Принцип работы ультразвукового расходомера воды и иных сред измерений

Большинство ультразвуковых расходомеров работают по методу времени прохождения. Возможно, вы слышали об эффекте Доплера при измерении расхода, но в мире расходомеров время прохождения — это основной метод.

«Время прохождения» означает: ультразвуковые расходомеры используют ультразвуковые датчики, установленные снаружи водопроводной трубы, для излучения звуковых волн и измерения скорости звуковых волн в воде (или иной среде). Измеряя разницу скоростей между восходящим и нисходящим потоками среды измерения, вычисляется скорость потока и, следовательно, расход.

Что внутри ультразвукового расходомера воды

Ультразвуковые преобразователи: Это основные компоненты ультразвукового счетчика воды, отвечающие за передачу и прием ультразвуковых сигналов для измерения расхода жидкости.

Преобразователи (датчики) накладные с фиксацией на магните (труба металлическая) или посредством специальных хомутов  (активировать гиперссылку)

Ультразвуковой накладной датчик предназначен для установки на трубы диаметром от 25 до 100 мм (в данном случае) выполнен с коррозиционно стойких материалов, имеет небольшой вес и удобен при монтаже. (активировать гиперссылку)

Микропроцессор/блок обработки сигналов: Этот блок обрабатывает данные, собранные датчиками, выполняя обработку сигналов, фильтрацию, аналого-цифровое преобразование и другие операции, преобразуя обработанные данные в читаемую информацию о расходе.

Измерительная трубка/канал: Эта трубка обеспечивает поток воды и используется для установки ультразвукового преобразователя, используемого для измерения скорости воды.

TUF2000B расходомер ультразвуковой, защита IP67 (активировать гиперссылку)

Дисплей: На нем отображаются показания счетчика, такие как расход и суммарный расход, доступные для просмотра пользователем.

Модуль связи: Это средство передачи данных между ультразвуковым счетчиком воды и внешними устройствами (например, главным компьютером или удаленным сервером), что обеспечивает удаленный мониторинг и управление данными.

Корпус: Защищает внутренние компоненты счетчика воды и, как правило, изготовлен из водонепроницаемых высококачественных материалов.

Блок питания: Этот блок обеспечивает электропитание ультразвукового счетчика воды.

Принцип работы ультразвукового расходомера воды и процесс расчета расхода

Как упоминалось в начале статьи, принцип работы ультразвуковых расходомеров основан на методе времени прохождения. Его основная идея заключается в расчёте расхода путём измерения разницы во времени между ультразвуковыми волнами, распространяющимися по потоку жидкости и против него. Ниже мы подробно объясним принцип работы ультразвуковых расходомеров и процесс расчёта расхода:

Это упрощённое изображение взято из интернета для справки.

Шаг 1: Передача и приём сигнала

Ультразвуковой расходомер воды содержит несколько ультразвуковых преобразователей (обычно две или более пар), расположенных до и после трубы. Эти преобразователи передают и принимают ультразвуковые сигналы. Один преобразователь излучает ультразвуковой сигнал, а другой его принимает.

Шаг 2: Распространение сигнала и измерение разницы во времени

Когда ультразвуковой сигнал распространяется в жидкости, скорость его распространения зависит от скорости потока. Ультразвуковые волны распространяются быстрее вниз по потоку (в том же направлении, что и поток жидкости), чем вверх по потоку (против потока жидкости). Следовательно, существует разница во времени распространения между потоком и потоком, которая называется разницей времени прохождения.

Шаг 3: Обработка данных и расчёт

Ультразвуковой расходомер воды измеряет разницу во времени распространения между потоками вниз и вниз по потоку и, в сочетании с геометрическими параметрами трубы (такими как диаметр трубы, расстояние между преобразователями и т. д.), рассчитывает скорость потока с помощью математической модели. Соотношение между скоростью потока и разницей во времени обычно выражается следующей формулой:

vm = L2cos⁡φ×(1ts−1tr)

Где:

vm = Средняя осевая скорость жидкости

L = Длина пути ультразвука

φ = Угол пути ультразвука

tr = Время распространения ультразвуковой волны в жидкости ниже по потоку (от A до B)

ts = Время распространения ультразвуковой волны в жидкости выше по потоку (от B до A)

Шаг 4: Расчет расхода

После определения скорости жидкости и площади поперечного сечения трубы A можно рассчитать мгновенный расход.

Рассчёт площади трубы:

А=πD24

Где:

A = площадь поперечного сечения трубы

D = внутренний диаметр трубы

Расчёт расхода

Q=∫K×vm×S×dt

Где:

K = коэффициент распределения скорости

dt = интеграл по времени

S = площадь поперечного сечения участка трубы

Суммарный расход также можно получить путем интегрирования или накопления.

Принципы работы: ультразвуковые и механические счетчики воды

Различия в принципах работы ультразвуковых и механических водосчетчиков приводят к различиям в их рабочих характеристиках, в частности, в точности и потерях давления.

Механические водосчетчики работают на основе вращения механических подвижных частей (таких как рабочие колеса или шестерни), измеряя расход воды путем измерения объема или скорости жидкости. Движение механических частей делает их подверженными износу, засорению и другим помехам, что приводит к снижению точности. Кроме того, наличие подвижных частей и устройств, создающих сопротивление потоку, приводит к значительным потерям давления и повышенному энергопотреблению.

Ультразвуковые водосчетчики работают по принципу времени распространения ультразвука, передавая и принимая ультразвуковые сигналы для измерения скорости потока воды и, таким образом, расчета расхода. Основной принцип заключается в использовании разницы во времени распространения ультразвуковой волны по потоку и против него для расчета скорости потока и, следовательно, расхода. Ультразвуковые водо-счетчики не имеют подвижных частей, поэтому их точность остается стабильной в процессе эксплуатации и не снижается со временем. Они также обладают такими преимуществами, как отсутствие сопротивления потоку, минимальные потери давления и низкое энергопотребление. Кроме того, их низкий начальный расход и широкий диапазон делают их особенно эффективными при измерении малых расходов, снижая погрешности измерения.

Краткие сравнения:

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