Методика измерений с помощью ультразвукового счетчика

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.

Click here to preview your posts with PRO themes ››

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.

Автор: eno-tek.ru

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

Измерение расхода с помощью приборов

Расход — понятие, которое обозначает объем или массу жидкости (что именно — зависит от специфики технологического процесса), проходящей за единицу времени по трубопроводу. Объемный расход обычно используется при измерении газов или жидкостей. Массовый — при измерении паров или жидкостей, смешанных с сыпучими веществами.

Измерение расхода в единицах:

• объемный расход жидкостей измеряется в л/сек. или м. куб./час
• объемный расход газов — в м. куб./час (при давлении в 760 мм рт.ст. и температуре в 20С);
• массовый расход — в кг/час, тонна/час.

Click here to preview your posts with PRO themes ››

Основные методы измерения расхода жидкостей и газов:

• скоростной;
• объемный;
• индукционный;
• дроссельный;
• расход обтекания.

Основная суть объемного метода измерения состоит в том, что в единицу времени все отмеренные прибором жидкости/газы суммируются. Скоростной метод позволяет измерить, с какой скоростью движется жидкость по трубопроводу. Зная характеристики жидкости, параметры трубопровода и полученные в результате измерения данные позволяют рассчитать показатели расхода. Дроссельный метод измерения основан на создании искусственного перепада давления внутри трубы до и после прохождения жидкостью датчиков прибора.

Методы измерения расхода и их особенности

Объёмный метод измерения расхода

Суть метода основана на измерении объема вытесненной жидкости в соответствующих камерах, устанавливаемых в водопровод. Замеры исчисляются в количестве циклов вытесненной жидкости. Метод может быть действительным при давлении в трубе до 10 МПа, температуры среды, не превышающей 150 градусов по Цельсию, и диаметре трубопровода в 1,5-30 см.

• получение стабильных точных показателей.

• не подходит для сред, содержащих твердые частицы (нужно устанавливать фильтры для их задержания);
• погрешность показателей растет в процессе износа деталей расходометра.

Погрешность — не более 0,5-1%.

Метод переменного перепада давления

Данная методика основана на сужении (дросселировании) жидкостного или парового потока внутри трубопровода, которое позволяет увеличить его скорость и одновременно снизить потенциальную его энергию. Это приводит к возникновнию перепада давления в точке дросселирования. Расходометром измеряется перепад давления по отношению к скорости потока и, в конечном итоге, расход.

• простота установки измеряющего устройства;
• возможность измерять расход в широком диапазоне значений;
• доступность применения метода на трубопроводах различного диаметра;
• проведение замеров при больших показателях температуры;
• можно пользоваться методом при измерении расхода агрессивных жидкостей и газов.

• между перепадом давлений и расходом существует квадратичная зависимость, что ограничивает диапазон измерений;
• на гидравлическом сопротивлении, возникающем при перепаде давления в трубопроводе, требуются большие затраты энергии.

Погрешность — в пределах 1,5-2,5%.

Метод постоянного перепада давления

Данный метод измерений основан на том, как воспринимается напор в трубопроводе в зависимости от расхода среды в нем. Измерения проводятся посредством помещения в трубопровод чувствительного элемента, который будет перемещаться вместе со средой. Так, к примеру, работают ротаметры.

• можно осуществлять измерения расходов среды в широком диапазоне показателей давления в трубопроводе;
• потери давления минимальны.

• подходит только для видимого отсчета расхода;
• не может использоваться в трубопроводах при больших показателях вибрации.

Погрешность — от 0,5% до 2,5%.

Электромагнитный метод измерения расхода

В основе данного измерительного метода лежит закон электромагнитной индукции. Измерение зависит от взаимодействия электропроводной жидкости в трубопроводе с магнитным полем.

• позволяет проводить измерения очень оперативно;
• можно осуществлять измерение расхода в радиоактивных жидкостях, агрессивных средах, сиропах, пульпах и пр.;
• большой диапазон измерений;
• отсутствуют гидравлические потери на приборе;
• стабильность получаемых показаний.

• для измерений можно использовать электроды только из определенных материалов (либо защищенные талановыми или платиновыми покрытиями), чтобы избежать поляризации;
• обязательное применение компенсирующей цепи или использование источника постоянного тока для точности измерений;
• необходимость экранировки измерительных приборов.

