Главная » Статьи » Расходомеры » Ультразвуковые счетчики/расходомеры для воды: виды, типы и принцип работы

Ультразвуковые счетчики/расходомеры для воды: виды, типы и принцип работы

Существующие сегодня ультразвуковые расходомеры жидкости используют несколько различных базовых методов измерения скорости потока: метод Доплера, время-импульсный и кросс-корреляционный. Все эти методы основаны на применении пьезокристаллических датчиков и пьезоэффекта.

Время-импульсный метод для измерения расхода воды

История создания и принцип действия ультразвуковых расходомеров

В 1880 г. Пьер и Жак Кюри открыли, что под действием силы на поверхности ряда материалов появляются электрические заряды. Данный эффект был назван прямым пьезоэффектом, а деформация материалов под воздействием электрического поля – обратным пьезоэффектом.

Обратный пьезоэффект

Данное открытие начало применяться на практике с 1917 г., когда французский математик и физик Поль Ланжевен изобрел ультразвуковой эхолокатор для обнаружения подводных объектов.

Ультразвуковой эхолокатор

В 1950 — 1960 годах японский физик Шигео Сатомуро, работавший в области медицины, впервые разработал и применил ультразвуковые приборы, основанные на методе Доплера, для мониторинга тока крови в теле человека. Вскоре после этого были разработаны и стали внедряться доплеровские ультразвуковые расходомеры для самых различных типов жидкости.

Заложенный в их основе принцип был открыт и опубликован известным австрийским математиком и физиком Кристианом Доплером в 1842 году. Из анализа волновой теории он сделал выводы, что если источник света или звука движется в направлении приемника, то это увеличивает частоту принимаемого сигнала, а если источник света или звука или ультразвука движется в направлении от приемника, то это уменьшает частоту принимаемого сигнала. Доплер теоретически обосновал зависимость частоты звуковых и световых колебаний, воспринимаемых наблюдателем, от скорости и направления движения источника волн и наблюдателя относительно друг друга.

Эффект Доплера

Однако приборам для измерения скорости течения жидкости, работающим на методе Доплера, необходимо наличие частиц или пузырьков воздуха в потоке жидкости и этот метод не подходит для чистой воды.

В результате в 1990-х годах был разработан и начал широко применяться время-импульсный метод, который обеспечивал высокоточные измерения в потоке однородной жидкости или газа, без существенных включений и разделений на фракции.

Но даже при работе в воде с достаточным количеством взвешенных частиц метод Доплера имеет существенный недостаток. Он не учитывал распределение скоростей движения жидкости по слоям потока, что приводит к существенным ошибкам при измерениях в больших трубах и каналах. Известно, например, что в открытых каналах скорость движения воды у дна существенно ниже, чем скорость ближе к поверхности, разница между этими скоростями зависит от шероховатости дна и стенок канала, наличия отложений и других факторов, которые учитываются в Доплеровских счетчиках за счет использования теоретических коэффициентов, т.е. учитываются весьма приблизительно.

Метод Доплера для измерения расхода воды и стоков

Для более точного определения поправочных коэффициентов была предложена калибровка приборов на каждом месте измерения. Однако вскоре выяснилось, что калибровочный коэффициент зависит от текущего уровня и скорости потока, что сделало требуемую систему калибровки весьма сложной и практически неприменимой. В результате и сегодня погрешность, которую дает Доплеровский расходомер, во многих случаях получается достаточно большой.

Новым существенным шагом в области развития ультразвуковых технологий измерения расхода стало создание в 2000 году метода кросс-корреляция, который позволяет определить скорость движения жидкости в разных слоях.

Метод также требует наличия частиц в потоке и основывается на математическом сопоставлении (корреляции) ультразвуковых фотографий потока, получаемых с высокой частотой. В результате данного сравнения определяется изменение положение частиц во всех слоях потока за известный промежуток времени и определяется средняя скорость без ввода каких-либо теоретических коэффициентов.

