Насегодняшний день для Украины большое значение имеет организация эффективного учета топливно-энергетических ресурсов и воды, что является одной из главных задач энергосбережения. Одними из наиболее распространенных приборов измерения расхода и количества жидкостей и газов являются расходомеры и счетчики с ультразвуковыми первичными преобразователями.

Ультразвуковые расходомеры (УЗР) имеют ряд важных преимуществ:

• позволяют измерять с высокой точностью в широком динамическом диапазоне;
• не создают потери напора за счет отсутствия элементов прибора в измерительном канале;
• не влияют на гидродинамику потока;
• обладают повышенной надежностью за счет отсутствия подвижных элементов;
• обеспечивают возможность измерения расхода нефтепродуктов, агрессивных, неэлектропроводных, непрозрачных и неоднородных жидкостей (суспензий, пульп), в том числе многокомпонентных сред;
• низкое энергопотребление;
• предоставляют возможность имитационной поверки без демонтажа первичного преобразователя;
• предоставляют возможность монтажа без остановки технологического процесса (для накладных приборов);
• сохраняют технико-эксплуатационных характеристики во времени.

Кроме того, УЗР обладают высоким быстродействием и стабильностью метрологических характеристик (за исключением трубопроводов с малыми диаметрами), а линейная зависимость исходного сигнала от расхода и электронный выход определяют удобство применения этих расходомеров в системах автоматического управления и регулирования [1-3].

Метод измерения ультразвуковыми расходомерами основывается на соотношении скоростей распространения акустических колебаний в неподвижной среде и самой среды. Многообразие параметров, которые зависят от скорости измеряемой среды, и предопределило большое количество способов измерения задержки прохождения сигнала от излучателя к приемнику и обратно. С дальнейшим развитием расходомеров данного типа преимущество предоставляется тем приборам, метрологические характеристики которых не зависят от условий эксплуатации — температуры, давления, концентрации примесей, и т.п. [4].

Ультразвуковые расходомеры можно классифицировать по: способу перемещения УЗ волны, положению УЗ луча относительно потока, способу размещения пьезопреобразователя, количеству измерительных каналов, направленности УЗ излучения. Общая классификация УЗР приведена на рис. 1 [1-3, 5].

В настоящее время известны три метода измерения расхода вещества с помощью ультразвука [6-11]:
1. Метод, основанный на разности времен распространения ультразвуковых волн, направленных за потоком и против него (рис. 2, а). Ультразвуковые колебания перемещаются подвижной средой. Поверхностью отражения для импульса зондирования является естественная внутренняя поверхность трубопровода или специальный экран непосредственно в измеряемой среде. При этом средняя скорость измеренной среды может определяться на основании эффекта сноса ультразвукового колебания подвижной средой и изменения времени прохождения луча как векторная разность скоростей ультразвуковых колебаний по направлению движения измерительной среды и против нее.

Измерительные схемы основаны на измерении разности времен, сдвига фаз, разности частот прохождения ультразвуковых сигналов, обусловленных скоростью потока [12, 13]:

1) Времяимпульсная — измеряется разность продолжительности прохождения коротких импульсов, которые направлены по потоку и против него (рис. 2, а) [14]:

где Q — расход;
B(Re, ρ, μ, t, P, ε, D) — функция, зависящая от параметров измеряемой среды и параметров трубопровода;
L — путь ультразвукового луча;
Re — число Рейнольдса измеряемой среды;
ρ— плотность измеряемой среды;
μ— вязкость измеряемой среды;
t — температура измеряемой среды;
P — давление измеряемой среды;
ε— шероховатость трубопровода;
D — диаметр трубопровода;
c — скорость ультразвука в измеряемой среде;
β— угол ввода ультразвукового луча относительно вертикали;

2) Фазовая — измеряется разность фазовых сдвигов УЗ колебаний, которые направлены по потоку и против него:

где ω— круговая скорость ультразвуковых колебаний;

3) Частотная — измеряется разность частот повторения коротких импульсов или пакетов УЗ колебаний, которые направлены по потоку и против него:


2. Метод, основанный на геометрическом сносе ультразвуковой волны (с лучом перпендикулярным к потоку), обусловленном движением потока вещества (рис. 2, б). Ультразвуковые волны излучаются в измеряемую среду по нормали к направлению движения потока. Два приемных пьезоэлемента устанавливаются рядом таким образом, что при недвижном измеряемом потоке интенсивности колебаний, принятых каждым пьезоэлементом, равны. При движении измеряемого потока ультразвуковые волны распространяются в направлении потока, при этом интенсивность ультразвуковых колебаний на приемных пьезоэлементах разная. Измеренная разность сигналов на приемных пьезоэлементах является мерой расхода потока вещества.

Метод применим для измерения в трубопроводах больших диаметров и при больших скоростях потоков. По своей сути данный метод отличается от описанного выше тем, что измеряется не время, а геометрический снос луча.

3. Метод, основанный на доплеровском сдвиге частоты ультразвукового сигнала, отраженного от частиц измеряемого потока (рис. 2, в). Передающий пьезоэлемент излучает гармонический ультразвуковой сигнал в измеряемую среду.

Приемный пьезоэлемент воспринимает отраженный от неоднородностей потока, имеющий доплеровский сдвиг частот сигнал. Мерой расхода является доплеровская разность частот излучаемого и отраженного сигналов:

где f1 — исходная частота ультразвуковых колебаний;
α1 — угол между вектором скорости частицы отражателя и направлением исходного луча;
α2 — угол между вектором скорости частицы отражателя и направлением отраженного луча.

Для высокоточных измерений расхода целесообразно применять метод, основанный на разности времен распространения ультразвуковых волн, направленных по потоку и против него.

Вследствие небольшой чувствительности, крутизны градуировочной характеристики невозможно получить высокую точность измерений методом геометрического сноса ультразвуковой волны.

Доплеровский метод наиболее широко применяется для измерения локальных скоростей, а в области измерения расхода имеет ограниченные возможности. УЗ расходомеры также разделяют по количеству каналов измерения так называемых лучей:

• одноканальные (однолучевые) — имеют два пьезоэлемента, каждый из которых поочередно выполняет функции излучения или приема (рис. 2, а);
• двухканальные (двулучевые) — имеют два излучателя и два приемника, которые создают два независимых акустических канала (рис. 3, а); эти каналы или расположены параллельно, или перекрещиваются;
• многоканальные (многолучевые) — имеют больше двух каналов и применяются для измерения расхода деформированных потоков с целью достижения повышенной точности (рис. 3, б) [15, 16].

По способам размещения электроакустических преобразователей УЗ расходомеры разделяют на приборы:

• со стационарными электроакустическими преобразователями (расходомеры без преломления), могут быть без карманов (рис. 4, а) и с карманами (рис. 2, а);
• с накладными электроакустическими преобразователями (расходомеры с преломлением), могут быть с металлическим звукопроводом (рис. 4, б) и с жидкостным звукопроводом (рис. 4, в).

Такое обилие и разнообразие конструкций и схем УЗР вызвано постоянным совершенствованием ультразвукового метода, как наиболее перспективного метода измерения расхода и количества вещества. Те или иные конструкции специально создавались для определенных условий. Так, например, накладные УЗР просто незаменимы в случаях, когда необходимо проводить учет энергоносителя без остановки технологического процесса. А многоканальные УЗР характеризуются высокой точностью измерения, но при этом имеют большую стоимость.

Однако имеется ряд проблем, которые требуют серьезного изучения, а именно: работа ультразвуковых преобразователей при наличии несимметричных профилей изменения скорости, а также работа при малых числах Рейнольдса Re; необходимость учета зависимости скорости распространения звука от физико-химических свойств различных измеряемых сред. Наличие этих факторов приводит к необходимости применения в ультразвуковых расходомерах специальных методов и средств компенсации, использованию дифференциальных схем измерения (для выделения «слабого» полезного сигнала).

С развитием современных информационных технологий, достаточно большим накоплением опыта эксплуатации ультразвуковых расходомеров становится возможным устранение приведенных проблем УЗР и стабилизация их метрологических характеристик, что значительно поднимет конкурентоспособность таких приборов.

Литература
1. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества: Справочник. — Л.: Машиностроение, 1989. — 701 с.
2. Лобачев П.В., Шевелев Ф.А. Измерение расхода жидкостей и газов в системах водоснабжения и канализации. — М.: Стройиздат, 1985. — 424 с.
3. Киясбейли А.Ш., Измайлов А.М., Гуревич В.М. Частотно-временные ультразвуковые расходомеры и счетчики. — М.: Машиностроение, 1984. — 128 с.
4. Коробко И.В., Гришанова И.А., Писарец А.В., Кузьменко П.К. Использование приборов коммерческого учёта на Украине // Энергосбережение (Москва). — 2005. — № 3 — С. 36-40.
5. Филатов В.И. Выбор типа преобразователя ультразвукового преобразователя // Управление процессами при разработке и эксплуатации нефтяных месторождений. — Казань, 1974. — С. 141-144.
6. Киясбейли А.Ш. Лифшиц Л.М. Первичные преобразователи систем измерения расхода и количества жидкостей. — М.: Энергия, 1978. — 704 с.
7. Филатов В.И. Создание и исследование ультразвукового расходомера: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. — Л., 1975. — 23 c.
8. Гуртовцев А.Л. Комплексная автоматизация учета и контроля электроэнергии и энергоносителей на промышленных предприятиях и их хозяйственных объектах // Промышленная энергетика. — 2002. — № 8. — С. 7-14.
9. Neil C. Temperley, Masud Behnia, Anthony F. Collings. Flow patterns in an ultrasonic liquid flow meter // Flow Measur. and Instrument. — 2000. — N 11. — Р 11-18.
10. Филатов В.И., Кремлевский П.П. Ультразвуковые расходомеры. Методы и приборы для измерения расхода и количеств жидкости, газа и пара. — Таллинн: Машиностроение, 1972. — C. 116-125.
11. Биргер Г.И., Бражников Н.И. Ультразвуковые расходомеры. — М.: Металлургия, 1964. — 382 с.
12. Табин Д. Ультразвуковой метод измерения скорости потока, основанный на оценке разности интервалов времени распространения звука в разных направлениях // Контрольно-измерит. Техника. — 1989. — № 9. — C. 12-16.
13. Бергман Л. Ультразвук. — М.: Изд-во иностр. лит., 1957. — 726 с.
14. Биргер Г.И. Элементы общей теории ультразвуковых расходомеров // Измерит. техника. — 1961. — № 4. — C. 42-48.
15. Jackson G.A., Gibson J.R., Holmes R. A three-path ultrasonic flowmeter with velocity profile identification // Meas. Sci. Tehn. — 1991. — N 7. — Р. 635-642.
16. Антонов Н.Н., Борисевич Е.А., Решетников В.А., Сафин А.Г. Многоканальный ультразвуковой расходомер // Измерит. техника. — 1979. — № 10. — C. 43-44.