Принцип дії ультразвукового витратоміра
Ультразвукові методи і засоби вимірювання швидкості і витрати добре відповідають специфічним вимогам експрес-обстежень в інструментальному енергоаудит, оскільки він не вимагає «врізки» в трубопровід, зупинки технологічних процесів, перекриття вентилів, зняття навантаження і тп УЗ методи і засоби є так званими неінвазивними (т . Е. не потребують втручання в хід процесу, впровадження всередину і (або) порушення цілісності трубопроводу). Датчики - накладні - легко встановлюються на поверхні труби і знімаються, тому вся підготовка до експерименту займає всього кілька хвилин.
Використання ультразвукових витратомірів дає ряд серйозних переваг:
- Чи не виникає зменшення (падіння) тиску в трубопроводі і відсутній будь-який вплив приладу на потік;
- Відсутня можлива корозія деталей власне приладу;
- Відсутні рухомі частини (і як наслідку - відсутні деталі, що зношуються, забезпечена висока надійність, значний термін служби приладів);
- Простота установки, перенесення, заміни приладу.
Крім того, важливими достоїнствами ультразвукового витратоміра є широкі діапазони вимірювання швидкості і витрати, широкий діапазон можливих діаметрів трубопроводів, досить висока точність, хороші експлуатаційні характеристики.
В сучасних ультразвукових витратомірах застосовуються два методи, засновані на двох різних принципах вимірювання швидкості потоку.
- Вимірювання різниці часів затримки поширення УЗ сигналу (Transit Time Technology) в рухомому середовищі [Portaflow 330, Portaflow 220, Ultraflo U3000];
- Вимірювання зміни частоти УЗ сигналу, відбитого від рухомих частинок, засноване на ефекті Доплера (Doppler Effect Technolo g y) [Portaflow D550, Ultraflo D5000].
У першому методі вимірюється інтервал часу затримки поширення ультразвукового сигналу в рухомому середовищі. Ця затримка залежить від напрямку і швидкості руху середовища (потоку).
На трубу встановлюють два датчика - приймача (по черзі виступають в ролі випромінювача і приймача сигналу). Сигнал (частота якого зазвичай 0,1 - 1 МГц), що випромінюється лівим датчиком і проходить крізь середу в напрямку руху потоку (по потоку), досягає приймального (правого) датчика через менший час затримки, ніж сигнал, що йде від правого датчика - назустріч потоку (проти потоку), який доходить до приймача через більший час затримки.
Вимірявши різницю цих інтервалів часу затримки проходження сигналів, можна оцінити швидкість руху середовища і потім, знаючи внутрішній перетин трубопроводу, обчислити витрату.
Електронна начинка апаратури в цьому методі, природно, повинна бути досить швидкодіючої, тому що необхідна висока роздільна здатність при вимірюванні малих інтервалів часу - одиниці наносекунд. Витрата розраховується як добуток швидкості на внутрішній перетин трубопроводу в місці установки датчика.
Датчики можуть розташовуватися як на одній стороні трубопроводу (режим відображення від протилежної стінки - Reflex Mode), так і на протилежних сторонах (діагональний режим - Diagonal Mode) при великих діаметрах труб.
Метод вимірювання часу затримки хороший для чистих рідин, без домішок, тобто гомогенних (однорідних).
Другий метод заснований на відомому у фізиці ефект Доплера (Doppler Effect) - ефект зміни частоти сигналу, відбитого від рухомого об'єкту. Ефект був відкритий в 1843 р Крістіаном Доплера (C h ristian Doppler) і полягає в зміні частоти коливань (звукових, ультразвукових, електромагнітних, зокрема - світлових) в залежності від швидкості руху джерела коливань. Цей принцип ліг в основу ультразвукових вимірювачів швидкості руху і витрати різних рідких середовищ. Сьогодні широко застосовуються цифрові доплеровские УЗ вимірювачі витрати (Digital Doppler Ultrasonic Flowmeter).
Сигнал відомої частоти поширюється в рідкому середовищі, відбивається від рухомих в потоці твердих частинок, бульбашок повітря, локальних відмінностей в щільності середовища і т.п. Відбитий від рухомих частинок УЗ сигнал, за допомогою швидкого перетворення Фур'є - БПФ (Fast Fourier Transform - FFT) трансформується з тимчасової області в частотну. Оскільки спектр відбитого сигналу досить широкий, то знаходиться усереднена частота. Далі обчислюється різниця частоти вихідного сигналу (сигналу передавача) і отриманої усередненої частоти відбитих сигналів. Ця різниця частот в подальшому використовується для визначення швидкості руху потоку і, потім, для обчислення витрат.
Чиста вода вимагає більш складної організації генерації вихідних сигналів і більш витончених методів цифрової обробки прийнятих сигналів. У цьому методі, ніж «брудніше» рідке середовище, тим краще, тому що при цьому смуга частот інформативного (корисного) відбитого сприйманого сигналу стає вже, що забезпечує більш високу точність вимірювання швидкості.