Принцип действия ультразвуковых расходомеров (УЗР) основан на передаче в измеряемую среду зондирующего луча ультразвукового колебания (УЗК) частотой более 20 кГц (чаще всего 1-2 МГц), приеме отраженного луча и вычислении средней скорости движения среды на ее математической зависимости от скоростей или частот в движущейся среде зондирующего и отраженного УЗК. По измеренной скорости УЗР вычисляет объемный (через известное сечение потока) или массовый (через известную плотность или измеренные параметры давления и температуры для пара и газа) расход среды. Широкое применение получили УЗР двух видов:
времяпролетные, в которых в качестве отражающих поверхностей для зондирующего луча УЗК используется естественная внутренняя поверхность трубопровода или специальный экран в пространстве среды, а средняя скорость среды Uc определяется на основе эффекта сноса и удлинения траектории луча УЗК движущейся средой как векторная разность
соответствующих скоростей УЗК в движущейся и в неподвижной средах. Для вычисления средней скорости среды используется один из трех методов, основанных на зависимости скорости либо от разности времен At = tj - (времяим- пульсный метод), либо от разности фаз Aq>-(px -<р2 (фазовый метод), либо от разности частот Af=fj —f2 (частотный метод), где индексы 1 и 2 соответствуют параметрам луча УЗК, проходящего по потоку и против него;
доплеровские, в которых в качестве отражающих поверхностей используются внутренние естественные неоднородности среды - газовые, жидкие или твердые включения с плотностью, отличной от плотности измеряемой среды, а средняя скорость Uc движения среды определяется на основе эффекта Доплера (изменения частоты УЗК, отраженного в среде не от неподвижных поверхностей, как в случае времяпролетного УЗР, а от движущихся частиц) и ее пропорциональной зависимости от разности частот 
Конструктивно УЗР представляет собой изделие, в комплект которого входит первичный ПП и электронный ЭП преобразователь с соединяющими их радиочастотными кабелями фиксированной длины. Первичный преобразователь выполняется либо в виде корпусной конструкции - "катушка" или "U-колена" (измерительного отрезка трубы с фланцами и штуцерами, в которые устанавливаются электроакустические преобразователи ПЭА] и ПЭА2, образующие прямолинейные, наклонные к оси трубопровода или параллельные ей, акустические каналы), либо в виде комплекта врезных (стационарных ПЭА, монтируемых непосредственно в месте измерения расхода в трубопровод через радиальные отверстия в нем и приваренные штуцеры, либо в виде накладных ПЭА, устанавливаемых с помощью прижимов и скоб на внешней поверхности трубопровода без нарушения его целостности (рис. 6.5, 6.6).
Различают УЗР портативные (на базе переносного малогабаритного ЭП с комплектом накладных ПЭА) и стационарные.
Рис. 6.5. Схемы ультразвуковых времяпролетных расходомеров и их первичных преобразователей ПП с врезными и накладными ПЭА
Для расходомеров времяпролетного вида с врезными и накладными ПЭА используется одна из трех схем установки их на трубе: Z-схема (самая короткая трасса зондирующего луча), V-схема (удлиненная трасса) или W-схема (наиболее протяженная трасса). Эти конструкции применяются в однолучевых УЗР с автоматической попеременной коммутацией ПЭА: в один цикл времени ПЭА] является передатчиком зондирующего луча УЗК, а ПЭА2 - приемником отраженного луча, а в следующий цикл они меняются функциями, благодаря чему луч распространяется попеременно по потоку и против него, что и позволяет рассчитывать скорость движения среды. Для доплеровских расходомеров применяется V или Z схема размещения ПЭА - см. рис. 6.6.
Рис. 6.6. Схемы ультразвуковых доплеровских расходомеров и их ГШ с врезными и накладными ПЭА
Времяпролетные УЗР используются в основном для измерения расхода чистых сред, содержащих небольшое количество инородных включений, а доплеровские УЗР, наоборот, - для неоднородных многокомпонентных сред типов пульпы, сточных вод и т.п. (до 30 - 60 % объема включений).
