Преобразователи ультразвуковых расходомеров

Преобразователь ультразвукового расходомера со­стоит из отрезка трубы, на котором установлены два или четыре пьезоэлемента. За редким исключением применяют дисковые пьезоэлементы диаметром d и толщиной , дающие направленное излучение. Степень этой направленности зависит от волнового параметра , где L — расстояние от излучателя до приемника; – длина волны в измеряемом веществе.

Обычно диаметр пьезоэлементов берут в пределах (5—20) мм, а их толщину в зависимости от частоты f по формуле . В частотных и времяимпульсных расходомерах выбирают высокую частоту (5—10) МГц, а иногда даже и 20 МГц, потому что увеличение f способствует повышению точности измерения. В фазовых расходомерах частота выбирается так, чтобы при Q_max получить наибольшую разность фаз, которая может быть измерена фазо­метром. Обычно применяется частота от 50 кГц до 2 МГц. Это относится к жидкостям. В газовых же средах приходится снижать частоту до сотен и десятков килогерц из-за трудности создания в газах интенсивных акустических колебаний, особенно высокой частоты.

При малых диаметрах труб иногда применяют не дисковые, а кольцевые излучатели и приемники.

На рис. 1 показаны основные схемы преобразователей уль­тразвуковых расходомеров. В первых двух схемах (рис. 1, а, б) применяют кольцевые пьезопреобразователи, создающие не на­правленное, а сферическое излучение. Первая из этих схем (а) одноканальная, в которой каждый из двух пьезоэлементов по очереди излучает и принимает акустические колебания. Вторая схема (б) двухканальная, средний пьезоэлемент — излучающий, а два крайних — приемные. Преобразователи сферического из­лучения применяются лишь в трубах весьма малого диаметра D, чтобы получить достаточную длину L измерительного участка, которая при угловом вводе направленного излучения была бы при малых значениях D очень мала. Получить большую длину L можно и с дисковыми преобразователями, если излучение направ­лено вдоль оси трубы (рис. 1, в, г), если имеется многократное отражение волны от стенки трубы (рис. 1, ж), если применены отражатели (рис. 1, д) или специальные волноводы (рис. 1, е). Последние особенно целесообразны при необходимости защиты пьезопреобразователя от агрессивной среды. Схема по рис. 1, г – двухканальная, остальные – одноканальные. Значительно чаще применяются схемы с угловым вводом направленных акустиче­ских колебаний. На рис. 1, ж – к показаны одноканальные, а на рис. 1, л, м – двухканальные схемы. В большинстве случаев (рис. 1, ж—и, л, м) трубопроводы снабжаются особыми впади­нами — карманами, в глубине которых помещены пьезоэлементы. Полости карманов могут быть свободными (рис. 1, ж, з, л, м) или же заполнены звукопроводом из металла или органического стекла (рис. 1, и). В некоторых случаях (рис. 1, к) пьезо­элементы находятся снаружи трубопровода. Они передают аку­стические колебания через металлический, а иногда и жидкостный звукопровод стенки трубы и далее изме­ряемому веществу. Преобразователи по схемам на рис. 1, и, к работают с преломлением звукового луча. Особая схема преобра­зователя с многократным отражением показана на рис. 1, ж. Для увеличения пути звуковой луч движется зигзагообразно, от­ражаясь от противоположных стенок канала.

Преобразователи со свободными карманами во избежание их засорения применяют лишь для чистых и неагрессивных сред. Тем не менее, некоторые фирмы предусматривают подвод воды для очистки. Другой их недостаток - возможность появле­ния вихреобразования. Это влияние уменьшается с уменьшением отношения d_K/D, где d_K — внутренний диаметр кармана.

Преобразователи с преломлением (рис. 1, и, к) лишены этих недостатков. Кроме того, они способствуют снижению реверберационной погрешности, так как предотвращают попадание на приемный элемент отраженных колебаний. Но при изменении тем­пературы, давления и состава измеряемого вещества угол прелом­ления и скорость звука в материале звукопровода будут из­меняться.

Важное преимущество преобразователей с внешними пьезоэлементами (рис. 1, к) — это отсутствие контакта с измеряемым веществом и ненарушение целостности трубопровода. Однако в нем имеется повышенный уровень паразитных сигналов и помех, вызванных прохождением акустических колебаний по стенке трубы, и чувствительность его значительно хуже.

3.4. Принцип действия и разновидности расходомеров.

В большинстве случаев плоскости излучающих и приемных пьезоэлементов расположены под некоторым углом к оси трубы. Тогда акустические колебания под углом к оси трубы проходят в измеряемом веществе путь длиною L. Обозначим через скорость потока, усредненную по длине L. Ее проекция на направление L будет . Если звуковой луч направлен в сторону движения потока, то время прохождения им расстояния L определится из уравнения , где с — скорость распространения акустических колебаний в не­подвижном измеряемом веществе. При обратном направлении звукового луча время прохождения им того же расстояния L будет больше, как это следует из уравнения . Придав этим уравнениям вид и

и, вычитая одно из другого, получим

Учитывая, что < 10^-3, найдем

Если акустические колебания направлены вдоль оси трубы, =1 и , где – осевая скорость потока.

Таким образом, разность времен прямо пропорциональна скорости или .

Имеется несколько способов измерения очень малого значе­ния : фазовый, при котором измеряется разность фазовых сдви­гов акустических колебаний, направляемых по потоку и против него (фазовые расходомеры); времяимпульсный метод, основанный на непосредственном измерении разности времени прохождения коротких импульсов по потоку и против него (времяимпульсные расходомеры); частотный метод, при котором измеряется разность частот повторения коротких импульсов или пакетов акустических колебаний, направляемых по потоку и против него (частотные расходомеры). Наибольшее распространение получил последний метод и его разновидности.

По числу акустических каналов ультразвуковые расходомеры подразделяются на однолучевые (одноканальные), двухлучевые (двухканальные) и многолучевые (многоканальные). У первых имеются только два пьезоэлемента, каждый из которых по очереди выполняет функции излучения и приема. Их существен­ное достоинство - отсутствие пространственной асимметрии аку­стических каналов, зависящих от различия их геометрических размеров, а также различия температур и концентрации потока в них. Вторые имеют два излучателя и два приемника, образую­щих два независимых акустических канала, которые распола­гаются параллельно или перекрещиваются друг с другом. Много­канальные применяются при необходимости измерения расхода деформированных потоков или же для достижения повышенной точности, в частности, в случае применения ультразвукового расходомера в качестве образцового.

 

⇐ Предыдущая12345Следующая ⇒

Поделиться: