Погрешности расходомеров, основанных на перемещении акустических колебаний
Перечислим основные источники погрешностей: не­правильный учет влияния профиля скорости; изменение скорости ультразвука в измеряемом веществе; паразитные акустические сигналы; асимметрия электронно-акустических каналов. Кроме этих источников, рассматриваемых далее, имеются еще погреш­ности, вносимые электронной схемой. Он зависит от характера схемы и должны оцениваться самостоятельно.

Неправильный учет профиля скоростей. Эта погрешность возникает от неравенства средней скорости потока измеряемого ве­щества средней скорости по пути перемещения акустических колебаний. Это неравенство учитывают поправочным коэффици­ентом k, определить точное значение которого затруднительно. Кроме того, в пределах шкалы прибора число Re изменяется, а при десятикратном его увеличении в турбулентной области коэффициент k возрастает на 1,4 %. В переходной же области от ламинарного к турбулентному режиму изменение k еще более значительно. Поэтому, если при градуировке прибора принято постоянное значение k, соответствующее среднему или другому значению расхода, то при иных расходах возникает дополнительная погрешность измерения. При деформированных потоках истинное значение k особенно трудно определить. В этом случае следует применять преобразователи расхода, в которых акустические колебания направляются по четырем хордам или же устанавливать сопло или конфузор, выпрям­ляющие эпюру скоростей.

Изменение скорости ультразвука. Скорость ультразвука с в жидкостях и газах зависит от плотности последних, которая изменяется с изменением температуры, давления и состава или содержания (концентрации) отдельных компонентов. Для жидко­стей скорость с практически зависит лишь от температуры и со­держания. Для воды и водных растворов при невысоких темпера­турах температурный коэффициент b изменения с лежит в преде­лах (1,0 - 2,5) 10^-3 С^-1. При 74° он достигает максимума, а затем становится отрицательным. Для большинства органических жидко­стей b = - (2 - 5) 10^-3 С^-1. Коэффициент изменения с от состава водных растворов обычно положителен и равен (0,8 - 1,5) 10^-3 г/л.

Изменение скорости имеет существенное значение для фазовых и времяимпульсных расходомеров, в уравнения измерения кото­рых входит множитель с². У них погрешность измерения расхода от изменения с может легко достичь 2—4 % и более, так как при изменении скорости на 1 % погрешность возрастает на 2 %. У рас­ходомеров с излучением, перпендикулярным к оси трубы, погреш­ность в два раза меньше, так как в формулу измерения входит множитель с, а не с². У частотных расходомеров изменение зна­чения с очень мало сказывается на результатах измерения.

Устранить влияние изменения скорости с на показания фазо­вых и времяимпульсных расходомеров, а также расходомеров с излучением, перпендикулярным к оси трубы, можно, применяя или соответствующие схемы коррекции или же переходы на изме­рение массового расхода.

В первом случае вводится дополнительный акустический канал, перпендикулярный к оси трубы. При измерении массового расхода вводится дополнительный пьезоэлемент, служащий для измерения акустического сопротивления среды, пропорциональ­ного рс.

В преобразователях с преломлением возможна частичная компенсация влияния с путем подбора материала звукопровода и угла α его расположения. Компенсация происходит потому, что температурное воз­действие изменения показателя преломления с/с₃ на разность времен ∆т в фазовых и времяимпульсных расходомерах противо­направлено непосредственному воздействию на ∆т изменения скорости с. Но при значительных изменениях температуры этот способ малоэффективен из-за нестабильности температурных коэффициентов Ь и b₃. Несколько большие возможности данный способ имеет при установке пьезоэлементов снаружи трубы и при­менении жидкостных звукопроводов.

Паразитные акустические сигналы. Паразитные акустические сигналы могут иметь различное происхождение. При расположении пьезопреобразователей снаружи трубы часть акустической энер­гии отражается от поверхности раздела труба-жидкость и рас­пространяется в виде акустических колебаний в стенке трубы. При этом образуются как продольные, так и поперечные волны. Последние могут достичь приемного пьезоэлемента раньше аку­стических колебаний, проходящих через жидкость. Для исклю­чения этого предлагается помещать пьезоэлементы с разных сто­рон фланцевого соединения, снабженного неметаллической про­кладкой. Изменение формы стенки трубы путем создания утол­щений, выточек или отражателей также может препятствовать прохождению паразитных сигналов.

Другой источник паразитных сигналов — возникновение ре-верберационной волны в результате отражений ультразвука от границ жидкости с звукопроводами или пьезоэлементами. Основ­ное значение имеет первый паразитный сигнал, приходящий на приемный пьезоэлемент после двукратного отражения сперва от приемного, а потом от излучающего элемента. Амплитуда А_р, и фаза φ_р реверберационной волны отличаются от амплитуды А и фазы φ основной волны. Приемный пьезоэлемент воспринимает результирующие колебания, имеющие амплитуду А_п и фазу φ_п. В результате возникает сдвиг фазы ∆φ_р = φ_п - φ, особенно неприятный для фазовых расходомеров. Чтобы этот сдвиг был незначителен (не более 0,5 % от измеряемой разности фаз), сле­дует иметь А_р < 0,01А. В частотных расходомерах реверберационный импульс может исказить фронт основною импульса и преждевременно включить частотную схему. Для исключения этого предложено сдвигать рабочие импульсы по отношению к от­раженным с помощью электронной линии задержки. Кроме того, для борьбы с боковыми отражениями в трубах малого диа­метра помогает футеровка внутренней поверхности трубы звуко­поглощающим материалом (например, фторопластом). Во избе­жание сильного снижения амплитуды приемного сигнала и для частотных расходомеров рекомендуется иметь А_р < 0,01А.

Асимметрия электронно-акустических каналов. В двухлучевых расходомерах неизбежна некоторая асимметрия акустических каналов, что может вызвать существенную погрешность измерения разности времен перемещения по направлению потока и против него. Погрешность складывается из погрешности, вызванной различием геометрических размеров каналов, и погрешности, обусловленной различием в них плотности из­меряемого вещества.
Источник: Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества: Справочник. - 4-е изд., перераб. и доп. - Л.: Машиностроение, 1989, с. 466-470.