7.5. Ультразвуковые расходомеры

Принципиальная схема ультразвукового расходомера приведена на рис. 69. Звуковые колебания высокой частоты (20 кГц и выше), созда-

ваемые электроакустическим вибратором (излучателем) И1, проходят через текущую по трубопроводу среду и регистрируются приемником

П1, отстоящим от излучателя на

вшам         расстояние L. Если v — скорость

Vпотока среды, а с — скорость


звука в данной среде, то про-

должительность
распространения

                                          звуковой волны по направлению

движения потока от излучателя Ш до приемника Ш

Рис. 69. Принципиальная схема ультразву-      j-j =       -^        _    (j 24)

кового расходомера               с + v

Продолжительность  же рас­пространения   звуковой   волны против   движения    потока   от    излучателя   И2   до   приемника П2

тг
= -£— .                         (7.25)

Не трудно убедиться, что на основании формул (7.24) и (7.25) разность т2
—Ti, измеряемая электронно-счетной схемой,

7.5. Ультразвуковые расходомеры7.5. Ультразвуковые расходомерыПриняв во внимание, что v2/c2 пренебрежимо мала по сравнению с единицей (например, для жидкостей, у которых с = 1000—1500 м/с, a v не превосходит 6—8 м/с, v2/c2
< 6 • 10~s), и выразив скорость потока через расход, получим уравнение измерений ультразвуковых расходо­меров

Ат^Ър-^-Q,                           (7.27)

где F — площадь сечения потока; <р — коэффициент, учитывающий рас­пределение скоростей по сечению потока.

Существуют различные способы и различные измерительные схемы для определения Дт:

1) измерение разности фазовых сдвигов ультразвуковых волн, на­
правляемых по потоку и против него;

2) измерение разности частот повторения коротких импульсов или
пакетов ультразвуковых колебаний, направляемых одновременно по по­
току и против него;

3) измерение разности длительности прохождения коротких импуль­
сов, направляемых одновременно по потоку и против него.

Кроме того, имеется самостоятельный метод определения расхода, основанный на измерении смещения потоком ультразвуковой волны, на­правляемой перпендикулярно к направлению движения среды.

Основные трудности практического использования ультразвуковых расходомеров связаны с тем, что, во-первых, скорость распространения звука зависит от физико-химических свойств измеряемой среды (ее температуры, давления, концентрации и т. п.) и, во-вторых, она несоиз­меримо больше скорости движения этой среды. Первое из отмеченных обстоятельств приводит к необходимости применения в ультразвуковых расходомерах специальных методов и средств компенсации влияний свойств среды, второй — к необходимости использования дифференци­альных схем измерений (для выделения „слабого" полезного сигнала). И то, и другое обусловливает большую сложность измерительной аппара­туры.

Кроме того, показания ультразвуковых расходомеров зависят от числа Рейнольдса. Это объясняется тем, что они измеряют не действитель­ную среднюю скорость потока, а среднюю скорость по линии ультразву­кового луча. Соотношение между этими скоростями является функцией числа Рейнольдса.

Несмотря на это, ультразвуковые расходомеры все более широко применяют в нефтехимической, пищевой и других отраслях промышлен­ности, при гидравлических исследованиях и испытаниях гидромашин. Достоинствами их являются:

возможность бесконтактного измерения любых сред, в том числе и неэлектропроводных;

достаточно высокая точность приборов при их индивидуальной гра­дуировке и использовании специальных средств автокомпенсации наибо­лее существенных помех (известны ультразвуковые расходомеры, ос­новная погрешность которых не превышает 0,3 % верхнего предела изме­рений) ;

высокая надежность чувствительных элементов (излучателей и при­емников ультразвуковых колебаний), представляющих собой круглые пластинки кварца или титаната бария, устанавливаемые снаружи трубо­провода или защищенные от непосредственного контакта с измеряемой средой металлическим (пластмассовым) звукопроводом;

высокое быстродействие, позволяющее измерять пульсирующие рас­ходы с частотой пульсаций до 10 000 Гц.

Чувствительность ультразвуковых расходомеров зависит от отноше­ния v]c. Чем больше зто отношение, тем больше чувствительность прибо­ра и тем меньше погрешности измерений. Из сказанного следует, что дан­ные приборы более пригодны для измерения расхода газов, чем жидкос­тей, так как значение v/c у газов значительно больше. Однако в настоя­щее время ультразвуковые расходомеры преимущественно применяются для измерения расхода жидкостей. Это объясняется тем, что акустичес­кое сопротивление (рс) газов мало. Поэтому ультразвуковым колебани­ям в газе трудно сообщить энергию, необходимую для переноса волны от излучателя до приемника, поскольку количество энергии, отбираемой средой от излучателя, пропорционально акустическому сопротивлению среды.

Кроме того, коэффициент поглощения звука для газов значительно больше, чем для жидкостей.

Обратите внимание:

Добавить комментарий