Что такое ультразвуковой расходомер и как правильно его применять?

Ультразвуковые расходомеры предназначенные для объемного расхода среды измерений, являются не интрузивными датчиками расхода, которые используют акустические колебания для измерения расхода жидкости. Существует два типа расходомеров, построенных на ультразвуковой технологии измерений: доплеровские и транзитные .

Ультразвуковые расходомеры идеально подходят для автоматизированных приложений при измерениях расхода сточных вод или любой грязной жидкости, проводящей ультразвук. Ультразвуковые расходомеры предназначены для измерений сред на водной основе, но, как правило, не работают с дистиллированной водой или питьевой водой. Эти расходомеры также идеально подходят для приложений, где присутствует низкий перепад давления, химические особенности среды измерений и когда присутствуют требования к простоте обслуживания.

В 1842 году Кристиан Допплер обнаружил, что неподвижный наблюдатель воспринимает звук как имеющий более короткие длины волн по мере приближения его источника и более длинные волны по мере удаления источника.

Это стало известно как эффект Допплера и объясняет, почему мы слышим повышение тона в гудке приближающегося автомобиля. Когда автомобиль удаляется, высота тона, кажется, понижается. Ультразвуковые допплеровские расходомеры используют этот сдвиг частоты в так называемых грязных жидкостях, содержащих акустические неоднородности — или взвешенные частицы, увлеченные газовые пузырьки или вихри турбулентности.

Портативный расходомер TUF2000H в практическом применении

Два типа ультразвуковых расходомеров, доплеровские и время переходные, работают по двум разным технологиям. Доплеровский ультразвуковой расходомер должен иметь частицы или пузырьки для отражения ультразвуковых сигналов. Необходимо учитывать нижние пределы концентраций и размеров твердых частиц или пузырьков, а жидкость должна течь с достаточно высокой скоростью, чтобы удерживать твердые частицы во взвешенном состоянии.

При передаче в трубу, содержащую текущую жидкость с такими разрывами, ультразвуковой импульс или луч отражается от них с изменением частоты, которое прямо пропорционально расходу жидкости. Таким образом, ультразвуковой доплеровский расходомер вычисляет расход жидкости по скорости разрывов, а не по скорости жидкости

Принципы работы ультразвука

Основной принцип работы прибора базируется на сдвиге частоты (эффект Доплера) ультразвукового сигнала, когда он отражается от движущихся взвешенных частиц или пузырьков газа (разрывов). Этот метод измерения использует физическое явление звуковой волны, которая изменяет частоту, когда она отражается от движущихся разрывов в текущей жидкости. Ультразвук направляется в трубу с текущими жидкостями, а разрывы отражают ультразвуковую волну с немного другой частотой, которая прямо пропорциональна скорости потока жидкости. Современная технология требует, чтобы жидкость содержала не менее 100 частей на миллион (PPM) взвешенных частиц или пузырьков размером 100 микрон или больше.

Ещё раз:

Ультразвуковой расходомер Доплера работает по этому принципу (эффекта Доплера), который представляет собой физическое явление изменения частоты звуковой волны. В случае ультразвуковых расходомеров частота ультразвукового сигнала изменяется (опять же: эффект Доплера) прямо пропорционально скорости потока жидкости при отражении от движущихся взвешенных частиц или пузырьков газа (разрывов).

Обычно ультразвуковой доплеровский расходомер состоит из передатчика/индикатора/сумматора и преобразователей. Пользователь выбирает конфигурацию, соответствующую применению, принимая во внимание тип жидкости, размер и концентрацию твердых частиц или пузырьков, размеры трубы и ее футеровку. Порог сигнала передатчика обычно регулируется для фильтрации механических и электрических помех.

Высокочастотный генератор в передатчике управляет преобразователем, который в известной конструкции с зажимом монтируется на внешней стороне трубы. Преобразователь генерирует ультразвуковой сигнал, который проходит через стенку трубы в текущую жидкость; передатчик преобразует разницу между его выходной и входной частотами в электронные импульсы. Обработанные, масштабированные и суммированные импульсы обеспечивают измерение расхода.

Ультразвуковые доплеровские расходомеры, которые крепятся на внешней стороне трубы, работают не инвазивно, без подвижных частей. Они не вызывают падения давления, не рискуют быть поврежденными технологической жидкостью и требуют минимального обслуживания. При правильной калибровке они могут иметь точность ±1%, однако стенка трубы и любое воздушное пространство между стенкой и жидкостью могут создавать помехи сигнала. Тем не менее, стенка трубы из нержавеющей стали может проводить передаваемый сигнал до такой степени, что отраженный сигнал будет казаться претерпевшим значительный сдвиг.

Ультразвуковые расходомеры времени прохождения измеряют разницу во времени между передачей ультразвукового сигнала от первого преобразователя и его получением вторым преобразователем. Проводится дифференциальное сравнение измерений вверх и вниз по потоку (см. рисунок выше). Если потока нет, время прохождения будет одинаковым в обоих направлениях. При наличии потока звук движется быстрее, если движется в том же направлении, и медленнее, если движется против него.

Ещё один тип ультразвукового расходомера применяет принцип взаимной корреляции между парами датчиков вверх и вниз по потоку для вычисления расхода. Некоторые расходомеры этой конструкции используют микропроцессоры для автоматического переключения между «чистым» и «грязным» режимами на основе коэффициентов корреляции. Одиночный гибридный расходомер с взаимной корреляцией может, например, контролировать поток активированного или сброженного ила. Тщательно спроектированные приложения с использованием таких расходомеров показали установленную точность в пределах 0,5% от показаний.

Выбор правильного ультразвукового расходомера

Ультразвуковые расходомеры также идеально подходят для применений, где требуется низкий перепад давления и требуется минимальное обслуживание. Ультразвуковой доплеровский расходомер — это расходомер для измерений объёмного расхода, который идеально подходит для аэрированных жидкостей, таких как сточные воды или шламы. Ультразвуковые расходомеры времени прохождения идеально подходят для чистых жидких применений, таких как вода и масло.

Существует три основных типа ультразвуковых расходомеров. Такие факторы, как тип выходного сигнала (аналоговый или цифровой), размер трубы, минимальная и максимальная температура процесса, давление и скорость потока, могут повлиять на то, какой ультразвуковой расходомер подойдет для вашего применения.

Варианты технологии измерений ультразвуком

Ультразвуковые расходомеры Clamp-on (зажимного типа) выпускаются в версиях с одним или двумя датчиками. В версии с одним датчиком передающий и принимающий кристаллы залиты в один и тот же корпус датчика, который крепится к одной точке поверхности трубы. 

Для ультразвукового соединения датчика с трубой используется связующий компаунд. В версии с двумя датчиками передающий кристалл находится в одном корпусе датчика, а принимающий кристалл — в другом. Доплеровские расходомеры Clamp-on подвержены помехам от самой стенки трубы, а также от любого воздушного пространства между датчиком и стенкой. Если стенка трубы изготовлена из нержавеющей стали, она может проводить передаваемый сигнал достаточно далеко, так что возвращающееся эхо будет смещено достаточно, чтобы помешать показаниям. В медных, бетонных, пластиковых и армированных стекловолокном трубах также имеются встроенные акустические неоднородности. Они достаточно значительны, чтобы либо полностью рассеять передаваемый сигнал, либо ослабить обратный сигнал. Это значительно снижает точность расходомера (даже до ±20%), и в большинстве случаев накладные расходомеры вообще не будут работать, если труба имеет футеровку.

Как установить ультразвуковой расходомер

Как доплеровские, так и транзитные расходомеры предназначены для крепления на внешней стороне трубы без разрыва линии или прерывания потока. Это также устраняет потери давления и предотвращает утечки, которые являются обычным явлением для встроенных расходомеров.

Точность ультразвукового расходомера зависит от правильного монтажа. Большие перепады температуры в трубе или значительная вибрация могут повлиять на выравнивание преобразователей и акустическую связь с трубой. В большинстве случаев ультразвуковые расходомеры вообще не будут работать, если труба облицована такими материалами, как медь, бетон, пластик или стекловолокно. Эти факторы необходимо учитывать при установке. Кроме того, для обеспечения точного объемного расхода все ультразвуковые расходомеры требуют заполненных труб.

Применение ультразвука промышленности. Выводы

Ультразвуковые расходомеры широко используются в различных промышленных приложениях – и идеально подходят для многих приложений, поскольку они измеряют поток с помощью звука и являются не инвазивными. Ультразвуковые расходомеры в основном используются в нефтяной и газовой промышленности. Они также используются в химической, фармацевтической, пищевой, металлургической, горнодобывающей, целлюлозно-бумажной и очистных сооружениях.

Более подробно вся изложенная выше информация присутствует на карточках товаров: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/rashodomery-ultrazvukovye  , а также в переведённой на русский язык Инструкции по Эксплуатации.

Технологам необходимо точно знать что они собираются измерять, главное: тип среды измерений (однородная, неоднородная, перепады давления, наличие микрочастиц), материал трубы и место установки как расходомера вообще, так и преобразователей. 

Магазин Gtest® - авторизованный поставщик расходомеров в Украину: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/rashodomery-ultrazvukovye