Что такое ультразвуковой расходомер

4. Ультразвуковые расходомеры

Ультразвуковой метод измерения расхода основан на зависимости скорости ультразвука относительно трубы от скорости потока.

Основные трудности использования ультразвукового метода связаны с тем, что, во-первых, скорость звука в среде зависит от ее физико-химических свойств, температуры, давления и, во-вторых, она значительно больше скорости среды, так что действительная скорость ультразвука в движущейся среде мало отличается от скорости в среде неподвижной. Эти обстоятельства обусловливают необходимость применения специальных методов компенсации погрешностей, что сильно усложняет измерительные схемы.

Рис. 7. Ультразвуковой уровнемер с излучением, перпендикулярным потоку

Следует отметить также, что ультразвуковые расходомеры применяются главным образом для измерения расхода жидкостей из-за малой интенсивности ультразвуковой волны и большого коэффициента поглощения ультразвука в газах. Основными элементами преобразователей ультразвуковых расходомеров являются излучатели и приемники ультразвуковых колебаний. Ультразвуковые колебания, попадающие на приемник, вызывают его механическую деформацию в виде периодических сжатий и растяжений, которые преобразуются в переменное электрическое напряжение. Ультразвуковые расходомеры можно подразделить на две группы.

Рис. 8. Схемы преобразователей ультразвуковых расходомеров с излучением по потоку: а,— одноканальные; б,г — двухканальные

Расходомеры могут выполняться по одноканальной (рис. 8, а, в) или двухканальной (рис. 8, б, г) схеме. В одноканальной схеме каждый пьезоэлемент работает попеременно в режиме излучателя и в режиме приемника, что обеспечивается системой переключателей. В двухканальной схеме каждый пьезоэлемент работает только в одном определенном режиме. Очевидно, что двухканальные схемы проще одноканальных (нет сложных схем переключения), но точность их меньше, вследствие возможной акустической несимметрии обоих каналов.

К первой группе относятся расходомеры с излучением, перпендикулярным потоку (рис. 7): пьезоэлемент 1, возбуждаемый генератором 2, создает ультразвуковые колебания, направленные перпендикулярно оси трубы. По мере увеличения средней скорости потока ультразвуковой луч все более отклоняется по направлению скорости. Угол отклонения лучабудет определяться выражением 1

где с — скорость ультразвука в неподвижной среде.

Линейное отклонение луча у приемных пьезозлементов 3 и 4 . С увеличением количество энергии, поступающей на пьезоэлемент3, уменьшается, а поступающей на пьезоэлемент 4, растет и, таким образом, разностный сигнал, поступающий на вход — усилителя. 5, увеличивается. Расходомеры с такой схемой просты по устройству, но обладают ограниченной точностью из-за малого отклонения луча. Поэтому наибольшее распространение получили расходомеры второй группы, основанные на измерении скорости прохождения ультразвуковых импульсов между излучателем и приемником в направлении потока контролируемой среды и против него (расходомеры с излучением по потоку). При этомобычно векторы инаправлены под углом друг к другу, причем чем меньше, тем чувствительнее расходомер.

Для чистых сред пьезоэлементы могут устанавливаться в специальных карманах (рис. 8, а, б). Для загрязненных сред применение карманов не·желательно. В этом случае либо карманы заполняются твердым материалом — звукопроводом (рис. 8, в) либо применяются излучатели и приемники, не требующие нарушения целостности трубы (рис. 8, г). В последних двух схемах ультразвуковой луч преломляется на границах сред,что в ряде схем используется для компенсации влияния изменений температуры среды на показания.

Принцип действия расходомеров с излучением по потоку заключается в использовании разницы времени прохождения ультразвуковых импульсов по потоку и против него.

Действительно, если обозначить расстояние между излучателем и приемником через L и угол между векторами скоростей потока и ультразвукачерез, то время распространения импульса по потоку

I

где — скорость среды, усредненная по длине пути луча от излучателя до приемника.

Время прохождения импульса против потока

Следовательно, разность времен прохождения импульсов

(8)

Таким образом, показания ультразвуковых расходомеров зависят от скорости (потока , 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, усредненной по диаметру трубы. Для трубопроводов круглого сечения даже для осесимметричных потоков и соотношение между ними зависит от эпюры скоростей потока. Это обстоятельство является недостатком ультразвуковых расходомеров, определяющим наиболее существенную составляющую методической погрешности.

В общем случае исвязаны отношением

.(9)

при установившемся турбулентном движении и осесимметричном потоке и зависит от числа Re, так как с изменением Re изменяется характер распределения скоростей. Это является причиной принципиальной нелинейности статических характеристик ультразвуковых расходомеров при их индивидуальной градуировке.

По методу определения Δτ ультразвуковые расходомеры подразделяются на время-импульсные, частотные и фазовые.

Во время-импульсных расходомерах периодически производится измерение разности Δτ времен прохождения очень коротких импульсов длительностью 0,1—0,2 мкс, по которой затем в соответствии с (8) и (9) определяется объемный расход Q₀.

Измеряемое время Δτ очень мало (—с) даже при максимальном расходе, причем измерять его необходимо с погрешностью—с. Это вызывает необходимость применения сложных электронных схем. Кроме того, показания таких расходомеров зависят от измененияс. Эти обстоятельства объясняют редкое применение таких расходомеров по сравнению с другими типами.

В частотных расходомерах каждый последующий импульс посылается излучателем только после достижения предыдущим импульсом приемного пьезоэлемента. Очевидно, что если время между импульсами равно τ, то частота следования их . Разность частот следования импульсов по потоку и против него определяется дифференциальной схемой и связана со скоростью и объемным расходом. Показания частотных расходомеров не зависят от скорости распространения ультразвука в неподвижной среде, а следовательно, и от физико-химических свойств среды. Это является важным достоинством частотных расходомеров.

В фазовых расходомерах измеряется разность фаз Δφ ультразвуковых колебаний частотой f, распространяющихся по потоку и против него. Недостатком этих расходомеров является зависимость показаний от изменения с.

Приведенное выше описание принципа действия ультразвуковых расходомеров выявляет основные их недостатки. Наиболее серьезным из них является зависимость показаний от профиля скоростей, который изменяется с изменением расхода. Погрешность увеличивается при искаженном профиле скоростей из-за наличия, например, вблизи преобразователя местных сопротивлений. Отсюда вытекаетнеобходимость прямых участков трубы до и после расходомеров.

Другим серьезным недостатком является влияние на показания прибора изменения физико-химических свойств контролируемой среды и ее температуры, влияющих на скорость ультразвука с.

Ультразвуковые расходомеры являются перспективными для многих отраслей промышленности в силу следующих достоинств:

1) возможности использования на трубопроводах различных диаметров (от 10 мм и выше);

2) возможности бесконтактного измерения расхода любых сред, в том числе и неэлектропроводных.

Основная погрешность ультразвуковых расходомеров без коррекции на скорость звука находится в пределах ±(24) %. Одноканальные расходомеры с коррекцией на скорость звука позволяют снизить эту погрешность до ±1 %. В отдельных разработках основная погрешность не превышает ±0,3 %.

Ультразвуковой расходомер жидкости, газа и пара

Ультразвуковой расходомер — это стандартный расходомер, основой работы которого является измерение скорости потока, а определение расхода потока движущейся среды в нем осуществляется с помощью акустических законов. Такие расходомеры могут быть использованы для измерения расхода потока сред, непроводящих электрический ток.

Ультразвуковой расходомер

Принцип работы ультразвукового расходомера

Как понятно из названия, ультразвуковой расходомер в своей работе использует ультразвук, который не воспринимается человеческим ухом.

Звук возникает в результате вибраций, которые распространяются в виде волн. Для того, чтобы появился звук, необходимо учесть несколько моментов: источник, посылающий звуковые волны, воздушную или жидкую среду, в которой могут распространяться звуковые волны и объект, принимающий или улавливающий звуковые волны.

Количество звуковых волн, воспроизведенных вибрирующим объектом в течение некоторого заданного отрезка времени называется частотой звуковых волн. Чем быстрее вибрирует объект, тем больше будет посылаться звуковых волн, тем выше будет частота звука. И соответственно, чем медленнее происходит вибрирование, тем ниже частота.

Термином «ультразвук» называется звук с частотой выше уровня частоты, воспринимаемой человеческим ухом. Для того, чтобы определить скорость движения среды с помощью ультразвуковых расходомеров измеряют изменения ультразвуковых частот.

Если работает ультразвуковой расходомер, то источник, вибрируя, посылает ультразвуковые волны с некоторой заведомо известной частотой. Звуковые волны распространяются, двигаются в потоке среды до тех пор, пока они ни наталкиваются на пузырьки воздуха или на твердые частицы в потоке движущейся среды. Когда звуковые волны сталкиваются с воздушными пузырьками или твердыми частицами, они отталкиваются или отражаются от пузырька или частицы и двигаются в обратном направлении к принимающему устройству или приемнику.

Частица или пузырек в среде, находящейся в покое

При замере среды в покое у отраженных звуковых волн будет та же самая частота, что и у посланных источником звуковых волн. На рисунке выше изображен пузырек воздуха или твердая частица в среде, находящейся в покое. Пузырек или частица начинают вибрировать с частотой, посланных звуковых волн. Если среда находится в движении, уровень частоты отраженных звуковых волн, ультразвукового расходомера, сдвигается или изменяется по сравнению с уровнем частоты посланных звуковых волн. На рисунке ниже ряд звуковых волн «впереди» движущегося пузырька более уплотнен в своем последовательном чередовании, чем «позади» пузырька.

Пузырек воздуха в потоке движущейся среды

Волны позади пузырька вытянуты по своей конфигурации по причине наличия скорости движущегося потока. Сам пузырек тоже несколько деформирован по той же самой причине наличия скорости движущегося потока.

Поскольку пузырек движется по мере того, как он посылает обратно или отражает звуковые волны, то фактически он движется «догоняя» звуковые волны впереди него и удаляясь от волн позади него. Другими словами, пузырек начинает вибрировать с той же самой частотой, что и посланные источником звуковые волны, но в результате наличия скорости движущегося потока, который несет этот пузырек, уровень частоты отраженных волн сдвигается. Когда звуковые волны, скомпрессированные в процессе движения потока впереди пузырька, достигают приемника, частота их выше, чем частота звуковых волн, посланных источником, потому, что интенсивность попадания волн на приемник будет выше, чем интенсивность их попадания на приемник в условиях среды, находящейся в покое.

После того, как пройдет пузырек, на приемник ультразвукового расходомера попадают вытянутые по своей конфигурации волны. Частота этих волн ниже, чем частота звуковых волн, посланных передатчиком. Т.к. в последовательности этих волн отмечается расширение, для того, чтобы попасть на приемник этим вытянутым по своей конфигурации волнам понадобиться больше времени.

По мере увеличения скорости движения потока, увеличивается также и сдвиг по частоте. И наоборот, если скорость движения потока среды уменьшается, то уменьшается и сдвиг по частоте. Другими словами, каждому изменению скорости потока присущ соответствующий сдвиг по частоте. Для измерения скорости потока среды в ультразвуковых расходомерах используется эта взаимосвязь. Затем расходомер преобразует величину скорости потока в соответствующую величину расхода потока.

Сдвиг по частоте между переданными и принятыми звуковыми волнами — это один пример естественного феномена, известного по названием эффект Доплера. Он имеет место при условии наличия относительного движения между источником волны и приемником этой волны. В ультразвуковом расходомере движущиеся вместе с потоком среды пузырьки воздуха или твердые частицы становятся передатчиками волн, т.к. от них отражаются волны.

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.

• Автор: eno-tek.ru

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

Ультразвуковой расходомер газа: принцип работы, сферы применения и плюсы

Практически любая новинка, относительно недавно появившаяся на рынке, неизменно вызывает повышенный интерес потенциальных покупателей. Поскольку экономия сейчас стала задачей, которую хотят поскорее решить многие, счетчики из года в год появляются в большом количестве домов и квартир. Если говорить об относительно новых приборах, то таковым может считаться ультразвуковой расходомер газа. Именно это название абсолютно правильное, так как счетчик в устройстве только один из его элементов. Сейчас существует несколько подобных конструкций: помимо ультразвукового прибора в список входит еще 5 основных видов. У каждого из них свой принцип работы, свои преимущества и слабые стороны.

Типы газовых расходомеров

Расходомер — устройство, которое измеряет количество рабочего вещества, пройденного по трубопроводу — газа, пара или жидкости. Топливо и теплоноситель сильно отличаются, потому измеряют их расход по-разному. Так как ультразвуковой расходомер газа — лишь один из списка кандидатов, не помешает познакомиться и с остальными конструкциями, которые отличаются принципом работы, предназначением и эксплуатационными характеристиками.

