Анализ известных технических решений
Принцип действия ультразвуковых расходомеров основан на законе распространения акустической волны в среде и зависимости скорости распространения колебаний от состояния, свойств и параметров среды.
Ультразвуковые расходомеры являются наиболее часто используемыми типом акустических расходомеров, основанных на перемещении акустических колебаний движущейся средой и расходомеров, основанных на эффекте Доплера.
Главное распространение получили приборы, основанные на измерении разности времен прохождения акустических колебаний по потоку и против него.
Ультразвуковые расходомеры обычно служат для измерения объемного расхода, потому что эффекты, возникающие при прохождении акустических колебаний через поток жидкости или газа, связаны со скоростью последнего. Приведенная погрешность ультразвуковых расходомеров лежит в пределах от 0,1 до 2,5%, но в среднем может быть оценена цифрами 0,5-1%. Значительно чаще рассматриваемые расходомеры применяют для измерения расхода жидкости, а не газа, вследствие малого акустического сопротивления последнего и трудности получения в нем интенсивных звуковых колебаний. Ультразвуковые расходомеры пригодны для труб любого диаметры, начиная от 10мм и более.
Существующие расходомеры очень разнообразны как по устройству первичных преобразователей, так и по применяемым измерительным схемам. При измерении расхода чистых жидкостей обычно применяют высокие частоты (0,1-10 МГц) акустических колебаний.
|
|
|
Для ввода акустических колебаний в поток и для приема их на выходе из потока используют пьезоэлементы, при сжатии и растяжении которых на их поверхностях образуются электрические заряды и, наоборот, если к этим поверхностям приложить разность электрических потенциалов, то пьезоэлемент растянется или сожмется в зависимости от того, на какой из поверхностей будет больше напряжение. На этом основана работа измерителей, преобразующих переменное электрическое напряжение в акустические (механические) колебания той же частоты (обратный пьезоэффект). На прямом пьезоэффекте работают приемники, преобразующие акустические колебания в переменное напряжение
Для получения интенсивных акустических колебаний надо работать на резонансной частоте fр пьезоэлемента
fр=сn/2σ, (1)
где сn- скорость ультразвука в пьезоэлементе; σ-толщина пьезоэлемента.
При σ=1мм fр=2,85МГц для кварца, 2,25 для титаната бария,1,8 для цирконата титаната свинца и 2 МГц для ниобата титаната свинца. При чистых жидкостях целесообразно работать на высоких резонансных частотах fр и поэтому следует применять тонкие пьезокерамические пластины. Излучатели и приемники в большинстве случаев изготавливают в виде круглых дисков диаметры 5-20мм.
|
|
|
Как правило оси излучающих и приемных пьезоэлементов расположены под некоторым углом α к оси трубы. Если излучение звуковой волны направлено в сторону движения потока, то время τ1 прохождения им расстояния L определяется из уравнения
τ1=L/(c+VL*cosα), (2)
где: с-скорость распространения ультразвуковых колебаний в неподвижной измеряемой среде, VL – скорость потока; при обратном направлении излучения, время τ2 составит
τ2=L/(c-VL*cosα). (3)
Из выражений (2) и (3) с учетом, что VL<<c, получаем разность времен прохождения ∆τ
∆τ=τ2-τ1=2L*VL*cosα/c2. (4)
Имеется несколько способов измерения очень малого значения ∆τ: фазовый метод, при котором измеряется разность фазовых сдвигов акустических колебаний, направленных по потоку и против него (фазовые расходомеры); время-импульсный метод, основанный на непосредственном измерении разности времен прохождения коротких импульсов по потоку и против него (время-импульсные расходомеры); частотный метод, при котором измеряется разность частот повторения коротких импульсов или пакетов акустических колебаний , направленных по потоку и против него (частотные расходомеры), доплеровский метод и метод на основе измерения интенсивных колебаний при сносе их потоком.
|
|
|
Фазовые расходомеры были раньше самыми распространенными среди ультразвуковых расходомеров, но в настоящее время преимущественное применение имеют частотные расходомеры, с помощью которых можно получить более высокую точность измерения.
Для время-импульсных расходомеров значение ∆τ очень мало:
10-6-10-10с, а погрешность измерения должна быть не более 10-8-10-10с, что предъявляет повышенные требования к схемной реализации метода измерения. Время-импульсные расходомеры в большинстве случаев одноканальные расходомеры и работают на очень коротких импульсах длительностью 0,1-0,2мкс. При этом необходимость переключения пьезоэлементов с излучения на прием также создает существенные сложности при схемной реализации.
В одном из первых частотно-пакетных расходомеров, предназначенных для трубы диаметром 100мм, была принята частота 10МГц, при этом разность измеряемых частот f1 и f2 (около 5000Гц) по потоку и против него составляет 50Гц.
В частотно-импульсных расходомерах генератор вырабатывает не непрерывные колебания, а короткие импульсы. Последние поступают к излучающим пьезоэлементам с интервалами, равными времени прохождения ультразвука по и против скорости потока. У них частоты f1 и f2 в два раза больше, чем у частотно-пакетных расходомеров.
|
|
|
По числу акустических каналов ультразвуковые расходомеры подразделяются на однолучевые или одноканальные, двухлучевые или двухканальные и многолучевые или 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.
Дата добавления: 2018-06-01; просмотров: 162; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!