Принцип действия ультразвукового расходомера

Ультразвуковые методы и средства измерения скорости и расхода хорошо отвечают специфическим требованиям экспресс-обследований в инструментальном энергоаудите, поскольку он не требует «врезки» в трубопровод, остановки технологических процессов, перекрытия вентелей, снятия нагрузки и тп УЗ методы и средства являются так называемыми неинвазивными (т.е. не требующие вмешательства в ход процесса, внедрения внутрь и (или) нарушения целостности трубопровода). Датчики – накладные – легко устанавливаются на поверхности трубы и снимаются, поэтому вся подготовка к эксперименту занимает всего несколько минут.

Использование ультразвуковых расходомеров дает ряд серьезных преимуществ:

• Не возникает уменьшения (падения) давления в трубопроводе и отсутствует какое-либо влияние прибора на поток;
• Отсутствует возможная коррозия деталей собственно прибора;
• Отсутствуют движущиеся части (и как следствия - отсутствуют изнашиваемые детали, обеспечена высокая надежность, значительный срок службы приборов);
• Простота установки, переноса, замены прибора.

Кроме того, важными достоинствами ультразвукового расходомера являются широкие диапазоны измерения скорости и расхода, широкий диапазон возможных диаметров трубопроводов, достаточно высокая точность, хорошие эксплуатационные характеристики. 

В современных ультразвуковых расходомерах применяются два метода, основанные на двух различных принципах измерения скорости потока.

• Измерение разницы времен задержки распространения УЗ сигнала (Transit Time Technology) в движущейся среде[Portaflow 330, Portaflow 220, Ultraflo U3000];
• Измерение изменения частоты УЗ сигнала, отраженного от движущихся частиц, основанное на эффекте Доплера (Doppler Effect Technology) [Portaflow D550, Ultraflo D5000]. 

В первом методе измеряется интервал времени задержки распространения ультразвукового сигнала в движущейся среде. Эта задержка зависит от направления и скорости движения среды (потока).

На трубу устанавливают два датчика – приемника (поочередно выступающих в роли излучателя и приемника сигнала). Сигнал (частота которого обычно 0,1 – 1 МГц), излучаемый левым датчиком и проходящий сквозь среду в направлении движения потока  (по потоку), достигает приемного (правого) датчика через меньшее время задержки, чем сигнал, идущий от правого датчика – навстречу потоку (против потока), который доходит до приемника через большее время задержки.

Измерив разницу этих интервалов времени задержки прохождения сигналов, можно оценить скорость движения среды и затем, зная внутреннее сечение трубопровода, вычислить расход.

Электронная начинка аппаратуры в этом методе, естественно, должна быть достаточно быстродействующей, т.к. необходима высокая разрешающая способность при измерении малых интервалов времени – единицы наносекунд. Расход рассчитывается как произведение скорости на внутреннее сечение трубопровода в месте установки датчика.

Датчики могут располагаться как на одной стороне трубопровода (режим отражения от противоположной стенки – ReflexMode), так и на противоположных сторонах (диагональный режим – Diagonal Mode) при больших диаметрах труб.

Метод измерения времени задержки хорош для чистых жидкостей, без примесей, т.е. гомогенных (однородных).

Второй метод основан на известном в физике эффекте Допплера  (Doppler Effect) – эффекте изменения частоты сигнала, отраженного от движущегося объекта. Эффект был открыт в 1843 г. Кристианом Доплером (Christian Doppler) и заключается в изменении частоты колебаний (звуковых, ультразвуковых, электромагнитных, в частности – световых) в зависимости от скорости движения источника колебаний. Этот принцип лег в основу ультразвуковых измерителей скорости движения и расхода различных жидких сред. Сегодня широко применяются цифровые доплеровские УЗ измерители расхода (Digital Doppler Ultrasonic Flowmeter).

Сигнал известной частоты распространяется в жидкой среде, отражается от движущихся в потоке твердых частиц, пузырьков воздуха, локальных различий в плотностях среды и т.п. Отраженный от движущихся частиц УЗ сигнал, с помощью быстрого преобразования Фурье – БПФ (Fast Fourier Transform – FFT) трансформируется из временной области в частотную. Поскольку спектр отраженного сигнала достаточно широк, то находится усредненная частота. Далее вычисляется разница частоты исходного сигнала (сигнала передатчика) и полученной усредненной частоты отраженных сигналов. Эта разница частот в дальнейшем используется для определения скорости движения потока и, затем, для вычисления расхода.

Чистая вода требует более сложной организации генерации исходных сигналов и более изощренных методов цифровой обработки принятых сигналов. В этом методе, чем «грязнее» жидкая среда, тем лучше, т.к. при этом полоса частот информативного (полезного) отраженного воспринимаемого сигнала становится уже, что обеспечивает более высокую точность измерения скорости.