Вихревые устройства

Данные конструкции измеряют частоту колебаний, возникающих в потоке газа или жидкости, вынужденной обтекать препятствия на их пути. Эту специальную помеху называют телом обтекания. Во время затрудненного движения создается вихрь, благодаря которому приборам дали такое название. Преимущества данных моделей — полное отсутствие движущихся элементов, которые могут стать причиной поломки конструкции.

• характеристики, которые могут меняться, если на теле обтекания появляется осадок;
• механические препятствия, располагающиеся в сечении трубопровода;
• неточные результаты измерений из-за возникающих вибраций;
• высокая чувствительность к изменению температур.

Еще один минус — небольшой динамический диапазон. Используют такие расходомеры для измерения газа, насыщенного пара, технического воздуха и воды.

Тахометрические приборы

Второе их название — турбинные. Они измеряют количество оборотов, а также скорость вращения турбины или крыльчатки. Она пропорциональна величине расхода. Достоинства конструкций — невысокая цена, отсутствие необходимости обеспечивать питание от сети.

• механические препятствия, находящиеся в сечение прибора;
• влияние примесей в воде на точность показаний;
• неустойчивость измерений, ненадежность;
• малый динамический диапазон.

Поскольку внутри расходомера находятся движущиеся элементы, они становятся причиной ограниченного срока службы тахометрических расходомеров. Турбинные устройства используют для измерения расхода воды, жидкого топлива, охлаждающих жидкостей, горюче-смазочных материалов и т. д.

Расходомеры перепада давления

Ротаметр — счетчик постоянного перепада давления — еще один, относительно простой вид измерительного оборудования. Его принцип работы основывается на измерении перепадов давления, которые возникают при прохождении газа либо жидкости через сужающееся устройство (сопло, диафрагма) внутри расходомера. На этом участке скорость потока уменьшается, а давление увеличивается. Замеры производятся с помощью дифференциального датчика давления. Недостаток приборов — некоторая потеря потоком энергии.

• независимость от температуры и давления среды;
• универсальность расходомеров, их удобство;
• относительно высокая точность измерений.

Простота изготовления расходомеров перепадов давления, отсутствие движущихся частей — причины популярности этих приборов. Диаметр трубопроводов для таких расходомеров составляет 50-1600 мм.

Кориолисовые расходомеры

Это сложный электронные устройства, принцип работы которых основан на измерении колебания (вверх-вниз) трубок, расположенных перпендикулярно движению потока. Такие воздействия называют силой Кориолиса, она пропорциональна массовому расходу рабочего вещества. Недостатки данных расходомеров — сложность конструкции, подразумевающая строгое следование технологии изготовления, высокая цена.

• возможность измерения не только расхода, но и ряда других параметров — температуры, плотности и т. д.;
• универсальность: приборы способны работать с неоднородными средами — с включениями песка, газа, с бензином/нефтью;
• высокая точность результатов, такая же надежность.

Кориолисовым приборам не требуются прямые участки трубопроводов. Минусом их является высокая цена, однако если правильно эксплуатировать прибор, то можно гарантировать, что он вскоре окупится.

Электромагнитные конструкции

Данные приборы используются для измерения потока электропроводящих жидкостей. Работают электромагнитные устройства по закону электромагнитной индукции (Фарадея). В проводнике, пересекающем линию электромагнитного поля, появляется электродвижущая сила. Ее значение пропорционально скорости движения потока. Направление тока — перпендикулярно движению проводника. Прибор измеряет расход, фиксируя напряжение, возникающее между двумя электродами. Недостаток — повышенные требования к жидкости: она не должна иметь токопроводящие, магнитные включения.

• отсутствие в поперечном сечении устройства неподвижных или движущихся элементов, это дает возможность сохранить скорость потока;
• возможность использования для трубопроводов большого диаметра, эксплуатация в большом динамическом диапазоне:
• точная работа при минимальных длинах участков для измерения;
• использование в напорных и безнапорных системах.

Стабильная работа этих устройств — одна из важнейших характеристик, благодаря которой электромагнитные расходомеры относятся к одному из самых популярных видов измерительных приборов.

Это только главные конкуренты, которые есть у ультразвуковых приборов. Еще существует оптическое, поршневое, парциальное, тепловое, мембранное (диафрагменное), струйное, калориметрическое, ионизационное, винтовое и поплавковое (расходомеры переменного перепада давления) измерительное оборудование.

Список этот неполный, его можно, но не очень нужно, продолжать: многие из приведенных конструкций предназначаются не для бытового использования.

Ультразвуковой расходомер газа

Поскольку он главный герой, на ультразвуковом приборе-счетчике необходимо остановиться отдельно. Это позволит познакомиться с элементами устройства, с принципом его работы, оценить достоинства и слабые сторону кандидата.

Что такое ультразвук?

Из названия приборов понятно, что ультразвуковое устройство для работы использует ультразвук, который человеческим ухом не воспринимается, зато его слышат некоторые виды животных. К ним относятся дельфины, некоторые киты, летучие мыши, отдельные виды жуков и бабочек, которые могут спасаться на земле при приближении «летучих грызунов», издающих эти сигналы.

Звук появляется благодаря вибрациям, распространяющимся в виде волн. Однако для того чтобы колебания возникли, необходимо обеспечить несколько условий. Нужен:

• источник, посылающий сигналы;
• подходящая (воздушная или жидкая) среда, способствующая их распространению;
• и определенный объект, который в состоянии улавливать или принимать звуковые волны.

Количество волн, создаваемых вибрирующим объектом в некоторый (заданный) отрезок времени, называют частотой звуковых волн. Она зависит от скорости вибрирования: чем быстрее происходят колебания, тем выше частота. И наоборот, медленная скорость вибраций становится причиной низкой частоты.

Ультразвук — звук, частота которого выше того уровня, что может восприниматься человеческим ухом. Для определения движения рабочей среды используют ультразвуковые расходомеры газа или жидкости. Их предназначение — измерение изменений ультразвуковых частот.

Ультразвуковой метод измерения

Ультразвуковой расходомер газа или жидкости имеет принцип работы, основанный на прохождении через поток ультразвуковой волны. Работают такие приборы в широком частотном диапазоне — от 20 кГц до 1000 МГц. Устройства измеряют скорость распространения звуковых колебаний в рабочей среде: это может быть как газ, так и жидкость (вода, канализационные стоки и т. п.).

Принцип их функционирования построен на эффекте Доплера, его можно назвать примером естественного феномена. Это сдвиг по частоте, который происходит между переданными и принятыми волнами. Причина — препятствия, возникающие на пути ультразвука в среде. Это могут быть твердые частица или воздушные пузырьки. Те и другие объекты способны отражать от себя звуковые волны, которые начинают движение в обратном направлении.

Уровень частоты волн изменяется (сдвигается) благодаря изменению скорости движения потока. При ее увеличении сдвиг по частоте также увеличивается. Если скорость потока среды уменьшается, то сдвиг по частоте тоже становится меньше. Именно эта взаимосвязь используется в ультразвуковых расходомерах: после измерения параметра величина скорости потока преобразуется в величину его расхода.

На участок трубы устанавливают 2 датчика, оснастка для их монтажа присутствует в комплекте расходомера. Каждый из приборов выполняет сразу две роли: он одновременно является приемником и передатчиком сигнала. При измерениях ультразвук отправляется по течению рабочей среды, затем против него: сначала от первого ко второму сенсору, затем наоборот.

Так как сигнал неминуемо «сносится» потоком газа или жидкости, скорость его прохождения в обе стороны будет различной. Благодаря этой разнице величин устройство вычисляет скорость потока, а так как геометрические параметры трубопровода известны, оно выдает объемный расход топлива или теплоносителя.

В этом случае нужно знать плотность рабочей среды. Если требуется произвести пересчет из рабочих кубов в нормальные единицы (массу), то в устройство необходимо ввести дополнительные показатели — давление и температуру, причем могут быть использованы или константы, или информация, получаемая с других, внешних измерительных приборов.

Классификация расходомеров

Такие приборы для измерения расхода газов классифицируются по пропускной способности. Это понятие означает диапазон расходов, при которых погрешность показаний не выходит за рамки, заявленные производителем этого вида газового оборудования. Есть и еще два важных показателя:

1. Максимальный расход — Q_макс. Большинство производителей использует такие значения — 1, 2,5, 4 и 6 (6,5) с множителем 10n (м 3 /ч).
2. Минимальный расход — Q_мин. Это значение используется для определения ширины диапазона измерений прибора: ее определяют как соотношение второго и первого значения — Q_мин/Q_макс. Ширина диапазона у моделей, выпускаемых сейчас, составляет от 1:10 до 1:4000.

Чувствительность механических приборов — минимальный расход, при котором счетчик в состоянии проводить измерения, но погрешность их не соответствует нормативам. Главным показателем считается максимальная пропускная способность, по которой все расходомеры условно делятся на промышленные, коммунально-бытовые и бытовые.

Бытовые

Максимальная пропускная способность этих устройств составляет 1-6 м 3 /ч. Данные расходомеры используют в квартирах, частных домах, в небольших котельных и офисах. В этом случае ультразвуковые устройства пока используют редко.

Коммунально-бытовые

У таких расходомеров пропускная способность намного выше — 10-40 м 3 /ч. Их также используют для учета газа в котельных, в технологических установках. Коммунально-бытовые устройства отличаются более крупными размерами, чаще используются мембранные, струйные, ротационные приборы, реже — ультразвуковые устройства.

Промышленные расходомеры-счетчики

В этом случае минимальная пропускная способность составляет 40 м 3 /ч, а максимальная величина не ограничивается. Такое ультразвуковое оборудование приобретают для очень крупных потребителей. К их числу относят промышленные, сельскохозяйственные предприятия, газовые котельные, узлы учета распределительных сетей, магистрали. Виды наиболее часто используемого оборудования — ультразвуковое, турбинное, струйное, ротационное, вихревое. На участках трасс нередко монтируют расходомеры перепада давления.

Достоинства, недостатки расходомеров

Не так давно ультразвуковой расходомер газа использовался только для коммерческого учета природного топлива, для технологического контроля. Теперь ситуация немного изменилась: появились небольшие, удобные бытовые приборы, которые имеют несколько преимуществ перед другими видами измерительного оборудования. Однако они также не лишены некоторых недостатков.

К плюсам ультразвуковых расходомеров относится:

• стабильность показаний;
• длительный срок эксплуатации;
• устойчивость к вибрациям, ударам;
• высочайшая точность измерения (0,3-1%);
• независимость от малого давления, скорости;
• невысокий уровень потребления электричества;
• отсутствие подвижных частей, требующих замены;
• возможность работы с загрязненной газовой средой;
• довольно широкий диапазон измерений (от 1:200 до 1:400);
• возможность контроль расхода газообразных веществ, жидкостей;
• разные условия эксплуатации: диапазон температур от -50 до +50°;
• возможность измерения скорости потока сразу в двух направлениях;
• универсальность: ультразвуковые приборы могут измерять разные виды топлива: природный газ, биогаз, промышленные газы;
• отсутствие для потока любых препятствий, которые могут спровоцировать внезапное падение давления или повреждение оборудования.

Есть модели приборов, в которых предусмотрено питание от аккумулятора. Ультразвуковой расходомер газа может устанавливаться на трубопроводы любого диаметра, начиная от 10 мм.

Минусы у данных расходомеров есть. Это:

• сложность ультразвуковых устройств, их высокая цена, превышающая стоимость электромагнитных и тахометрических моделей в 3-4 раза;
• необходимость обеспечить относительно длинные участки перед и после прибора;
• потенциальное влияние на измерительное оборудование пузырьков воздуха;
• контроль отложений, его необходимо обеспечить на рабочем участке;
• ограничения, касающиеся минимальной скорости потока;
• необходимость грамотной настройки оборудования;
• зависимость от температуры воды.

Несмотря на то, что недостатки у ультразвукового оборудования есть, достоинств у него все же больше, поэтому популярность таких приборов постепенно растет.

Ультразвуковой расходомер газа: сферы применения

Эти устройства применяют для научных исследований, а также используют в различных отраслях промышленности. Примеры:

• измерение скорости подземных источников;
• нефтедобыча, переработка сырья;
• электро- и теплогенерация;
• противопожарные системы;
• коммунальное хозяйство.

Есть максимально удобный вид ультразвуковых расходомеров. Это приборы с накладными датчиками. Такое оборудование позволяет проводить экспресс анализы на трубопроводах без остановки движения топлива или теплоносителя.

Выбор производителя изделий

Ультразвуковые приборы нельзя назвать элементарными: такие сложные расходомеры требуют точных расчетов, такого же соблюдения технологии. Поэтому лучше сделать выбор в пользу компаний, уже зарекомендовавших себя. Качественное оборудование для систем с теплоносителями выпускает фирма Kamstrup, расходомеры для жидкостей и газов — KROHNE, Panametrics, Siemens, Endress+Hauser.

Никто не будет отрицать, что лучше один раз увидеть. Потому о том, что такое ультразвуковой расходомер газа, о его принципе работы коротко, но понятно расскажет следующее видео: