреобразователи акустических каналов ,направляются на пьезопреобразователь 1 .Ультразвуковые колебания,проходя через измеряемую жидкость ,снимаются преобразователем 1’ и преобразуются в высокочастотные сигналы ,которые черз переключатель П3 подаются на усилитель-формирователь УФ,где усиливаются  и преобразуются в короткие импульсы.Через переключатель П4 и схему ИЛИ они поступают на вход формирователя зондирующих импульсов для его повторного запуска.Зондирующие импульсы через переключатель П2 подаются на второй акустический канал (пьезопреобразователи 2-2’).Цикл повторяется до включения в работу последнего акустического канала (преобразователей 5-5’).Принятые и усиленные импульсы через переключатель П4  поступают на вход селектора С,где сравниваются с опорным сигналом по времени расположения. В дальнейшем происходит управление  частотой импульсного генератора Г1.

  Период следования импульсов генератора Г1 изменяется до выполнения условия

                                                 t₊=mT₁,                              (1)

где t₊ - суммарное время распространения ультразвуковой волны во всех  акустических каналах ;Т1 –период следования импульсов генератора Г1;

m-коэффициент деления делителя Д1.

   При переключении расходомера в режиме излучения против потока повторяются те же циклы,но вместо П2 используется переключатель П5.При этом справедливо равенство

                                                 t_-=mT₂,                              

где Т₂- период следования импульсов генератора Г2.

  Разность частот генераторов Г1и Г2 выделяется специальной схемой Р и является мерой расхода.Все переключатели расходомера управляются импульсами коммутатора.

   Выходная частота ультразвукового расходомера определяется по формуле

 

где

 l_i- длина базы i-го акустического канала ; v(l)_i-распределение скорости потока вдоль оси i-го акустического канала; С- скорость распространения ультразвуковой волны ;t_э1 и t_э2- соответственно суммарное время задержки в электронных блоках в режиме излучения по потоку и против потока;

t_м и t_к- суммарное время задержки  акустических головок и карманов .

   Расход  q жидкости через трубопровод при использовании формулы прямоугольников [1] равен

где  D- диаметр преобразователя расхода ,Di,v(y)_i- длина хорды ,соответствующей  i-му узлу счета и распределение скорости потока по длине данной хорды,n- количество узлов.

  Учитывая,что D_i=l_isinα; v(l)_i= v(y)_icosα, и подставляя эти равенства в (1) , получим номинальную статическую характеристику расходомера

 

где ∆R=D/n; α- угол наклона осей акустических каналов к оси трубопровода.

  Как следует из (2) ,коэффициент преобразования расходомера зависит от геометрических размеров его первичного преобразователя и мало зависит от физических свойств жидкости .

  Опытные образцы ультразвукового  счетчика жидкости во взрывобезопасном исполнении ,собранные по описанной выше функциональной схеме ,успешно прошли государственные приемочные   испытания  имеют следующие метрологические характеристики (измеряемая среда – товарная нефть,светлые нефтепродукты):диапазон измерений расхода 0,027-0,13 м3/с,основная погрешность 0,5%.