АНАЛИЗ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ЖИДКОСТЕЙ

 

Ультразвуковые расходомеры  имеют принцип действия, основанный на использовании  акустических  сигналов  ультразвукового  диапазона,  зондирующих измеряемый поток . Для того, чтобы ориентироваться среди многообразия ультразвуковых расходомеровжидкости, следует знать, что разные типы этих приборов имеют не только конструктивные отличия, но и могут реализовывать  разные  ультразвуковые  методы  измерения.  От  применяемого  в расходомере ультразвукового метода зависят его эксплуатационные и метрологические  характеристики.  Классификация  ультразвуковых  методов  измерения расхода представлена на рис. 1 .

Широкое  распространение  получил  ультразвуковой  дифференциальный метод, основанный на измерении разности времен прохождения ультразвуковых сигналов по потоку и против потока движущейся жидкости. Измеренная  разность  времен прохождения  ультразвуковых  сигналов  пропорциональна скорости контролируемого потока. В зависимости от аппаратной реализации  дифференциального  метода  различают  три  способа  измерения  разности времен прохождения ультразвуковых сигналов: временной, фазовый и частотный .

   Временнойметод измерения основан на измерении разности времени прохождения  ультразвука  по  потоку  жидкости  и  против.  Разность  времени прохождения  ультразвука  в  жидкости  пропорциональна  скорости  жидкости  в  трубопроводе.  Он  применяется  для  трубопроводов  и  каналов  диаметром (шириной) от 15 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 особенностей колеблется от 0,2 до 5 %. 

    Принцип действия частотных ультразвуковых расходомеров основан на измерении  частот  импульсно-модулированных  ультразвуковых  колебаний,направляемых одновременно по потоку жидкости и против него. Данный метод имеет преимущества при реализации его в приборах для трубопроводов диаметром более 200 мм.

  Фазовый  метод  предусматривает непрерывную  посылку  синусоидальных импульсов высокочастотного кварцевого генератора на два ультразвуковых датчика попеременно или одновременно. Ультразвуковые синусоидальные продольные волны проходят через жидкость как по направлению потока,так и навстречу ему. Поступающие на приемники ультразвуковые колебания сдвинуты на фазу друг относительно друга, так как волны, перемещающиеся по направлению потока, движутся быстрее. Фазовый метод позволяет обойти трудности, возникающие при измерениях малых интервалов времени, что является его достоинством . Данный метод наиболее эффективен при измерении расхода в трубопроводах диаметром менее 200 мм.

В системе измерения массового расхода криогенных жидкостей предпочтительно применить методы измерения, в которых используется тот факт,что скорость распространения ультразвуковой волны в движущейся среде является  векторной  суммой  скорости  распространения  ультразвука  в  неподвижной жидкости и скорости течения жидкости. Отклонения величины скорости распространения ультразвуковой волны от ее значения в неподвижной жидкости определяются путем косвенных измерений разности фаз (фазовый метод) между ультразвуковыми колебаниями, распространяющимися по потоку и против него, что позволяет компенсировать нестабильности скорости ультразвука от параметров среды.   

 Для  повышения  помехоустойчивости  целесообразно  применить ультразвуковой  преобразователь  с  тремя  кольцевыми  пьезоэлементами(рис. 2)

Расходомер содержит три ультразвуковых кольцевых преобразователя,один из которых излучающий ИУЗП и два принимающих ПУЗП1 и ПУЗП2,формирователь сигналов возбуждения ФСВ, мерный участок трубопровода,усилители Ус1, Ус2, фазовый детектор и индикатор И. 

Работает такой ультразвуковой расходомер следующим образом. ФСВ вырабатывает сигналвозбуждения  ИУЗП  в  виде  периодических  колебаний.  ИУЗП  излучает  акустические  волны  во  внутреннее  пространство  воздуховода,  заключенного  в оболочку корпуса. Волны перемещаются в движущемся по волноводу потоке и принимаются приемными кольцевыми ПУЗП1 и ПУЗП2. Принятые приемниками  акустические  волны  преобразуются  в  электрические  колебания  и поступают соответственно на усилители Ус1 и Ус2 и далее на фазовый детектор.  Фазовый  детектор  сравнивает  фазы  принятых  колебаний  и  вырабатывает  напряжение, пропорциональное разности фаз, которое подается на индикатор И. 

Излучающий и приемные кольцевые участки с пьезоэлементами не нарушают структуры потока в воздуховоде и не создают каких-либо аэродинамических сопротивлений. Для дальнейшего повышения помехоустойчивости возможно применение синхронного фазового детектора.