Реализация время-импульсного метода при построении ультразвуковых расходомеров для напорных трубопроводов

 

  Время-импульсный метод основан на разности скоростей распространения УЗ- колебаний вдоль направления движения потока жидкости и навстречу ему. УЗ-колебания, проходящие сквозь среду в направлении движения потока, достигают приемника быстрее, чем УЗ-колебания, проходящие сквозь среду навстречу движению потока.

   Измеряя разницу скоростей распространения УЗ-колебаний вдоль направления движения потока и навстречу потоку жидкости, можно определить скорость движения жидкой среды и вычислить ее расход.

Данный метод получил в последние годы наиболее широкое применение. Это обусловлено  но его высокой точностью в широком диапазоне изменения расходов любых звукопроводящих сред с низким содержанием (порядка 1–3%) газообразных и твердых включений, малой инерционностью (0,1–1 с), возможностью измерения расхода пульсирующих и импульсных потоков, высокой чувствительностью к изменению скорости потока (~1–2 мм/с).

Поскольку излучение УЗ-колебаний происходит короткими импульсами, длительность которых на 2–3 порядка меньше периода их повторения, появляется возможность вкладывать в каждый акустический импульс достаточно высокий уровень энергии при относительно нее большой средней мощности, затрачиваемой на  излучение УЗ-колебаний (энергопотребление у время-импульсных расходомеров примерно в 2–4 раза ниже, чем у расходомеров с использованием эффекта Доплера). Последнее имеет существенное значение при вводе акустических колебаний в поток жидкости непосредственно через стенку трубопровода, так как большое различие акустических сопротивлений контролируемой среды и материала трубопровода обусловливает низкий КПД передачи энергии УЗ-колебаний.

Наиболее известными приборами, реализующими время-импульсный метод измерений расхода жидкости, являются расходомеры PORTAFLOW MKIIIR (MICRONICS, Великобритания), PT 868 (PANAMETRICS, Ирландия), LT860 (KROHNE, Германия), АКРОН-01 (“СИГНУР”, Россия), однако высокая стоимость импортных приборов (порядка 6–12 тысяч долларов) существенно ограничивает их применение.

Несмотря на простоту монтажа накладных УЗ-преобразователей на действующие трубопроводы, для получения достоверных результатов измерений необходимо соблюдать следующие условия:

– зачищать внешнюю поверхность трубопровода от краски и ржавчины до металлического блеска. Поверхность преобразователя и место контакта преобразователя с трубопроводом должны быть покрыты специальными желеобразными смазками, чтобы удалить воздушную прослойку, не пропускающую УЗ-колебания;

– материал трубопровода должен быть звукопроводящим. Сравнительно рыхлые материалы (бетон, теплоизолирующая обшивка, внутренняя футеровка – особенно не жестко связанная с материалом основного трубопровода) часто вообще не позволяют применять расходомеры с накладными УЗ-преобразователями. “Твердые” материалы трубопровода (сталь, чугун, алюминий, ПВХ, стекло) хорошо проводят УЗ-колебания, и проблем с применением расходомеров с накладными датчиками не возникает;

– равномерность потока жидкости в трубопроводе имеет важное значение для получения достоверных результатов измерений. Так как конфигурация трубопровода около места установки накладных УЗ-преобразователей влияет на характер потока и, следовательно, может повлиять на результаты измерений, то для установки датчиков необходимо найти достаточно длинный прямолинейный участок трубопровода.

Для время-импульсныхрасходомеров длина прямолинейного участка трубопровода должна составлять 5–10 Ду до и не менее 5 Ду после места установки датчиков (Ду – диаметр условного прохода трубопровода).

Расходомеры, работающие на эффекте Доплера, предъявляют более строгие требования к прямолинейным участкам трубопровода (10–20 Ду до расходомера и не менее 10 Ду после него).

В общем случае спектр отраженного сигнала довольно широк. В нем присутствуют гармоники различного происхождения, а не только информативные.  Находящиеся в трубопроводе фланцы, клапаны, ответвления, изгибы, сужения и т. п. приводят к переменным локальным возмущениям потока, которые отражают исходный УЗ-сигнал и вносят неинформативные гармоники в спектр отраженного сигнала. Кроме того, вибрации трубопровода существенно затрудняют применение доплеровских расходомеров.

Датчики расходомеров обоих типов желательно устанавливать на полностью заполненном жидкостью горизонтальном отрезке трубопровода на боковых поверхностях, а не в вертикальной плоскости, так как отложения на дне или воздушные пузыри сверху могут препятствовать нормальному распространению УЗ колебаний. 

Если нет возможности установить датчики на горизонтальном участке трубопровода, то следует выбирать для их установки вертикальный участок трубопровода с восходящим потоком жидкости. В трубопроводе с нисходящим потоком жидкости могут присутствовать пузырьки воздуха, стремящиеся вверх, что может привести к существенной погрешности измерений с помощью доплеровских расходомеров.

При использовании расходомеров с накладными датчиками особое внимание необходимо уделять определению внутреннего диаметра трубопровода Ду, так как расход жидкости вычисляется на основании измерения скорости потока и введенного оператором значения Ду.

Получить точное значение Ду (не вскрывая трубопровод) – непростая задача, особенно на старых трубопроводах. Реальное внутреннее сечение трубопровода может быть сильно искажено коррозией (за исключением пластмассовых труб), а также отложениями солей кальция, уменьшающими это сечение.

Для более точного определения внутреннего сечения трубопровода используются ультразвуковые толщиномеры. Пользователю для корректного измерения расхода необходимо дополнительно приобретать УЗ-толщиномер.

Стоимость современных УЗ-толщиномеров составляет примерно 500–800 долларов. Однако расходомеры РТ 868 и АКРОН-01 имеют встроенные УЗ-толщиномеры, что существенно повышает потребительские качества этих приборов.

В процессе выбора и практического использования УЗ-расходомеров с накладными датчиками необходимо учитывать все вышеизложенные обстоятельства. Поэтому при экспресс-обследованиях и инструментальном энергоаудите эти приборы незаменимы.

 

Дополнительные гидравлические сопротивления врезных ультразвуковых расходомеров

 

Врезные  ультразвуковые  расходомеры  имеют  исполнения  с  выступающими  и  невыступающими  конструктивными  элементами  в  проточную  часть  измерительного  участка (ИУ).  Значительно  выступающие  части,  как  правило,  могут  иметь  однолучевые врезные расходомеры.  Накладные  ультразвуковые  преобразователи  расхода  и  врезные,  не  имеющие выступающих  частей,  не  создают  дополнительных  гидравлических  сопротивлений, существенных  рециркуляционных  зон  и  профиль  скорости  в  таких  условиях  может  быть автомодельным  на  протяжении  всей  длины  акустического  зондирования,  если  перед  ИУ существует  прямолинейный  предвключенный  участок,  обеспечивающий  развитый  режим течения в измерительном трубопроводе (ИТ).

Для  определения  корректирующего  коэффициента  ультразвукового  расходомера  в условиях автомодельного режима течения в гладких ИТ круглого сечения в диапазоне чисел Рейнольдса 1Е4 – 5Е6  могут  применяться  эмпирическая  зависимости [, полученная  на основе  данных  Никурадзе,  и  современные  методы  вычислительной  гидродинамики .

Локальные  загромождения  проходного  сечения  ИТ,  обусловленные  расположением излучающего и принимающего электроакустическихпреобразователей в проточной части ИУ,изменяют  структуру  потока  и  профиль  скорости  по  линии  зондирования,  а  следовательно, создают предпосылки, при которых турбулентный поток не может быть развитым, несмотря на наличие  предвключенного  прямолинейного  участка.  В  зависимости  от  гидравлических сопротивлений  ИУ  и  режимов  течения,  определяющих  структуры  потока,  изменяется корректирующий  коэффициент ультразвукового расходомера. 

Дополнительные  гидравлические  сопротивления,  возникающие  при  монтаже врезных ультразвуковых  расходомеров,  могут  качественно  изменить  зависимости  корректирующего коэффициента  от  числа  Рейнольдса.  Адекватный  расчет  корректирующего  коэффициента врезных  ультразвуковых  расходомеров  в  рамках  допущения  о  несжимаемом  течении жидкости возможен и может быть применен при поверке расходомерных устройств. Особенно  это  актуально  для  расходомеров  с  большим  диаметром  трубопровода,  что  может  позволить  избежать финансовых затрат для строительства поверочных установок .