Ультразвуковые расходомеры

В ряде случаев, в том числе при измерении расхода неэлектропроводящих сред, когда неприменимы индукционные расходомеры, а также при измерении сильно загрязненных и быстрокристаллизующихся сред применяют ультразвуковые расходомеры (f > 20 кГц). Они основаны на явлении смещения звуковых колебаний движущейся контролируемой средой.

По принципу действия ультразвуковые расходомеры подразделяются на фазовые и частотные. Первые основаны на измерении фазовых сдвигов двух колебаний, направленных по и против потока. Вторые – на измерении разности частот ультразвуковых колебаний.

В фазовых расходомерах при распространении ультразвуковых колебаний время их прохождения составляет

по направлению потока:

, (4.6.1)

где – расстояние, м;

– скорость звука, м/с;

– скорость потока, м/с;

против потока:

. (4.6.2)

Так как м/с, а м/с, то выражения (4.6.1) и (4.6.2) можно представить:

;

.

Тогда .

Рис. 4.6.1

На поверхности трубопровода устанавливают два пьезоэлемента 1 и 2. Генератор попеременно связан с одним из элементов. Так, при подаче синусоидальных колебаний на пьезоэлемент 1 они воспринимаются элементом 2, откуда колебания поступают в усилитель 4, преобразующий синусоидальные колебания в прямоугольные. Генератор 3 подключен ко второму усилителю 5, с которого также снимаются колебания прямоугольной формы. Сигналы с усилителей 4 и 5 поступают на фазометр 6.

Колебания, поступающие на пьезоэлемент 1 , а от элемента 2: , где – коэффициент затухания.

Здесь .

Сдвиг фаз .

При перемещении переключателя в другое положение сдвиг фаз:

.

Сдвиг фаз измеряется фазометром 6 и запоминается устройством 7. Разность измеряется устройством 8. Выходной сигнал, пропорциональный скорости движения жидкости, в трубопроводе

индицируется на приборе 9.

Из выражения видно, что чувствительность метода возрастает с повышением частоты. Обычно кГц.

Иногда пользуются двумя парами пьезоэлементов, которые устанавливаются по и против потока (рис. 4.6.2).

Ультразвуковой генератор подает колебания на источники И1 и И2, воспринимаемые приемниками П1 и П2. Сигналы поступают на фазовращательное устройство ФУ, а затем на электронный усилитель и показывающее устройство ПУ. В качестве источников колебаний могут использоваться кварцевые или магнитострикционные элементы.

Рис. 4.6.2

Принцип действия так называемых частотных расходомеров заключается в измерении разности частот и колебаний, направленных по направлению и против потока контролируемой жидкости.

Время распространения колебаний:

; .

Отсюда разность частот: .

На рис. 4.6.3 модулятор с двумя преобразователями и усилителем-преобразователем УП включены в схему периодического моделирования. Как только первые импульсы достигнут модуляторов, работающих в триггерном режиме, они запирают генератор.

Генератор отопрется только после того, как последние импульсы поступят на их вход. Далее процесс повторяется. Частота модулирования зависит от скорости движения жидкости и от направленности импульсов (по или против потока). Разность частот определяется пересчетной схемой (ПС) и регистрируется прибором (РП). Погрешность измерений ± 2 %.