Ультразвуковые расходомеры

Ультразвук представляет собой колебательное движение частиц упругой среды (газов, жидкостей, твердых тел), распространяющееся в этой среде в виде волн и имеющее частоту колебаний от 20 кГц до I ГГц (см.

В работе ультразвуковых расходомеров используют различные яв­ления, сопровождающие распространение ультразвука в жидких и га­зообразных средах. В ультразвуковых расходомерах для создания ультразвуковых колебаний обычно используются пьезоэлектриче­ские преобразователи, принцип действия которых подробно рас­смотрен в гл. 4. С помощью этих же преобразователей осуществляется преобразование ультразвуковых колебаний в электрический сигнал.

На рис. 10.6 показаны схемы прямого (рис. 10.6, а), наклонного (рис. 10.6, б) и раздельно-совмещенного (рис. 10.6, в) пьезоэлектри­ческих преобразователей.

1 — электроды; 2 — корпус; 3 — катушка индуктивности; 4 — изолятор; 5 — проводник; 6 —- демп­фер; 7—пьезоэлектрическая пластина; 8— протектор; 9— призма; 10—электроакустический экран

Рис. 10.6. Схемы пьезоэлектрических преобразователей:

4 10

Основным их элементом является пьезоэлектрическая пластина (обычно из цирконата-титаната свинца), снабженная напыленными электродами, к которым подводится напряжение при использовании пьезоэлектрического преобразователя в качестве измерителя ультра­звуковых колебаний, или отводится электрический сигнал при ис­пользовании пьезоэлектрического преобразователя в качестве при­емника ультразвуковых колебаний. Пластина приклеена или прижата одной стороной кдемпферу, а другой — к протектору, который защи­щает пьезопластину от механических и химических воздействий.

Демпфер служит для ослабления свободных колебаний пьезопла­стины и обеспечивает распространение создаваемых колебаний толь­ко в одном направлении. Демпфер обычно изготовляют из эпоксид­ных смол с добавкой порошковых наполнителей. Призмы (рис. 10.6, б, в), используемые для преломления звуковых колебаний, делают из материалов, в которых звук распространяется с небольшой скоро­стью (оргстекло, поликарбонат, эпоксидные компаунды и др.), что позволяет при небольших значениях угла падения р получать значи­тельные углы преломления ультразвуковых колебаний. Катушка ин­дуктивности служит для компенсации своим реактивным индуктив­ным сопротивлением емкостного реактивного сопротивления пьезо­электрической пластины с электродами, образующими конденсатор. При таком условии сопротивление пьезоэлектрического преобразо­вателя близко к активному, что в большой степени исключает иска­жение принимаемых и создаваемых пьезоэлектрическим преобразо­вателем сигналов.

Прямой пьезоэлектрический преобразователь (рис. 10.6, а) созда­ет и принимает ультразвуковые колебания, направленные перпенди­кулярно плоскости его протектора, а наклонный — ультразвуковые колебания, направленные к плоскости протектора под некоторым уг­лом а.

В раздельно-совмещенном преобразователе (рис. 10.6, в) функ­ции излучателя и приемника выполняются отдельными пьезоэлек­трическими пластинами. Излучающая пьезоэлектрическая пластина подключается к генератору электрических колебаний, а приемная пьезоэлектрическая пластина — к электронному усилителю.

Названные пластины отделены одна от другой электроакустиче­ским экраном, который исключает передачу ультразвука от излучаю­щей пластины к приемной.

Применение наклонного и раздельно-совмещенного преобразо­вателей часто упрощает конструкцию ультразвуковых расходомеров.

Для достижения максимальной эффективности передачи ультра­звуковых колебаний пространство между протектором и тканью, в которую посылаются эти колебания, должно быть заполнено иммер­сионной (лат.

Создаваемые при работе пьезоэлектрического преобразователя ультразвуковые колебания локализуются в некоторой области, рас­положенной в направлении распространения излучения, составляю­щей звуковое поле измерения — приема (звуковым полем в акустике называют область упругой среды, в которой имеются звуковые вол­ны). Это поле состоит из двух зон: ближней и дальней.

В ближней зоне (зона Френеля) ультразвуковые луч и практически не расходятся, распространяясь в некоторой цилиндрической зоне, имеющей длину 4 и диаметр, равный диаметру пьезоэлектрической пластины d„. Интенсивность колебаний в этой зоне неоднородна Здесь наблюдается множество максимумов и минимумов интенсив кости, связанных с явлением интерференции. Длина ближней зоны определяется в первом приближении выражением

/-*L

⁵ 4А. ’

где А, — длина волны ультразвуковых колебаний.

В дальней зоне (зоне Фраугофера) интерференция ослабевает, луч начинает расходиться, образуя некоторый конус, а его интенсивность падает обратно пропорционально расстоянию от излучающей пьезо­электрической пластины. Угол расходимости луча 0 описывается вы­ражением

. _Q 1,2А, sinG = —— .

Как видно из этого выражения, для увеличения длины ближнего поля необходимо увеличить диаметр излучающей пластины и частоту подводимых к ней электрических колебаний.

В настоящее время разработано много различных схем ультразву­ковых преобразователей. В медицинской практике применяют вре- мяпролетные и допплеровские ультразвуковые расходомеры. Прин­цип действия времяпролетных ультразвуковых расходомеров (рис. 10.7) состоит в измерении времени движения ультразвука между источни­ком и приемником этого звука, которое зависит от скорости и на­правления движения измеряемого потока жидкости или газа.

Рис. 10.7. Схемы ультразвуковых расходомеров:

П, и П₂ — пьезоэлектрические преобразователи; 1 — трубопровод или сосуд; 2— измерительно-ге­нераторный блок; 3 — генератор; 4 — электронный усилитель; 5 — смеситель; 6 — фильтр низких частот; 7—преобразователь частота — напряжение; 8—вольтметр; 9—ткань; 10—форменные эле­менты крови

В расходомере, показанном на рис.

10.7, б, — кольцевые, создающие сферическое ультразвуковое излу­чение. Оба рассматриваемых расходомера работают следующим об­разом. От преобразователя П_ь служащего первоначально излучате­лем, посылается импульс ультразвука в поток жидкости или газа. Этот импульс за время t_x достигает преобразователя П₂, который в этот период работы устройства служит приемником ультразвука и вы­зывает его сигнал, воспринимаемый измерительно-генераторным блоком. В следующий период работы устройства пьезопреобразова­тель П₂ служит излучателем, а Пі — приемником. Импульс ультразву­ка, созданный преобразователем П₂, через время /₂ достигнет преоб- разователя П, и вызовет его сигнал, воспринимаемый измеритель­но-генераторным блоком.

В расходомере (см. рис. 10.7, а) составляющая W_x скорости W, равная Wsin а, при распространении импульса ультразвука от преоб­разователя ГІ! к преобразователю П₂ складывается со скоростью зву­ка, а при движении импульса звука в обратном направлении — вычи­тается из нее. Поэтому, при одном и том же пути, равном D/cos а (D — внутренний диаметр трубопровода или сосуда), время 1, будет меньше, чем время t₂. При этом ti и t₂ описываются выражениями:

D D (

W .

S1I1 (X

¹ (^зв +В⁷" sin a) cos a W._m cos а

D D (. W .

t₂ =------------------------------------------------------------- ~--------------------- I + -- - S1H (X

(W_3B - W sin a) cos a W._m cos a I IV._m

Измеряя разность времени t₂ — U при известных параметрах участка трубопровода или сосуда, можно определить расход жидко­сти или газа:

А /^2ДЧ