Ультразвуковые расходомеры

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 U_c 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>-(p_x -<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 U_c 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.