Погрешность — от 0,5% до 1,0%

Оборудование компании «ИННОТЕХ»

Компания «ИННОТЕХ» в ассортименте оборудования, предназначенного для измерения расхода в трубопроводах предлагает потребителям:

• Ультразвуковые расходомеры
• Оптические расходомеры
• Многопараметрические вихревые расходомеры
• Термомассовые расходомеры
• Электромагнитные расходомеры

Все представленные бренды расходометров — проверенные временем производители, качество, надежность и точность оборудования которых подтверждают как многочисленные пользователи, так и
соответствующие сертификаты соответствия и качества.

Методика измерений с помощью ультразвукового счетчика

(Поправка*. ИУС N 8-2015).
________________
* См. ярлык «Примечания».

4 Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 23 сентября 2013 г. N 1085-ст межгосударственный стандарт ГОСТ 8.611-2013 введен в действие в качестве национального стандарта Российской Федерации с 1 июля 2014 г.

5 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном информационном указателе «Национальные стандарты», а текст изменений и поправок — в ежемесячном информационном указателе «Национальные стандарты». В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ежемесячном информационном указателе «Национальные стандарты». Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет

ВНЕСЕНА поправка, опубликованная в ИУС N 8, 2015 год

Поправка внесена изготовителем базы данных

Введение

В соответствии с требованиями к методикам (методам) измерений, установленными в Российской Федерации Федеральным законом от 26 июня 2008 г. N 102-ФЗ «Об обеспечении единства измерений» методики измерений должны описывать конкретные операции, выполнение которых обеспечивает получение результатов измерений с установленными показателями точности.

В качестве показателя точности результатов измерений, выполненных по методике измерений, изложенной в настоящем стандарте, использована относительная расширенная неопределенность измерений (при коэффициенте охвата 2) в соответствии с [1].

Необходимый уровень точности измерений расхода и количества газа определяется экономической целесообразностью и экономическим интересом, а также назначением результатов измерений. В связи с этим изложенная в настоящем стандарте методика измерений предусматривает возможность измерений расхода и количества газа с различными значениями показателя неопределенности измерений.

С целью подтверждения возможности применения методики измерений с установленным уровнем точности измерений в конкретных условиях в стандарте предусмотрена процедура проверки соответствия реализации методики измерений требованиям настоящего стандарта.

Методика измерений, изложенная в настоящем стандарте, аттестована Федеральным государственным унитарным предприятием Всероссийский научно-исследовательский институт расходометрии (ФГУП «ВНИИР») и зарегистрирована в едином реестре методик измерений Федерального информационного фонда по обеспечению единства измерений под N ФР.1.29.2012.12671.

1 Область применения

1.1 Настоящий стандарт устанавливает методику (метод) измерений объемного расхода и объема, приведенных к стандартным условиям, однокомпонентных и многокомпонентных газов, находящихся в однофазном состоянии, с помощью ультразвуковых преобразователей расхода.

Click here to preview your posts with PRO themes ››

1.2 Настоящий стандарт распространяется на ультразвуковые преобразователи расхода газа с накладными электроакустическими преобразователями и ультразвуковые преобразователи расхода газа с электроакустическими преобразователями, врезанными в его корпус, и не распространяется на ультразвуковые преобразователи расхода газа с электроакустическими преобразователями, врезанными непосредственно в измерительный трубопровод.

1.3 Применение методики измерений, изложенной в настоящем стандарте, обеспечивает измерения объемного расхода и объема газа, приведенных к стандартным условиям, с различными уровнями точности измерений, которые выбирают в зависимости от установленных норм точности измерений.

1.4 Положения настоящего стандарта рекомендуется использовать при разработке и аттестации индивидуальных методик измерений для конкретных систем измерений расхода и количества газа.

2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ 8.566-2011 Государственная система обеспечения единства измерений. Межгосударственная система данных о физических константах и свойствах веществ и материалов. Основные положения

ГОСТ 6651-2009 Государственная система обеспечения единства измерений. Термопреобразователи сопротивления из платины, меди и никеля. Общие технические требования и методы испытаний

ГОСТ 9293-74 Азот газообразный и жидкий. Технические условия

ГОСТ 15528-86 Средства измерений расхода, объема или массы протекающих жидкости и газа. Термины и определения

ГОСТ 17310-2002 Газы. Пикнометрический метод определения плотности

ГОСТ 30319.1-96 Газ природный. Методы расчета физических свойств. Определение физических свойств природного газа, его компонентов и продуктов его переработки

ГОСТ 31369-2008 Газ природный. Вычисление теплоты сгорания, плотности, относительной плотности и числа Воббе на основе компонентного состава

ГОСТ 31370-2008 Газ природный. Руководство по отбору проб

ГОСТ 31371.7-2008 Газ природный. Определение состава методом газовой хроматографии с оценкой неопределенности. Часть 7. Методика выполнения измерений молярной доли компонентов

Примечание — При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодному информационному указателю «Национальные стандарты», который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по выпускам ежемесячного информационного указателя «Национальные стандарты» за текущий год. Если ссылочный стандарт заменен (изменен), то при пользовании настоящим стандартом следует руководствоваться заменяющим (измененным) стандартом. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, применяется в части, не затрагивающей эту ссылку.

