Ultrazvukové průtokoměry – princip, vlastnosti a použití

Ultrazvukové průtokoměry patří do skupiny rychlostních průtokoměrů, které vyhodnocují objemový průtok na základě měření rychlosti proudícího média a znalosti průtočného průřezu. K měření rychlosti se využívá ultrazvukový signál šířící se v proudícím médiu. Pojednání o těchto průtokoměrech je možné najít v mnoha odborných knihách i článcích věnovaných snímačům průtoku [1] až [6]. Tento článek, který doprovází průzkum trhu ultrazvukových průtokoměrů otištěný na str. 18 a 19, stručně popisuje princip, vlastnosti a použití těchto měřidel.

Rozdělení ultrazvukových průtokoměrů

Podle vyhodnocení ultrazvukového signálu se ultrazvukové průtokoměry rozdělují nejčastěji do dvou hlavních skupin:

• průtokoměry s vyhodnocováním doby průchodu signálu (transit-time),
• průtokoměry využívající Dopplerův jev.

U každé z těchto skupin lze nalézt další podrobnější způsoby členění. Z hlediska montáže průtokoměru do potrubního systému jsou rozeznávána:

• provedení se smáčenými (zásuvnými) snímači (in-line), které jsou pevnou součástí měřicí trubice,
• provedení s příložnými snímači (clamp-on), kdy snímače jsou přikládány na stěnu potrubí; v tomto případě jde o bezdotykové měření.

Průtokoměry s vyhodnocením doby průchodu signálu

Základem průtokoměru je vysílač a přijímač ultrazvukového vlnění. Nejčastěji se používají piezoelektrické měniče, které mohou pracovat jak ve funkci vysílače (generátoru), tak ve funkci přijímače ultrazvukového signálu. Frekvence vlnění závisí na rezonanční frekvenci piezoelektrického měniče a obvykle je 0,5 až 1 MHz.

Ultrazvukový průtokoměr je tvořen měřicí trubicí, ve které je zabudován jeden nebo více párů vysílače a přijímače ultrazvukového signálu. Průtokoměry jsou velmi často konstruovány v diferenčním zapojení, kdy je ultrazvukový signál vysílán jednak ve směru a jednak proti směru proudění. Principiální schéma takového průtokoměru se dvěma páry vysílače a přijímače ultrazvukových impulzů je znázorněno na obr. 1.

Vysílač V₁ vysílá impulzy ve směru, vysílač V₂ proti směru proudění. Ultrazvukový impulz vyslaný vysílačem V₁ se šíří rychlostí c + v cos a, kde c je rychlost šíření ultrazvuku v daném prostředí a v je střední rychlost proudícího média; pro rychlost šíření impulzu od vysílače V₂ platí: c – v cos a.

Poznámka: K elektronické verzi časopisu je připojen videozáznam, který názorně demonstruje princip funkce ultrazvukového průtokoměru (nebo také http://cz.krohne.com/cz/dlc/videa/). 

Doby mezi vysláním a přijmutím impulzu pro jednotlivé dvojice vysílače a přijímače jsou t₁ a t₂

vzorec                                               (1)

a jejich rozdíl 

vzorec                                                (2) 

Za předpokladu, že v² << c², je možné vztah zjednodušit a upravit  

vzorec                                               (3) 

Pro rychlost šíření ultrazvuku lze psát

vzorec                                               (4) 

a po dosazení do vztahu (3) pro rychlost se dostanou výsledné vztahy pro střední rychlost  

vzorec                                               (5) 

a objemový průtok  

vzorec                                               (6) 

Vzhledem k tomu, že ve výsledném vztahu se nevyskytuje rychlost šíření ultrazvuku v médiu c, není ani údaj průtokoměru závislý na složení média, jeho teplotě a tlaku.

Požadavky na přesnost měření času lze ilustrovat na tomto příkladu:

Příklad: Uvažujme potrubí o průměru D = 0,1 m, rychlost proudící vody v = 1 m/s, úhel a = 45° a rychlost zvuku ve vodě c = 1 500 m/s (tab. 1). Podle vztahu (2) se vypočte časový interval Dt = 89 ns. Při požadavku na přesnost měření 1 % je třeba měřit čas s nejistotou 0,9 ns.

Některé způsoby uspořádání vysílačů a přijímačů v měřicí trubici průtokoměru jsou znázorněny na obr. 2. Nejjednodušší uspořádání používá jednu dvojici vysílače a přijímače (obr. 2a), při diferenčním uspořádání jsou použity dva páry měničů (obr. 2b, c). Větší citlivost měření se získá prodloužením dráhy mezi vysílačem a přijímačem ultrazvuku. Využívá se odraz od protější stěny potrubí, popř. od zabudované odrazové plochy, tzv. reflektoru (obr. 2d), nebo opakovaný odraz od několika reflektorů umístěných v měřicí trubici (obr. 2e). Pro potrubí s malými světlostmi je vhodné axiální uspořádání (obr. 2f).

Starší typy ultrazvukových průtokoměrů založené na vyhodnocování doby průchodu ultrazvukového signálu byly použitelné jen pro velmi homogenní kapaliny. Přítomnost bublin plynu a pevných částic v médiu působí zeslabení ultrazvukového signálu a vznik chyb při měření. Současné přístroje využívají prodloužení dráhy při vícenásobných odrazech, větší počet měřicích kanálů a přesnější metody mikroprocesorového zpracování signálu. Číslicové zpracování signálu s využitím algoritmů filtrace a verifikace správnosti signálu umožnilo výrazně zlepšit přesnost, opakovatelnost a stabilitu měření průtoku.

Průtokoměry využívající Dopplerův jev

Průtokoměr založený na Dopplerově jevu (viz vložený rámeček) lze použít v případě, že proudící médium obsahuje částice odrážející zvuk, tj. např. pevné částice či bubliny plynu v kapalině. Bez přítomnosti těchto částic nemůže průtokoměr tohoto typu pracovat. Průtokoměr se skládá z vysílače a přijímače ultrazvuku, které mohou být připevněny na jedné nebo obou stranách potrubí.

Ultrazvukový signál o známé frekvenci přibližně 1,2 MHz je vysílačem vysílán do proudící kapaliny (obr. 3). Vysílaný signál se odráží od pohybující se částice či bubliny a při zachycení odraženého signálu přijímačem je vyhodnocována změna frekvence přijatého signálu. Rozdíl mezi oběma frekvencemi je úměrný rychlosti proudícího média.

Uvažujme, že vysílač vysílá ultrazvuk o frekvenci f, rychlost ultrazvuku je c, rychlost částice v. Pak frekvence přijatá částicí je 

vzorec                                                        (7) 

a frekvence přijatá přijímačem  

vzorec                                                        (8) 

Po vyloučení f₁ a za předpokladu, že c je podstatně větší než v, se získá rovnice 

vzorec                                                        (9) 

Vhodným zpracováním signálu lze zjistit střední rychlost průtoku.

Průtokoměry tohoto typu vyžadují koncentraci suspendovaných částic či bublin o velikosti 30 μm nebo větších nejméně 25 ppm. Nejistota měření záleží na rychlostním profilu proudícího média, na obsahu a velikosti částic i na velikosti potrubí. Kalibrací lze dosáhnout nejistoty ±1 %. 

Průtokoměry se zásuvnými a příložnými snímači

Elektroakustické měniče ultrazvukového průtokoměru mohou být v bezprostředním styku s měřenou kapalinou – tak tomu je u průtokoměrů se zásuvnými (smáčenými) snímači (obr. 4a). Mohou však být instalovány na potrubí z vnějšku – u průtokoměrů s příložnými snímači (clamp-on; obr. 4b). Ultra­zvukový signál mění rychlost a směr šíření i při průchodu stěnou potrubí, jak je vyznačeno na obrázku. V tab. 1 jsou uvedeny rychlosti zvuku v různých materiálech.

Příložné průtokoměry měří bezdotykově a neovlivňují měřený průtok, protože nezasahují do proudícího média. Mohou být na potrubí instalovány, aniž by bylo nutné přerušit provoz. S výhodou je lze využít k měření průtoku kalů a znečištěných tekutin, které běžným průtokoměrům způsobují těžkosti. 

Několikanálové ultrazvukové průtokoměry

Pro zmenšení nejistoty měření se používá několikakanálové provedení průtokoměru. Pro potlačení vlivu rychlostního profilu v potrubích větších průměrů jsou sondy umístěny do několika rovnoběžných axiálních rovin. Ukázky několikanálového provedení jsou na obr. 5. Měřicí dráhy jednotlivých snímačů několikrát protínají rychlostní profil. Při použití většího počtu měřicích kanálů je možné lépe podchytit charakter proudění. Se zvětšujícím se počtem snímačů roste však i cena průtokoměru, a tak tříkanálové provedení bývá rozumným kompromisem. Několikanálové provedení snímače ve spojení s vyhodnocovací jednotkou řízenou mikroprocesorem umožňuje zmenšit nejistotu měření až k hranici 0,1 %. Kromě paralelního uspořádání snímačů je využíváno i uspořádání křížové, popř. s odrazy [8].

Několikanálové průtokoměry se používají při měření v potrubí o velkém průměru, jako jsou např. komíny, a také tam, kde se vyskytují nerovnoměrné profily rychlosti proudění.

Poznámka: K elektronické verzi časopisu je připojen videozáznam, který ukazuje principy různých provedení ultrazvukového průtokoměru (viz také www.youtube.com/watch?v=Bx2RnrfLkQg). 

Vlastnosti ultrazvukových průtokoměrů

Ultrazvukové průtokoměry patří do skupiny moderních průtokoměrů, spolu s průtokoměry Coriolosovými, indukčními a vírovými; vykazují však některé významné přednosti. Oproti Coriolisovým průtokoměrům je lze využívat i u potrubí s velkým průměrem. Ve srovnání s indukčními průtokoměry mají tu výhodu, že jimi lze měřit nevodivé kapaliny, plyny a páry. Ultrazvukové průtokoměry jsou schopny měřit i malé průtoky, kde již není vhodné použít vírový průtokoměr.

Oproti ostatním typům průtokoměrů, jako jsou např. průřezová měřidla a turbínové průtokoměry, mají ultrazvukové průtokoměry přesvědčivé výhody v tom, že neobsahují pohyblivé součásti, tlaková ztráta je téměř nulová a vyžadují jen minimální údržbu. Vykazují velké měřicí rozpětí (přestavitelnost; poměr maximální a minimální měřitelné hodnoty průtoku). Pro zvýšení přesnosti je vhodné, aby u přístroje byla zabezpečena korekce na tvar rychlostního profilu.

Ultrazvukové průtokoměry jsou vhodné pro měření:

• elektricky vodivých i nevodivých kapalin,
• agresivních médií,
• výbušných plynů,
• za přísných hygienických podmínek.

Přednosti ultrazvukových průtokoměrů lze shrnout do těchto bodů:

• linearita,
• široké rozmezí měřicích rozsahů,
• součásti nezasahují do průtočného průřezu a nezpůsobují tlakovou ztrátu,
• nemají pohyblivé součásti podléhající opotřebení,
• naměřené hodnoty nezávisejí na vlastnostech měřené tekutiny,
• umožňují měření v obou směrech proudění,
• vykazují velmi dobrou přesnost v širokém rozsahu průtoků,
• velmi příznivé dynamické vlastnosti (rychlá odezva),
• použitelné na potrubích o velkém prů­měru,
• příložné snímače lze instalovat vně potrubí a vyměňovat za provozu,
• dlouhá životnost.

Mezi omezení a nevýhody ultrazvukových snímačů patří:

• při použití průtokoměrů typu transit-time by v měřeném médiu neměly být pevné částice a bubliny,
• Dopplerovy průtokoměry mohou být použity jen v některých úlohách,
• měření je významně ovlivněno změnou tvaru rychlostního profilu (přesnost závisí na průtočném profilu),
• médium musí být akusticky propustné,
• usazeniny na snímači a na potrubí působí chyby, popř. selhání
• překážky v potrubí před měřidlem mají vliv na naměřenou hodnotu
• požadováno je rovné potrubí v délce deseti- až dvacetinásobků průměru před měřidlem a pětinásobků za měřidlem (obr. 6a)
• potrubí musí být zaplněno médiem v celém průřezu,
• turbulence a víření v měřeném médiu mohou ovlivňovat signál.

Hlavní zásady správného umístění ultrazvukového průtokoměru ilustruje obr. 6. Ve vodorovném potrubí se doporučuje umístit průtokoměr ve stoupajícím úseku (obr. 6b) nebo do „sifonu“ (obr. 6c), aby potrubí bylo zcela vyplněno měřenou kapalinou a aby se v horní části potrubí neshromažďovaly bubliny plynu. Průtokoměr by neměl být instalován do sání čerpadla, kde se může vyskytovat podtlak s případným uvolňováním plynu z kapaliny (obr. 6d). Regulační a uzavírací armatury by měly být zařazeny vždy až za průtokoměrem (obr. 6e). V tab. 2 jsou porovnány vlastnosti obou hlavních typů ultrazvukových průtokoměrů.

Použití ultrazvukových průtokoměrů

Ultrazvukové průtokoměry jsou sice náročné na technické provedení, mají však mnoho předností. Výhodou je skutečnost, že nezasahují do proudícího média, nevykazují přídavnou tlakovou ztrátu, nemají žádné pohyblivé součásti a příložné snímače lze dodatečně instalovat na povrch potrubí. Je možné je použít k měření kapalin, plynů i nasycené páry, mohou pracovat v libovolné poloze a měřit proudění v obou směrech. Ultrazvukové metody lze využít při měření malých i velkých průtoků jak čistých, tak znečištěných a agresivních kapalin, k měření pulzujících průtoků a k měření kalů a tavenin za vysokých teplot. Potrubí může mít průměr od několika milimetrů až do několika metrů. Je to jedna z mála metod (vedle indukčních průtokoměrů) pro měření průtoku tekutých kovů, používaných k přenosu tepla v jaderné energetice.

Jsou vhodné i k měření viskózních kapalin – za předpokladu, že Reynoldsovo číslo při minimálním průtoku je menší než 4 000 (laminární proudění) nebo větší než 10 000 (oblast vyšší turbulence). Významné odchylky v přesnosti měření vznikají v přechodové oblasti proudění [9].

Ultrazvukové průtokoměry jsou velmi univerzální; měřeným médiem mohou být plyny, vodní pára, kapaliny čisté i znečištěné. Pouze velmi málo tekutin vede zvuk tak špatně, že průtokoměr nelze použít. Nepříznivý vliv může mít velký obsah bublin nebo suspendovaných částic, které způsobují útlum ultrazvukových vln. Obtíže vznikají např. při měření suspenzí obsahujících vápno či kaolin. Bubliny v proudícím médiu obecně způsobují větší útlum akustického signálu než pevné částice, proto je lze méně tolerovat.

Ultrazvukové průtokoměry nacházejí široké uplatnění v různých odvětvích průmyslu, např. ve:

• vodárenském (filtrovaná, pitná i užitková voda, odpadní a znečištěné vody a kaly),
• chemickém (měření kryogenních kapalin, zkapalněných plynů, kapalné síry, kapalného chloru a dalších provozních kapalin, různých roztoků i suspenzí),
• petrochemickém (ropa, kapalné i plynné ropné produkty, surové i rafinované oleje; měření v prostředí s nebezpečím výbuchu),
• potravinářském a farmaceutickém (měření za přísných hygienických podmínek),
• energetickém (průtok teplonosných a chladicích médií, systémy pro měření předaného tepla).

