Ультразвуковые расходомеры. Устройство, принцип действия, типы и виды ультразвуковых расходомеров.

Принцип действия ультразвуковых расходомеров основан на измерении зависящего от расхода того или иного акустического эффекта, возникающего при прохождении ультразвуковых колебаний через контролируемый поток жидкости или газа.

В последнее время используются две разновидности ультразвуковых расходомеров : расходомеры, основанные на перемещении ультразвуковых колебаний движущейся средой и доплеровский. Наибольшее распространение получила первая группа приборов. В таких расходомерах ультразвуковые колебания, создаваемые пьезоэлементами, направляются по потоку жидкости и против него. Разность времен прохождения ультразвуковыми импульсами расстояния между излучателем и приемником по потоку и против потока пропорциональна скорости потока, т.е. скорость ультразвука относительно стенок трубы зависит от скорости потока.

Ультразвуковые расходомеры в последние годы получают все более широкое распространение благодаря следующим положительным чертам:

• значительному динамическому диапазону, достигающему 25—30;

• высокой точности измерения, составляющей ±(1;2) %;

• возможности измерения расхода неэлектропроводных сред (нефтепродукты), загрязненных сред, суспензий;

• широкому диапазону диаметров трубопроводов от 10 мм и выше без ограничений;

• отсутствию потери давления;

К недостаткам этого метода измерения расхода следует отнести:

• необходимость значительных длин линейных участков до и после преобразователя;

• влияние на показания пузырьков воздуха в потоке;

• необходимость контроля отложений в трубопроводе на его рабочем участке;

• сложность и высокая стоимость приборов, которая при прочих равных условиях в 3—4 раза превышает стоимость тахометрических и электромагнитных расходомеров;

• ограничения по минимальной скорости потока.

Все ультразвуковые расходомеры являются микропроцессорными, на выходе они имеют токовый и импульсный выходные сигналы, цифровой дисплей, интерфейсы RS-232, RS-485, цепь сигнализации, значение суммарного расхода архивируется вместе с указанием нештатных ситуаций. Многие приборы могут измерять расход реверсивного потока.

Рис. 1. Схемы ультразвуковых преобразователей расходомеров:

а — одноканального; б — с отражателями; в — двухканального

Расходомеры по конструктивному исполнению подразделяются на одно- и двухканальные. В одноканальной схеме (рис. 1, а) каждый пьезоэлемент работает попеременно в режиме излучателя и приемника, что обеспечивается системой переключателей. Для увеличения чувствительности ход луча в среде может быть увеличен применением рефлекторов (рис. 1, б). Чувствительность ультразвуковых преобразователей также растет с уменьшением угла между векторами скорости потока и ультразвука. В двухканальной схеме (рис. 1, в) каждый пьезоэлемент работает только в одном режиме — излучателя или приемника. Двухканальные схемы проще одноканальных (нет сложных схем переключения), но точность их меньше, вследствие возможной акустической асимметрии обоих каналов.

Показания ультразвуковых расходомеров зависят от скорости потока, усредненной по ходу луча, а не по диаметру трубы, что является характерной особенностью расходомеров с излучением по потоку. В то же время для определения объемного расхода требуется измерение скорости усредненной по диаметру трубы. Для трубопроводов круглого сечения даже для осесимметричных потоков скорость потока усредненная по ходу луча не равна усредненной по диаметру трубы и соотношение между ними зависит от эпюры скоростей потока. Это обстоятельство является недостатком ультразвуковых расходомеров, определяющим наиболее существенную составляющую методической погрешности.

В ультразвуковых расходомерах SITRANS F фирмы Siemens, благодаря наличию отражателей, ход луча состоит из пяти отрезков, три из которых направлены по хордам, что обеспечивает сканирование профиля потока и измерение средней скорости потока в широком диапазоне измерения его скоростей. При максимальной скорости потока 10 м/с обеспечивается погрешность измерения расхода ±0,5 % в динамическом диапазоне 25 и ±1 % в диапазоне 100. В зависимости от типа местного сопротивления длина линейного участка трубопровода составляет (10. 40)D до преобразователя и 5D после него.

По методу определения времени прохождения импульса между излучателем и приемником ультразвуковые расходомеры подразделяются на времяимпульсные, частотные и фазовые.

В частотных расходомерах каждый последующий импульс посылается излучателем только после достижения предыдущим импульсом приемного пьезоэлемента.

Разность частот следования импульсов, определяемая дифференциальной схемой, связана со скоростью и объемным расходом.

Показания частотных расходомеров не зависят от скорости распространения ультразвука в неподвижной среде, а следовательно, и от физико-химических свойств и параметров среды. Это является достоинством частотных расходомеров.