3 Термины и определения

В настоящем стандарте применены термины по ГОСТ 15528, рекомендациям по межгосударственной стандартизации [1] и [2], а также следующие термины с соответствующими определениями:

3.1 Средства измерений и их компоненты

3.1.1 основные средства измерений: Ультразвуковой преобразователь расхода, а также средства измерений теплофизических характеристик и физико-химических параметров газа, используемых для корректировки показаний ультразвукового преобразователя расхода и приведения объемного расхода и объема газа к стандартным условиям.

3.1.2 дополнительные средства измерений: Средства измерений, предназначенные для контроля работоспособности основных средств измерений, дополнительных устройств и выполнения требований к условиям измерений.

Примечание — К дополнительным средствам измерений относятся, например, средства измерений перепада давления на фильтрах, устройстве подготовки потока.

3.1.3 ультразвуковой преобразователь расхода: Акустический преобразователь расхода, работающий в ультразвуковом диапазоне частот, в котором создается сигнал измерительной информации, основанный на измерении времени распространения ультразвукового импульса в текущей среде.

Ультразвуковой преобразователь расхода состоит из электроакустических преобразователей, установленных в корпусе либо накладываемых на наружную поверхность корпуса или измерительного трубопровода, и устройства обработки его сигналов.

3.1.4 электроакустический преобразователь: Устройство, преобразующее электрическую энергию в акустическую (энергию упругих колебаний среды) и обратно.

3.1.5 устройство обработки сигналов: Устройство, осуществляющее генерацию сигналов, поступающих на электроакустические преобразователи, обработку сигналов, поступающих с электроакустических преобразователей, и формирование стандартного выходного сигнала, пропорционального измеряемому расходу газа.

3.1.6 корпус ультразвукового преобразователя расхода: Элемент конструкции ультразвукового преобразователя расхода, через который проходит измеряемая среда, содержащий электроакустические преобразователи.

3.1.7 ультразвуковой преобразователь расхода газа с накладными электроакустическими преобразователями: Ультразвуковой преобразователь расхода газа, у которого электроакустические преобразователи накладываются на наружную поверхность его корпуса или на наружную поверхность измерительного трубопровода.

3.1.8 ультразвуковой преобразователь расхода газа с электроакустическими преобразователями, врезанными в корпус: Ультразвуковой преобразователь расхода газа, у которого электроакустические преобразователи установлены в его корпусе и находятся в непосредственном контакте с измеряемым газом.

3.1.9 ультразвуковой преобразователь расхода газа с электроакустическими преобразователями, врезанными в измерительный трубопровод: Ультразвуковой преобразователь расхода газа, у которого электроакустические преобразователи врезаются непосредственно в измерительный трубопровод и находятся в контакте с измеряемым газом.

3.1.10 корпусной ультразвуковой преобразователь расхода: Ультразвуковой преобразователь расхода, у которого электроакустические преобразователи установлены в его корпусе или на наружной поверхности корпуса.

3.1.11 ультразвуковой импульс: Сигнал (ультразвуковые колебания, волны в среде), генерируемый электроакустическими преобразователями при подаче на него возбуждающего электрического сигнала ограниченной продолжительности.

3.1.12 акустический канал: Совокупность измеряемой среды и пары электроакустических преобразователей, передающих и принимающих ультразвуковой импульс.

3.1.13 акустический луч: Прямая линия, вдоль которой распространяется ультразвуковой импульс, генерируемый электроакустическим преобразователем.

3.1.14 акустический путь: Траектория движения акустического импульса в потоке газа между электроакустическими преобразователями.

Примечание — Кривизна акустического пути зависит от числа Рейнольдса и числа Маха и возрастает с увеличением числа Маха и кривизны распределения скоростей потока.

3.1.15 одноканальный ультразвуковой преобразователь расхода: Преобразователь расхода, в котором для измерения расхода используется один акустический канал.