Dopplerovy průtokoměry nevykazují vysokou přesnost, jsou to však nenákladné přístroje pro monitorování průtoku. Jsou vhodné pro znečištěné tekutiny a nacházejí využití při měření kalů, odpadních tekutin, v kanalizaci a v provozech odpadních vod. Průtokoměry tohoto typu většinou nejsou vhodné k měření čistých kapalin, existují však i typy, které využívají odraz ultrazvuku od vírů, které se vytvářejí v turbulentní kapalině.

Příložné snímače pracují nezávisle na materiálu potrubí, je-li materiál potrubí dobře zvukově vodivý. Potrubí z betonu, keramiky a velmi porézní litiny absorbují ultrazvukovou energii a nejsou pro příložné snímače vhodné.

Literatura:

[1] Ďaďo, S. – Bejček, L. – Platil, A.: Měření průtoku a výšky hladiny. BEN, Praha, 2005.

[2] STAUSS, T. a spol.: Flow Handbook. Endress+Hauser Flowtec AG, Rainach, 2004.

[3] LIPTÁK, B. G.: Process Measurement and Analysis. CRC Press, 2003.

[4] McMILLAN, G. K. – CONSIDINE, D. M.: Process/Industrial Instruments and Controls Handbook. McGraw/Hill, New York, 1999.

[5] SMITH, C. J.: Basic Process Measurement. Wiley, 2009.

[6] STRNAD, R.: Trendy měření průtoku. GAS s. r. o., Říčany u Prahy, 2004.

[7] BENTLEY, J. P.: Principles of Measurement Systems. Pearson, Prentice Hall, 2005.

[8] KOMP, P.: Měření průtoku zemního plynu průtokoměrem Altosonic V12. Automa, 2009, roč. 11, č. 10.

[9] Měření průtoku a měření výšky hladiny. Zpravodaj firmy OMEGA č. 4. Dostupné z www.omegaeng.cz/literature/PDF/techinfo_4.pdf (duben 2013). 

doc. Ing. Karel Kadlec, CSc.,

ústav fyziky a měřicí techniky VŠCHT Praha karel.kadlec@vscht.cz

Obr. 1. Ultrazvukový průtokoměr s vyhodnocením doby průchodu signálu (transit-time)

Obr. 2. Umístění ultrazvukových měničů v měřicí trubici: a) měření v jedné dráze, b) diferenční, c) diferenční křížové, d) diferenční s odrazem, e) s vícenásobným odrazem, f) v axiál­ním uspořádání

Obr. 3. Princip Dopplerova průtokoměru

Obr. 4. Zásuvný a příložný snímač ultrazvukového průtokoměru

Obr. 5. Několikanálové provedení ultrazvukového průtokoměru: a) dvoukanálový průtokoměr, b) tříkanálový průtokoměr, c) pětikanálový průtokoměr

Obr. 6. Zásady pro montáž ultrazvukového průtokoměru

Tab. 1  Rychlost zvuku při 20 °C [7]

Tab. 2  Porovnání vlastností ultrazvukových průtokoměrů [upraveno podle 3]

Dopplerův jev

Christian Doppler (1803–1853) byl rakouský matematik, fyzik a astronom, který působil v letech 1835 až 1947 v Praze, od roku 1841 jako profesor matematiky a geometrie na Polytechnickém institutu (dnešní ČVUT). Nejznámější Dopplerův objev pochází z roku 1842, kdy publikoval článek O barevném světle dvojhvězd a určitých jiných hvězdách na nebesích, ve kterém formuloval zákon popisující změnu vlnové délky vlně­ní při pohybu zdroje nebo pozorovatele. Dopplerův jev našel velmi široké uplatnění v mnoha vědeckých a technických oborech.

S Dopplerovým jevem se lze běžně setkat u zvukového vlnění. Například zvuk sirény pohybující se sanitky vnímá pozorovatel odlišně při přibližování nebo při vzdalování zdroje zvuku. Pohybuje-li se zdroj zvuku směrem k pozorovateli, zaregistruje pozorovatel zvýšení frekvence; jestliže se zdroj od pozorovatele vzdaluje, je vnímaná frekvence nižší.