Методы ультразвукового измерения расхода жидкостей

Аннотация

Рассмотрены и проанализированы наиболее распространенные методы ультразвукового измерения расхода напорных и безнапорных потоков

К измерительному оборудованию предъявляются требования высокой точности, простоты установки оборудования, техническое обслуживание его не должно быть дорогим, износ оборудования должен быть нулевым, а также использование должно приводить к высокой экономической эффективности.

Поставщик измерительного оборудования обязан дать экспертную оценку, обучить и проконсультировать покупателя. Поставщик несет ответственность за надежность работы оборудования, надежность доставки и дает гарантию.

В давние времена для обслуживания водопроводов и сооружений для отвода сточных вод инженерам требовался большой талант и опыт. Простейший способ определения расхода — это измерение уровня жидкости в канале с известным сечением. Расход Q является функцией Q/h, угла наклона α и коэффициента шероховатости k. Данный коэффициент определяется экспериментально, зависит от материала и срока его эксплуатации.

Прямое и косвенное измерение расхода

Прямое измерение расхода производится путем измерения Q с использованием градуированных сосудов. Измеряется время полного заполнения сосуда, объем которого известен, или объема воды, поступившего в сосуд в течение заданного времени.

Расход Q — это объем жидкости, протекающей через заданное сечение за единицу времени.

Косвенное измерение расхода. Современные электронные методы определения Q основаны на измерении υ_ср течения жидкости или уровня жидкости в зависимости от живого сечения потока.

Косвенное измерение потока, основанное на измерении уровня жидкости. Измерительные водосливы предназначены для понижения уровня жидкости при больших объемах. Расход слитой жидкости определяется по уровню. Расход в частично и полностью заполненных трубах со свободным стоком может определяться с использованием уровня жидкости по методу Маннинга-Стриклера. Для расчета расхода необходимо знать наклон и диаметр трубы, а также коэффициент шероховатости поверхности.

Измерение по Вентури — измерение расхода в каналах специальной формы. В суженной части такого канала при свободном стоке ламинарное течение жидкости переходит в «залповое». Уровень затопления и расход находятся в экспоненциальной зависимости, т.о., расход может быть определен путем измерения уровня жидкости.

Косвенное измерение потока, основанное на измерении υ_ср. Скорость течения жидкости в различных точках сечения разная. Поэтому для определения расхода Q используется υ_ср течения. Расход рассчитывается как произведение площади поперечного сечения Q и средней скорости течения жидкости.

Расход Q можно вычислить как произведение средней скорости течения и площади живого сечения потока. Для определения площади живого сечения необходимо знать форму и размеры сечения канала. Для частично заполненного канала также необходимо определение уровня жидкости. Также необходимо принимать во внимание наличие осадков и ила.

Профиль потока. При достаточно низкой υ возникает ламинарное течение. Это выражается в образовании в потоке отдельных слоев, которые движутся, скользя относительно друг друга, без перемешивания. Вследствие действия сил трения, υ=0 у стенок. Т.о., в полностью заполненных трубах максимальная скорость течения будет в центре трубы.

Неустановившийся поток представляет собой смесь ламинарного и турбулентного течений. Такое течение является неустойчивым, при таком течении невозможно выявить стабильный профиль потока. Поэтому построение профиля потока невозможно.

Увеличение скорости жидкости ведет к образованию турбулентных течений. При турбулентном течении наблюдается смешение различных слоев жидкости. Влияние шероховатости стенок канала незначительно, поэтому профиль потока имеет более равномерную форму.

Параметром, при помощи которого можно описать характер течения является безразмерная величина, называемая числом Рейнольдса. Для жидкостей критическое значение числа Re~2320. При больших значениях характер течения может переходить с ламинарного на турбулентное.

Метод Допплера (непрерывного излучения). Датчик измеряет скорости движения частиц, пространственное распределение которых невозможно. Преобразование в V_ср затруднено.

При использовании этого метода измерения в жидкость под определенным углом и с определенной частотой посылается пучок ультразвуковых волн. В поле действия ультразвуковых волн попадают частицы и пузырьки, движущиеся со скоростью v_p. Длина волны λ передаваемой ультразвуковой волны с частотой f_1: λ₁= с/f₁. На частицу, движущуюся по направлению к датчику вследствие ее движения со скоростью v_p воздействуют ультразвуковые колебания с длиной волны: l_p = (c-v_p•cos α) / f₁. Приемник фиксирует отраженные ультразвуковые колебания, частота которых еще больше изменилась вследствие того, что отражающая частица переместилась по направлению к датчику, в результате длина волны будет равна: l₂ = (c-2•v_p•cos α) / f₁. Т.о., разница частот прямо пропорциональна скорости движения частиц.

В связи с тем, что на разных участках профиля потока скорость течения различна, а также вследствие того, что присутствует множество отражающих частиц с различной скоростью движения, результатом измерений будет спектр частот. Этот спектр необходимо проанализировать, чтобы определить характеристическую скорость. По этой скорости можно определить среднюю скорость живого сечения. Преимущества: простота установки, возможность использования подводных или накладных датчиков, глубина проникновения, неразрушающий метод измерения, при использовании накладных датчиков нет проблем с материалами. Недостатки: обязательно наличие пузырьков газа или твердых включений, невозможно пространственное распределение результатов измерения скорости, невысокая точность. Калибровка методом сличения.

Метод измерения с использованием корреляции — один из сложных, эффективных методов измерения скорости потока. Обязательным условием для применения метода является наличие в жидкости отражающих частиц (инородных). После передачи ультразвукового импульса и приема отраженного сигнала данные сохраняются в виде картинки. При корреляции 2-х сохраненных сигналов распознаются отдельные отражающие частицы. Т.к. отражающие частицы движутся вместе с жидкостью, изображение несет информацию об изменении их положения. По смещению частиц за определенный период времени можно определить υ течения жидкости, при этом необходимо учитывать угол наклона ультразвукового сигнала и временной интервал между двумя сигналами.

Ультразвуковой метод с использованием времени перехода основан на изменении скорости распространения звуковых колебаний в движущейся среде, в зависимости от скорости движения среды. Для излучения и приема ультразвуковых колебаний используется пьезоэлектрический эффект в небольших пластинах, которые генерируют и улавливают колебания. Механические колебания пластин возникают при подведении к ним переменного тока. В то же время, переменный ток с соответствующей частоты генерируется при воздействии ультразвуковых волн на пластины. Преимущества: неразрушающий метод измерения, низкая стоимость установки, простота модернизации, высокая точность, отсутствуют требования к минимальной электропроводности (возможно измерение в масляной среде), небольшие затраты при работе с трубами большого диаметра, низкое энергопотребление. Недостатки: предназначены для работы только с чистыми жидкостями, измерение с заданной траекторией, неверные результаты измерений или невозможность проведения измерений в частично заполненных трубах.