Метод кросс-корреляции для измерения расхода воды и стоков

В настоящее время принцип работы ультразвукового расходомера воды базируется на одном из указанных выше методов.

Устройство приборов

Ультразвуковой расходомер воды состоит из одного или нескольких датчиков скорости и вычислительного блока, соединенных специальным кабелем. Приборы для самотечных каналов дополнительно оснащаются уровнемерами, при этом могут использоваться уровнемеры различных типов: подводные гидростатические, подводные ультразвуковые, надводные ультразвуковые и надводные радарные.

Датчики скорости потока могут быть также различных типов:

 Трубный датчик — трубные, имеющие форму короткой трубки и предназначенные для врезки в стенку трубы; применяются, как правило, на напорных сетях, но могут использоваться и на самотечных, если монтаж удобнее производить с внешней стороны трубы;
 Клиновидный датчик — клиновидные датчики, устанавливаемые на дне или внутренней стенке; применяются, в основном, на самотечных трубах или каналах, но могут применяться и на напорных, если монтаж и обслуживание удобнее производить изнутри трубопровода;
 Датчик-полушария — датчики-полушария, применяемые в составе время-импульсных приборов для установки на наклонных стенках трапециевидных каналов;
 Штанговый датчик — штанговые, имеющие вид длинных трубок, применяемые в составе время-импульсных счетчиков для установки на стенках прямоугольных каналов;
 Бесконтактные накладные датчики — накладные бесконтактные, устанавливаемые на внешнюю поверхность трубопровода без непосредственного контакта с жидкостью потока.

Виды и типы ультразвуковых расходомеров воды и область их применения

Ультразвуковые счетчики воды применяются как для технологического так и для коммерческого учета.

Доплеровские приборы применяются при наличии достаточного количества взвешенных частиц в потоке при средних требованиях к точности и надежности показаний при типовых (несложных) гидравлических условиях в местах измерений. Могут иметь клиновидные, трубные либо накладные датчики.

 Принцип работы Доплеровского прибора  Клиновидный датчик на стенде  Клиновидный датчик в трубе

Время-импульсные водосчетчики применяются в достаточно чистой воде при высоких или средних требованиях к точности и надежности показаний. Могут иметь клиновидные, трубные, штанговые либо накладные датчики, а также датчики-полушария.

 Время-импульсный расходомер  Время-имульсные водосчетчики в канале  Установленные накладные датчики

Кросс-корреляционные расходомеры применяются при наличии достаточного количества взвешенных частиц в потоке при высоких требованиях к точности и надежности получаемых данных, в том числе в сложных местах измерений. Могут иметь клиновидные либо трубные датчики. Возможна установка датчиков на плотах, также возможна установка нескольких датчиков по ширине канала.

 Кросс-корреляционный расходомер с трубными датчиками  Кросс-корреляционныйсчетчик с клиновидными датчиками  Кросс-корреляционныйводосчетчик с датчиками на плотах

Примечание: иногда к ультразвуковым счетчикам воды относят также уровнемеры, которые измеряют только уровень в безнапорном потоке, а затем вычисляют объемный расход исходя из теоретически определенной по формулам Маннинга или Павловского средней скорости течения (на основе информации об уклоне канала, состоянии его стенок и т.п.).

Обычно при использовании уровнемеров рекомендуется устанавливать их на лотках Вентури или Паршаля для стабилизации гидравлических характеристик потока. Преимуществом таких приборов являются низкая цена и простота монтажа, недостатком – большая и непредсказуемая погрешность.

Уровнемер в лотке Вентури для измерения расхода стока

Такие счетчики ставят на самотечных каналах на технологические узлы учета, где точность не требуется, либо на коммерческие узлы учета на объектах с малым водопотреблением (где погрешность не приводит к существенным финансовым затратам), либо на объектах, где нет технической возможности установки счетчиков с погружными датчиками.

Adblock detector