|
|
|
УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫХарактеристики 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 отображены два ультразвуковых генератора, расположенные на двух противоположных сторонах трубы, по той 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».
Рис. 11.7. Ультразвуковой расходомер. А — положение
приемно-передающих кристаллов в потоке среды, Б — форма звуковых волн
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. Время
распространения звука между двумя кристаллами А и В связано со средней
скоростью потока v следующим соотношением:
где с — скорость звука в среде. Знак ± означает направление
распространения звука: вдоль потока или против него. Скорость v — это скорость
потока, усредненная вдоль пути распространения ультразвука. Гесснер [4]
показал, что для ламинарного потока vc = 4v/3, а для турбулентного — vc = 1
-07va, где va — 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>>vccos#. 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, отображенного на рис. 11.8,
который работает со сравнительно низкой частотой (к примеру, 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 • 103
м/с2 в течение 4-х часового интервала времени.
Рис. 11.8. Схема ультразвукового расходомера, в котором
каждый кристалл играет роль и передатчика, и приемника
Альтернативный способ измерения расхода при помощи
ультразвуковых сенсоров заключается в определении разности фаз между переданным
и принятым импульсным сигналом. Выражение для разности фаз можно вывести из
уравнения:
где/- 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 отображен 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:
где/ и/ — 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 той
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 (к примеру,
силиконовой резиной). Достоинство ультразвукового датчика заключается в его
способности измерять поток без прямого контакта с жидкостью.
Рис. 11.9. Ультразвуковой доплеровский расходомер
.
Информация исключительно в ознакомительных целях. При использовании материалов этого сайта ссылка обязательна.Правообладатели статей являются их правообладателями. |
По вопросам размещения статей пишите на email:
|
