Ултразукови разходомери – принцип на работа, видове и специфични приложения

Ултразвуковият принцип е сред най-широко използваните методи за измерване разхода на флуиди. Основава се на съществуващата функционална зависимост между скоростта на разпространение на ултразвуковите вълни в подвижни среди и скоростта на движение на флуида.

 

Методът е приложим основно за определяне разхода на течности, например за вода, въпреки че е възможно използването му за измерване дебита на газообразни среди. Сред причините за по-широкото използване на ултразвуковите разходомери за определяне разхода на течности е по-голямата стойност на коефициента на поглъщане на механичните вълни в ултразвуковия диапазон от газообразните вещества. От друга страна, интензивността на ултразвуковите вълни е по-висока при разпространението им в течни среди.

 

Широкото приложение на ултразвука в технологиите при ултразвуковите разходомери се дължи на високата им точност на измерване, голямото бързодействие, отсъствието на подвижни части в конструкцията, което повишава здравината на прибора и опростява поддръжката му.

 

Използването на ултразвуковите разходомери се затруднява от зависимостта между скоростта на разпространение на ултразвуковите вълни от температурата, налягането и свойствата на работния флуид. С цел постигане на добри метрологични показатели и съпоставимост на резултатите от измерването, определените стойности на разхода се коригират по температура, плътност и налягане.

 

През последните години ултразвуковите разходомери претърпяха съществено развитие като функционалност, надеждност на работа и точност на измерване.

 

Прогресът в електронната индустрия и технологиите за производство на приемо-предавателни блокове даде възможност да се ограничат значително изискванията по отношение на монтажа на приборите и да се улесни калибрирането на разходомерите.

 

Принцип на работа

 

Ултразвуковият принцип за измерване разхода на флуиди се реализира на базата на два основни конструктивни възела - източник и приемник на механични вълни с дължина, съответстваща на ултразвуковия диапазон от спектъра. Съвременните ултразвукови разходомери за вода се конструират с две основни схеми на измерване:

 

• При първата направлението на разпространение на ултразвуковата вълна е перпендикулярно на движението на флуида.

Излъчените от източника ултразвукови трептения се разпространяват в изследваната работна среда. В момента на достигането си до приемниците, трептенията са се отклонили на определен ъгъл от първоначалната си посока на разпространение. Връзката между стойността на този ъгъл и дебита на средата е право пропорционална, т.е. колкото по-висока е скоростта на движение на флуида, толкова по-голямо ще бъде отклонението на ултразвуковите трептения от първоначалната им посока на разпространение.

 

• При втората схема на измерване акустичният канал е наклонен под определен ъгъл спрямо посоката на движение на работния флуид.

Дебитът на работния флуид при този тип разходомери се определя чрез измерване на разликата във времето, за което ултразвукова вълна с определена дължина изминава разстоянието от източника до приемника и обратно.

 

Видове ултразвукови разходомери

 

Два основни типа ултразвукови разходомери се използват за определяне разхода на флуиди, сред които и за вода, в широко разнообразие от технологични процеси:

 

• При първия тип, наречени разходомери с време на преминаване (транзитни, transit-time flowmeters), за дебита на изследваната среда се съди по разликата във времето, за което ултразвуков импулс изминава определено разстояние във флуида в посока, съвпадаща с направлението на разпространението му, и в срещуположна посока.

Следващ ултразвуков импулс се изпраща едва след като предходният достигне до приемника. Разходомерите с време на преминаване поддържат два работни режима - импулсен или честотен.

 

На практика между честотния и импулсен режим на работа няма съществени разлики. И при двата се предават ултразвукови импулси от източника до приемника през работната среда и обратно, но работата на разходомерите с импулсен режим се базира на разликата в периодите от време, за които импулсът се разпространява в двете направления, за да осигури информация за движението на флуида.

 

 

За разлика от тях, при разходомерите с време на преминаване, работещи в честотен режим, ултразвуковите сигнали се обработват по различен начин. Времевите периоди не се отчитат директно. Вместо това специален блок преобразува времената в честоти. От честотната разлика между се определя скоростта на работния флуид. Сред спецификите на транзитните разходомери за вода е отсъствието на ограничения по отношение диапазона на измерваната скорост.

 

• Принципът на работа на доплеровите разходомери се отличава съществено от вече описания. За разлика от разходомерите с време на преминаване, при уредите, работещи на базата на доплеровия ефект, източникът излъчва не ултразвукови импулси, а непрекъсната звукова вълна с определена дължина.

Ултразвуковият лъч се насочва в измерваната среда под определен ъгъл спрямо посоката на разпространение на потока. Намиращите се във флуида въздушни мехури, засмуканите твърди частици или вихрови движения в потока отразяват или разсейват ултразвуковата вълна. На практика движението на тези включвания в работната среда предизвиква т.нар. доплерово отместване в честотата на сигнала, достигнал приемника.

 

При доплеровите разходомери като база за определяне на разхода на практика се използват сигналите между приемника и примесите, в посока съвпадаща и противоположна на движението на средата. Примесите се отличават със случайно разпределение и скорост в работната среда. Полезният ултразвуков сигнал, достигнал до приемника, се сумира с общия сигнал, получен от отразените от всяко включване в работната среда.

 

Общият отразен от включванията в работния поток сигнал е формиран от множество мини сигнали със случайно разпределени честоти. Разликата между разсеяните и приетите честоти, т.нар. доплерово отместване, е пропорционална на движението на примесите в потока и следователно на скоростта на флуида.

 

 

В практиката намират приложение и други видове ултразвукови разходомери. Разработени са конструкции, представляващи хибрид между двете основни технологии, предназначени за използване в процесни приложения (със затворен тръбопровод). Ултразвуковите разходомери за вода могат да се използват също така за определяне на скоростта на флуидни потоци в отворени канали и реки. Предлагат се и технологии, използвани за измерване на скоростта за вода в частично запълнени тръби.

 

Специфики в приложението

 

Ултразвуковите разходомери са подходящи за измерване разхода на широко разнообразие от флуиди. Няма съществени различия между областта на приложение на двата основни типа разходомери - доплерови и с време на преминаване. За коректната работа на основните видове ултразвукови разходомери се изисква изпълнението на определени предварителни условия.

 

На първо място, работната среда трябва да позволява разпространението на ултразвука в нея. Необходимо е също работният флуид да запълва тръбопровода. В противен случай, освен ако разходомерът не е проектиран за подобни приложения, получените резултати за разхода ще бъдат некоректни.

 

Работният флуид не трябва да съдържа материали, отлагащи се по вътрешните стени на тръбопровода. За коректното функциониране и на двата основни типа ултразвукови разходомери се изисква също потокът да е непрекъснат, без турбулентни завихряния.

 

При използването на доплерови разходомери съществуват редица допълнителни изисквания. Необходимо е средата да съдържа достатъчно количество примеси (суспендирани мехури, твърди частици и др.), които създават необходимата физическа среда за отразяване на излъчената ултразвукова енергия. Количеството на примесите не трябва да превишава определена стойност, над която разпространението на ултразвуковите вълни в изследвания поток ще се затрудни.

 

Източник: TLL Media; снимки: Dreamstime

Ключови думи: Ултразвукови разходомери   измерване на разход   транзитни разходомери   доплерови разходомери  

Област: Автоматизация