Ультразвуковые расходомеры

Характеристики потоков могут быть определены при помощи ультразвуковых волн. Основная идея заключается в детектировании изменения частоты или сдви­га фаз, вызываемых подвиж­ной средой. Ультразвуковые датчики реализуются на основе либо эффекта Доплера, либо определения из­менений эффективной скорости ультразвука в среде. Эффективная скорость звука в подвижной среде равна скорости звука в этой среде плюс скорость среды относительно источника звука. Таким образом, распространение звуковой вол­ны против потока среды приве­дет к уменьшению эффективной скорости звука, а вдоль потока - к увеличению. Разность между этими двумя эффективными скоростями звука равна удвоенной скорости потока среды. Поэтому ультразву­ковые датчики для определения скорости потока измеряют скорость звука вдоль и против течения.

На рис. 4А показаны два ультразвуковых генератора, расположенные на двух противопо­ложных сторонах трубы, по которой течет поток жидкой среды. В каче­стве ультразвуковых ге­нераторов, как правило, используются пьезоэлектрические кристаллы. Каждый кристалл может использоваться либо для возбуждения ультра­звуковых волн, либо для их приема. Другими сло­вами, один и тот же кристалл при необходимости работает и как «громкоговоритель», и как «микрофон».

Кристаллы расположены на расстоянии D друг от друга под углом Ө по отно­шению к на­правлению потока. Также возможно располагать небольшие кристал­лы прямо внутри трубы строго по направлению потока (Ө = 0). Время распростра­нения звука между двумя кристал­лами А и В связано со средней скоростью пото­ка v_c следующим соотношением:

, (7)

где с - скорость звука в среде. Знак ± означает направление распространения зву­ка: вдоль потока или против него.

Для улучше­ния отношения сигнал/шум время распространения ультразвукового сигнала часто измеряется в двух направлениях, при этом оба пьезоэлектрических кристалла работают поперемен­но то приемниками, то передатчиками. Это можно реализовать при помощи пере­ключательного устройства, который работает со сравни­тельно низкой частотой.

В доплеровских расходомерах используется непрерывное излучение ультра­звуковых волн. На рис. 5 показан расходомер, в котором излучатель и прием­ник расположены внутри потока. Также как и в доплеровском радиоприемнике здесь происходит сложение частот излученного и принятого сигналов. для этого в схему включен нелинейный элемент - смеситель. Полосовой фильтр служит для ослабления ненужных гармоник выходного низкочастотного сигнала. Часто­та выходного сигнала определяется выражением:

, (8)

где f_s и f_r - частоты излучающего и принимающего кристаллов, а знак ± относится к разным на­правлениям потока.

Из выражения (8) видно, что разность частот прямо пропорциональна скорости по­тока. Очевидно, что размеры кристаллов должны быть гораздо меньше поперечного се­чения трубы, в которой измеряется скорость потока. Поэтому изме­ренная скорость явля­ется не средней, а ло­кальной скоростью по­тока. На практике всегда тре­буется калибро­вать ультразву­ковые датчики во всем темпера­турном диапазоне для каждой конкретной среды и также тре­буется учитывать вязкость ис­следуемой жидкости. Ультразвуковые пье­зоэлект­рические преобразователи изго­тавли­ваются в виде небольших керамических дис­ков, встроен­ных в корпус расходомера. Поверхность кристалла покрывается защитным мате­риалом (например, силиконовой резиной). Достоинство ультразвукового датчика заключается в его способности измерять поток без прямого контакта с жидкостью.