Ультразвуковые расходомеры

Характеристики потоков могут быть определены при помощи ультразвуковых волн. Основная идея заключается в детектировании изменения частоты или сдви­га фаз, вызываемых подвижной средой. Ультразвуковые датчики реализуются на основе либо эффекта Доплера (см. раздел 6.2 главы 6), либо определения из­менений эффективной скорости ультразвука в среде. Эффективная скорость звука в подвижной среде равна скорости звука в этой среде плюс скорость среды относительно источника звука. Таким образом, распространение звуковой вол­ны против потока среды приведет к уменьшению эффективной скорости звука, а вдоль потока — к увеличению. Разность между этими двумя эффективными скоростями звука равна удвоенной скорости потока среды. Поэтому ультразву­ковые датчики для определения скорости потока измеряют скорость звука вдоль и против течения.

На рис. 11.7А показаны два ультразвуковых генератора, расположенные на двух противоположных сторонах трубы, по которой течет поток жидкой среды. В каче­стве ультразвуковых генераторов, как правило, используются пьезоэлектрические кристаллы. Каждый кристалл может использоваться либо для возбуждения ультра­звуковых волн, либо для их приема. Другими словами, один и тот же кристалл при необходимости работает и как «громкоговоритель», и как «микрофон».

Кристаллы расположены на расстоянии D друг от друга под углом в по отно­шению к направлению потока. Также возможно располагать небольшие кристал­лы прямо внутри трубы строго по направлению потока (6= 0). Время распростра­нения звука между двумя кристаллами А и В связано со средней скоростью пото­ка v_c следующим соотношением:

где с — скорость звука в среде. Знак ± означает направление распространения зву­ка: вдоль потока или против него. Скорость v_c — это скорость потока, усредненная вдоль пути распространения ультразвука. Гесснер [4] показал, что для ламинар­ного потока v_c = 4v_a/3, а для турбулентного — v_c = 1.07v_a, где v_a — средняя скорость потока через поперечное сечение. Определив разность между скоростями звука вдоль и против течения потока, можно найти, что [5]:

Это выражение справедливо для большинства случаев, когда c>>v_ccos#. Для улучше­ния отношения сигнал/шум время распространения ультразвукового сигнала часто измеряется в двух направлениях, при этом оба пьезокристалла работают поперемен­но то приемниками, то передатчиками. Это можно реализовать при помощи пере­ключательного устройства, показанного на рис. 11.8, который работает со сравни­тельно низкой частотой (например, 400 Гц). Синусоидальные ультразвуковые волны

(с частотой около 3 МГц) передаются в импульсном режиме с той же самой мед­ленной тактовой частотой (400 Гц). Принятый ВЧ сигнал отстает от переданного на время Т. Величина этой задержки зависит от скорости потока среды (рис. 11.7Б). Время Т измеряется при помощи времяпролетного детектора, а синхронный де­тектор используется для определения разницы времен AT, затраченных на рас­пространение сигнала вдоль и против течения потока. Такой ультразвуковой дат­чик обладает достаточно высокой точностью, его дрейф нуля составляет 5 • 10^-3 м/с² в течение 4-х часового интервала времени.

Альтернативный способ измерения расхода при помощи ультразвуковых дат­чиков заключается в определении разности фаз между переданным и принятым импульсным сигналом. Выражение для разности фаз можно вывести из уравне­ния (11.18):

(11.19)

где f- частота ультразвукового сигнала. Очевидно, что чем выше частота, тем луч­ше чувствительность датчика. Однако при повышении частоты усиливается ослаб­ление звука в системе, что может привести к снижению отношения сигнал/шум.

В доплеровских расходомерах используется непрерывное излучение ультра­звуковых волн. На рис. 11.9 показан расходомер, в котором излучатель и прием­ник расположены внутри потока. Также как и в доплеровском радиоприемнике здесь происходит сложение частот излученного и принятого сигналов. Для этого в схему включен нелинейный элемент — смеситель. Полосовой фильтр служит для ослабления ненужных гармоник выходного низкочастотного сигнала. Часто­та выходного сигнала определяется выражением:

(11.20)

где f_s и f_r — частоты излучающего и принимающего кристаллов, а знак ± относится к разным направлениям потока. Из выражения (11.20) видно, что разность частот прямо пропорциональна скорости потока. Очевидно, что размеры кристаллов должны быть гораздо меньше поперечного сечения трубы, в которой измеряется

скорость потока. Поэтому изме­ренная скорость является не средней, а локальной скоростью потока. На практике всегда тре­буется калибровать ультразву­ковые датчики во всем темпера­турном диапазоне для каждой конкретной среды и также тре­буется учитывать вязкость ис­следуемой жидкости.

Ультразвуковые пьезоэлект­рические преобразователи изго­тавливаются в виде небольших керамических дисков, встроен­ных в корпус расходомера. Поверхность кристалла покрывается защитным матери­алом (например, силиконовой резиной). Достоинство ультразвукового датчика зак­лючается в его способности измерять поток без прямого контакта с жидкостью.

Поиск по сайту: