Ультразвуковые счетчики воды — принцип работы, виды, преимущества и недостатки

Расходомер представляет собой прибор для измерения количества израсходованного (пройденного через трубопровод) рабочего вещества, жидкости или газа. Поскольку сжимаемые и несжимаемые вещества имеют свою специфику измерения, то и устройства в этом сегменте различаются по принципам действия. Каждая категория рассчитана на работу в среде с определенными эксплуатационными характеристиками, отличается особыми параметрами, имеет свои преимущества и недостатки. В статье мастер сантехник рассмотрит, основные характеристики ультразвукового счетчика 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.

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, ещё 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.

Принцип работы

В ультразвуковых счетчиках для расчётов расхода используется разница интервалов времени прохождения ультразвука вдоль и против потока.

Ультразвук – это излучение с частотой, превышающей 20 000 Гц. Такая звуковая волна не улавливается органами слуха, поэтому работа счетчика не сопровождается никакими шумами, не оказывает негативного влияния на организм человека.

На достаточном расстоянии друг от друга размещаются передатчик акустического сигнала и приемник. Они универсальны. Периодически, с определенной частотой, меняются функциями. Передатчик излучает сигнал, приемник улавливает, и наоборот. Или ставятся отражатели. Этим достигается прохождение сигнала в двух направлениях, попутном и встречном.

По разнице во времени распространения двух волн вычисляется скорость течения жидкости. При известном сечении трубы нетрудно вычислить массовый расход воды. То есть объем, прошедший через счетчик в единицу времени. Что и отражается в показаниях водомера.

Скорость распространения звука в сотни раз превышает скорость частиц воды в магистрали. Поэтому разница во времени прохождения волны в двух направлениях измеряется миллионными долями секунды.

Для точного измерения используются сложные электронные схемы в сочетании с микропроцессорной техникой. В качестве излучателя и приемника используются пьезоэлементы.

Виды устройств

По типу различают следующие виды приборов:

• Со сферическим преобразователем. Используются пьезоэлектрический преобразователь кольцевого типа, создающие излучение сферической формы. Каждый из преобразователей попеременно излучает или принимает ультразвуковую волну, что дает возможность измерить скорость прохождения звука во встречных направлениях.
• С отражателями. Сигнал направляется под заданным углом по отношению к направлению течения на отражатели, откуда попадает на приемники. Схема нечувствительна к механическим примесям в жидкости.

По методике обработки сигнала существуют следующие виды:

• Фазовые. Измерение основывается на фазовом сдвиге принятого сигнала относительно излучаемого. Разность фаз пропорциональна скорости частиц жидкости. Определяется наложением излученной и принятой волны друг на друга с помощью фазометра в режиме реального времени. Так измеряется время сдвига.
• Частотные. Генерируются импульсы с заданной частотой, направляемые по направлению течения жидкости. Частота подобрана так, что между пьезоэлектрическими преобразователями укладывается строго целое количество волн. Затем это делается во встречном направлении. Образовавшаяся разность частот пропорциональна скорости течения воды.
• Время – импульсные. В этом случае излучается сигнал убывающей амплитуды. Затухание тем сильнее, чем больше напор воды. Затем сигнал восстанавливается до величины первичного импульса специальным зарядным устройством. На момент приема сигнала компенсация прекращается. Напряжение зарядного устройства, восстанавливающего уровень излучения, измеряется при прохождении волны по направлению потока и против него. Разность напряжений позволяет вычислить расход воды.
• С перпендикулярной волной. Принцип действия основан на разнице амплитуд сигналов, принимаемых двумя пьезоэлектрические преобразователи. Исходное излучение направляется точно между ними. При отсутствии движения жидкости сигнал на обоих одинаков. Чем сильнее поток, тем больше отклонение от вертикали. Пьезоэлемент, в чью сторону сместилась волна, получает более интенсивный сигнал по сравнению со вторым датчиком.
• На эффекте Допплера. Принцип основан на изменении частоты звука при отражении от движущегося потока. Наименее точный метод. Струя воды в магистрали неоднородна, ее частицы рассеивают сигнал неодинаково. В расчет принимается средняя величина из спектра отраженных частот.

По способу установки различают водомеры врезного типа и с накладными датчиками. Первые применяются внутри магистралей, изготовленных из материалов с низкой способностью пропускать звуковые волны.

Во втором случае монтаж не требует отключения воды, все элементы счетчика крепятся на внешней поверхности трубы. Хорошо подходит для работы с агрессивными жидкостями, поскольку не имеет с ними контакта. Для него нет ограничений по температуре и давлению жидкости в магистрали.

Область применения

Как указывалось, ультразвуковые водомеры применяются в системах с большим диаметром трубы и соответственно расходом жидкости.

Это могут быть:

• Котельные,
• Комплексы водоснабжения,
• Ливневые стоки,
• Производственные предприятия.

Преимущества и недостатки

Ультразвуковые приборы учета воды, как и любые другие, обладают рядом достоинств и недостатков.

Преимущества:

• Минимальная погрешность измерений;
• Отсутствует сопротивление потоку. У приборов с отражателями внутри трубы оно минимально;
• Высокая надежность и долговечность, обусловленная отсутствием контакта со средой и механических движущихся деталей;
• Широкие границы измерений с сохранением высокой точности;
• Низкое потребление электроэнергии, автономность и независимость от состояния электросети;
• Не требует чрезмерной протяженности прямых участков магистрали.

К недостаткам можно отнести:

• Чувствительность к пузырькам воздуха в жидкости и равномерности течения;
• Сложность калибровки и регулировки;
• Высокая цена.

При монтаже прибора следует выполнять определенные условия

Требования к месту установки:

• Свободный доступ к прибору;
• Наличие в месте установки прямолинейного участка трубы необходимой протяженности. Длина зависит от типа применяемого прибора;
• Отсутствие на мерном участке пузырьков воздуха и завихрений жидкости;
• Температура воздуха не должна выходить за рамки допустимых условиями эксплуатации величин;
• Поблизости не должно быть сильных электромагнитных помех.

Непосредственно монтаж выполняется в следующей последовательности:

• В случае использования отражателей, отключают подачу воды, затем осуществляется врезка преобразователя с помощью сварки, либо фланцевым соединением. При накладных датчиках отключение не требуется. Компоненты монтируются на трубопровод с внешней стороны. Во всех случаях требуется скрупулезное соблюдение геометрических размеров и углов наклона датчиков;
• Монтаж электронного блока управления;
• Прокладка соединительных кабелей;
• Подсоединение преобразователей.

Затем осуществляется сложная и трудоемкая калибровка прибора. Все операции требуют высокой квалификации исполнителя. Проявлять самостоятельность, не обладая достаточным опытом, не стоит.

Обслуживание

Эксплуатация ультразвуковых водомеров не требует специальных мер по обслуживанию прибора.

При соблюдении правил эксплуатации, заявленных производителем, все сводится к плановой поверке прибора.

Показания счетчика должны передаваться в контролирующий орган в период с 1 по 25 число каждого месяца.

Современные блоки управления либо оснащены средствами коммуникации, либо предусматривают возможность их подключения. Это позволяет настроить автоматическую передачу данных на портал государственных услуг, либо на сайт поставщика коммунальных ресурсов.

Видео

В сюжете - Принцип работы ультразвукового расходомера

Заключение

Ультразвуковой метод учета расхода воды в системах с большим потреблением занимает заслуженные лидирующие позиции. Лидерство обеспечивают непревзойденная точность измерений, возможность работать в магистралях с маленьким, так и с большим диаметром трубы и практически с любыми жидкостями. Привлекает высокая надежность и долговечность счетчиков. По совокупности качеств равноценной замены, на сегодняшний день, нет.

В продолжение темы посмотрите также наш обзор Счетчик для канализации — назначение, виды, как выбрать