1 Одноканальные ультразвуковые преобразователи часто в технической литературе называют однолучевыми или однопутевыми преобразователями расхода.

2 Акустический импульс в одноканальном преобразователе расхода газа может передаваться между электроакустическими преобразователями в виде прямых или отраженных (однократно или многократно) от стенок измерительного трубопровода акустических лучей.

Click here to preview your posts with PRO themes ››

3.1.16 многоканальный ультразвуковой преобразователь расхода: Преобразователь расхода, в котором для измерения расхода используется несколько акустических каналов.

1 Многоканальные ультразвуковые преобразователи часто в технической литературе называют многолучевыми или многопутевыми преобразователями расхода.

Методы контроля и измерения расхода жидкости,
применяемые в коммерческом учете воды (теплоносителя)

В данном разделе описаны следующие основные методы измерения расхода жидкости, получившие наибольшее распространение в коммерческом учете воды и тепла (теплоносителя):
1. Объемные методы измерения расхода
2. Магнитно-индукционный (электромагнитный) метод измерения расхода
3. Ультразвуковой метод измерения расхода
Прочие методы, ввиду их универсальности, описаны в разделе Методы коммерческого учета газа и пара

Введение в понятие расхода:

Расход – количество вещества, протекающее через данное сечение трубопровода в единицу времени.

Различают следующие виды расхода вещества:

Объемный расход измеряется в единицах объема — в единицу времени:

Массовый расход – в единицах массы в единицу времени:

Соотношение массового и объемного расходов определяется зависимостью:

Qm = ρ х Qv , где ρ — плотность вещества

Объемный расход определяется по показаниям объемных счетчиков (дифференцируемых по времени) или как произведение средней скорости потока — V и площади поперечного сечения — S (Qv = V x S)

1. Объемные методы измерения расхода

— предусматривают последовательное суммирование порций контролируемой среды, проходящих через измерительные камеры определенного объема или вытесняемых из камер счетчика и при непрерывном вращении его лопастей.

Прямой метод измерения объемного Р. используется в объемных счетчиках непосредственного действия.
В этом случае последовательно отмериваются объемы контролируемой среды, определяемые размером и формой измерительных камер, и с помощью счетного механизма подсчитывается число прошедших через счетчик порций.

Косвенный метод измерения объемного Р. используется в счетчиках без измерительных камер. Объем определяется, например, путем измерения перемещения или скорости потока, интегрированием расхода по времени. При этом необходимо учитывать плотность контролируемой среды.

1.1. Объемные счетчики с лопастями (турбинные счетчики)

— работают на косвенном методе; в качестве чувствительного элемента используется турбинка с лопастями, вращаемая контролируемым потоком.

Число оборотов турбинки Z должно быть пропорционально объему протекающей жидкости.

Z = K x V ( где К – коэффициент, V — объем )

Характеристика прибора примерно линейна только в ограниченном диапазоне измерения от 1:10 до 1:20 вследствие наличия трения в подшипниках, нелинейности влияний профиля потока, его завихрений, вязкости среды.

1.2 «Счетчик Вольтмана»

Принцип действия и конструкция счётчика Вольтмана:

1. Счетчик с аксиальной турбинкой – ось шнековой турбинки совпадает с направлением контролируемого потока и соединена передачей со счетчиком оборотов.

2. Счетчик с вертикальной турбинкой – ось турбинки перпендикулярна к направлению потока и несет на себе счетчик оборотов.

Принцип действия основан на измерении скорости вращения турбинки контролируемым потоком жидкости.

Для бесперебойной работы счетчика необходимо отсутствие завихрений в поступающем на турбинку потоке.

Характерные особенности счётчиков Вольтмана:

Изменение профиля потока, вызываемое изгибом трубопровода или не полностью открытой заслонкой, обуславливают значительные погрешности счетчиков, особенно с аксиальной турбинкой. Для исключения погрешностей необходимо предусматривать перед счетчиком прямой участок трубопровода (длина которого указывается изготовителей) или устанавливать специальный конструктивный элемент — струевыпрямитель в виде пучка трубок или взаимно перпендикулярных пластин, выравнивающих поток.

Наличие в потоке струй, обладающих разной скоростью, вызывает неравномерное распределение действующих на турбинку нагрузок, что сокращает рабочий ресурс подшипников.

В счетчиках с вертикальной турбинкой поток жидкости поступает в измерительную камеру снизу. Собственный вес чувствительного элемента действует в направлении, противоположном направлению гидродинамического давления, что в значительной мере загружает подшипники. Такая конструкция позволяет при одинаковых условных проходах счетчика контролировать значительно большие расходы газов и жидкости, не перегружая подшипники.

Область применения счётчиков Вольтмана:

Счетчики Вольтмана с вертикальной турбинкой применяют главным образом для измерения расхода горячей и холодной воды на трубопроводах с присоединительными размерами более 50 мм.

2. Магнитно-индукционный (электромагнитный) метод измерения расхода

Принцип действия и конструкция магнито-индукционного расходомера

В электрическом проводнике, перемещающемся в магнитном поле, возникает электрический ток (по закону электромагнитной индукции). Этот эффект используется в электромагнитном расходомере для определения расхода.

Протекающая жидкость отождествляется с проводником, т.е. она должна обладать определенной минимальной проводимостью.

В обладающей электрической проводимостью жидкости, протекающей через магнитное поле, возникает электрическое поле (по закону Фарадея). Контролируемый поток протекает по армированной изолятором трубе, в стенках которой перпендикулярно направлению магнитного поля и потока среды установлены два диаметрально расположенных электрода, с которых снимается напряжение, пропорциональное средней скорости потока среды.

Этот сигнал (порядка милливольт), образованный высокоомным источником, с помощью кабеля подводится к измерительному преобразователю, который усиливает его и осуществляет дальнейшую обработку.

Характерные особенности электромагнитных Р.

Индуктивный метод применим для контроля расходов жидкостей, обладающих хотя бы малой электрической проводимостью, т.к. входное сопротивление усилителя нельзя увеличивать до бесконечности. Поэтому этот метод неприменим для измерения расходов газов.

Сопротивление первичного измерительного преобразователя представляет собой сумму внутреннего сопротивления жидкости и переходного сопротивления системы жидкость-электрод. Электронное устройство для обработки измерительной информации должно обладать входным сопротивлением, превышающим не менее чем на два порядка величину выходного сопротивления первичного измерительного преобразователя.

В отличие от расходомеров других типов, принцип действия которых основан на измерениях механических величин, магнитно-индуктивный преобразователь расхода выдает непосредственно электрический сигнал, дальнейшая обработка которого заключается лишь в фильтрации помех и усилений.

Достоинства электромагнитных преобразователей расхода:

1. Линейная зависимость выходного сигнала от средней скорости контролируемого потока (по точности превосходит другие методы измерения.).

2. Отсутствие в трубопроводе механических элементов, что обеспечивает малую потерю давления, не превышающую потерю в прямых трубопроводах той же длины.

Click here to preview your posts with PRO themes ››

3. Установка преобразователей не изменяет профиль трубопровода и характер потока.

4. Результат измерения в нормальных условиях эксплуатации не зависят от температуры, вязкости, концентрации и давления контролируемой среды.

5. Результат измерения не зависит от направления потока контролируемой среды.

6. Наличие в потоке инородных частиц не влияет на результат измерения.

Область применения электромагнитных Р.

Э/м преобразователи расхода применяются в различных отраслях промышленности, в условиях, где другие методы непригодны, в том числе, например, для измерения расхода:

— турбулентного и ламинарного потока;

— химических агрессивных и коррозионно-активных жидкостей (при соответствующей подготовке расходомера и электродов);

— вязких и насыщенных твердыми токонепроводящими частицами сред.

В частном случае, этот метод используется для агрессивных кислот, пульп, сточных вод, жидких металлов.

3. Ультразвуковой (акустический) метод измерения расхода

Скорость распространения ультразвуковых колебаний (частотой от 50 КГц и выше) в движущихся жидкостях изменяется в зависимости от скорости перемещения самой жидкости.

Ультразвуковые расходомеры — это приборы основанные на измерении зависящего от расхода эффекта, возникающего при проходе акустических колебаний через поток жидкости или газа. Почти все применяемые на практике акустические расходомеры работают в ультразвуковом диапазоне частот и поэтому называются ультразвуковыми.

Ультразвуковые Р. по принципу измерения разделяются по на основанные на перемещении акустических колебаний движущейся средой, и расходомеры, основанные на эффекте Доплера. Наибольшее распространение получили расходомеры, основанные на измерении разности времен прохождения акустических колебаний по потоку и против него. Значительно реже встречаются ультразвуковые расходомеры, в которых акустические колебания направляются перпендикулярно к потоку и измеряется степень отклонения этих колебаний от первоначального направления. Ультразвуковые расходомеры, основанные на явлении Доплера, предназначены в основном для измерения местной скорости, но они находят также применение и для измерения расхода. Измерительные схемы у них более простые.

Существует два способа определения скорости потока:

1) при помощи ультразвуковых сигналов, посылаемых во встречных направлениях параллельно потоку;

2) при помощи ультразвуковых сигналов, посылаемых под определенным углом к потоку.

В первом случае, ультразвуковой сигнал, посылаемый параллельно потоку через неподвижную жидкость из т.А в т.В, распространяется со скоростью звука а. При совпадении направления сигнала с направлением перемещающейся со скоростью v жидкости результирующая скорость прохождения сигнала определяется суммой скоростей v+a. При этом сигнал достигает т.В раньше, чем при прохождении через неподвижную жидкость.

Если при тех же условиях направление сигнала противоположно направлению движения жидкости (из В в А), то результирующая скорость определяется разностью скоростей a-v. Время прохождения сигнала против потока превышает время его прохождения по направлению потока.

Разность времени прохождения сигнала служит мерой скорости потока v. Объем жидкости, протекающий в единицу времени через данное сечение известной геометрической формы, может быть определен путем измерения средней скорости потока.

Во втором случаи — Ультразвуковой сигнал посылается из т.А в т.В под углом навстречу потоку.

При этом проекция средней скорости потока v на его ось обозначена va. Если сигнал посылается из А в В, то скорости прохождения (a — va) соответствует время прохождения t1.

Тогда a-va=l/t1, где va=v*cos σ.

При посылке сигнала из т.В в т.А имеем a+va=l/t2.

Вычитая из первой зависимости вторую, получаем
v= l / (2*cos β) * (1/t2 – 1/t1)

При таком одноканальном способе распространения ультразвуковых волн с помощью одного излучателя и одного приемника должна выдерживаться постоянная температура, так как изменения времени распространения ультразвука, вызываемые колебаниями температуры Δta, могут превысить изменения измеряемой разности времени его прохождения Δt, обусловленной изменением скорости потока среды.

На практике применяют схемы с двумя раздельными каналами, позволяющими одновременно посылать волны в двух противоположных направлениях.

При этом изменение параметров среды одинаково влияет на оба сигнала и не оказывает влияния на измеряемую разность времен их прохождения или разность фазовых сдвигов ультразвуковых колебаний.

Ультразвуковой сигнал для измерения генерируется пьезоэлектрическим вибратором, выполненным в виде помещенной в корпус мембраны с наклеенными на нее пьезокристаллами. При приложении к пьезокристаллу электрического напряжения указанных частот кристалл начинает вибрировать, генерируя ультразвуковые волны.

Характеристика ультразвукового расходомера

Для обеспечения на всем диапазоне измерений погрешности ±2% необходимы специальные меры. В качестве источников ультразвуковых колебаний применимы пьезоэлектрические материалы: кварц, титанат бария, цирконат свинца. Диапазон применяемых частот 0,5 – 10 МГц.
Для получения точности 1% на всем диапазоне, а также при очень малых скоростях потоков (0,1-0,5 м/с) следует выбирать способ измерения, обеспечивающий независимость результатов от скорости распространения ультразвука в данной среде или использовать схемы температурной компенсации, гарантирующие высокую точность.

Достоинста ультразвуковых преобразователей расхода:
+ Высокая точность измерений
+ Стабильные метрологические характеристики
+ Широкий диапазон измеряемых расходов
+ Широкий диапазон рабочих температур
+ Устойчивость к загрязнению
+ Отсутствие движущихся (вращающихся) частей
+ Низкие потери давления
+ Универсальность (возможность измерения как жидких, так и газообразных продуктов и пара)
+ Наличие врезных и накладных моделей
+ Высокая надежность
+ Низкое потребление электричества (возможность автономности и портативности: некоторые модели питаются от батареек, повышенной емкости)

Недостатки ультразвуковых преобразователей расхода:
— Высокие требования к однородности среды (чувствительность к наличию пузырьков воздуха в воде)
— Зависимость измерения от температуры воды
— Подверженность электромагнитным помехам
— Сложность настройки (требуется грамотная настройка расходомера для конкретной цели)
— Относительно высокая стоимость

Возможные варианты и пути решение проблем ультрозвуковых Р.:
Для устранения зависимости измерения от температуры в корпус преобразователя расхода встраивается 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.