Акустические методы измерения расхода

Ультразвуковой метод измерения расхода

Автор:Кремлевский П.П
Источник: Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества веществ: Справочник: Кн. 2 .- СПб .: Политехника, 2004. — 412 с.

Ультразвуковые расходомеры

Основой акустического метода измерения расхода являетсязависит от нее того или иного эффекта, возникающего при проходе акустических колебаний через поток жидкости. Почти все применяемые на практике акустические расходомеры работают в ультразвуковом диапазоне частот и поэтому называются ультразвуковыми.

Ультразвуковые расходомеры реализуют различные способы измерения. Наиболее часто на практике используют два способа измерения, отличаются взаимным пространственным расположением направлений вектора скорости жидкости и вектора распространения звуковой волны.

Первый способ основан на определении износа движущейся средой ультразвукового луча, направленного под прямым углом к вектору движения потока. По сути, измеряется уменьшение количества акустической энергии, попадающей на приемник с ростом скорости потока.

Недостатком данного способа является низкая чувствительность, поэтому чаще применяется разновидность этого способа, который заключается в том, что луч направляют под небольшим углом относительно диаметра трубы и принимают после многократного отражения от стенок трубы, как показано на рис. 1.4, а). Таким образом, достигается увеличение расстояния, которое проходит луч. Чувствительность такой конструкции выше, чем у основного вида способа, однако следует отметить, что показания существенно зависят от степени коррозии и загрязнения внутренних поверхностей трубы, отражающих луч. Кроме того, скорость звука в среде зависит от температуры жидкости, ее кинематической вязкости и степени загрязнения жидкости. Эта зависимость приводит к росту погрешности при изменении физико-химических свойств измеряемой жидкости.

Рис. 1.4 Конструкции преобразователей ультразвуковых расходомеров

Для исключения влияния зависимости скорости звука от различных факторов используют другой способ, в котором расход жидкости определяют по разнице скорости распространения звука в направлении потока и против него. Ультразвуковой луч при этом направляют под углом к направлению движения потока. На рис. 1.4, б) показана одноканальная, а на рис. 1.4, в), г) – двухканальные конструкции преобразователей расходомеров, которые реализуют указанный метод формирования и приема акустических колебаний

Если плоскости излучающих и принимающих акустических преобразователей расположены под некоторым углом θ к оси трубы, то звуковой луч проходит в измеряемой жидкости путь длиной L под углом α, равный α = 90° — θ. Обозначим через νL скорость потока, усредненную по длине L. Проекция скорости νL на направление L будет равняться νL cosα. Если акустические колебания направлены в сторону движения потока, то время τ1 прохождения ими расстояния L определяется выражением:

где с — скорость распространения акустических колебаний в неподвижной жидкости.

При обратном направлении акустических колебаний время τ₂ прохождения ими той же расстоянии определится выражением:

Источник

Акустические (ультразвуковые) расходомеры

Акустическими называются расходомеры, основанные на измерении того или иного эффекта, возникающего при прохождении колебаний через поток жидкости или газа и зависящего от расхода. Почти все применяемые на практике акустические расходомеры работают в ультразвуковом диапазоне частот и поэтому называются ультразвуковыми.

Большинство промышленных ультразвуковых расходомеров используют эффекты, основанные на перемещении акустических колебаний движущейся средой. Они служат для измерения объемного расхода, потому что эффекты, возникающие при прохождении акустических колебаний через поток среды (жидкости или газа), связаны со скоростью перемещения среды. На рис. 8.7 показаны первичные преобразователи ультразвуковых расходомеров.

Для ввода акустических колебаний в поток и для приема их на выходе из потока необходимы излучатели и приемники колебаний — главные элементы первичных преобразователей ультразвуковых расходомеров. При сжатии и растяжении в определенных направлениях некоторых кристаллов (пьезоэлементов) на их поверхности образуются электрические заряды, и наоборот, если к этим поверхностям приложить разность потенциалов, то пьезоэлемент растянется или сожмется в зависимости от того, на какой из поверхностей будет больше напряжения, — обратный пьезоэффект. На этих эффектах основан метод преобразования переменной электрической разности потенциалов на гранях кристалла в акустические (механические) колебания той же частоты (для излучения колебаний) или наоборот — преобразования акустических колебаний в переменную электрическую разность потенциалов на гранях кристалла (для приемника колебаний).

Рис. 8.7. Схема ультразвукового первичного преобразователя расхода

На узлах учета газа большой (свыше 105 м3/ч) и средней производительности (от 2 х 104 м3/ч до 105 м3/ч) следует использовать ультразвуковые ПР с четырьмя и более акустическими каналами.

Для учета газа, содержащего загрязнения, рекомендуется выбрать ультразвуковые ПР, в которых не используются отраженные акустические лучи, или установить перед ПР фильтр-сепаратор.

Для устранения влияния акустических колебаний в газовом потоке на показания ПР необходимо применение ультразвуковых ПР, работающих на частотах, превышающих 100кГц.

Не рекомендуется установка ультразвукового ПР после регулятора давления, не оснащенного шумоглушителем и работающего на критическом режиме.

Достоинствами ультразвуковых расходомеров являются: широкий диапазон измеряемых расходов; минимальные потери давления; возможность измерения очень больших расходов (до 40000 м3/ч).

К недостаткам можно отнести: необходимость во внешнем питании; чувствительность к загрязнениям и влажности газа; необходимость коррекции при изменении температуры среды; сравнительно небольшой срок опыта эксплуатации; высокая цена (экономическая целесообразность использования только для измерения больших расходов).

Данный интернет-сайт носит исключительно информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, определяемой положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Для получения информации об условиях сотрудничества, пожалуйста, обращайтесь к сотрудникам ГК «Газовик».

Бесплатная телефонная линия: 8-200-2000-230

© 2007–2021 ГК «Газовик». Все права защищены.
Использование материалов сайта без разрешения владельца запрещено и будет преследоваться по закону.

Источник

Выбор ультразвукового расходомера

В современном мире ультразвук применяется во многих сферах, от бытовых устройств до сложных медицинских аппаратов. Одной из успешных областей применения ультразвуковых эффектов является измерение расхода в промышленности.

Сейчас в промышленности наблюдаются тенденции развития в области безопасности, улучшения качества продукции и постоянной оптимизации процессов. Поэтому измерение расхода становится все более важным. От расходомеров требуют точности, широких эксплуатационных характеристик и простоту применения. К сожалению, не все типы расходомеров могут обеспечить соблюдение всех требований. Одним из немногих типов расходомеров, способных решать сложные задачи измерения расхода, являются ультразвуковые (акустические) расходомеры.

Ультразвуковыми расходомерами являются устройства, принцип действия которых основан на измерении величин, изменяющихся при прохождении акустических колебаний сквозь измеряемую среду. Такие расходомеры могут быть фазовыми, частотными, а также основанными на эффекте Доплера.

Типы ультразвуковых расходомеров

По времени прохождения импульса

Устройство ультразвукового расходомера, основанного на измерении времени прохождения импульса, представлено на рисунке 1. Преобразователи А и В являются и источником, и приемником акустических волн. Сигнал идущий по потоку и против него обладает разным временем прохождения. Разность этого времени пропорционально скорости потока и расходу. Такой метод называется фазовым. Так же существуют частотный метод, основывающийся на измерении времени запаздывания ультразвуковых сигналов.

Рисунок 1. Устройство ультразвукового расходомера

Доплеровский расходомер

Эффект Доплера при ультразвуковом измерении расхода используется следующим образом: излучатель посылает волну с некоторой частотой f и скоростью v; волна отражается от частиц, пузырьков или маленьких вихрей в жидкости, скорость которых равна скорости всего потока; отраженная волна имеет частоту отличную от начальной частоты сигнала; разница этих частот пропорциональна разнице скоростей среды и волны; Зная скорость потока, далее можно рассчитать расход. Схематично принцип действия доплеровского расходомера представлен на рисунке 2.

