Классификация ультразвуковых расходомеров
Ультразвуковыми расходомерами называют расходомеры, принцип действия которых заключается в измерении какого-либо физического эффекта (в зависимости от расхода), создающего при прохождении акустических колебаний сквозь поток жидкости или газа. Большинство акустических расходомеров работают в ультразвуковом диапазоне частот.
Рис. 1.1 Классификация ультразвуковых расходомеров
1) Фазовые ультразвуковые расходомеры —
2) Частотные ультразвуковые расходомеры
ультразвуковые расходомеры
Рис. 1.2 Схема одноканального частотного расходомера
На рис. 1.2 приведена схема, в которой измеряется разность частот двух управляемых генераторов, периоды которых с помощью автоматической подстройки частоты устанавливаются в к раз меньшими времени распространения ультразвуковых колебаний в направлении скорости потока и против нее.
Время-импульсные ультразвуковые расходомеры -, Допплеровские ультразвуковые расходомеры
Рис. 1.3 Схема доплеровского преобразователя
Устройство преобразователя и измерительной схемы ультразвукового расходомера, равно как и характер его работы, сильно зависят от того, производится ли излучение ультразвуковых колебаний по потоку и против него по одному или по двум разным электроакустическим каналам. В связи с этим ультразвуковые расходомеры разделяются на:
- однолучевые или одноканальные;
- двухлучевые или двухканальные.
В первом случае преобразователи несколько проще, но измерительные схемы, как правило, сложнее, так как возникает необходимость в запоминающем устройстве и в переключении пьезоэлементов с излучения на прием. С другой стороны, в двухлучевых приборах будут возникать погрешности, если в обоих электроакустических каналах будут наблюдаться неодинаковые температуры или различный состав среды. Фазовые расходомеры бывают как однолучевые, так и двухлучевые; частотные и импульсные расходомеры, как правило, изготовляются двухлучевыми.
2. Состав УЗ расходомера
В состав ультразвукового расходомера в зависимости от исполнения и количества каналов (трубопроводов) входят:
а) Для однолучевых ультразвуковых расходомеров:
- до четырех ультразвуковых преобразователя расхода (УПР) с установленными пьезоэлектрическими датчиками (ПЭП) из титана;
- электронный блок прибора(ЭБ);
- соединительный кабель для датчиков РК-50.
Рис.2.1 Одноканальный ультразвуковой расходомер
Ультразвуковые уровнемеры
... обеспечивают значительно большую (на 1--2 порядка) частоту ультразвуковых колебаний. 3. Применение ультразвуковых датчиков В ультразвуковых уровнемерах и дефектоскопах используется свойство ультразвука отражаться от границы двух ... и приемник под резервуаром, а не сверху (рис. 13.5). В ультразвуковом расходомере используется эффект сложения скорости распространения ультразвука в упругой среде со ...
б) Для двухлучевых ультразвуковых расходомеров:
- до двух УПР с установленными ПЭП;
- ЭБ;
- кабель РК-50.
Рис. 2.2 Одноканальный двухлучевой ультразвуковой расходомер
в) Для четырехлучевых ультразвуковых расходомеров:
- один УПР с установленными ПЭП;
- ЭБ прибора;
- кабель РК-50.
Рис. 2.3 Одноканальный четырехлучевой ультразвуковой расходомер
г) Для врезных ультразвуковых расходомеров:
- до четырех пар ПЭП с комплектом монтажных частей;
- ЭБ прибора;
- кабель РК-50.
Рис .2.4 Врезной ультразвуковой расходомер
3. Конструкция УЗ преобразователя, Ультразвуковые расходомеры
Конструкция электромагнитной системы зависит от используемого вида поля. Равномерное магнитное поле создается при помощи 2 обмоток, расположенных диаметрально противоположно вверху и внизу трубы, через которые пропускается электрический ток. Также возможно применение цилиндрической обмотки с ленточным магнитопроводом. Применение неравномерного магнитного поля повышает технические характеристики преобразователя.
Наибольший интерес представляют электромагнитные системы для создания неравномерного магнитного поля, у которого , где — индукция, а — весовая функция, определяющая вклад различных точек жидкости в суммарную ЭДС, тогда . Создание магнитного поля, точно удовлетворяющего условию , невозможно. Однако, достаточно простого приближения к нему.
Конфигурация магнитного поля, приближенно удовлетворяющая этому условию: вблизи электродов индукция минимальна, затем она резко возрастает. По мере приближения к центру трубы темп нарастания индукции замедляется.
Для создания такого магнитного поля применяются электромагнитные системы, обмотки которых вблизи электродов имеют минимальную толщину, которая увеличивается при удалении от электродов, а при приближении к центру трубы снова уменьшается. Снаружи обмотки покрываются ленточным магнитопроводом.
Применение неравномерного магнитного поля с обладает следующими достоинствами: не требуется прямых участков перед и после преобразователя, отсутствует влияние формы и неравномерности потока на выходной сигнал, возможно сокращение длины преобразователя до , где — диаметр трубы.
4. Достоинства и недостатки электромагнитных расходомеров
Основным требованием к электромагнитным расходомерам, является линейная зависимость выходного сигнала (индуцированной разности потенциалов) от средней скорости или объемного расхода жидкости.
Коэффициент пропорциональности между сигналом и объемным расходом жидкости при выбранной схеме и заданных размерах расходомера зависят только от напряженности приложенного магнитного поля. Этот коэффициент, по крайней мере, при непроводящих стенках трубы, не зависит ни от каких свойств жидкости. Поэтому тарировочная кривая, полученная для одной среды, может, без сомнения, быть использовала и для других сред.
Другое важное преимущество электромагнитных расходомеров состоит в том, что принцип их работы и регистрация сигнала являются электрическими. Их можно без дополнительных преобразователей подсоединить к электрическим системам, предназначенным для измерений и автоматического регулирования. По этой же причине электромагнитные расходомеры применимы для дистанционной регистрации сигнала (хотя в случае плохой проводимости жидкости длина проводников, соединяющих расходомер с измерительным устройством, должна быть ограничена).
Аппараты для воздействия на водонефтяные эмульсии магнитным полем
... ШГНУ, пробоев электрической части УЭЦН вследствие перегрузок погружного электродвигателя. Рост давления жидкости в системах сбора нефти и газа влечет за собой порывы коллекторов. Затрудняются сепарация газа ... насосных установок и присутствие газовой фазы, осуществляющей массоперенос в жидкостях. В табл. 2 представлены некоторые свойства нефти и эмульсии ряда месторождений в зависимости от способа ...
Большинство электромагнитных расходомеров имеет каналы, обеспечивающие беспрепятственное течение жидкости. Беспрепятственное течение жидкости особенно благоприятствует измерению расхода таких сред, как кровь или неустойчивые химические соединения (когда дополнительное воздействие на жидкость или на окружающие ее стенки может вызвать нежелательные изменения самой жидкости), или сред, содержащих крупные твердые частицы, которые могут закупорить ротаметры или мерные шайбы.
Электромагнитные расходомеры можно успешно использовать применительно к различным суспензиям и взвесям — от сточных вод до крови. В расходомерах круглого сечения с поперечным магнитным полем концентрическое отложение твердой фазы на стенках не оказывает влияния на показания прибора, если только твердое вещество и жидкость имеют одинаковую электропроводность.