Конструкция U-колено используется, как правило, для прямых измерений ламинарных малоскоростных потоков в трубопроводах диаметром D = 10 - 80 мм (в частности, для измерения расхода вязких жидкостей типа мазута) или косвенных измерений расхода турбулентных потоков в больших трубопроводах на их байнасных измерительных участках.
Конструкция "катушка" применяется чаще всего для трубопроводов диаметром D = 80 - 200 мм. Эти корпусные конструкции ПП индивидуально градуируются по образцовому расходомеру на заводе-изготовителе и при установке на трубопроводе требуют выделения соответствующего мерного участка с ответными фланцами для крепления ПП.
Основные достоинства УЗР: отсутствие подвижных изнашивающихся частей в потоке среды; отсутствие непосредственного контакта с измеряемой средой (для ПП с накладными ПЭА); отсутствие потерь давления в трубопроводе (для ПП с накладными ПЭА); возможность измерения многокомпонентных сред; широкий диапазон контролируемых расходов и диаметров трубопроводов и др.
Характеристики некоторых распространенных УЗР отечественного и зарубежного производства, представленных на российском рынке, приведены ниже.
ПО группы Метран выпускает УЗР типа ДРК-3. Принцип действия устройства основан на корреляционной дискриминации времени прохождения случайными, например, турбулентными флуктуациями расстояния между двумя парами ультразвуковых акустических преобразователей АП1-АП4, АП2-АПЗ (рис.6.7)
Рис. 6.7. Блок-схема ДРК-3
Это время транспортного запаздывания и является мерой расхода контролируемой среды, движущейся по трубопроводу. Во время работы акустические преобразователи (АП1-АП4), возбуждаемые генераторами ультразвуковой частоты (ГУЧ1 и ГУЧ2), излучают ультразвуковые колебания.
Эти колебания, пройдя через поток жидкости, порождают вторичные электрические колебания на АП.
Из-за взаимодействия встречных ультразвуковых лучей с неоднородностями потока, обусловленными, например, турбулентностью, электрические колебания на АП становятся модулированными. Сигналы поступают на фазовые детекторы ФД1 и ФД2 и далее на корреляционный дискриминатор КД, управляемый микропроцессором.
В результате корреляционной обработки определяется время транспортного запаздывания, по которому микропроцессор производит вычисление периода выходных импульсов и их формирование. Далее КД определяет объем нарастающим итогом, мгновенный расход, время наработки и выводит информацию на индикатор. Выходные импульсы преобразователя ДРК-ЗЭП могут передаваться для дополнительной обработки на тепловычислитель, счетчик-интегратор либо оконечный преобразователь ДРК-ЗОП, который формирует унифицированный токовый выходной сигнал 0 - 5, 4 - 20 мА, пропорциональный мгновенному расходу.
Конструктивно датчик ДРК-3 состоит из комплекта первичных преобразователей ДРК-3 ПП, электронного преобразователя ДРК-ЗЭП и оконечного преобразователя ДРК-ЗОП. Комплект первичных преобразователей состоит из 4-х акустических преобразователей ДРК-ЗАП с соединительными кабелями длиной 3 м и 4-х штуцеров для монтажа их на трубопроводе.
ЗАО ВЗЛЕТ (Санкт-Петербург) выпускает расходомер-счетчик УРСВ-010М времяимпульсного типа для измерения расхода и объема жидкостей с помощью врезных (U-колено) или накладных ПЭА. Прибор измеряет в двух направлениях скорость, расход и объем среды. Расходомер имеет как стандартные токовые выходы, так и цифровые интерфейсы RS-232, 485.
Широкое применение получили также расходомеры немецких фирм Siemens, Krohne, датской фирмы Danfoss, американской фирмы Panametrics и ряда других изготовителей.