Рисунок 2. Устройство доплеровского расходомера

Достоинства ультразвуковых расходомеров

Расходомеры, основанные на вышеперечисленных методах измерения, обладают рядом преимуществ:

1. При измерении расхода однородных сред, ультразвуковой метод измерения не будет зависеть от давления, температуры, проводимости и вязкости среды;
2. Возможность бесконтактного измерения расхода.

Из второго преимущества вытекает множество дополнительных преимуществ, которыми не обладают другие расходомеры, и это:

1. Монтаж без остановки технологического процесса;
2. Инертность к агрессивным воздействиям измеряемой среды;
3. Нет потери давления;
4. Простота эксплуатации, обслуживания и долгий срок службы.

Практические применения ультразвуковых расходомеров

В настоящее время одними из самых важных ресурсов являются газ и нефть. Их добыча является сложным процессом со своими особенностями. Так добыча нефти является многостадийным процессом, а получаемые продукты могут иметь высокую температуру, вязкость, и даже застывать при нормальных условиях процесса. Применение ультразвуковых расходомеров в таких условиях является одним из лучших решений.

Измерение расхода нефтепродуктов акустическим расходомером Dynasonics TFXL

Например, для измерения расхода нефтепродуктов может быть использован ультразвуковой расходомер Dynasonics TFXL (Рисунок 3а). Погрешность в 1% позволяет производить высокоточные измерения, учитывая, что измеряемый продукт является дорогим, это важная особенность. Прибор работает со средой, температура которой может находится в диапазоне от −40°С до +176°С. Расходомер использует бесконтактны принцип измерения и позволяет производить монтаж снаружи трубопровода. Высокие эксплуатационные характеристики (температура окружающей среды от −40°С до +85°С) и специальные исполнения для опасных зон позволяют использовать прибор в неблагоприятных условиях.

Рисунок 3а. Расходомер Dynasonics TFXL

Рисунок 3б. Принцип измерения

Принцип работы данного прибора основан на перемещении акустических колебаний в среде. Используются 2 преобразователя, которые одновременно являются и передатчиками, и приемниками. Сигнал попеременно передается от преобразователя к преобразователю, сначала по потоку, затем против потока. По разности скоростей прохождения двух сигналов прибор определяет направление потока и его скорость, которая пропорциональна расходу. Прибор может выдать результат измерений по месту на ЖК-дисплее электронного блока, а также передать по стандартному аналоговому выходу 4-20 мA.

Измерение расхода жидкостей ультразвуковым расходомером SU7000

Для технологических процессов, где необходимо измерять расход воды или масла имеются бюджетные решения в сфере ультразвуковых расходомеров, например, расходомер ifm electronic SU7000 (Рисунок 4). Принцип действия данного прибора так же основан на принципе измерения времени прохождения сигнала между двумя преобразователями.

Рисунок 4. Расходомер ifm electronic SU7000

Почему стоит выбирать именно ультразвуковые расходомеры?

Ультразвуковой способ измерения расхода ни в чем не уступает другим способам измерения. Например, турбинные расходомеры, которые очень часто используются при измерении расхода нефтепродуктов, имеют 2 преимущества, которые обуславливают их применение — это простота конструкции и высокая чувствительность. При этом такие расходомеры содержат в себе механические части, которые контактируют непосредственно с измеряемой средой, что делает их зависимыми от вязкости среды, а также имеется возможность поломки деталей расходомера. Ультразвуковое измерение расхода не вносит в измеряемую среду подвижных механических частей, что исключает возможность поломки из-за изнашивания, а также отсутствуют потери давления. При этом их метрологические характеристики идентичны, оба типа расходомеров могут производить измерения с погрешностью в 1% и меньше.

При поломке турбинного расходомера его замена является очень сложным процессом, так как необходимо отсечь трубопровод для демонтажа. Монтаж ультразвуковых расходомеров изначально отметает данную потребность, так как устанавливается на трубопровод снаружи, тем самым делая как первоначальный монтаж, так и последующее обслуживание и ремонт быстрым и простым.

