Классификация ультразвуковых расходомеров

УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ (АКУСТИЧЕСКИЕ) РАСХОДОМЕРЫ

Ультразвуковыми расходомерами называют расходомеры, принцип действия которых заключается в измерении какого-либо физического эффекта (в зависимости от расхода) , создающего при прохождении акустических колебаний сквозь поток жидкости или газа. Большинство акустических расходомеров работают в ультразвуковом диапазоне частот.
Ультразвуковые расходомеры подразделяются на:
• расходомеры, работающие по принципу перемещения акустических колебаний движущейся средой
• расходомеры, работающие на принципе эффекта Допплера
Наибольшее применение получили ультразвуковые расходомеры, сконструированные на принципе измерения разности времени прохождения акустических колебаний по направлению потока и против потока измеряемого вещества. Ультразвуковые расходомеры, в которых акустические колебания проходят перпендикулярно к потоку и измеряется величина отклонения этих колебаний от первоначального направления встречаются редко. Ультразвуковые расходомеры работающие на явлении Допплера, используются для измерения местной скорости потока, реже для измерения расхода вещества и имеют более простые измерительные схемы.
Кроме вышеуказанных разновидностей ультразвуковых расходомеров, разработаны длинноволновые акустические расходомеры, работающие в звуковом диапазоне частот акустических колебаний.
Ультразвуковые расходомеры, как правило, используют для измерения объемного расхода вещества, но при добавлении в конструкцию расходомера реагирующего на плотность (датчик температуры, датчик давления) измеряемого вещества акустического преобразователя, возможно измерение массового расхода. Погрешность измерения ультразвуковых расходомеров находится пределах от 0,1 до 2,5 %. Чаще всего такие ультразвуковые расходомеры используют при измерении расхода жидкости, так как газы имеют низкое акустическое сопротивление и сложность получения интенсивных звуковых колебаний. Ультразвуковые расходомеры применяют для измерения расхода в трубах диаметром 10 мм и больше 2 м.
Ультразвуковые расходомеры отличаются по устройству первичных преобразователей и по используемым измерительным схемам. Высокие частоты акустических колебаний (0,1-10 МГц) используются для измерения расхода чистых жидкостей. Для измерения загрязненных сред частоты колебаний значительно уменьшают до нескольких десятков КГц, чтобы предотвратить поглощение и рассеяние акустических колебаний. Длина волны должна быть в разы больше диаметра воздушных пузырей или твердых частиц. Для измерения расхода газов используют низкие частоты.

РАЗНОВИДНОСТИ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ РАСХОДОМЕРОВ С КОЛЕБАНИЯМИ, НАПРАВЛЕННЫМИ ПО ПОТОКУ И ПРОТИВ НЕГО

Имеется несколько способов измерения очень малого значения, при котором измеряется разность фазовых сдвигов акустических колебаний, направляемых по потоку и против него (фазовые расходомеры);
-время импульсный метод, основанный на непосредственном измерении разности времени прохождения коротких импульсов по потоку и против него (времяи мпульсные расходомеры);

- частотный метод, при котором измеряется разность частот повторения коротких импульсов или пакетов акустических колебаний, направляемых по потоку и против него (частотные расходомеры).
По числу акустических каналов ультразвуковые расходомеры подразделяются на однолучевые или одноканальные, двухлучевые или двухканальные и многолучевые или многоканальные. У первых имеются только два пьезоэлемента, каждый из которых по очереди выполняет функции излучения и приема. Их существенное достоинство — отсутствие пространственной асимметрии акустических каналов, зависящих от различия их геометрических размеров, а также различия температур и концентрации потока в них. Вторые имеют два излучателя и два приемника, образующих два независимых акустических канала, которые располагаются параллельно или перекрещиваются друг с другом. Многоканальные применяются при необходимости измерения расхода деформированных потоков или же для достижения повышенной точности, в частности, в случае применения ультразвукового расходомера в качестве образцового.

УСТРОЙСТВО ПЕРВИЧНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ РАСХОДА (УПР) УЛЬТРАЗВУКОВЫХ РАСХОДОМЕРОВ

Преобразователь ультразвукового расходомера состоит из отрезка трубы, на котором установлены два или четыре датчика с пьезоэлементами(ПЭП), дающие направленное излучение.

ИЗЛУЧАТЕЛИ И ПРИЕМНИКИ АКУСТИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ В УЛЬТРАЗВУКОВЫХ РАСХОДОМЕРАХ

Излучатели и приемники колебаний применяются для ввода акустических колебаний в поток и их приема на выходе из потока. Они являются главными составляющими первичных преобразователей ультразвуковых расходомеров. На поверхностях кристаллов (пьезоэлементов) при сжатии и растяжении образуются электрические заряды, если к поверхностям кристаллов приложить разность потенциалов, то пьезоэлемент сожмется или растянется в зависимости от разности величины напряжения между поверхностями обратный пьезоэффект. На явлении обратного пьезоэффекта строится работа излучателей, трансформирующих переменное электрическое напряжение в акустические (механические) колебания аналогичной частоты. На явлении прямого пьезоэффекта работают приемники, трансформирующие акустические колебания в переменные электрические напряжения.
В настоящее время в ультразвуковых расходомерах в качестве излучателей и приемников акустических колебаний используют пьезокерамические материалы (титанат бария, цирконат титаната свинца) с большим пьезомодулем и диэлектрической проницаемостью.
ФАЗОВЫЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ

Это ультразвуковые расходомеры, работающие по принципу зависимости фазовых сдвигов ультразвуковых колебаний, образующихся на приемных пьезоэлементах, от разности временного прохождения колебаниями одинакового расстояния по потоку движущейся жидкости или газа и против потока. В настоящее время существует несколько схем одно- и двухканальных фазовых расходомеров. В одноканальных вихревых расходомерах реализованы различные схемы переключения пьезоэлементов с излучения на прием (например, схемы с одновременной посылкой коротких ультразвуковых пакетов и одновременным переключением пьезоэлементов с излучения на прием; помощью мультивибратора; переключение с помощью особого генератора, создающего сигналы двух форм, один из которых включает генератор, а второй сигнал переключает пьезоэлементы на прием и т.д.). Одноканальные фазовые вихревые расходомеры не требуют переключения с излучения на прием, в них оба пьезоэлемента непрерывно излучают ультразвуковые колебания двух разных, но весьма близких частот ( например 6 МГц и 6,01 МГц). Фазовые расходомеры были наиболее распространены среди ультразвуковых, но в настоящее время распространение получили другие расходомеры, дающие более высокую точность измерения.

ЧАСТОТНЫЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ

Это ультразвуковые расходомеры, работающие на принципе зависимости разности частот повторяющихся коротких импульсов ультразвуковых колебаний от разности времен прохождения ультразвуковыми колебаниями одинакового пути по потоку жидкости (газа) и против потока. Частотные ультразвуковые расходомеры бывают частотно-пакетными (при измерении разности частот пакетов ультразвуковых колебаний, проходящих через газ или жидкость) и частотно-импульсными (при измерении разности проходящих через среду коротких импульсов). В частотно-импульсных ультразвуковых расходомерах генератор создает короткие импульсы, которые направляются с интервалами, равными времени прохождения ультразвука по направлению скорости потока и против направления скорости потока, к излучающим пьезоэлементам.
ВРЕМЯ ИМПУЛЬСНЫЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ

Это ультразвуковые расходомеры, измеряющие разность времен прохождения коротких импульсов направлении потока жидкости или газа и против потока на расстоянии L. Времяимпульсные ультразвуковые расходомеры в основном одноканальные и работают на импульсах 0,1-0,2 мкс, посылаемых поочередно или одновременно навстречу друг другу с частотой примерно 0,5 кГц. Такие ультразвуковые расходомеры предназначены для измерения объемного расхода. Чтобы определять массовый расход используют УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ С КОРРЕКЦИЕЙ НА ПЛОТНОСТЬ ИЗМЕРЯЕМОГО ВЕЩЕСТВА.

УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ С КОЛЕБАНИЯМИ, ПЕРПЕНДИКУЛЯРНЫМИ К ПОТОКУ

Это ультразвуковые расходомеры, в которых акустические колебания по направлению потока и против потока измеряемого вещества отсутствуют и ультразвуковой луч вместо этого посылается перпендикулярно движению потока жидкости или газа и вычисляется величина отклонения луча от перпендикулярного направления, зависящая от скорости и измеряемого вещества. Акустические колебания излучает один пьезоэлемент, а воспринимаются одним или двумя пьезоэлементами. Ультразвуковой расходомер с колебаниями, перпендикулярными к потоку обладает хорошим уровнем чувствительности, но точность измерения напрямую связана с состоянием отражающих поверхностей трубы.


ДОППЛЕРОВСКИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ

работают по принципу измерения, зависящего от расхода допплеровской разности частот, возникающих вследствие отражения акустических колебаний неоднородностями потока. Разность зависит от скорости частицы, отражающей акустические колебания и скорости с распространения этих колебаний. Вычисляемая разность частот служит для измерения скорости частицы отражателя, что равнозначно вычислению местной скорости потока.
Допплеровские ультразвуковые расходомеры обладают низкой точностью (2-3%) вследствие того, что выходной сигнал состоит из спектра разных частот, образующихся в результате сдвига исходной частоты большим количеством частиц, имеющих отличные скорости.