Ультразвуковые расходомеры

Ультразвуковой (частота более 20 кГц) метод измерения расхода основан на явлении смещения звукового колебания движущейся жидкой средой.

Впервые акустическая технология измерения расхода была предложена в 1935 г, а первый работающий прототип расходомера был представлен в 1948 г.

Благодаря прорыву в электронике первые надежные расходомеры появились в середине 1960-х годов.

Для измерения расхода в основном используют два метода:

первый основан на измерении разности фазовых сдвигов двух ультразвуковых колебаний, направленных по потоку и против него. Такие приборы называют фазовыми расходомерами;

второй основан на измерении разности частот повторения коротких импульсов или пакетов ультразвуковых колебаний, направленных одновременно по потоку и против него. Эти приборы называются частотными расходомерами

(рис.2.20).

 

Рис. 2.22. Принципиальная схема фазового

УЗ-расходомера: 1, 2 – пьезоизлучатель и пьезоприёмник ультразвуковых колебаний;

3 – переключатель механический

На поверхности трубопровода (рис. 2.22 ) расположены два пьезоэлектрических элемента 1 и 2. В качестве пьезоэлектрических элементов используют пластины титаната бария, обладающие наиболее высоким пьезомодулем по сравнению с другими пьезоэлектриками. Пьезоэлемент 1 механическим переключателем 3 подключен к генератору высокочастотных синусоидальных электрических колебаний. Пьезоэлемент преобразует электрические колебания в ультразвуковые, которые направляются в контролируемую среду через стенки трубопровода. Пьезоэлемент 2 воспринимает ультразвуковые колебания, прошедшие в жидкости расстояние L, и преобразует их в выходные электрические ко­лебания.

Наличие в схеме механического переключателя ограничивает возможность измерения быстро меняющихся расходов вследствие небольшой частоты переключений (порядка 10 Гц). Это можно исключить, если в трубопроводе установить две пары пьезоэлементов так, чтобы в одной паре излучатель непрерывно создавал колебания, направленные по потоку, а в другой – против потока. В таком расходомере на фазометр будут непрерывно поступать Два синусоидальных колебания, фазовый сдвиг между которыми пропорционален скорости потока.

Если колебания распространяются в направлении скорости потока, то они проходят расстояние L (см. рис. 2.22) за время

,       

где а – скорость звука в данной среде; v – скорость потока; L – расстояние между излучателем и приемником УЗ-колебаний.

При распространении колебаний против скорости потока

^.

Отношение  весьма мало по сравнению с единицей (для жидкостей   1000... 1500 м/с;  3...4 м/с), поэтому с большой степенью точности можно принять

 

                           ;                                         (2.13)

 

.                                        (2.14)

 

В фазовых расходомерах фиксируется разность времени . Из уравнений (2.13) и (2.14) получим уравнение фазового ультразвукового расходомера (разность фаз пропорциональна скорости потока, а значит и его объёмному расходу):

^.                                    (2.15)

 

Из уравнения (2.15) следует, что точность измерения расхода зависит от точности измерения и постоянства значения L.

 

Частотно-пакетные расходомеры.  Принцип действия этих расходомеров основан на измерении частот импульсно-модулированных ультразвуковых колебаний, направляемых одновременно по потоку жидкости и против него.

 

 

Рис. 2.23. Структурная схема частотно-пакетного расходомера

Генераторы Г (рис. 2.23) создают синусоидальные колебания высокой частоты (10 МГц) и подают их через модуляторы М на излучающие пьезоэлементы П1 и ПЗ, Пьезоэлемент П1 создает направленные ультразвуковые излучения (с частотой 10 МГц), которые воспринимаются пьезоэлементом П2. При неподвижной жидкости время распространения излучений при расстоянии L между пьезоэлементами равно .

 Если жидкость перемещается по трубе со скоростью v, то составляющая скорости в направлении движения ультразвуковых колебаний равна , следовательно, время перемещения колебаний между пьезоэлементами П1 и П2 по потоку жидкости .

