Розглянуті вище методи вимірювання витрати мають важливий недолік, пов'язаний з тим, що чутливі елементи (діафрагма, сопло, напірна трубка) перебувають безпосередньо у потоці і зазнають впливу середовища на конструктивні частини чутливого елемента. З іншого боку, самі чутливі елементи, перебуваючи в потоці, впливають на його аеродинамічні характеристики, що приводить до появи додаткової похибки вимірювання.
Останнім часом почали широко застосовуватися методи вимірювання витрати, у яких чутливі елементи перебувають поза рухомим середовищем, це дозволяє розширити кількість видів обмірюваних середовищ (розплавлені метали, кислоти, луги, агресивні і токсичні рідини, гази та ін.). В одному з таких методів вимірювання витрати використовується ультразвукова хвиля, що подає інформацію про швидкість і витрату рухомого середовища у закритих і відкритих каналах.
В ультразвукових витратомірах використовуються різні ефекти, пов'язані із проходженням ультразвуку через рухоме середовище: зміна швидкості ультразвуку в поздовжньому напрямку потоку; відхилення ультразвукової хвилі при поперечному проходженні в потоці; ефект Доплера та ін.
Найбільшого поширення дістав метод вимірювання витрати, що базується на вимірюванні різниці часу проходження ультразвуку за напрямком і проти напрямку потоку середовища.
У таких приладах випромінювачі (п’єзоелементи) посилають через рухоме середовище дві звукові хвилі в протилежних напрямках. Якщо середовище нерухоме, то обидві хвилі проходять ту саму відстань L до приймаючих п’єзоелементів за однаковий час. Рухоме середовище прискорює одну звукову хвилю і сповільнює іншу. Різниця часу ?t проходження відстані L цими хвилями пропорційна швидкості v середовища. Одним зі способів вимірювання ?t є вимірювання різниці фаз змінних напрямків, що виникають на приймаючих п’єзоелементах. На рис.6.16 показана схема двоканального ультразвукового витратоміра, у якому використовується частотний спосіб вимірювання тимчасових інтервалів при проходженні ультразвуку у двох напрямках: у напрямку потоку і проти. На цьому рисунку позначені через 1, 3 - випромінюючі п’єзоелементи; 2- генератор ультразвукових коливань; 4, 8 - приймаючі п’єзоелементи; 5, 7– підсилювачі; 6 - фазометричний пристрій (реле).
Ультразвукові хвилі, утворені двома випромі-нювачами 1 і 3, проходять перетин каналу у двох напрямках і надходять на два приймачі, які перетворюють ультразвукові сигнали в електричні. Як випромінювачі використовуються п’єзо-кристали, які збуджуються високочастотними електри-чними сигналами від генератора 2.
Приймачі 4 і 8 посилають електричні сигнали на відповідні реле 6, яке керує роботою генератора 2 у режимі "увімкнено-вимкнено". При надходженні сигналу на реле відбувається вимикання генератора, а при відсутності сигналу - вмикання. Таким чином, генератор 2 працює в періодичному режимі, а час роботи і "мовчання" дорівнює часу проходження ультразвукових сигналів через рухоме середовище. Вимір часу роботи генератора (часу проходження ультразвуку через трубопровід) виконується в часовому блоці.
Вираз для визначення витрати середовища (м3/с) при використанні частотного ультразвукового витратоміра
, (6.10)
де F - перетин трубопроводу (каналу), м2;
L – відстань між приймачами ультразвукового сигналу, м;
f1, f2 – відповідно частота проходження імпульсів при прямому проходженні ультразвуку і при зустрічному проходженні ультразвуку.
Як бачимо з формули (6.10), показання частотного витратоміра не залежить від швидкості проходження ультразвуку в середовищі, що є важливою перевагою такого методу вимірювання витрати рідких і газоподібних середовищ.
В інших типах витратомірів ультразвукова хвиля спрямовується перпендикулярно до осі труби, і за величиною відхилення ультразвукової хвилі від перпендикуляра визначається витрата або середня швидкість потоку. У міру збільшення середньої швидкості потоку v напрямок ультразвукового сигналу зі швидкістю с усе більше відхиляється за напрямком швидкості потоку (рис.6.17). Кут відхилення напрямку сигналу ? буде визначатися виразом
. (6.11)
Зі збільшенням середньої швидкості середовища v кількість енергії, що надходить на приймач П1, зменшується, а та, що надходить на приймач П2 -збільшується. Різниця сигналів від приймачів П1 і П2 збільшується зі зростанням середньої швидкості, а отже, і витрати, і надходить у витратомір V.
Витратоміри з такою схемою прості за будовою, але мають обмежену точність через мале відхилення променя. Крім того, швидкість ультразвуку, що входить у розрахункові формули витрати, може мінятися при зміні фізичних параметрів і складу обмірюваного середовища, що вносить додаткову похибку.
Розроблено інші типи ультразвукових витратомірів нового покоління, таких, як часоімпульсні і фазові. У часоімпульсних витрато-мірах періодично здійснюється вимірювання різниці часу проходження дуже коротких імпульсів тривалістю 0,1-0,2 мікросекунд, по ходу і проти ходу руху середовища в трубопроводі. Обмірювана різниця часів дуже мала навіть при більших швидкостях руху середовища, що вимагає застосування електронних вимірювальних систем підвищеної точності. Крім того, показання таких витратомірів залежать від зміни швидкості ультразвуку в середовищі. Такі витратоміри застосовуються в основному для вимірювання витрати рідких середовищ, для яких у процесі вимірювання істотно не змінюються такі параметри, як густина, температура, тиск.
У фазових ультразвукових витратомірах використовується ефект Доплера, тобто вимірюється різниця фаз ультразвукових коливань, які поширюються по потоку і проти нього. Недоліком таких витратомірів також є залежність показань від зміни швидкості ультразвуку в середовищі.
Розроблені різні модифікації ультразвукових часоімпульсних і доплерівських (фазових) витратомірів, які застосовуються в нафтовій, металургійній, хімічній та інших областях промисловості для вимірювання витрати мазуту, нафти, нафтопродуктів та інших рідин, у тому числі середовищ, забруднених твердими і газоподібними включеннями. Перевагою таких витратомірів є широкий діапазон вимірювальних витрат від 0,45 до 110000 м3/год для трубопроводів діаметром від 40 до 1800 мм із похибкою вимірювання не більше 2%.
Сучасні ультразвукові витратоміри комплектуються вбудованими мікропроцесорами, які забезпечують обробку інформації, що надходить від датчиків, вимірювання і індикація витрати середовища (за годину, добу, місяць), виготовлення уніфікованого струмового сигналу при використанні системи автоматичного регулювання, введення необхідних коригувальних і керуючих команд та ін.
На практиці дістали поширення і переносні ультразвукові витратоміри, які мають такі самі метрологічні характеристики, як і стаціонарні. До комплекту приладу входять безпосередньо витратомір, портативна ЕОМ, багатофункціональний блок живлення із вбудованим акумулятором, монтажні пристрої для швидкого і правильного розміщення датчиків на поверхні трубопроводу. Такі прилади використовуються для оперативного контролю витрат обраного типу середовища на різних ділянках трубопроводів, які мають різний діаметр і товщину стінки.
Ультразвукові витратоміри є найбільш перспективними приладами для вимірювання витрат різних рідких і газоподібних середовищ. Найбільшу точність вимірювання показують одноканальні ультразвукові витратоміри з урізаними датчиками, похибка яких не перевищує 0,3%.
Ультразвукові хвилі, утворені двома випромі-нювачами 1 і 3, проходять перетин каналу у двох напрямках і надходять на два приймачі, які перетворюють ультразвукові сигнали в електричні. Як випромінювачі використовуються п’єзо-кристали, які збуджуються високочастотними електри-чними сигналами від генератора 2.
, (6.10)
. (6.11)
Витратоміри з такою схемою прості за будовою, але мають обмежену точність через мале відхилення променя. Крім того, швидкість ультразвуку, що входить у розрахункові формули витрати, може мінятися при зміні фізичних параметрів і складу обмірюваного середовища, що вносить додаткову похибку.