Бесконтактное измерение расхода является главным достоинством ультразвуковых расходомеров и обуславливает все более частое их применение. Существующее измерительные системы могут быть установлены на трубопроводы диаметром до 4000 мм. Отличные метрологические свойства, возможность использования для измерения расхода в нефтяной, химической, пищевой и других промышленностях — делает ультразвуковые расходомеры отличным техническим решением для измерения расхода.

Источник: Компания «РусАвтоматизация»

Источник

Ультразвуковой метод измерения расхода

Ультразвуковыми расходомерами называют расходомеры, принцип работы которых основан в прохождении ультразвуковой волны через поток жидкости или газа. Ультразвуковые расходомеры работают в диапазоне частот от 20кГц до 1000 МГц.

Диапазон частот от 20кГц до 1000 МГц.

Для прохождения волны и её интерпретации необходимы приемник и передатчик, которые обладают пьезоэлектрическим эффектом. Таким эффектом обладают следующие материалы кварц, турмалин, тартрата калия, сульфата лития, титанат бария, цирконат титаната свинца. Помещая пьезоэлектрический кристалл в электрическое поле упругая деформация вызывает уменьшение или увеличение его длины в соответствии с величиной и направлением полярности поля.

Прикладывая напряжение, размеры пьезокерамических элементов изменяются. При механических воздействиях пьезокерамический элемент генерирует электрический ток.
Поэтому пьезокерамические элементы используются в качестве излучателей и приемников сигнала, т.е. как приемопередатчики.

1. Конструкция ультразвуковых расходомеров

Преобразователь ультразвукового расходомера состоит из отрезка трубы, на котором установлены пьезоэлемента.
Диаметр пьезоэлемента находится в пределах 5-20 милиметров, а его толщина выбирается в зависимости от частоты. В частотных и время-импульсных расходомерах для повешения точности измерений используют частоты 5-20 Мгц.. Обычно в жидкостях применяются частоты ( 50 кГц — 2 МГц. В газовых средах необходимо уменьшать частоты до сотен и десятков Кгц, это вызвано сложностью создания в газах интенсивных акустических колебаний, особенно высокой частоты.

Преобразователи сферического излучения

Данные конструкции применяются в трубах малого диаметра. В качестве преобразователей используются кольцевые пьезопреобразователи, которые создают сферическое излучение. В схеме А , каждый из двух пьезоэлементов по очереди излучает и принимает акустические колебани

Преобразователи с отражателями

Преобразователи с отражателями. Одна из лучших схем для защиты пьезопрезобрателей от условий агрессивной среды и механических примесей в жидкости. В данном случае волна подается от передатчиков-излучателей и, отражаясь от стенок отражателя, попадает на приемник Конструкция 2 А применяется в расходомерах фирмы Kamstrup диаметром до 40 мм.

Схемы с угловым вводом направленных акустических колебаний.

На рисунках А,В,С показаны однолучевые конструкции расходомеров. На рисунке А,D, E трубопровод снабжается особыми впадинами — карманами, в глубине которых находятся пьезоэлементы. Данные конструкции применяются для чистых и неагрессивных сред, так как возможно засорение данных полостей. Также вследствие свободных полостей возможно появление вихрей, влияющих на показание расходомера. Конструкция В лишена данных недостатков, за счет заполнения данных полостей металлом или органическим стеклом. В конструкции С , пьезоэлементы находятся снаружи трубопровода. Они передают акустические колебания через металлические стенки трубы и измеряемому веществу. Чувствительность сигнала гораздо хуже, из-за паразитных сигналов и помех, вызванных прохождением колебаний по стенке трубы. Для увеличения точности используется схемы с двумя, черемя, восьми парами преобразователей-излучателей рисунок D, E .

2. Принцип действия ультразвуковых расходомеров

2.1. Принципы определения расхода основанные на зависимости от времени

Метод основан на факте, что ультразвуковому сигналу, направленному против движения потока, для прохождения расстояния от излучателя до приемника требуется больше времени, чем сигналу, направленному по ходу движения потока.

Анимация для объяснения принципа определения расхода, основанного на зависимости от времени.
Понимая, что определить время с помощью секундомеров невозможно для данного метода, так как временная разность находится в пределах нано или пикосекунд были реализованы следующие принципы интерпретации сигнала:
— Фазные
— Частотные
— Время импульсные

2.1.1. Фазный принцип определения расхода

Фазовыми называют ультразвуковые расходомеры, основанные на зависимости фазовых сдвигов уз — колебаний, появляющихся на приемных пьезоэлементах. Данный принцип, также основан на разности времен прохождения этими колебаниями одного и того же расстояния по потоку движущейся жидкости или газа и против него. Частота и амплитуда импульсов совпадают в данных расходомерах. Но иногда в конструкциях применяются близкие частоты 6 МГц и 6.01 МГц. В фазовых расходомерах частота выбирается так, чтобы при максимальном расходе получить наибольшую разность фаз, которая может быть измерена фазометром

Сравнивания два сигнала, одинаковых по частоте и амплитуде получаем график, как на рисунке ниже. Из данного графика можно определить фазовый сдвиг одного сигнала относительно другого (Т), после чего определить время и соответственно поток.

2.1.2 Частотный принцип определения расхода

Суть их работы в следующем: синтезатор частоты подбирает такое значение частоты ультразвукового сигнала, чтобы по направлению потока укладывалось целое число волн ультразвуковых колебаний. Затем направление излучения реверсируется, и подбирается значение частоты, которое обеспечивает целое число волн против потока. Величина расхода в этом случае пропорциональна разности частот сигналов по потоку и против него. Частотные расходомеры в сравнении с импульсными и фазовыми более устойчивы к загрязнению измеряемой среды, так как прекращают измерение только тогда, когда достигнут результат, а не когда закончилось время импульса.

2.1.3 Время — импульсный принцип определения расхода

Для определения времени прохождения импульса по потоку, генератор подает импульс на пьезоэлемент П1, который посылает в жидкость затухающие колебания. В момент передачи звуковых колебаний включается зарядное устройство, которое начинает вырабатывать напряжение. В момент прихода сигнала на пьезоэлемент П2 зарядное устрйтсво отключается. Максимальное значение напряжение пропорционально времени прохождения ультразвуковой волны по потоку жидкости. Таким же образом за время прохода ультразвукового импульса против потока от П2 к П1 вырабатывается напряжение, пропорциональное времени. Разность напряжений измеряется устройством.

2.2 Ультразвуковые расходомеры с колебаниями, перпендикулярными движению.

Данные расходомеры отличаются от ранее рассмотренных тем, что в них не используются акустические колебания, направленные по потоку и против него. В данных расходомерах звуковые колебания направлены перпендикулярно потоку. При этом происходит измерение степени отклонения луча, зависящего от скорости и химического состава измеряемого вещества, направленного перпендикулярно потоку. При этом лишь один пьезоэлемент (И) излучает акустические колебания. Регистрируются эти колебания одним или двумя пьезоэлементами (П1, П2).

При скорости = 0 здесь выходной сигнал равен нулю, благодаря равенству акустической энергии, поступающей на пьезоэлементы П1 и П2, включенных навстречу друг другу. При движении жидкости правый приемный пьезоэлемент (П2) по сравнению с левым (П2) получает большее излучение . Рассматриваемые расходомеры просты по устройству. В данном методе точность измерения расхода ограничена малой чувствительностью самого метода.

2.3. Ультразвуковые расходомеры, основанные на эффекте Доплера

Метод Допплера использует эффект изменения частоты звука, отражающегося от движущихся частиц. Датчик расходомера излучает сигнал, направленный в поток жидкости. Этот сигнал отражается присутствующими в жидкости твёрдыми частицами или газовыми пузырьками. Частота отраженного сигнала отличается от исходной из-за движения жидкости (эффект Доплера). Контроллер расходомера измеряет сдвиг частоты и определяет значение скорости жидкости, которое используется для расчета расхода.

Отраженный от движущихся частиц УЗ сигнал, с помощью быстрого преобразования Фурье – БПФ (Fast Fourier Transform – FFT) трансформируется из временной области в частотную.

