2. УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ

Принцип действия ультразвукового расходомера основан на том, что при распространении ультразвуковых колебаний в движущейся среде скорость ультразвука относительно неподвижной системы координат (стенок трубопровода) равна векторной сумме скорости ультразвука относительно среды и скорости самой среды относительно трубопровода [2].

Рис. VI.9. (см. скан) Возможные схемы ультразвуковых расходомеров

Принцип действия ультразвуковых расходомеров может быть основан на измерении интервалов времени сдвига фаз между ультразвуковыми колебаниями, направленными попеременно по потоку и против него, а также на измерении разности частот ультразвуковых колебаний, создаваемых автоколебательной схемой и направляемых одновременно по потоку и против него. Кроме этого, разработаны расходомеры, основанные на отклонении звукового луча потоком. Общая классификационная таблица взаимного расположения пьезоэлементов приведена на рис. VI. 9.

Рис. VI. 10. Принципиальная схема ультразвукового расходомера, в котором расход определяется по фазовому сдвигу

Ультразвуковые расходомеры с фазометрическими преобразователями. На рис. VI. 10 показана схема расходомера с фазометрическим преобразователем, образованным двумя пьезоэлементами установленными в патрубке, по которому перемещается измеряемая жидкость.

Коммутатор К попеременно соединяет с пьезоэлементами генератор Г электрических сигналов и усилитель У воспринимаемого сигнала. Таким образом, пьезоэлементы попеременно работают как излучатели и как приемники ультразвуковых колебаний, прошедших через жидкость. Генератор создает

синусоидальное напряжение ультразвуковой частоты преобразуемое в прямоугольное. Сигнал с генератора подается через усилитель на сетку лампы Ф фазометра, одновременно с усилителя на другую сетку лампы фазометра поступает сигнал с приемного пьезоэлемента, сдвинутый по фазе относительно сигнала, поступающего с генератора. Анодный ток в лампе фазометра проходит только в течение тех отрезков времени, когда на обеих сетках имеется положительное напряжение, поэтому среднее значение тока будет изменяться в соответствии со сдвигом фаз двух поступающих сигналов. О величине расхода можно судить по стрелочному прибору установленному в синхронном выпрямителе

Мгновенное значение напряжения, приложенного к излучающему пьезоэлементу, равно

где — амплитудное значение напряжения.

Напряжение на приемном пьезоэлементе после прохождения ультразвуковых колебаний через движущуюся среду

где — амплитудное значение напряжения на приемном пьезоэлементе;

— время распространения ультразвуковых колебаний на расстояние а между пьезоэлементами в сек.

Разность фаз между исходным колебанием и колебанием, направленным по потоку жидкости и прошедшим расстояние равна

где и с — соответственно скорости потока жидкости и распространения звуков жидкости в

Разность фаз при движении колебаний против потока равна

Разность между двумя фазовыми сдвигами пропорциональна скорости движения жидкости:

так как при условии . В таком устройстве еличина смещения фазы соответствующих сигналов зависит не только от измеряемой скорости потока, но и от скорости звука в данной среде.

Для того чтобы исключить влияние скорости звука в специальном блоке, осуществляется вычитание величин, обратно пропорциональных фазовым смещениям. При этом производятся следующие преобразования.

На выходе фазометрического блока попеременно получаются напряжения

где — коэффициент пропорциональности.

Токи в обоих каналах фазометрического блока будут соответственно равны:

Разность токов пропорциональна скорости потока, т. е.

где — коэффициенты пропорциональности.

На величину сигнала не влияет скорость распространения ультразвука в данной среде.

Ультразвуковые преобразователи с частотными преобразователями. Схема расходомера этого типа с четырьмя пьезоэлементами приведена на рис. VI. 11.

Рис. VI.11. Схема расходомера с импульсной модуляцией ультразвуковых колебаний: — излучающие пьезоэлементы; воспринимающие пьезоэлементы; Г — генератор несущей частоты; — модуляторы; усилители; — детекторы; ВП — вторичный преобразователь

Пьезоэлемент создает направленные ультразвуковые излучения частотой воспринимаемые приемным пьезоэлементом Время распространения излучений через неподвижную жидкость на расстояние составляет где с — скорость распространения звука.

При перемещении жидкости в патрубке скорость потока в направлении движения ультразвуковых колебаний будет равна Соответственно время прохождения колебаний между преобразователями по потоку жидкости будет составлять

Время прохождения колебаний между пьезоэлементами против направления потока

Период Ту повторения прямоугольных импульсов, направляемых по потоку, равен

а их частота

Соответственно для импульсов, направляемых против потока,

Разность частот будет равна

Так как величины являются постоянными для данной конструкции, то т. е. сигнал линейно зависит от скорости потока. Влияние изменений физических параметров среды на результат измерения исключено.