Вопрос №4 Ультразвуковые, вихревые и массовые расходомеры. Теплосчетчики
Ультразвуковые расходомеры. Принцип действия ультразвуковых расходомеров основан на измерении зависящего от расхода того или иного акустического эффекта, возникающего при прохождении ультразвуковых колебаний через контролируемый поток жидкости или газа.
В последнее время используются две разновидности ультразвуковых, расходомеров: расходомеры, основанные на перемещении ультразвуковых колебаний движущейся средой и доплеровский. Наибольшее распространение получила первая группа приборов. В таких расходомерах ультразвуковые колебания, создаваемые пьезоэлементами, направляются по потоку жидкости и против него. Разность времен прохождения Δτ ультразвуковыми импульсами расстояния между излучателем и приемником по потоку и против потока пропорциональна скорости потока, т.е. скорость ультразвука относительно стенок трубы зависит от скорости потока.
Основные трудности использования ультразвукового метода связаны с тем, что скорость ультразвука в среде зависит от физико-химических свойств последней: температуры, давления, и она значительно больше скорости среды, так что действительная скорость ультразвука в движущейся среде мало отличается от скорости в неподвижной среде. Разность времен прохождения Δτ равна 10-б...10-7 с даже при скоростях потока 10... 15 м/с, причем измерять Δτ нужно с погрешностью 10-8...10-9 с. Эти обстоятельства обусловливают необходимость применения сложных электронных схем в сочетании с микропроцессорной техникой, обеспечивающих компенсацию влияния перечисленных факторов.
Ультразвуковые расходомеры в последние годы получают все более.широкое распространение благодаря следующим положительным чертам:
• значительному динамическому диапазону, достигающему 25-—30;
• высокой точности измерения, составляющей ±(1;2) %;
• возможности измерения расхода неэлектропроводных сред (нефтепродукты), загрязненных сред, суспензий;
• широкому диапазону диаметров трубопроводов от 10 мм и выше без ограничений;
• малой инерционности;
• отсутствию потери давления;
• •широкому диапазону температур (от -220 до 600 °С) и давлений.
К недостаткам этого метода измерения расхода следует отнести:
• необходимость значительных длин линейных участков до и после преобразователя;
• влияние на показания пузырьков воздуха в потоке;
• необходимость контроля отложений в трубопроводе на его рабочем участке;
• сложность и высокая стоимость приборов, которая при прочих равных условиях в 3—4 раза превышает стоимость тахометрических и электромагнитных расходомеров;
• ограничения по минимальной скорости потока.
Все ультразвуковые расходомеры являются микропроцессорными, на выходе они имеют токовый и импульсный выходные сигналы, цифровой дисплей, интерфейсы RS-232, RS-485, цепь сигнализации, значение суммарного расхода архивируется вместе с указанием нештатных ситуаций. Многие приборы могут измерять расход реверсивного потока.
Расходомеры по конструктивному исполнению подразделяются на одно- и двухканальные. В одноканальной схеме (рис. 14.1, а) каждый пьезоэлемент работает попеременно в режиме излучателя и приемника, что обеспечивается системой переключателей. Для увеличения чувствительности ход луча в среде может быть увеличен применением рефлекторов (рис. 14.1, б). Чувствительность ультразвуковых преобразователей также растет с уменьшением угла α между векторами скорости потока и и ультразвука с. В двухканальной схеме (рис. 14.1, в) каждый пьезоэлемент работает только в одном режиме — излучателя или приемника. Двухканальные схемы проще одноканальных (нет сложных схем переключения), но точность их меньше, вследствие возможной акустической асимметрии обоих каналов.
Рис. 14.1. Схемы ультразвуковых преобразователей расходомеров:
а — одноканального; б — с отражателями; в — двухканального
Если расстояние между излучателем и приемником обозначить через L, то время распространения импульса по потоку можно записать в виде
где uL — скорость среды, усредненная по длине пути луча от излучателя до приемника.
Время прохождения импульса против потока составляет
Пренебрегая в знаменателе членом 
cos α2 , получаем, что разность времен прохождения импульсов
(14.1)
Таким образом, показания ультразвуковых расходомеров зависят от скорости потока иL, усредненной по ходу луча, а не по диаметру трубы, что является характерной особенностью расходомеров с излучением по потоку. В то же время для определения объемного расхода требуется измерение скорости иср, усредненной по диаметру трубы. Для трубопроводов круглого сечения даже для осесимметричных потоков иср не равно uL и соотношение между ними зависит от эпюры скоростей потока. Это обстоятельство является недостатком ультразвуковых расходомеров, определяющим наиболее существенную составляющую методической погрешности.
В общем случае иср и uL связаны соотношением
При установившемся турбулентном движении и осесимметричном потоке k зависит от числа Re, так как с изменением Re изменяется характер распределения скоростей, значение k в этом случае меняется в диапазоне 0,92...0,95. Это является причиной принципиальной нелинейности статических характеристик ультразвуковых расходомеров при их индивидуальной градуировке. В ультразвуковых расходомерах SITRANS F фирмы Siemens, благодаря наличию отражателей, ход луча состоит из пяти отрезков, три из которых направлены по хордам, что обеспечивает сканирование профиля потока и измерение средней скорости потока в широком диапазоне измерения его скоростей. При максимальной скорости потока 10 м/с обеспечивается погрешность измерения расхода ±0,5 % в динамическом диапазоне 25 и ±1 % в диапазоне 100. В зависимости от типа местного сопротивления длина линейного участка трубопровода составляет (10...40)D до преобразователя и 5D после него.
По методу определения Δτ ультразвуковые расходомеры подразделяются на времяимпульсные, частотные и фазовые.
Во времяимпульсных расходомерах периодически производится измерение Дт коротких импульсов длительностью 0,1...0,2 мке, по которым затем в соответствии с (14.1) и (14.2) определяется объемный расход (70. Микропроцессорные расходомеры UFM 005 (ЗАО «Центроприбор», ПО «Промприбор») предназначены для измерения расхода воды и устанавливаются в трубопроводах диаметром 15... 1600 мм. В их состав входит для диаметров до 200 мм первичный преобразователь УПР, свыше 200 мм — пьезопреобразо-ватели для врезки в трубопровод и вычислитель ультразвуковой УВ. Первичный преобразователь УПВ представляет отрезок трубы с двумя врезанными пьезоэлектрическими преобразователями и приваренными по торцам фланцами. При проливном методе поверки расходомеры в области расходов от переходного до верхнего предела при динамическом диапазоне 25 имеют погрешность ±1,5%, а от переходного до минимального — ±4%, причем Gmax/