Широколучевые Ультразвуковые Расходомеры

Ультразвуковой доплеровский расходомер

ДР используют широко известный эффект Доплера, который заключается в изменении частоты волны при её отражении от движущегося объекта. В случае потока жидкости или газа отражающими объектами служат примеси в потоке.

Если ультразвуковой сигнал распространяется в потоке под углом α со скоростью с и частотой f то при отражении ультразвука от частиц примесей, находящихся в потоке, имеющем скорость v, частота ультразвука изменяется (если поток движется навстречу лучу, то частота увеличивается, в противном случает уменьшается). Измерение частоты отраженного сигнала можно вычислить по формуле ¦₁ = ¦₀ (1/(1±v/c*sinα))

Оба типа измерения дополняют друг друга: если при времяимпульсном методе измерения расхода наличие инородных частиц и пузырьков нежелательно (они рассеивают измерительный луч), то доплеровский метод измерения расхода, наоборот, требует наличия примесей и пузырьков. Некоторые современные расходомеры совмещают в себе оба типа измерения, расширяя таким образом область применения.

В реальных условиях в формировании сигналов объёмного рассеяния принимает участие совокупность рассеивателей различной природы, случайно расположенных в пространстве. При этом понятие «доплеровское смещение» сменяется концепцией «доплеровского спектра», отражающей распределение принятой энергии как функции радиальных скоростей рассеивателей. Для того чтобы можно было пользоваться приведенной формулой в реальных расчетах, достаточно под величиной ¦0 подразумевать центр тяжести спектра отраженного сигнала.

Технология «широколучевого» измерения реализуется, как правило, с помощью ультразвуковых волн Лэмба. Волной Лэмба называется волна, распространяющаяся между поверхностями стенки трубы вдоль поверхности трубопровода. При каждом отражении от границы труба-среда в среде возбуждается волна, направленная внутрь измеряемого потока. В результате создаётся пучок когерентных измерительных лучей, который и называют широким лучом (слайд).

«Широкий луч» обеспечивает нечувствительность расходомера к примесям в среде. Если один из параллельных лучей широкого пучка перекрывается инородной частицей примеси, то измерение обеспечивают другие лучи.

При использовании накладных расходомеров возможны изменения характеристик материала трубы. Это приводит к изменению времени прохождения ультразвукового луча и в конечном итоге к ошибке измерения величины расхода. Использование волны Лэмба, проходящей по стенке трубы как дополнительного (опорного) сигнала, позволяет рассчитать скорость распространения ультразвука в металле.

Указанные преимущества открыли путь к созданию накладных расходомеров, не уступающих по характеристикам ни традиционным расходомерам, ни врезным ультразвуковым расходомерам. Широкий измерительный луч отлично зарекомендовал себя при измерении потоков нефти: пьезоэлектрические датчики на откалиброванной трубе сертифицируются как измерительные средства с точностью 0,15 % объёмного расхода.

6.6 Электромагнитные (Индукционные) расходомеры.

Основой измерений с помощью электромагнитного расходомера является закон индукции Фарадея, в соответствии с которым при перемещении проводника через магнитное поле в нем наводится напряжение. Этот принцип измерений применяется к текущей по трубе проводящей жидкости, поперек направления которой создается магнитное поле. Наводимое в жидкости напряжение измеряется двумя расположенными друг напротив друга электродами. Напряжение сигнала Uе пропорционально магнитной индукции В, расстоянию между электродами D и средней скорости потока жидкости v. Так как магнитная индукция В и расстояние между электродами являются постоянными величинами, напряжение сигнала Uе пропорционально средней скорости потока v. Уравнение определения объемного расхода показывает, что напряжение сигнала изменяется линейно и пропорционально объемному расходу.

Наводимое напряжение сигнала преобразуется выходной сигнал преобразователя:

Ue=B*D*v

Q_v=(D²p/4) *v; Ue=(4B/ Dp)*q_v

Ue – напряжение сигнала; В – магнитная индукция; D- расстояние между электродами; v – средняя скорость потока; q_v – объемный расход

Величина ЭДС составляет единицы и десятки мВ. Электромагнитный расходомер позволяет измерять расход в трубопроводах с диаметром от 1мм до 2 м. При этом выходной сигнал не зависит от эпюры скоростей по сечению трубопровода.