Расходомер ультразвуковой: обзор, принцип действия и виды
Ультразвуковые расходомеры - перспективное направление измерительной техники. Давайте разберемся в их устройстве, принципах действия и особенностях.
Общие сведения об ультразвуковых расходомерах
Ультразвуковой расходомер - это прибор, который используется для определения скорости потока и расхода жидкостей и газов по трубопроводу. Принцип действия таких расходомеров основан на измерении разницы времени прохождения ультразвуковых импульсов по направлению потока и против него.
К основным преимуществам ультразвуковых расходомеров относятся:
- Высокая точность измерений
- Широкий диапазон измеряемых расходов
- Простота монтажа и эксплуатации
- Отсутствие дополнительных энергозатрат на преодоление гидравлического сопротивления
К недостаткам можно отнести высокую чувствительность к наличию взвесей и посторонних частиц в рабочей жидкости.
Расходомер счетчик ультразвуковой имеет достаточно простое устройство, в котором отсутствуют какие-либо подвижные механические части и элементы среза потока.
Устройство ультразвуковых расходомеров
Основными конструктивными элементами ультразвукового расходомера являются:
- Пьезоэлектрические преобразователи
- Электронный блок обработки и индикации
- Корпус с фитингами для монтажа на трубопроводе
В качестве чувствительных элементов в таких расходомерах используются пьезоэлектрические преобразователи, изготовленные из пьезокерамики на основе цирконата-титаната свинца или ниобата лития. Они выполняют функцию как излучателя, так и приемника ультразвуковых колебаний.
Ультразвуковой расходомер газа также может комплектоваться направляющими насадками на пьезоэлементы для фокусировки ультразвукового пучка в газообразной среде.
Электронный блок расходомера включает в себя генератор зондирующих импульсов, измеритель временных интервалов, микропроцессор для вычисления текущих значений объемного расхода и накопления данных об объеме.
Для проточной части расходомера чаще всего используется нержавеющая сталь, реже - титановые или фторопластовые сплавы. Фитинги для присоединения к трубопроводу могут иметь фланцевое, муфтовое, резьбовое и другие виды соединений.
Методики измерения расхода
Портативный ультразвуковой расходомер использует один из трех основных методов определения скорости потока, основанных на распространении ультразвуковых волн:
- Метод времени прохождения по направлению и против потока
- Доплеровский метод по частотному сдвигу отраженного сигнала
- Метод разности фаз сигналов на приемниках
Первый метод является наиболее распространенным. При этом ультразвуковой импульс, посылаемый по направлению потока, движется быстрее, чем против потока. По разнице времен рассчитывается скорость.
Доплеровский метод основан на явлении изменения частоты отраженной от движущихся частиц среды акустической волны. По величине этого сдвига определяют скорость потока.
При фазовом методе анализируют разность фаз ультразвуковых сигналов на двух приемниках, установленных по диагонали трубопровода на некотором расстоянии друг от друга.
Виды ультразвуковых расходомеров
По варианту конструктивного исполнения ультразвуковые расходомеры подразделяются на:
- Накладные - устанавливаются снаружи трубопровода
- Врезные - монтируются в трубопровод, контактируя с рабочей средой
По числу каналов измерения бывают одно-, двух-, трех- и многоканальными. Многоканальные приборы позволяют повысить точность измерений за счет усреднения показаний.
В зависимости от числа направлений контроля потока, различают одно-, двух- и многонаправленные расходомеры. Последние менее чувствительны к искажениям профиля скоростей потока по сечению трубы.
Другие разновидности ультразвуковых расходомеров: переносные, стационарные, для чистых и загрязненных жидкостей, взрывозащищенные, высокотемпературные и т.д.
| Модель | OPTISONIC 6300 | Prosonic Flow 93T |
| Производитель | Krohne | Endress+Hauser |
| Цена, у.е. | 1300 | 1650 |
В таблице приведено сравнение стоимости двух популярных моделей ультразвуковых расходомеров от ведущих производителей. Как видно, ультразвуковой расходомер цена находится в пределах 1000-2000 у.е. в зависимости от функционала и точностных характеристик.
Особенности выбора ультразвукового расходомера
При подборе ультразвукового расходомера необходимо учитывать ряд важных критериев.
Во-первых, это физические свойства рабочей среды - вязкость, плотность, наличие взвесей, коррозионная активность. От этого зависит тип проточной части и пьезоэлементов.
Во-вторых, correct подбирается диаметр условного прохода расходомера в соответствии с диаметром трубопровода. Превышение скорости потока выше рекомендуемых значений снижает точность.
В-третьих, рабочий диапазон расходов должен соответствовать требуемому. Завышенный диапазон приведет к потере чувствительности в нижней части.
Настройка и юстировка ультразвуковых расходомеров
Перед началом эксплуатации расходомера необходимо выполнить его настройку.
Сначала производят монтаж измерительного участка в трубопровод в соответствии с требованиями инструкции, используя прокладки, фланцы или резьбовые соединения.
Далее с помощью мультиметра или осциллографа настраивают оптимальный уровень сигнала. При необходимости регулируют положение датчиков.
После этого вводят характеристики трубопровода и рабочей среды, выбирают единицы измерения расхода. Затем проводят калибровку и юстировку счетчика.
Эксплуатация ультразвуковых расходомеров
При эксплуатации ультразвуковых расходомеров необходимо соблюдать следующие правила:
- Периодически очищать от загрязнений поверхность проточной части
- Следить за состоянием кабельных линий связи
- Выполнять периодическую поверку (как правило, 1 раз в 1-2 года)
- При обнаружении отклонений производить юстировку прибора
Основные неполадки, которые могут возникнуть в процессе работы - это ухудшение сигнала из-за загрязнения датчиков, отказ электронных компонентов из-за скачков напряжения, разгерметизация корпуса.
Перспективы развития ультразвуковых расходомеров
Совершенствование ультразвуковых расходомеров идет по нескольким направлениям:
- Повышение точностных характеристик за счет улучшения электронных схем
- Увеличение функциональных возможностей
- Снижение стоимости благодаря применению новых материалов и технологий
Кроме того, появляются комбинированные многофункциональные расходомеры, интегрирующие в одном корпусе несколько методов измерений.
Все это в совокупности расширяет области использования ультразвуковых расходомеров и повышает их конкурентоспособность.
Особенности эксплуатации в зависимости от среды
Эксплуатация ультразвуковых расходомеров в разных средах имеет свои особенности.
Для газообразных сред необходимо использовать высокочувствительные преобразователи и направляющие насадки для лучшей фокусировки ультразвука. Также в газах сложнее создать интенсивные акустические колебания.
При контроле расхода агрессивных или грязных жидкостей применяют устойчивые к коррозии материалы типа титана, тантала, ниобия для изготовления проточной части.
Для вязких или застывающих жидкостей подбирают расходомеры с подогревом для предотвращения выпадения осадков на внутренней поверхности проточной части.
Совместное использование с другими приборами
Ультразвуковой расходомер часто работает в составе измерительных комплексов совместно с другими приборами.
В теплосчетчиках он комплектуется термопреобразователями сопротивления для одновременного измерения массового расхода и температуры теплоносителя, вычислителем для расчета тепловой энергии.
В расходомерах-регуляторах ультразвуковой преобразователь совмещают с исполнительным механизмом, который корректирует расход в соответствии с заданным значением.
При использовании в автоматизированных системах учета расходомер подключают к контроллеру, куда передают текущие и архивные данные о расходе и накопленном объеме.
Перспективные конструктивные решения
Перспективным направлением в развитии ультразвуковых расходомеров являются нестандартные конструктивные решения.
Например, для труб больших диаметров применяют многолучевые и кольцевые преобразователи, позволяющие более точно измерять профиль скоростей потока.
Для контроля агрессивных или токсичных сред используют емкостные преобразователи, у которых датчики разнесены и герметизированы.
Разрабатываются конструкции со встроенными в проточную часть датчиками давления и температуры для создания многофункциональных расходомеров.