Звуковые (упругие) волны с повышением частоты более 20 кГц меняют свое воздействие на вещества. Эти упругие волны называют ультразвуковыми, хотя по физической природе они идентичны обычным звуковым колебаниям. Свойства ультразвуковых волн менять свои воздействия широко применяются в медицине, в промышленности, в сельском хозяйстве и в биологии. Ультразвук применяется также для измерения расхода воды [1].
Известно, что при распространении ультразвуковых колебаний в движущейся среде скорость ультразвука относительно неподвижной системы координат (стенок трубопровода) равна векторной сумме скорости ультразвука относительно жидкости и скорости самой жидкости относительно трубопровода.
Сходство ультразвуковых колебаний с закономерностями геометрической оптики создает благоприятные условия для измерения глубины потока в любом створе водовода с большой точностью.
В СНГ для практического внедрения предложены ряд ультразвуковых расходомеров, например, «УЗР — В», разработанный на основе кратно-частотного метода и предназначенный для измерения расхода жидкости в трубопроводах больших диаметров. Принцип действия его основан на использовании в качестве обратной связи в контролируемой жидкости двух генераторов — синхроколец. Генераторы с акустической запаздывающей обратной связью работают таким образом, что вектор скорости потока проецируется по направлению распространения ультразвука. Уравнения кратно-частотного метода предложены в виде
(1)
Где: QТ — расход жидкости (теоретический); 
— средняя площадь поперечного сечения первичного преобразователя расхода; L — расстояние между электроакустическими преобразователями расхода; BГ -гидромеханическая поправка; с — скорость ультразвука в жидкости; Δf — разница частот синхроколец; t — задержка в общих элементах синхроколец (мембрана, пьезокристалл, канал передачи информации, промежуточный измерительный преобразователь).
Для измерения расхода жидкости в напорных трубопроводах предложены и другие методы, но в открытых каналах из-за наличия контакта свободной поверхности воды с атмосферой и ввиду затухания и многопутевого распространения ультразвукового сигнала, приводящего к увеличению погрешности измерительных устройств, их невозможно применять.
За рубежомведутся разработки по применению ультразвука для измерения расхода воды в открытых водотоках. В измеряемом створе на различных глубинах устанавливается множество ультразвуковых каналов, число их подбирается таким образом, чтобы при определении величины интегрального расхода погрешность была не более 2 %. Дается экономическая оценка по числу измеряемых каналов и с точки зрения правильного учета величины пресного стока. Отмечается, что с экологической точки зрения всякие затраты по рациональному использованию пресной воды, окупаются. Так, в исследовании был выбран канал шириною В = 9,14 м и глубиной Л = 2,74 м, интервал установки ультразвуковых каналов 0,61–2,74 (12 штук). Число каналов выбиралось с целью уменьшения погрешности измерения.
В Англиидля измерения расхода воды в реках ультразвуковые датчики были установлены на тележках. Измерения расхода воды в реке производили для различных горизонтов; для выявления точности измерения ультразвуковые каналы были установлены и на шлюзах. Форма сечения реки принималась прямоугольной.
Для определения расхода воды в реке по результатам ультразвукового измерения предложена формула:
(2)
Где: α — длина пробега ультразвуковой волны; t1, t2 — время пробега ультразвукового импульса по течению и против течения воды; h — глубина потока; Q — угол пробега ультразвуковых колебаний.
В Японии проведены исследования по разработке ультразвуковых систем для измерения расхода воды в напорных трубопроводах ГЭС и каналах прямоугольной и трапецеидальной формы поперечного сечения. В частности, на рис.1 представлены схема установки ультразвукового канала в русле прямоугольной формы поперечного сечения (1…, n — ультразвуковые каналы; h1…, hn — расстояние между ультразвуковыми каналами; В — ширина русла), а также блок-схема для обработки ультразвуковых сигналов.
Рис. 1. Схема установки ультразвукового канала в русле прямоугольной формы поперечного сечения
По этой схеме осредненная вдоль ультразвукового канала скорость течения V воды может быть вычислена по формуле:
(3)
где ΔT — разность времени пробега ультразвуковых волн;
– среднее арифметическое значение времени пробега ультразвуковых волн; T1, T2 -время пробега ультразвуковых волн вдоль потока и против течения; L — длина канала волны. По законам геометрической оптики предложена схема и формула для измерения глубины потока воды (рис.2, где 1 — прямой сигнал; 2 — отраженный сигнал; Н — глубина потока).
Рис. 2. Схема для измерения глубины потока воды ультразвуковым методом
(4)
Поскольку λ ˂˂ L, то λ2 = 0, тогда 2,4 примет вид:
(5)
С учетом 
получим:
(6)
где λ — длина волны; c — скорость звука; f — частота.
Рис. 3. Схема разработанного устройства
Все разработанные ультразвуковые расходомеры пригодны для применения только там, где в открытом потоке созданы благоприятные гидравлические условия. Таким местом является сечение, достаточно удаленное от гидротехнического сооружения. Наличие большого времени запаздывания во всех измерительных системах явилось препятствием для автоматизации процессов регулирования (управления) воды. Необходимо организовать водоучет вблизи регулятора гидромелиоративной системы.
Для решения этой проблемы нами разработано устройство (рис. 3), содержащее щитовой затвор (I) с подъемником (2)» датчик скорости в виде пьезоэлектрических элементов (4), порог (3), укрепление пьезоэлектрических элементов на вилочной стойке (5), связанной кинематически с щитовым затвором» подъемные механизмы (6) вилки и затвор, а (8), горизонтальную балку (7) для закрепления измерительного механизма, блок управления (9).
На водовыпускном сооружении канала «Айрум» в Кашкадарьинской области Республики Узбекистан проводились испытания устройства для измерения и регулирования расхода воды [2].
По предложенной схеме не получены положительные результаты. Так, с увеличением скорости потока более 2 м/с из-за высокой турбулентности потока в месте установки устройства началось интенсивное затухание ультразвуковых колебаний. Испытания проводились с помощью ультразвуковых установок ДУК-20, УКБ-1 на частотах 60,100,150 кГц.
Таким образом, для измерения расхода воды в любом створе в первую очередь необходимо создать благоприятные гидравлические условия.
Литература:
- Кремлевский П. П. «Расходомеры и счетчики количества: Справочник. — 4-е изд., перераб. и доп. — Л.: Машиностроение. Ленинград, 1989. — 406 с.
- Махмудов Э. Ж. Совершенствование методов учета и регулирования расхода воды на гидротехнических узлах. Ташкент: Фан, 1989.- 200 с.
