Российский производитель и эксклюзивный представитель известных мировых брендов КИПиА
Российский производитель и эксклюзивный представитель известных мировых брендов КИПиА
Статьи по КИПиАРасходометрияСравнение допплеровского и времяпролетного ультразвукового расходомера
Ультразвуковые расходомеры – это бесконтактные устройства, использующие акустические колебания (ультразвуковые волны) для измерения расхода жидкостей. Существует два типа ультразвуковых расходомеров: допплеровские и время-импульсные. Оба типа монтируются на внешнюю поверхность трубы без нарушения ее целостности и остановки потока.
Хотя допплеровские и времяпролетные расходомеры работают на схожем принципе, их технологии существенно различаются. Для получения точных измерений критически важно правильно подобрать тип расходомера для конкретных условий применения.
Ультразвуковой доплеровский расходомер работает на основе принципа эффекта Доплера (или доплеровского смещения), который был зафиксирован австрийским физиком и математиком Кристианом Иоганном Доплером в 1842 году. Он заявил, что частоты звуковых волн, принимаемых наблюдателем, зависят от движения источника или наблюдателя по отношению к источнику звука. Ультразвуковой доплеровский расходомер использует преобразователь для излучения ультразвукового луча в поток, протекающий по трубе. Чтобы расходомер работал, в потоке должны присутствовать твердые частицы или пузырьки воздуха, которые отражают ультразвуковой луч. Движение частиц вызывает сдвиг частоты луча, который принимается вторым датчиком. Доплеровские расходомеры часто используются для измерения расхода таких жидкостей, как суспензии.
При расчете скорости потока расходомер определяет скорость разрывов, а не скорость жидкости. Скорость потока (V) может быть определена по следующей формуле:
V = (f0 – f1)Ct / 2f0cos(a)
Где Ct - скорость звука внутри преобразователя, f0 - частота передачи, f1 - частота отражения, a - угол наклона кристаллов излучателя и приемника по отношению к оси трубы. Поскольку Ct / 2f0cos(a) является константой (K), зависимость может быть упрощена до:
V = (f0 – f1)K
Таким образом, скорость потока V (фут/сек) прямо пропорциональна изменению частоты. Расход (Q в галлонах в минуту) в трубе с определенным внутренним диаметром (ID в дюймах) может быть получен следующим образом:
Q = 2.45V(ID)2 = 2.45[f0-f1)K](ID)2
Наличие акустических разрывов необходимо для правильной работы доплеровского расходомера. Общепринятое правило гласит, что для правильного отражения сигнала необходимо наличие минимум 80-100 мг/л твердых частиц с размером частиц +200 меш (+75 микрон). В случае с пузырьками желательно 100-200 мг/л с диаметром от +75 до +150 микрон. При изменении размера или концентрации частиц амплитуда отраженного сигнала будет меняться, внося погрешности.
Ультразвуковые расходомеры с временным методом измерения измеряют разницу во времени с момента передачи ультразвукового сигнала от первого преобразователя до его прохождения через трубу и приема вторым преобразователем. Сравниваются результаты измерений в верхнем и нижнем течении. Если потока нет, время прохождения сигнала будет одинаковым в обоих направлениях. При наличии потока звук движется быстрее, если движется в одном направлении, и медленнее, если движется против него. Поскольку ультразвуковой сигнал должен пройти по трубе, чтобы быть принятым датчиком, жидкость не может состоять из значительного количества твердых частиц или пузырьков, иначе высокочастотный звук будет ослаблен и слишком слаб для прохождения по трубе.
Когда поток равен нулю, время прохождения сигнала T1 до T2 равно времени прохождения сигнала от T2 до T1. При наличии потока скорость сигнала в направлении вниз по течению увеличивается, а в направлении вверх по течению уменьшается. Скорость потока (Vf) можно определить по следующему уравнению:
Vf = Kdt/TL
Где K - коэффициент калибровки для используемых единиц измерения объема и времени, dt - разница во времени между временем прохождения восходящего и нисходящего потоков, а TL - время прохождения нулевого потока.
Теоретически расходомеры с методом времени прохождения ультразвука могут быть очень точными (иногда заявляется погрешность ±0,1% от показаний). Однако погрешность этих измерений ограничивается как способностью электроники обработки сигнала определять время прохождения, так и степенью постоянства скорости звука (C). Скорость звука в жидкости зависит как от плотности, так и от температуры. Поэтому необходимо компенсировать и то, и другое. Кроме того, изменение скорости звука может изменить угол преломления ("a" на рис. 1B), что, в свою очередь, повлияет на расстояние, которое должен пройти сигнал. В крайних случаях сигнал может полностью пропустить расположенный ниже по течению приемник. Такой тип сбоя известен как "увод".
Доплеровские расходомеры не рекомендуются для работы с чистыми жидкостями. Расходомеры с измерением времени пролёта ультразвука, с другой стороны, часто используются для измерения расхода сырой нефти и простых фракций в нефтяной промышленности. Они также хорошо работают с вязкими жидкостями при условии, что число Рейнольдса при минимальном расходе либо меньше 4 000 (ламинарный поток), либо больше 10 000 (турбулентный поток). Серьезные нелинейности присутствуют в переходной области (рис. 2).
Ультразвуковые расходомеры времени пролёта являются стандартом для измерения криогенных жидкостей до -300°C, а также используются для измерения расхода расплавленных металлов. Часто сообщалось об измерениях жидкого аргона, жидкого азота, жидкого гелия и расплавленной серы.
В сырых сточных водах обычно слишком мало акустических разрывов для доплеровских расходомеров. Однако сырые сточные воды не всегда достаточно чисты для измерения времени прохождения. Другие области применения, связанные со сточными водами, могут быть не менее проблематичными.
Доплеровские расходомеры обычно хорошо работают при измерении активного ила, сбраживаемого ила и горных шламов. Однако суспензии, обладающие акустическим поглощением, такие как известковые или каолиновые суспензии, могут быть проблематичными.
