Ультразвуковые счетчики жидкости: виды и типы, принцип работы водосчетчиков

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.

• Промышленные расходомеры для 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.

• Устройство и принцип действия расходомеров

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

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.

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.

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.

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:

	— 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;
	— 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;
	— датчики-полушария, применяемые в составе время-импульсных приборов для установки на наклонных стенках трапециевидных каналов;
	— штанговые, имеющие вид длинных трубок, применяемые в составе время-импульсных счетчиков для установки на стенках прямоугольных каналов;
	— 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.

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.

• Бесконтактный расходомер воды

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.

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.

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.