Применение ультразвуковых колебаний и волн для измерения неэлектрических величин

Данный методо основан на изменении скорости ультразвуковых колебаний в подвижной среде, которая равна геометрической сумме скорости среды и скорости звука в данной неподвижной среде, которая известна. Если ультразвуковые колебания распространяются в неподвижной среде со скоростью с, то в той же среде, движущейся со скоростью u , они будут распространяться в направлении движения потока со скоростью с + u cos ( a ) , а против потока — со скоростью с — u cos ( a ), где a — угол между направлениями потока и ультразвукового излучения. Время прохождения ультразвукового импульса от излучателя до приемника, расположенных друг от друга на расстоянии L, называемом базой, в направлении потока равно

             (2.24)

а против потока

              (2.25)

Существует несколько разновидностей ультразвукового метода измерения расхода:

· времяимпульсный,

· частотно-импульсный,

· доплеровский,

· фазовый

· на основе сноса ультразвуковых колебаний движущимся потоком.

Ультразвуковые методы в основном применяются для измерений расходов жидких сред. Для уменьшения нестабильности скорости звука от изменения температуры, плотности, давления и других факторов используются двухканальные расходомеры, включенные по дифференциальной схеме.

Времяимпульсный метод основан на измерении разности времени прохождения ультразвуковых импульсов по движению потока и против него

    (2.26)

где m — коэффициент, учитывающий отличие средней скорости потока u_ср от осредненной по длине луча скорости потока u; D — диаметр трубопровода.

Работа ультразвукового расходомера, основанного на частотно-импульсном методе, аналогична работе частотного расходомера действие, которого основано на методе ядерного магнитного резонанса. Каждый излучатель посылает импульс ультразвуковых колебаний в момент прихода предыдущего импульса на соответствующий приемник. Разность частот двух работающих таким образом автогенераторов пропорциональна измеряемому расходу:

(2.27)

Преимуществом частотно-импульсных расходомеров является независимость результатов измерений от скорости распространения ультразвука, если оба канала имеют одинаковые базы: L1=L2=L.

В фазовых расходомерах используется непрерывное излучение модулированных ультразвуковых колебаний, направленных по движению потока и против него, и измеряется разность фаз принятых приемником колебаний. Статическая характеристика таких расходомеров имеет вид

 (2.28)

где f_м — частота модуляции ультразвуковых колебаний.

 

Рисунок 2.17 Структурная схема фазового ультразвукового расходомера

На рисунке 2.17 показана структурная схема фазового ультразвукового расходомера. Ультразвуковые колебания, создаваемые генератором 1, модулируются с помощью модулятора 2 и генератора модуляции 11. Модулированные колебания поступают на возбудители 3 двухканального датчика, установленного на трубопроводе 4. Сигналы с приемников ультразвуковых колебаний 10 через усилители 5 и 9, демодуляторы 6 и 8 подаются на фазометр 7, показания которого пропорциональны расходу.

На основе фазового метода созданы приборы для измерения скорости морских течений, а также расходомеры для измерения расхода природного газа в широком диапазоне (Qmax/Qmin=4) с погрешностью 0,4%.

Источники погрешностей измерения . Всем ультразвуковым методам измерений расхода присуща методическая погрешность, обусловленная отличием измеряемой этими методами скорости движения среды, осредненной по пути от излучателя до приемника ультразвуковых колебаний, от скорости движения среды, осредненной по площади сечения трубопровода. Эта погрешность зависит от структуры потока, которая определяется рядом факторов, например шероховатостью трубопровода, физико-химическими свойствами перемещающейся среды и др. Рассматриваемая погрешность может быть уменьшена соответствующим выбором соотношения размеров ультразвукового канала и трубопровода с учетом его шероховатости.

Принцип работы акустических и ультразвуковых уровнемеров основан на использовании отражения волн от границы раздела сред. В акустических уровнемерах используется метод локации уровня через газовую среду, поэтому не зависит от характера контролируемой среды, но зависит от давления газа, запыленности. Ультразвуковые уровнемеры используют для однородных жидкостей, для сыпучих материалов не пригоден. Выходным сигналом такого датчика может быть амплитуда, фаза или частота следования сигналов. Время распространения акустического сигнала в среде зависит от измеряемого уровня: 

.                                      (2.29)

Ультразвуковые уровнемеры используют для измерения уровня жидкостей. Эти приборы отличаются по диапазонам измерения, версиями датчика и имеют разные технологические присоединения.

При работе в экстремальных условиях (в диапазоне криогенных температур, при высоких уровнях радиации и т.п.), а также при проведении измерений в замкнутом герметичном объеме, где невозможно разместить контактные датчики или использовать ИК преобразователи, бывает очень сложно измерить температуру объекта или среды. В таких случаях применяют акустические датчики температуры, принцип действия которых основан на реализации функциональной зависимости скорости звука от температуры среды, через которую он распространяется. Например, для сухого воздуха при нормальных условиях эта зависимость имеет вид:

 (м/с),                                 (2.30)

где Т – абсолютная температура.

Акустический датчик температуры состоит из трех компонентов: ультразвукового излучателя и приемника, а также герметичной полости, например, трубки, заполненной газом. Излучатель и приемник представляют собой керамические пьезоэлектрические пластины, акустически не связанные с трубкой, что обеспечивает распространение звука преимущественно через газ внутри трубки. В качестве газа чаще всего используют воздух.

Используют также конструкции преобразователей, в которых звук распространяется непосредственно в исследуемой среде. Но при этом необходимо соблюдать условие постоянства массы в измеряемом объеме газа. Для изготовления трубки часто используют инвар.

Рисунок 2.18 Акустический термометр с ультразвуковым преобразователем

Тактовое устройство данного прибора работает на низкой частоте (порядка 100 Гц). Его импульсы запускают передатчик и блокируют приемник. Приемник принимает сигнал только тогда, когда на него приходит разрешающий сигнал. Блок управления по времени распространения звуковой волны в среде определяет скорость звука, по которой вычисляется температура среды. При использовании отраженного сигнала применяют схему с одним пьезоэлементом, работающим на излучение и прием акустического сигнала.

Миниатюрные датчики температуры создают на основе ПАВ-датчиков. Их принцип действия основан на использовании температурной зависимости условий распространения поверхностных волн в чувствительном элементе измерительного преобразователя. Такие датчики являются преобразователями температуры в частоту, их чувствительность может достигать десятков кГц на один градус.

⇐ Предыдущая10111213141516171819Следующая ⇒

Поделиться: