Ультразвуковий витратомір

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Принцип роботи ультразвукового сенсора

Ультразвуковий (акустичний) витратомір — витратомір, у якому для вимірювання швидкості потоку рідини або газу використовують ультразвук.

Конструктивні особливості[ред.ред. код]

Звукові коливання високої частоти (20 кГц і вище), що створюються електроакустичним вібратором (випромінювачем), проходять через середовище, що рухається трубопроводом, й реєструються приймачем, який розташований від випромінювача на відстані D.

Класифікація за принципом роботи[ред.ред. код]

Існують три основні методики визначення швидкості потоку, а на її основі і витрати рідини за допомогою ультразвуку:

  • часово-імпульсний спосіб (спосіб фазового зсуву), котрий здійснює вимірювання різниці фазових зсувів ультразвукових хвиль, що направляються за потоком й проти нього;,
  • детектування зміни частоти ультразвуку, викликаної рухомим середовищем (доплерівські витратоміри), котрий використовує вимірювання різниці частот повторення коротких імпульсів або пакетів ультразвукових коливань, що спрямовують одночасно за потоком й проти нього;
  • метод вимірювання часу поширення ультразвуку (зносу ультразвукового сигналу), який ґрунтується на вимірюванні різниці тривалості проходження коротких імпульсів, що направляються одночасно за потоком й проти нього.

Крім того, існує окремий метод визначення витрат, що базується на вимірюванні зміщення потоком ультразвукової хвилі, котра спрямовується перпендикулярно до напрямку руху середовища.

Часово-імпульсний метод[ред.ред. код]

Цей метод полягає у визначенні різниці фаз між переданим і прийнятим імпульсним сигналом. Вираз для різниці фаз можна вивести з рівняння

\Delta f = \frac {2 \pi f D V_c \cos \beta}{c^2}

де: с — швидкість звуку в середовищі;

V_c — швидкість потоку, усереднена вздовж шляху поширення ультразвуку;
f — частота ультразвукового сигналу;
D — шлях проходження ультразвукового сигналу.

Доплерівські витратоміри[ред.ред. код]

У доплерівських витратомірах використовується безперервне випромінювання ультразвукових хвиль. Як і у доплерівському радіоприймачі тут відбувається знаходження різниці частот випроміненого і прийнятого сигналів у частотному змішувачі з фільтром. Частота вихідного сигналу визначається виразом:

\Delta f = f_s - f_r \approx \ \pm \ \frac {2 f_s V}{c},

де: f_s, f_r — відповідно, частоти сигналу випромінювання і приймання.

З останнього виразу видно, що різниця частот є прямо пропорційною швидкості потоку. Очевидно, що розміри кристалів повинні бути набагато меншими поперечного перерізу труби, в якій вимірюється швидкість потоку. Тому виміряна швидкість є не середньою, а локальною швидкістю потоку. На практиці завжди слід калібрувати ультразвукові датчики в усьому температурному діапазоні для кожного конкретного середовища і також потрібно враховувати в'язкість рідини.

Метод вимірювання часу поширення ультразвуку[ред.ред. код]

Ефективна швидкість звуку в рухомому середовищі дорівнює швидкості звуку в цьому середовищі плюс швидкість середовища відносно джерела звуку. Таким чином, поширення звукової хвилі проти руху потоку середовища призведе до зменшення ефективної швидкості звуку, а вздовж потоку — до збільшення. Різниця між цими двома ефективними швидкостями звуку дорівнює подвоєній швидкості потоку середовища. Тому ультразвукові датчики для визначення швидкості потоку вимірюють швидкість звуку уздовж і проти течії.

Конструктивно два ультразвукових генератора, розташовані на двох протилежних кінцях труби, по якій тече потік рідкого середовища. В якості ультразвукових генераторів, як правило, використовуються п'єзоелектричні кристали. Кожен кристал може використовуватися або для створення ультра- звукових хвиль, або для їх прийому.

У випадку, якщо кристали розташовані на відстані D один від одного під кутом β до напрямку потоку. Також можливе розташування малих кристалів прямо всередині труби строго по напряму потоку (β = 0). Час поширення звуку між двома кристалами пов'язаний з середньою швидкістю потоку Vc наступним співвідношенням:

T = \frac{D}{c \pm \ V_c \cos \beta},

де: с — швидкість звуку в середовищі;

V_c — це швидкість потоку, усереднена вздовж шляху поширення ультразвуку.

Знак ± означає напрям поширення звуку. Визначивши різницю між швидкостями звуку вздовж і проти течії, можна записати:

\Delta T = \frac {2DV_c \cos \beta}{c^2 + V_c \cos^2 \theta} \approx \ \frac {2DV_c \cos \beta}{c^2}

З останнього виразу можна знайти швидкість руху потоку.

Основні переваги[ред.ред. код]

Широкому розповсюдженню акустичних витратомірів сприяє:

  • можливість їх застосування для вимірювання витрат забруднених і агресивних середовищ,
  • безінерційність вимірювання,
  • безконтактність вимірів,
  • відсутність рухомих частин в потоці,
  • відсутність втрат тиску в трубопроводах та ін.

Джерела[ред.ред. код]

  • Пістун Є. П., Лесовой Л. В. Нормування витратомірів змінного перепаду тиску. – Львів: Видавництво ЗАТ «Інститут енергоаудиту та обліку енергоносіїв», 2006. – 576 с. ISBN 966-553-541-2
  • А.К. Бабіченко, В.И. Тошинський та ін. Промислові засоби автоматизації. Ч.1. Вимірювальні пристої. - Х. ООО "Роми", 2001.