В фазовых расходомерах измеряется разность фаз ультразвуковых колебаний частотой, распространяющихся по потоку и против него. Недостаток этих расходомеров — зависимость показаний от изменения скорости звука.

В доплеровских ультразвуковых расходомерах используется отражение ультразвуковых колебаний движущимися частицами потока. Доплеровские расходомеры измеряют местную скорость звука. В трубах малого и среднего диаметров эти расходомеры могут измерять среднюю скорость по диаметру или части площади трубы. В трубах больших диаметров при наличии прямых участков достаточной длины отражатель должен находиться на расстоянии 0,12 D от стенки трубы, где скорость соответствует средней скорости потока. В противном случае необходима индивидуальная градуировка расходомера.

Рис. 2. Схема доплеровского преобразователя

В корреляционных датчиках расхода ДРК доплеровский эффект используется для определения времени прохождения случайными (турбулентными) флуктуациями между двумя смещенными по длине трубы парами ультразвуковых преобразователей. Микропроцессор производит статистическую обработку сигналов, поступивших в приемники ультразвуковых колебаний каждого из сечений. Скорость потока определяется по времени, соответствующем максимуму корреляционной функции, связывающей сигналы, поступившие на оба приемника. На рис. 3 представлена структурная схема датчика расхода корреляционного ДРК ф. «Метран».

Рис. 3. Структурная схема корреляционного доплеровского расходомера

Сигналы ультразвуковой частоты поступают от генераторов ГУЧ1, ГУЧ2 на акустические преобразователи АП1— АП4, сигналы которых вызывают, благодаря доплеровскому эффекту, вторичные колебания, которые накладываются на основные. Фазовые детекторы ФД1, ФД2 и корреляционный дискриминатор КД, управляемый микропроцессором, обеспечивают получение импульсного сигнала, пропорционального расходу. Эти сигналы могут суммироваться и выводиться на цифровой индикатор, подаваться на оконечный преобразователь ДРК-30П или тепловычислитель. Такие расходомеры могут устанавливаться в трубопроводах диаметром от 50 до 4000 мм при скорости среды от 0,1 до 10 м/с, предел относительной погрешности составляет ±1,5; 2%.

Источник

Основные характеристики ультразвукового счетчика воды

Сфера применения индивидуальных приборов учета воды охватывает все области жизнедеятельности человека.

В трубопроводах с высоким потоком жидкости на первый план выходят счетчики с высокой точностью измерения. Для достижения этой цели используют ультразвуковые водомеры.

Что это за прибор?

Так называется прибор для измерения объема жидкости, прошедшей через магистраль, с помощью ультразвуковой волны.

В конструкции отсутствуют лопасти или другие движущиеся детали.

Водомер считается бесконтактным, если он крепится на внешней поверхности трубы. Позволяет точно измерять большой расход воды.

Ультразвук – это излучение с частотой, превышающей 20 000 Гц. Такая звуковая волна не улавливается органами слуха, поэтому работа счетчика не сопровождается никакими шумами, не оказывает негативного влияния на организм человека.

Принцип работы

Основывается на определении разницы в скорости распространения ультразвука по направлению течения воды и против него. На достаточном расстоянии друг от друга размещаются передатчик акустического сигнала и приемник.

Они универсальны. Периодически, с определенной частотой, меняются функциями. Передатчик излучает сигнал, приемник улавливает, и наоборот. Или ставятся отражатели. Этим достигается прохождение сигнала в двух направлениях, попутном и встречном.

По разнице во времени распространения двух волн вычисляется скорость течения жидкости. При известном сечении трубы нетрудно вычислить массовый расход воды. То есть объем, прошедший через счетчик в единицу времени. Что и отражается в показаниях водомера.

Для точного измерения используются сложные электронные схемы в сочетании с микропроцессорной техникой. В качестве излучателя и приемника используются пьезоэлементы.

«Сердце» конструкции – УЗ расхода (УПР). Это кусок трубы достаточной длины, к концам которой приварены фланцы для врезки в магистраль.

Внутри нее на специальных держателях закреплены пьезоэлектрические преобразователи (ПЭП).

Они выполняют функции приемника и передатчика, располагаются по диагонали, под углом к направлению течения жидкости.

В двухлучевых УПР используются две пары ПЭП, установленные параллельно друг другу. Это позволяет избежать погрешности, вызванной турбулентностью и другими факторами, влияющими на равномерность потока. В приборах с накладными датчиками врезка в магистраль не нужна. В них ПЭП крепятся с внешней стороны трубы.

Формирование ультразвуковых импульсов, обработка сигналов, расчет расхода возложены на электронный блок, который дополнительно выполняет функции запоминающего устройства.

Виды устройств

По типу различают следующие виды приборов:

По методике обработки сигнала существуют следующие виды:

Во втором случае монтаж не требует отключения воды, все элементы счетчика крепятся на внешней поверхности трубы. Хорошо подходит для работы с агрессивными жидкостями, поскольку не имеет с ними контакта. Для него нет ограничений по температуре и давлению жидкости в магистрали.

Область применения

Как указывалось, ультразвуковые водомеры применяются в системах с большим диаметром трубы и соответственно расходом жидкости.

Это могут быть:

Тут на первый план выходят высокая точность измерений. Стоимость прибора важна, но это не определяющий критерий выбора.

Попытка сэкономить на цене приводит к потерям, в десятки раз перекрывающим стоимость прибора. Для решения подобных задач лучше всего подходят ультразвуковые расходомеры. В жилищах потребление воды невелико, точность не имеет решающего значения. Важен ценовой фактор, что и ограничивает применение ультразвуковых приборов.

Погрешность может доходить до 20%, поэтому часто механические расходомеры не могут пройти плановую поверку. Такие счетчики подлежат замене.

Преимущества и недостатки УЗ счетных приборов

Ультразвуковые приборы учета воды, как и любые другие, обладают рядом достоинств и недостатков.

Преимущества:

К недостаткам можно отнести:

Популярные модели водомеров

Рынок счетчиков наводнен приборами разных производителей в широком ценовом диапазоне. Ниже приводятся характеристики распространенных портативных счетчиков промышленного назначения. Приведенные цены ориентировочные, могут значительно различаться в зависимости от комплектации и поставщика.

Установка УЗ водомера

При монтаже прибора следует выполнять определенные условия.

Требования к месту установки:

Непосредственно монтаж выполняется в следующей последовательности:

Затем осуществляется сложная и трудоемкая калибровка прибора. Все операции требуют высокой квалификации исполнителя. Проявлять самостоятельность, не обладая достаточным опытом, не стоит.

Эксплуатация и обслуживание

Эксплуатация ультразвуковых водомеров не требует специальных мер по обслуживанию прибора.

При соблюдении правил эксплуатации, заявленных производителем, все сводится к плановой поверке прибора.

Показания счетчика должны передаваться в контролирующий орган в период с 1 по 25 число каждого месяца.

Современные блоки управления либо оснащены средствами коммуникации, либо предусматривают возможность их подключения. Это позволяет настроить автоматическую передачу данных на портал государственных услуг, либо на сайт поставщика коммунальных ресурсов.

Заключение

Ультразвуковой метод учета расхода воды в системах с большим потреблением занимает заслуженные лидирующие позиции.

Лидерство обеспечивают непревзойденная точность измерений, возможность работать в магистралях с маленьким, так и с большим диаметром трубы и практически с любыми жидкостями. Привлекает высокая надежность и долговечность счетчиков. По совокупности качеств равноценной замены, на сегодняшний день, нет.

Источник

Ультразвуковой расходомер жидкости, газа и пара

Ультразвуковой расходомер — это стандартный расходомер, основой работы которого является измерение скорости потока, а определение расхода потока движущейся среды в нем осуществляется с помощью акустических законов. Такие расходомеры могут быть использованы для измерения расхода потока сред, непроводящих электрический ток.

Ультразвуковой расходомер

Принцип работы ультразвукового расходомера

Как понятно из названия, ультразвуковой расходомер в своей работе использует ультразвук, который не воспринимается человеческим ухом.

Звук возникает в результате вибраций, которые распространяются в виде волн. Для того, чтобы появился звук, необходимо учесть несколько моментов: источник, посылающий звуковые волны, воздушную или жидкую среду, в которой могут распространяться звуковые волны и объект, принимающий или улавливающий звуковые волны.

Количество звуковых волн, воспроизведенных вибрирующим объектом в течение некоторого заданного отрезка времени называется частотой звуковых волн. Чем быстрее вибрирует объект, тем больше будет посылаться звуковых волн, тем выше будет частота звука. И соответственно, чем медленнее происходит вибрирование, тем ниже частота.

Термином «ультразвук» называется звук с частотой выше уровня частоты, воспринимаемой человеческим ухом. Для того, чтобы определить скорость движения среды с помощью ультразвуковых расходомеров измеряют изменения ультразвуковых частот.

Если работает ультразвуковой расходомер, то источник, вибрируя, посылает ультразвуковые волны с некоторой заведомо известной частотой. Звуковые волны распространяются, двигаются в потоке среды до тех пор, пока они ни наталкиваются на пузырьки воздуха или на твердые частицы в потоке движущейся среды. Когда звуковые волны сталкиваются с воздушными пузырьками или твердыми частицами, они отталкиваются или отражаются от пузырька или частицы и двигаются в обратном направлении к принимающему устройству или приемнику.

Частица или пузырек в среде, находящейся в покое

При замере среды в покое у отраженных звуковых волн будет та же самая частота, что и у посланных источником звуковых волн. На рисунке выше изображен пузырек воздуха или твердая частица в среде, находящейся в покое. Пузырек или частица начинают вибрировать с частотой, посланных звуковых волн. Если среда находится в движении, уровень частоты отраженных звуковых волн, ультразвукового расходомера, сдвигается или изменяется по сравнению с уровнем частоты посланных звуковых волн. На рисунке ниже ряд звуковых волн «впереди» движущегося пузырька более уплотнен в своем последовательном чередовании, чем «позади» пузырька.

Пузырек воздуха в потоке движущейся среды

Волны позади пузырька вытянуты по своей конфигурации по причине наличия скорости движущегося потока. Сам пузырек тоже несколько деформирован по той же самой причине наличия скорости движущегося потока.

Поскольку пузырек движется по мере того, как он посылает обратно или отражает звуковые волны, то фактически он движется «догоняя» звуковые волны впереди него и удаляясь от волн позади него. Другими словами, пузырек начинает вибрировать с той же самой частотой, что и посланные источником звуковые волны, но в результате наличия скорости движущегося потока, который несет этот пузырек, уровень частоты отраженных волн сдвигается. Когда звуковые волны, скомпрессированные в процессе движения потока впереди пузырька, достигают приемника, частота их выше, чем частота звуковых волн, посланных источником, потому, что интенсивность попадания волн на приемник будет выше, чем интенсивность их попадания на приемник в условиях среды, находящейся в покое.

После того, как пройдет пузырек, на приемник ультразвукового расходомера попадают вытянутые по своей конфигурации волны. Частота этих волн ниже, чем частота звуковых волн, посланных передатчиком. Т.к. в последовательности этих волн отмечается расширение, для того, чтобы попасть на приемник этим вытянутым по своей конфигурации волнам понадобиться больше времени.

По мере увеличения скорости движения потока, увеличивается также и сдвиг по частоте. И наоборот, если скорость движения потока среды уменьшается, то уменьшается и сдвиг по частоте. Другими словами, каждому изменению скорости потока присущ соответствующий сдвиг по частоте. Для измерения скорости потока среды в ультразвуковых расходомерах используется эта взаимосвязь. Затем расходомер преобразует величину скорости потока в соответствующую величину расхода потока.

Сдвиг по частоте между переданными и принятыми звуковыми волнами — это один пример естественного феномена, известного по названием эффект Доплера. Он имеет место при условии наличия относительного движения между источником волны и приемником этой волны. В ультразвуковом расходомере движущиеся вместе с потоком среды пузырьки воздуха или твердые частицы становятся передатчиками волн, т.к. от них отражаются волны.

Источник

Принцип действия ультразвукового расходомера

1. Электронный блок ультразвукового расходомера выполнен в влагозащищенном пластмассовом корпусе настенного исполнения. Электронная схема ультразвукового расходомера выполнена по принципу многоступенчатой гальванической развязки (>1000 В) всех функциональных элементов между собой. Такой принцип обеспечивает максимальную помехозащищенность и надежность прибора в реальных и жестких условиях эксплуатации. В электронной схеме прибора применены надежные источники питания со временем наработки не менее 500 000 часов.

Структурная схема ультразвукового расходомера.

2. ПЭП 1 и 2, работающие попеременно в режиме приемник-излучатель, связаны высокочастотным кабелем РК-50 с ЭБ, обеспечивающим посылку возбуждающих импульсов (рисунок) на пьезопреобразователь, работающий в режиме излучателя, и прием (усиление и детектирование) слабых сигналов от пьезопреобразователя, работающего в режиме приемника. (см.рисунок).

временная диаграмма ультразвуковых сигналов расходомера

При движении жидкости в трубопроводе происходит снос ультразвуковой волны, который приводит к изменению времени распространения ультразвукового сигнала (далее – УЗС): по потоку жидкости (от ПЭП 1 к ПЭП 2) время прохождения уменьшается, а против потока (от ПЭП 2 к ПЭП 1) – возрастает. Разность времен прохождения УЗС через жидкость по и против потока пропорциональна скорости потока V и, следовательно, объемному расходу F. По полученным сигналам с пьезопреобразователей рассчитываются: времена прохождения сигнала от ПЭП 1 до ПЭП 2, расход, накопленный объем жидкости, и значение частоты выходного сигнала, пропорционального расходу. Вычисленные таким образом параметры, пропорциональные расходу, объему и времени подаются на текстовый дисплей для отображения.

3. Принцип действия ультразвукового расходомера поясняется рисунком:

принцип действия ультразвукового расходомера

Скорость распространения ультразвукового сигнала от излучателя до приемника в жидкости, заполняющей трубопровод, представляет собой сумму скоростей ультразвука в неподвижной воде и скорости потока воды V в проекции на рассматриваемое направление. Время распространения ультразвукового импульса от ПЭП 1 к 2, t1, и от ПЭП 2 к 1, t2, зависит от скорости движения воды в соответствии с формулами:

формула времён ультразвукового расходомера:

где t1, t2 – время распространения ультразвукового импульса по потоку и против потока, с;
Lд – расстояние между мембранами пьезопреобразователей, мм;
Lа – длина активной части акустического канала, мм;
С0 – скорость ультразвука в неподвижной воде, м/с;
V – скорость движения жидкости в УПР, м/с;
а – угол между осями трубопровода и датчиков ПЭП, градусы.
В ультразвуковом расходомере используется метод прямого, высокоточного измерения времени распространения каждого УЗС от одного ПЭП к другому. Из формул (1) и (2) получаем:

формула скорости ультразвукового расходомера:

где dt – разность времен распространения УЗС по потоку и против потока.
Из формулы (3), умножая среднюю скорость потока V на сечение трубопровода D, получаем значение расхода воды F, протекающего в месте установки пьезопреобразователей:

формула расхода ультразвукового расходомера:

где D – диаметр трубопровода на месте установки пьезопреобразователей, мм;
К – коэффициент коррекции.
Коэффициент коррекции К рассчитывается по «Методике поверки», является программируемым параметром. Гидродинамический коэффициент представляет собой отношение средней скорости потока жидкости в трубопроводе к скорости потока жидкости v, усредненной вдоль ультразвукового луча. Он вычисляется на основе введенных значений шероховатости стенок трубопровода, вязкости контролируемой жидкости, внутреннего диаметра трубопровода, измеренного значения скорости потока.
Изменение скорости распространения УЗС в рабочей жидкости, связанное с изменением температуры, давления и/или состава жидкости, ввиду неизменной длины акустического тракта, учитывается в приборе путем определения фактической скорости ультразвука, рассчитанной по формуле:

формула скорости ультразвука ультразвукового расходомера

Объем жидкости V за интервал времени Т определяется в соответствии с формулой:

формула накопленного объема ультразвукового расходомера:

4.Современный метод расчета расхода с использованием весовых коэффицентов:
В ультразвуковом расходомере двухлучевого исполнения, построенного на базе двухканального измерителя, на один трубопровод (УПР) устанавливаются две пары ПЭП. При этом измерение расхода по каждому лучу ведется независимо, а измеренное значение расхода в трубопроводе вычисляется по формуле:

формула расхода двухлучевого ультразвукового расходомера:

где W1,W2 – весовые коэффициенты для каждой пары ПЭП (каждого луча); F1, F2 – расход, измеренный по лучу 1 и лучу 2 соответственно.
В ультразвуковом расходомере трехлучевого исполнения, построенного на базе трехканального измерителя, на один трубопровод устанавливаются три пары датчиков. При этом измерение расхода по каждому лучу ведется независимо, а измеренное значение расхода в трубопроводе вычисляется по формуле:

формула расхода трехлучевого ультразвукового расходомера:

где W1,W2,W3 – весовые коэффициенты для каждой пары ПЭП (при размещении двух пар ПЭП по хордам и одной пары по центру в соответствии с инструкцией по монтажу).
В ультразвуковом расходомере четырехлучевого исполнения, построенного на базе четырехканального измерителя, на один трубопровод устанавливаются четыре пары датчиков. При этом измерение расхода по каждому лучу ведется независимо, а измеренное значение расхода в трубопроводе вычисляется по формуле:

формула расхода четырехлучевого ультразвукового расходомера:

где W1,W4,W2,W3 – весовые коэффициенты для каждой пары ПЭП (при размещении ПЭА по хордам в соответствии с инструкцией по монтажу).
Значение расхода определяется при выполнении условия: Fотс Fmax измерение расхода продолжается, но значение расхода становится равным верхнему значению диапазона Fmax.

Источник