Поскольку спектр отраженного сигнала достаточно широк, то находится усредненная частота. Далее вычисляется разница частоты исходного сигнала (сигнала передатчика) и полученной усредненной частоты отраженных сигналов. Эта разница частот в дальнейшем используется для определения скорости движения потока и, затем, для вычисления расхода.
По сравнению с другими ультразвуковыми расходомерами допплеровские имеют наименьшую точность ввиду того, что выходной сигнал представляет целый спектр частот, возникающих вследствие сдвига исходной частоты не одной частицей — отражателем, а рядом частиц, имеющих различные скорости. Поэтому относительная погрешность измерения расхода обычно не менее 2-3 %.
Допплеровские ультразвуковые расходомеры находят все более широкое распространение. Они применяются главным образом для измерения расхода различных гидросмесей, в том числе пульп, суспензий и эмульсий, содержащих частицы, отличающиеся по плотности от окружающего вещества. Но и естественных неоднородностей (в том числе газовых пузырей), имеющихся в различных жидкостях, бывает достаточно для проявления эффекта Допплера. При их отсутствии рекомендуется вдувать в поток воздух или газ через трубку с отверстиями 0,25-0,5 мм на расстоянии перед преобразователем расхода. Расход вдуваемого газа составляет 0,005 0,1 % от расхода измеряемого вещества.

3. Применение

Ультразвуковой расходомер жидкости находит применение во многих отраслях промышленности, а также в научных исследованиях:
— Нефтедобыча и переработка
-Тепло и электрогенерация
-Водоочистка
-Коммунальное хозяйство
-Противопожарные системы
-Измерение скорости потоков подземных вод
Экономичность и простота монтажа способствуют росту популярности ультразвуковых расходомеров. Они постепенно вытесняют механические счетчики за счет более высокой точности измерений и простоты обслуживания.
Расходомеры с накладными датчиками используются для экспресс анализа потока без остановки технологического процесса.
В настоящее время начинает прослеживаться тенденция к переходу от механических индивидуальных теплосчетчиков к ультразвуковым.

4. Преимущества и недостатки ультразвуковых расходомеров

Преимущества:
+ высочайшая точность
+ отсутствие вращающихся частей
+ широкий диапазон рабочих температур
+ Низкие потери давления
+ возможность измерения как жидких, так и газообразных продуктов
+ наличие врезных и накладных моделей
+ стабильность показаний
+ высокая надежность
+ Низкое потребление электричества, в результате чего производятся модели питаемые от батареек, повышенной емкости.
Недостатки:
— Высокие требования к однородности среды (чувствительность к наличию пузырьков воздуха в воде)
— Зависимость измерения от температуры воды
— подверженность электромагнитным помехам
— Грамотная настройка расходомера для конкретной цели
Решение проблемы :
Для устранения Зависимость измерения от температуры воды в тело расходомера погружается термосопротивление, после обработки сигналов микропроцессором происходит коррекция потока по температуре. Для снижения зависимости от однородности среды используется поправка по методу Доплера. Для защиты от электромагнитных помех достаточно сделать выравнивание потенциалов между трубопроводами и расходомером. Данные принципы используется в расходомерах компании KAMSTRUP серии ULTRAFLOW® 54 (H), что делает данные расходомеры лидерами среди всех типов расходомеров для измерения тепла и холода.

5. Какого производителя выбрать

Из выше изложенного становится понятно, что ультразвуковые расходомеры достаточно сложное изделие, требующее высокоточных расчетов и грамотного производственного процесса. Основная сложность изготовления данных расходомеров — это правильная интерпретация сигнала и точное расстояние между пьезоэлементами.
Наша компания не рекомендует сомнительные ультразвуковые расходомеры Китайского производства. При выборе лучше остановиться на зарубежных расходомерах фирм:
kamstup (только для жидкостей)
krone (газ и жидкость)
panametrics(газ и жидкость)
endress+hauser
siemens
или на отечественных расходомерах научно-произведственных предприятий.

Мы очень долго писали данный материал, будем рады если Вы поставите лайк

Источник