Пузырьки: «Невидимое вмешательство» в измерениях ультразвуковых расходомеров

Среди многочисленных приборов для измерения расхода, Ультразвуковые расходомеры Они широко используются в различных отраслях благодаря таким преимуществам, как бесконтактное измерение, отсутствие потерь давления и удобство монтажа. Их высокоточное измерение основывается на стабильном и эффективном распространении ультразвуковых сигналов в жидкостях. Однако когда в жидкость попадают, казалось бы, незначительные пузырьки воздуха, они могут вызвать ряд сложных и существенных помех в этом точном процессе, превращаясь в настоящие «невидимые помехи» для измерений.

I. Физический источник интерференции пузырей: резкие изменения акустического импеданса

Ультразвуковые волны по сути являются механическими волнами, и их характеристики распространения в среде тесно связаны с плотностью и скоростью звука этой среды. Жидкости (например, вода) и газы (например, воздух) имеют существенные различия в плотности и скорости звука, что приводит к сильно отличающимся «акустическим импедансам». Когда ультразвуковой сигнал распространяется в жидкости и сталкивается с пузырьком воздуха, на границе раздела газ-жидкость происходят три основных физических явления:

Сильное отражение и рассеяние: Большая часть ультразвуковой энергии не может проникнуть в пузырь, а отражается от его поверхности или рассеивается в различных направлениях. Это приводит к значительному ослаблению энергии сигнала, которая могла бы распространяться через жидкость и достигать приёмного преобразователя на другой стороне.

**Изменения в траектории и направлении скорости звука:** Пузырьки изменяют исходную, чёткую траекторию распространения ультразвуковых волн внутри трубы. Звуковые волны могут обходить пузырьки, что удлиняет фактическую траекторию распространения; они также могут преломляться на поверхности пузырьков, изменяя направление распространения. Это напрямую подрывает основополагающий принцип измерений ультразвуковых расходомеров — точный расчёт времени распространения или изменения частоты.

**Локальное искажение скорости звука:** Ультразвуковые волны распространяются в газах гораздо медленнее, чем в жидкостях. Когда звуковые волны проходят через скопление пузырьков, их общая средняя скорость звука снижается. Расчётные модели расходомеров обычно предполагают фиксированное значение скорости звука для чистой жидкости, что приводит к возникновению расчётных погрешностей.

**II. Конкретные ошибки измерений, вызванные пузырьками:** Вышеуказанные физические механизмы напрямую приводят к следующим наблюдаемым проблемам в измерениях:

**Ухудшение качества сигнала и прерывание измерений:** Это наиболее прямое проявление. Амплитуда (интенсивность) сигнала на приёмной стороне резко снижается. Когда сигнал ослабевает ниже порогового значения, установленного внутренними настройками прибора, это приводит к неэффективному захвату сигнала. В результате могут наблюдаться резкие колебания измеренных значений или даже срабатывание каскадных тревог или прерывание измерений, при этом прибор перестаёт отображать какие-либо показания.

Систематическое отклонение в точности измерений:

В случае ультразвуковых расходомеров с измерением времени прохождения, расчёт основывается на разности во времени распространения ультразвуковых волн в направлении прямого и обратного потока. Изменение траектории звука под воздействием пузырьков воздуха и локальное влияние скорости звука могут асимметрично вносить помехи в эти два временных значения, что приводит к систематическим положительным или отрицательным отклонениям в расчётах скорости и расхода потока.

В доплеровских ультразвуковых расходомерах сигнал отражается от взвешенных частиц или пузырьков воздуха в жидкости. Небольшое количество мелких пузырьков воздуха, равномерно распределённых по объёму, является обязательным условием нормальной работы прибора. Однако если содержание пузырьков слишком высоко, их размеры слишком велики или распределение неравномерно, рассеянный сигнал становится хаотичным, что также приводит к недостаточной точности измерений.

Сильные колебания кривых расхода: Содержание, размер и распределение пузырьков воздуха в жидкости обычно являются случайными и динамичными, что приводит к тому, что ультразвуковой сигнал подвергается различным помехам в разное время. Это отражается на выходных данных в виде неравномерных и значительных колебаний мгновенных значений расхода, что делает невозможным обеспечение стабильной и надежной основы для управления процессом.

III. Контрмеры и решения

Чтобы избежать воздействия воздушных пузырьков, необходим двухсторонний подход: профилактика и лечение.

Оптимизируйте конструкцию установки и трубопроводов: устанавливайте расходомер после самой высокой точки в системе трубопроводов, чтобы предотвратить накопление воздушных пузырьков. Обеспечьте достаточную длину прямых участков трубопровода до и после расходомера для стабилизации потока. Наиболее эффективным способом активного удаления воздушных пузырьков является установка деаэрационного устройства или воздухоотводного клапана перед расходомером.

Оптимизируйте технологию и настройки прибора: выберите ультразвуковой расходомер с более мощными возможностями обработки сигнала и большей мощностью передачи. Современные высококлассные приборы обычно оснащены функциями индикации качества сигнала, которые позволяют в режиме реального времени отслеживать его мощность и помогают диагностировать помехи от воздушных пузырьков. При необходимости правильная настройка коэффициента усиления (амплитуды) прибора может частично компенсировать ослабление сигнала.

В заключение, хотя воздушные пузырьки малы, они могут оказывать значительное влияние на ультразвуковые расходомеры, работающие по принципу звуковых волн. Понимание механизмов их воздействия и принятие проактивных превентивных и противодействующих мер при проектировании, монтаже и обслуживании системы являются ключевыми для обеспечения того, чтобы Ультразвуковые расходомеры все ещё может обеспечивать точные и стабильные данные измерений в сложных условиях эксплуатации.