Принцип действия ультразвуковых расходомеров

Классификация ультразвуковых расходомеров приведена на рисунке 1

Рис. 1 - Классификация ультразвуковых расходомеров

Ультразвуковые колебания (частота выше 20 кГц), нашедшие широкое применение в различных отраслях техники, в том числе и измерительной, могут быть применены и для целей измерений расхода жидкостей и газов вне зависимости от электрических свойств измеряемой среды.
Ультразвуковой метод измерения расхода основан на явлении смещения звукового колебания движущейся средой. Поэтому, когда колебания распространяются по направлению скорости потока, то они тем быстрее достигают заданной (приемной) точки, чем больше скорость х или расход потока.
Время τ1 прохождения звуковым колебанием расстояния между излучателем и приемником

где L - расстояние между излучателем и приемником, м;
с – скорость звука в данной среде, м/с;
х - скорость или расход потока, м/с.
При распространении колебаний против скорости потока имеет место обратное явление замедление распространения, также пропорциональное скорости потока. В этом случае время τ2 прохождения звуковым колебанием расстояния против скорости потока определяется по формуле

Так как величина отношения х/с весьма мала по сравнению с единицей, особенно для жидкостей, где с приблизительно равен 1000…1500 м/с, a х обычно не превосходит 3…4 м/с, то с большой степенью точности можно написать

Однако основывать ультразвуковые расходомеры только на измерении τ1 и τ2 было бы нерационально из-за погрешностей, связанных, с одной стороны, с возможными колебаниями скорости звука с (из-за изменения плотности потока), а главное с тем, что влияние скорости потока х на времена τ1 или τ2 весьма мало по сравнению с влиянием скорости с. Иными словами полное изменение х от нуля до хmax очень мало изменяет величины τ1 и τ2 (менее чем на 1 %).
Положение резко улучшится, если построить прибор, который реагировал бы на разность времени τ1 и τ2
Из (1.3) и (1.4) получим

Здесь чувствительность метода измерения будет нормальной и сохранится лишь незначительная погрешность, связанная с колебаниями величины с, причем во многих случаях есть средства для устранения и этой погрешности.
Имеется несколько путей выявления разности времени дельтаτ для определения скорости х:

• метод измерения разности фазовых сдвигов двух ультразвуковых колебаний, направляемых по потоку и против него
• метод измерения разности частот повторения коротких импульсов или пакетов ультразвуковых колебаний, направляемых одновременно по потоку и против него
• метод измерения разности времени прохождения коротких импульсов, направляемых одновременно по потоку и против него.

Кроме того, имеется еще четвертый метод определения скорости потока х, который основан не на выявлении разности времен дельтаτ, а на смещении потоком ультразвукового колебания, направляемого перпендикулярно оси трубы.
Устройство преобразователя и измерительной схемы ультразвукового расходомера, равно как и характер его работы, сильно зависят от того, производится ли излучение ультразвуковых колебаний по потоку и против него по одному или по двум разным электроакустическим каналам. В связи с этим ультразвуковые расходомеры разделяются на:
- однолучевые или одноканальные;
- двухлучевые или двухканальные.
В первом случае преобразователи несколько проще, но измерительные схемы, как правило, сложнее, так как возникает необходимость в запоминающем устройстве и в переключении пьезоэлементов с излучения на прием. Кроме того, возникают трудности в фазометрических измерительных схемах в связи многозначностью шкалы фазометров. С другой стороны, в двухлучевых приборах будут возникать погрешности, если в обоих электроакустических каналах будут наблюдаться неодинаковые температуры или различный состав среды. Фазовые расходомеры бывают как однолучевые, так и двухлучевые; частотные и импульсные расходомеры, как правило, изготовляются двухлучевыми.

Достоинства ультразвуковых расходомеров:

• возможность измерения расхода любых жидкостей (не содержащих газовых включений), в том числе агрессивных и вязких, в любых трубах, имеющих диаметр, начиная от 10 до 2000 мм и выше, при скоростях 0,02 м/с и выше
• принципиальная возможность измерения расхода газа
• высокое быстродействие, позволяющее измерять расходы, меняющиеся с частотой до 10 кГц
• бесконтактность приемных устройств
• очень небольшая величина или даже полное отсутствие дополнительной потери давления.

К недостаткам рассматриваемых приборов следует отнести:

• относительную сложность их измерительной схемы
• зависимость показаний от плотности среды.

В первую очередь эти приборы должны применяться в тех случаях, где трудно использовать расходомеры других типов, например при измерении расхода агрессивных сред и пульп, неэлектропроводных жидкостей, больших расходов воды, например в гидротурбинах.