Соответственно время перемещения колебаний между пьезоэлементами П3 и П4 против направления потока . Модулятор совместно с двумя пьезоэлементами и усилителем-преобразователем УП включены в схему периодического модулирования.

Как только первые колебания, поступающие на приемные пьезоэлементы П2 и П4, достигнут модуляторов, работающих в триггерном режиме, произойдет отключение генераторов от пьезоэлементов П1 и ПЗ, и излучение ультразвуковых колебаний прекращается. Оно возобновляется в те моменты, когда последние ультразвуковые колебания первых пакетов достигнут приемных пьезопреобразователей и генерация электрических колебаний прекратится.

В эти моменты модуляторы вновь пропускают электрические колебания от генератора к приемным пьезоэлементам и процесс повторяется. Частота модулирования сигналов зависит от скорости потока и направления ультразвуковых колебаний (по потоку или против него).

 

Разность частот, определяемая пересчетной схемой ПС, пропорциональна скорости потока и не зависит от скорости распространения звука в среде. Это является преимуществом частотного метода, так как исключается воздействие физических параметров среды (плотность, температура) на показания прибора.

Разность регистрируется прибором РП. Диапазон измерения расхода приборами данного типа теоретически неограничен. Погрешность ультразвуковых расходомеров примерно ±2 % скорости движения жидкости:

 

 .

 

  Для конкретной конструкции прибора    и L постоянны, поэтому 

.          

 

Рис.2.24. Внешний вид измерительного преобразователя

Рис.2.25. Ультразвуковой расходомер, установленный на газопроводе

На рис.2.24, рис.2.25 показаны ультразвуковой расходомер и его измерительный преобразователь.

 

2.6. Вихревые и вихреакустические расходомеры

 

В 1911 г. Теодор фон Карман опубликовал работу, посвященную математическому анализу перемежающегося двойного ряда вихрей, образующегося после тела обтекания в турбулентном потоке жидкости. Важными чертами этого явления являются стабильность и высокая периодичность вихрей. Сейчас эта структура именуется дорожкой Кармана и является одним из наиболее известных и хорошо изученных явлений в гидродинамике.

Суть эффекта заключается в том, что образование вихрей происходит по- очередно на противоположных ребрах тела обтекания. При этом частота образования вихрей прямо пропорциональна скорости потока:

 

f = St (v/d),

 

где f – частота образования вихрей Кармана; St – число Струхаля; v – скорость потока среды; d – ширина тела обтекания.

Число Струхаля – эмпирическая величина, определенная геометрией расходомера и свойствами среды.

Однако данный эффект имеет естественные ограничения. При малых скоростях поток ламинарно огибает препятствие без образования вихрей. Упорядоченное образование вихрей начинается только с определенного порога (рис.2.26).

Ламинарный поток

 

Переходной поток

 

Турбулентный поток

 

 

Рис.2.26. Режимы течения потока

 

Известная величина в гидродинамике – число Рейнольдса – позволяет привести все среды к одному безразмерному параметру, который характеризует турбулентность течения потока:

Re= ( r n / m ) / D,

где n – скорость среды; m –  ее вязкость; r – плотность среды; D – диаметр трубопровода.

При малом Re, порядка нескольких десятков, течение ламинарно, при Re больше нескольких тысяч устанавливается развитый турбулентный режим. В вихревых расходомерах используется тот эффект, что в определенном диапазоне чисел Рейнольдса число Струхаля St практически постоянно (рис. 2.27), благодаря чему получается, что коэффициент преобразования скорости потока в частоту вихрей становится не зависящим ни от плотности, ни от вязкости измеряемой среды и одинаков для всех типов сред.

Рис.2.27. Зависимость числа Струхаля от числа Рейнольдса

При этом следует отметить, что в силу природы эффекта при числах Рейнольдса ниже 20000 вихревые расходомеры не гарантируют точность измерений, так как число Струхаля в этом диапазоне значительно варьируется, хотя некоторые расходомеры, такие как digital YEWFLO имеют специальный инструмент для индивидуальной калибровки в диапазоне 5000< Re< 20000, чтобы измерять с хорошей точностью и здесь. Также следует отметить, что в реальности число Струхаля не строго постоянно с изменением Re. Естественно, оно меняется в определенных границах, ширина которых зависит от геометрии тела обтекания. Соответственно, этой геометрией и определяется точность, которую можно достичь конкретным расходомером.

