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,
Приняв 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.