Использование электромагнитных расходомеров наиболее оправдано, когда при обращении с рабочий жидкостью следует соблюдать особые меры предосторожности. Они необходимы, если надо предотвратить загрязнение жидкости (крови, лекарственных и питательных веществ) или требуется герметизация жидкости из-за ее токсичности, химической активности, воспламеняемости, коррозионных свойств (в случае радиоактивных растворов, жидких охладителей для ядерных реакторов, окислителей в ракетах) или если рабочая среда имеет высокую температуру. Электромагнитные расходомеры были использованы для измерения расхода жидкостей с температурой примерно до 80є С. При этом единственная предосторожность состояла в том, чтобы магнит был достаточно холодным, и тем самым напряженность магнитного поля поддерживалась па известном уровне. При необходимости поле может создаваться обмотками возбуждения без сердечника.
В некоторых случаях электромагнитные расходомеры вообще оказываются вне конкуренции. Вероятно, наиболее яркий пример их использования — измерение мгновенных скоростей крови во внутренних артериях животных без нарушения их жизнедеятельности.
Помимо высокой стоимости, недостатком широко используемых на практике электромагнитных расходомеров является невозможность точного предварительного определения тарировочной кривой. Поэтому возникает необходимость в эмпирической тарировке, которую, впрочем, легко провести, так как тарировочная кривая линейна и не зависит от рода жидкости (если стенки трубы непроводящие).
Невозможность предварительного определения тарировочной кривой объясняется тем, что в целях удешевления большинство расходомеров имеет магниты с малой протяженностью полюсов в направлении движения, и это приводит к сильному концевому эффекту. Величину концевого эффекта легко рассчитать, но нельзя точно предсказать заранее. Если бы удалось стандартизовать конструкции расходомеров, то соответствующие тарировочные кривые имели бы общий характер, и необходимость эмпирической тарировки для каждого нового прибора была бы исключена. Электромагнитные расходомеры имеют и другие недостатки. Как правило, они не могут использоваться, если стенки трубы изготовлены из мягкой стали или других ферромагнитных материалов, экранирующих жидкость от поля. В этом случае в стальной трубопровод должна быть вставлена секция из немагнитного материала. Если в потоке имеются примеси, содержащие железо, то возможно их накопление о области магнитного поля, что постепенно приводит к частичному или полному блокированию расходомера. Электромагнитные расходомеры не могут применяться для измерения расхода неионизированных газов.
Средства измерения расхода и количества вещества
... измеряемой среды и создать электромагнитные расходомеры для измерения расхода любых жидкостей, в том числе нефтепродуктов. Существенным и основным недостатком индукционных электромагнитных расходомеров с постоянным электромагнитом, ограничивающим их применение для измерения расхода квазистационарных потоков, является поляризация ...
5. Принцип работы электромагнитного расходомера
Принцип работы электромагнитного расходомера основан на взаимодействии движущейся жидкости с электромагнитным полем. Это взаимодействие подчиняется закону электромагнитной индукции, согласно которому в жидкости, пересекающей магнитное поле, индуктируется ЭДС, пропорциональная скорости движения жидкости. Измерение скорости течения и расхода осуществляется за счет регистрации ЭДС индукции путем измерения разности потенциалов 2 металлических электродов, введенных в жидкость.
Рассмотрим перемещение за время отрезка проводника длиной в магнитном поле с индукцией со скоростью , при этом в нем индуцируется ЭДС :
Если скорость перпендикулярна проводнику, а индукция перпендикулярна плоскости, образованной векторами и , то .
Уравнение справедливо для случая, когда магнитное поле равномерно, жидкость однородна по своим электрическим свойствам, а электропроводность внутренней изоляции во много раз ниже электропроводности жидкости.
При неравномерности магнитного поля (вследствие ограниченности геометрических размеров магнитного поля вдоль длины трубы) в формулу вводится поправочный коэффициент . Также вследствие ограниченности длины изоляции, неизолированные концы трубы оказывают шунтирующее воздействие, которое учитывается при помощи коэффициента . Коэффициент учитывает остальные эффекты. Обычно эти коэффициенты близки к 1 и в любом случае не нарушают пропорциональность между ЭДС и расходом. Нелинейность преобразования не превышает 0,25%. — коэффициент усиления измерительной схемы. Коэффициент преобразования равен .
С учетом этих коэффициентов формула примет вид: . Если все коэффициенты свести в один , тогда .
Реализация метода. Конструкция электромагнитного расходомера.
Магнитная индукция величиной порядка Тл создается 2 катушками, расположенными противоположно по обе стороны трубопровода (сверху и снизу), расход в котором измеряется. Трубопровод изготавливается из немагнитного материала, а внутренняя поверхность трубы покрывается изоляционным слоем, стойким к агрессивной транспортируемой среде. Два электрода, воспринимающие сигнал, располагаются на концах диаметра поперечного сечения изолированно от трубы, перпендикулярного силовым линиям магнитного поля. Катушки питаются переменным током промышленной частоты (50 Гц), чтобы избежать поляризации электродов. При движении жидкости по закону электромагнитной индукции в точках, лежащих на противоположных концах диаметра трубы, образуется разность потенциалов, которая регистрируется при помощи электродов. Сигнал генерируется в виде . Амплитуда сигнала , пропорциональная скорости течения, выделяется из общего сигнала посредством синхронного детектирования и составляет порядка нескольких мВ.
«Технические измерения и приборы» : «Расчет сужающего устройства» » Мы с АГНИ
... счетчиков газа, нефтепродуктов и других жидкостей. Среди разнообразных приборов, основанных на различных физических явлениях, чаще других применяют электромагнитные расходомеры для измерения расхода электропроводных жидкостей и ультразвуковые (разновидность акустических) для измерения жидкостей и частично газа. ...
6. Принцип действия
электромагнитных расходомеров
В расходомерах современных конструкций, в отличие от первых образцов, используется не постоянное магнитное поле, а переменное, что позволяет избегать поляризации электродов.
Современные датчики могут использоваться как в остром, так и в хроническом эксперименте; они пригодны для измерения кровотока в сосудах диаметром от 1 до 30 мм и более (Guyton, 1969).Отечественный электромагнитный одноканальный расходомер РКЭ-1 предназначен для измерения потока крови в аппаратах искусственного кровообращения и в невскрытых сосудах. Прилагаемые к нему датчики имеют диаметр канала от 2 до 26 мм. Прибор обеспечивает измерение расхода крови с помощью сосудистых датчиков от 10 мл/мин до 30 л/мин, а с помощью магистральных датчиков — от 1 мл/мин до 15 л/мин. Погрешность прибора составляет 2—7% от максимальной производительности датчика.
Вывод
Расходомер, Ультразвуковые расходомеры, Электромагнитные расходомеры
Электромагнитные расходомеры непригодны для измерения расхо-да газов, а также жидкостей с электропроводностью менее 10 -3 — 10-5 сим/м (10-5 — 10-7 Ом-1 *см-1 ), например, легких нефтепродуктов, спиртов и т. п. Применение разрабатываемых в настоящее время специ-альных автокомпенсирующих устройств позволит существенно снизить требования к электропроводности измеряемых сред и создать электро-магнитные расходомеры для измерения расхода любых жидкостей, в том числе и нефтепродуктов.
Литература
[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/referat/ultrazvukovyie-rashodomeryi/
1.Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. [Электронный ресурс]Изд. 3-е, перераб. И доп. Л.: Машиностроение (Ленинградское отделение), 1975. 776 с., ил. URL : .
2. Ультразвуковой жидкостный расходомер Daniel 3812. [Электронный ресурс] Лист технических данных. URL: .
3.Классификация УЗ расходомеров. [Электронный ресурс] URL: http://www.ultrasonic-time.ru/ultrasonic_klass.html .
4. Теория электромагнитного измерения расхода. М.: Мир, [Электронный ресурс] 1965. 268 с. URL: http://studopedia.ru/3_211264_elektromagnitnie-rashodomeri.html .