 

 

Рис. 2.28. Принципиальная схема расходомера

Метран – 335

 

При том, что все вихревые расходомеры используют в своей основе одно и то же физическое явление, расходомеры разных производителей имеют отличающиеся как технические характеристики, так и надежность и требования по установке. В основе этих отличий лежат в первую очередь разные принципы детектирования вихрей. Наиболее популярные из них: манометрический (Метран – 335, рис.2.28; FOXBORO) и термальный  (YOKOGAWA).

Изменяющееся давление, приложенное к телу обтекания, измеряется встроенным датчиком давления. Датчики давления имеют непосредственный контакт с технологической средой, что увеличивает вероятность его выхода из строя.

Термальный преобразователь (рис.2.29) имеет встроенный термодатчик. Давление, приложенного к телу обтекания, отводится через сквозной канал, проходящий от одной грани тела обтекания к другой. В результате генерируются колебания среды внутри этого канала. Термодатчик используется для измерений колебаний среды.

Рис. 2.29. Устройство термального детектирования вихрей

. В вариантах конструкции датчик расположен внутри тела обтекания для измерений изменения скорости благодаря образованию вихрей. Этот принцип измерений имеет два существенных недостатка: с одной стороны, канал может засоряться, с другой стороны – полости внутри вихреобразователя не позволяют применить достаточно твердый материал и сами по себе ослабляют вихреобразователь. Это может приводить к частым поломкам вихреобразователей при гидроударах, газовых или жидкостных пробках.

Осциллирующий диск. Образование вихрей вызывает возникновение переменного давления, приложенного с той же частотой к телу обтекания. Давление передается через канал внутри завихрителя к чувствительному диску или диафрагме. Таким образом, диск осциллирует частотой изменения локального давления. Осцилляции диска измеряются магнитным датчиком положения, расположенным непосредственно вблизи диска. Недостатком данного метода является возможность закупоривания канала, а также возможность выхода из строя как диска, так и магнитного датчика.

Электромагнитный (ВЭПС). В электромагнитных вихревых расходомерах детектирование вихрей осуществляется благодаря явлению электромагнитной индукции: жидкость, движущаяся в постоянном магнитном поле, создает ЭДС, частота которой прямо пропорциональна частоте вихреобразования. Недостатками данного метода является возможность измерения расхода только жидкостей, подверженность электродов загрязнению магнитными примесями, чувствительность к электромагнитным помехам.

Вихреакустический. Принцип действия преобразователя основан на ультразвуковом детектировании вихрей, образующихся в потоке жидкости при обтекании ею призмы, расположенной поперек потока. Частота образования вихрей пропорциональна объемному расходу (Метран – 300 ПР).

Преобразователь состоит из проточной части и электронного блока (рис.2.30). В корпусе проточной части расположены тело обтекания - призма трапецеидальной формы 1, пьезоизлучатели ПИ 2, пьезоприемники ПП 3 и термодатчик 7. Электронный блок включает в себя генератор 4, фазовый детектор 5, микропроцессорный адаптивный фильтр с блоком формирования выходных сигналов 6, собранные на двух печатных платах: приемника и цифровой обработки.

Рис. 2.30. Устройство вихреакустического преобразователя расхода

На плате цифровой обработки расположены два светодиода - зеленый и красный, выполняющие функцию индикаторов состояния преобразователя. Зеленый светодиод сигнализирует о нормальной работе преобразователя, причем частота мигания соответствует частоте следования импульсов выходного сигнала преобразователя.

Красный светодиод загорается при расходе меньшем 0, 8Qmin, либо хаотичном характере процесса вихреобразования, в частности, при попадании посторонних предметов на тело обтекания и т.п.

Тело обтекания расположено на входе жидкости в проточную часть. При обтекании этого тела потоком жидкости за ним образуется вихревая дорожка, частота следования вихрей в которой с высокой точностью пропорциональна расходу.

За телом обтекания в корпусе проточной части расположены диаметрально противоположно друг другу стаканчики, в которых собраны ультразвуковой пьезоизлучатель ПИ и пьезоприемник ПП.

В зависимости от типа преобразователь имеет два конструктивных исполнения:

однолучевой преобразователь - одна пара ПИ-ПП (Ду 25-200 мм);

двухлучевой преобразователь - две пары ПИ-ПП (Ду 250; 300 мм).

На ПИ от генератора подается переменное напряжение, которое преобразуется в ультразвуковые колебания. Пройдя через поток, эти колебания в результате взаимодействия с вихрями оказываются модулированными по фазе. На ПП ультразвуковые колебания преобразуются в электрические и подаются на фазовый детектор.

На фазовом детекторе определяется разность фаз между сигналами с ПП и опорного генератора - для однолучевого преобразователя, или разность фаз между ПП первой и второй пары - для двухлучевого преобразователя.

На выходе фазового детектора образуется напряжение, которое по частоте и амплитуде соответствует интенсивности и частоте следования вихрей, которая в силу пропорциональности скорости потока является мерой расхода.

Для фильтрации случайных составляющих сигнал с фазового детектора подается на микропроцессорный адаптивный фильтр и затем в блок формирования выходных сигналов. Для повышения достоверности показаний при обработке сигнала вычисляется дисперсия периода колебаний вихрей.

Для увеличения динамического диапазона преобразователя за счет измерения малых расходов, где характеристика преобразователя нелинейна и зависит от температуры теплоносителя, в проточную часть установлен термодатчик. Сигнал от него автоматически вводится в программу вычисления расхода в области малых значений.

Таким образом, в результате преобразований и программной обработки модуль формирует импульсный выходной сигнал.

 

Рис. 2.31. Измерительный преобразователь вихреакустического расходомера серии Метран-300: 1 – проточная часть; 2 – тело обтекания; 3 – электронный блок; 4 – трубчатый кронштейн; 5 – клеммная колодка; 6 – два светодиода; 7 – перемычка; 8, 9 – розетки вывода кабеля для аналогового токового сигнала и(или) цифрового); 10 – контргайка

Перемычка служит для настройки вида выходного сигнала измерительного преобразователя: при замыкании клемм «0» и «4» имеют импульсный выходной сигнал типа «замкнуто-разомкнуто» (оптопара); при отсутствии перемычки – токоимпульсный.

Технические и метрологические характеристики: измеряемая среда – вода питьевая, теплофикационная, техническая, речная и водные растворы, кроме абразивных, с вязкостью до 2*10⁶м²/с (2сСт); диапазон температур измеряемой среды 1...150 °С; избыточное давление измеряемой среды в трубопроводе до 1, 6 МПа; диаметр условного прохода Dy трубопровода 25...300 мм; пределы измерений 0, 18...2000 м³/ч; динамический диапазон 1: 100; предел относительной погрешности измерений объема V = ±1, 0%; межповерочный интервал - 4 года.

Номинальная статическая характеристика (НСХ) преобразователя линейна

V = N • c,                                                 

 

где V – объем измеряемой среды, прошедшей через преобразователь, м³; N – количество импульсов, поступивших на импульсный выход, имп; с – цена импульса, м³/с.

Выходные сигналы:

токоимпульсный (ТИ);

импульсный типа " замкнуто" /" разомкнуто" -оптопара (ОП);

унифицированный токовый 0-5, 0-20, 4-20 мА;

цифровой интерфейс на основе RS-485, HART;

ЖК-индикатор для отображения значений расхода, накопленного объема, времени наработки, кода самодиагностики.

Температурная коррекция расходной характеристики в области малых значений расхода: питание от источника постоянного тока стабилизированным напряжением от 16 до 36 В (внесен в госреестр средств измерений под №16098-02, сертификат №12877).

Основные преимущества:

наличие беспроливной методики поверки;

поверка на месте без демонтажа с помощью имитатора расхода " Метран-550ИР";

высокая надежность, стабильность в течение длительного времени;

отсутствие в проточной части подвижных элементов;

надежная работа при наличии вибрации трубопровода, изменений температуры и давления рабочей среды;

малые длины прямых участков трубопроводов в месте установки преобразователя;

самодиагностика.

По способу монтажа преобразователи Ду 25-200 мм имеют два типа исполнения:

А – патрубки отсутствуют, функцию патрубков обеспечивают конические переходы, выполненные в проточной части корпуса;

В – установка измерительного преобразователя на трубопроводе производится с помощью патрубков (конфузор-диффузор), обеспечивающих сопряжение проточной части с трубопроводом, и фланцев. Геометрическая форма патрубков на входе и выходе проточной части обеспечивает сохранение метрологических характеристик и снижает требования к длине прямых участков трубопроводов до и после места установки прибора.

Для увеличения срока службы преобразователя и сведения к минимуму образования отложений в проточной части, проточная часть изготовлена из нержавеющей стали и обработана по высокому классу чистоты поверхности.

Для проведения периодической поверки по беспроливной методике тело обтекания сделано легкосъемным.

Электронный блок размещен в отдельном корпусе, соединенном с проточной частью трубчатым кронштейном, и состоит из платы приемника и платы цифровой обработки, установленных на клеммной колодке. На клеммную колодку с платы цифровой обработки сигналов выведены два светодиода. Соединение плат электроники с пьезоэлементами осуществляется проводами, проходящими внутри трубчатого кронштейна.

На боковой стороне корпуса располагаются вилка, служащая для соединения преобразователя со вторичными приборами и источником питания. Корпус закрыт крышками, уплотнение которых производится резиновыми прокладками, что обеспечивает герметичность корпуса.

В конструкции электронного блока с заказываемыми опциями аналогового выходного сигнала, цифрового интерфейса на основе стандарта RS485 и модуля индикации добавляются три платы, а одна из крышек корпуса имеет увеличенный размер и прозрачную (стекло) торцевую поверхность для визуализации показаний ЖК-индикатора.

На индикаторе одновременно отображаются: время наработки прибора (ч), объемный расход (м³/ч), накопленный объем (м³), код самодиагностики.

Фирма YOKOGAWA вот уже более 30 лет применяет в своих вихревых расходомерах метод изгибных напряжений (серия YEWFLO). Суть этого принципа заключается в том, что формирование вихрей на теле обтекания приводит к возникновению переменного давления, приложенного к телу обтекания, что приводит к возникновению переменной силы, которая приводит к возникновению малых изгибных напряжений в теле обтекания с той же самой частотой, что и частота образования вихрей. Эти изгибные напряжения регистрируются пьезодатчиками, расположенными в теле обтекания. Изгибающая сила, возникающая в момент срыва, регистрируется пьезодатчиками, расположенными внутри него (рис. 2.32).

Рис. 2.32. Расходомер, детектирующий вихри методом

Изгибных напряжений (YOKOGAWA)

Достоинствами такого метода измерений являются:

усреднение потока по сечению трубопровода;

исключение контакта датчиков с процессом;

возможность применения ультрастойких материалов в качестве вихреобразователя.

Кориолисовые расходомеры

 

Принцип действия основан на возникновении эффекта Кориолиса, возникающего при движении жидкости или газа в колеблющейся трубке. Под действием сил Кориолиса входная и выходная части трубки изгибаются друг относительно друга.

Устройство. В качестве чувствительного элемента первичного преобразователя (ППВ) расходомера используется камертонная колебательная система (рис 2.33), состоящая из двух изогнутых трубок с консольно-закрепленными входными и выходными патрубками.

Подобно камертону изогнутые трубки имеют собственную частоту колебаний относительно оси W-W и зани мают постоянное угловое положение относительно оси O-O при отсутствии в них потока.

 

Рис. 2.33. Сенсор

⇐ Предыдущая3456789101112Следующая ⇒

Поделиться: