1.4 Ультразвуковые частотные расходомеры.

Ультразвуковые частотные расходомеры разделяются на частотно-пакетные и частотно-импульсные.

В ультразвуковых частотно-пакетных расходомерах колебания, направляемые по и против скорости потока, с помощью импульсной схемы преобразуются в такие колебания, периоды которых равны удвоенному времени прохождения ультразвука между вибраторами по потоку и против него. Измеряемая прибором разность частот полученных колебаний оказывается прямо пропорциональной скорости или расходу жидкости.

Блок-схема подобного расходомера показана на рисунке 1.10.

Рисунок 1.10 - Двухканальный частотно-пакетный расходомер: а - схема расходомера; б - колебания на тракте И1 и П1; в - колебания на тракте И2 и П2; г - работа модулятора М1; д - работа модулятора M2

Генератор Г, создающий синусоидальные колебания высокой частоты (10 МГц), подает последние через модуляторы M1 и М2 на излучающие вибраторы И1 и И2. Первый из них посылает ультразвуковые колебания под углом  к направлению скорости. Эти колебания воспринимаются приемным вибратором П1, находящимся на расстоянии L от вибратора И1. Время Т1 прохождения ультразвуковых колебаний между вибраторами И1 и П1 будет равно Т1 = . Аналогично время Т2 прохождения колебаний между вибраторами И2 и П2 равно Т2 = . Как только первые колебания, поступающие на приемные вибраторы П1 и П2, и затем проходящие через

усилители У1 и У2 и детекторы Д1 и Д2, достигнут модуляторов M1 и М2, последние, работающие в триггерном режиме, запирают проход колебаний от генератора к вибраторам И1 и И2, и излучение ультразвуковых колебаний прекращается. Оно возобновляется в те моменты, когда последние ультразвуковые колебания первых пакетов достигнут приемных вибраторов П1 и П2 и генерация последними электрических колебаний прекратится. В эти моменты модуляторы М1 и М2 вновь открывают проход электрических колебаний от генератора к излучателям И1 и И2 и процесс повторится. Легко видеть, что время работы и время «молчания» вибраторов И1 и П1 будет равно Т1, а время работы и время «молчания» вибраторов И2 и П2 будет равно Т2. Частота первого цикла f1будет очевидно равна , а второго f2 будет равна . Таким образом, на вход смесительного каскада СМ поступают два колебательных процесса: один с частотой f1 и второй с частотой f2. На выходе каскада получаем разность частот f1- f2 имеющую следующее значение

f1- f2= .

Весьма ценным является то, что разность частот (f1- f2) прямо пропорциональна скорости потока υ и не зависит от скорости распространения звука с.

В построенном приборе порядок частот f1 и f2 равен 5 кГц, а их разность f1- f2 при максимальном расходе равна 50 Гц. Расстояние между излучающими и приемными вибраторами 150 мм; диаметр трубопровода 100 мм; относительная погрешность прибора в пределах ±2 % от максимального значения шкалы.

Было бы весьма полезно повысить величину измеряемой разности частот f1- f2. Это позволило бы сократить время , необходимое для измерения f1-f2 и, следовательно, повысить быстродействие прибора.

Одним из путей в этом направлении, позволяющим увеличить f1- f2 в два раза, является применение генератора, вырабатывающего не непрерывные колебания, а короткие импульсы, интервалы между которыми равны времени прохождения ультразвука по и против скорости потока. Подобный прибор называется частотно-импульсным расходомером.

Другим способом является предложение выделять из частот f1 и f2 n-е гармоники и затем уже определять их разностную частоту, которая очевидно будет равна n(f1-f2).

Для устранения возможных перекрестных наводок в двух рядом расположенных акустических каналах иногда применяют в них разные несущие частоты, например, 85 и 135 кГц.

.5 Ультразвуковые время - импульсные расходомеры

В ультразвуковых время - импульсных расходомерах производится измерение разности времен  прохождения коротких импульсов по направлению скорости потока υ и против него. Величина  определяется формулой

= ,

из которой следует, что  прямо пропорционально скорости потока υ. Однако величина  весьма мала 10^-6…10^-7 c. при расходе, соответствующем пределу шкалы. Следовательно, измерять необходимо с точностью 10^-8…10^-9 с. Это является весьма трудной задачей, требующей для своей реализации весьма сложных электронных измерительных схем. В этом состоит причина, почему время- импульсные расходомеры применяются значительно реже, чем фазовые или частотные расходомеры, измерительные схемы которых оказываются более простыми.

1.6 Ультразвуковые расходомеры со сносом излучения

В данных ультразвуковых приборах для измерения расхода или скорости потока излучающий вибратор 1, показанный на рисунке 1.11, возбуждается генератором 5 и создает колебания, направленные перпендикулярно к оси потока. На противоположной стороне трубы установлены два приемных вибратора 2 и 3, обычно симметрично относительно излучающего вибратора. Чем больше скорость потока, тем сильнее отклоняются ультразвуковые колебания по направлению этой скорости.

Рисунок 1.11 - Схема расходомера со сносом ультразвукового излучения: 1 - излучатель; 2,3 - приемник; 4 - дифференциальный усилитель; 5 - генератор

При узко направленном луче, перпендикулярном стенке трубопровода, угол отклонения луча  определяется уравнением tg  = , а линейное отклонение у приемных вибраторов х = d = d( ). При скорости потока υ равным нулю оба приемных вибратора получают равное количество энергии. С повышением скорости количество энергии, поступающее на вибратор 3, увеличивается, а на вибратор 2 уменьшается. Сигналы с вибраторов 2 и 3 поступают на дифференциальный усилитель 4, сравнивающий интенсивности двух поступающих сигналов. Возможны и другие методы измерения величины отклонения ультразвуковых колебаний скоростью потока. С помощью приборов данного типа трудно получить высокую точность измерения, поскольку величина отклонения х очень мала особенно при измерении расхода жидкости. Так, при d= 100 мм, υ = 1,5 м/с и с = 1500 м/с имеем х = 0,1 мм.

Применение данных приборов для газа более оправдано, поскольку здесь скорости υ больше, чем у жидкости, а скорость с, наоборот, меньше. Здесь при d= 100 мм, υ= 15 м/с и с=350м/с имеем х = 4,2 мм.

Для увеличения чувствительности данного метода были предложены и осуществлены расходомеры со сносом, в которых излучаемые колебания направлены не по перпендикуляру: к оси трубы, а образуют небольшой угол с ним. Затем эти колебания многократно отражаются от стенок и попадают на два рядом расположенные приемные пьезоэлементы (рисунок 1.12), сигналы от которых поступают на дифференциальный усилитель УД.

Ультразвуковой импульс пересекает трубопровод, воспринимается двумя пьезоэлементами, симметрично расположенными относительно излучателя, и одновременно отражается от стенки трубопровода назад. Возвратившись к месту излучения, импульс вновь отражается и т. д.

Рисунок 1.12 - Схема расходомера со сносом и многократным отражением

Г-генератор; УД-дифференциальный усилитель; Д-детектор; ИП-измерительный прибор; СК-схема коррекции; ДК-детектор коррекции; СС-счетная схема

При этом приемные пьезоэлементы воспринимают импульсы, амплитуда которых уменьшается в результате поглощения и рефракции. Сигналы, образующиеся в приемных пьезоэлементах от одного из этих эхоимпульсов, отбираются, проходят усилители и детекторы, после чего поступают на логарифмический делитель, выходное напряжение которого приблизительно пропорционально скорости потока. Примерно после десяти отражений ультразвуковой импульс затухает и производится излучение нового импульса. Подобный прибор был построен для трубы диаметром 200 мм на расходы воды до 360 м³/ч.

Недостатком обоих описанных приборов с многократным отражением является зависимость их показаний от чистоты среды и чистоты отражающих поверхностей.

При коррозии трубы или образования в ней каких-либо наростов могут возникать значительные погрешности. Коэффициент затухания также должен быть невелик, чтобы обеспечить возможность прохождения большого пути.

.7 Ультразвуковые расходомеры для измерения массового расхода

Все ранее рассмотренные схемы ультразвуковых расходомеров дают показания пропорциональные скорости потока или его объемному расходу. Для получения массового расхода необходимо иметь особый элемент, вырабатывающий напряжение пропорциональное плотности или удельному весу среды, и затем блок для умножения этого напряжения на напряжение, пропорциональное объемному расходу. Одновременно при этом следует компенсировать и возможное влияние на показания прибора скорости ультразвука с.

Таким элементом может служить отдельный вибратор, возбуждаемый на резонансной частоте самостоятельным генератором. Напряжение, снимаемое с этого вибратора, пропорционально удельному акустическому сопротивлению среды с (при условии, что последнее много меньше сопротивления генератора), где  плотность среды. Умножая это напряжение на напряжение, развиваемое схемой фазового расходомера, получим

с ,

где  - плотность среды;

k - коэффициент пропорциональности.

Таким образом, показания будут пропорциональны массовому расходу (υ), но зависимость от с, хотя и снижена, но полностью не устранена. Для достижения этого надо ввести еще множитель пропорциональный с. Блок-схема подобного реализованного прибора показана на рисунке 1.13.

Рисунок 1.13 - Схема частотно-пакетного массового расходомера

И1, И2 - излучатель; П1, П2 - приемный пьезоэлемент; У1, У2 - усилитель; Д1, Д2 - детектор; М1, М2 - модулятор; Г - генератор

Для получения массового расхода М в частотном расходомере надо выполнить аналогичные процедуры, только здесь напряжение, пропорциональное с, надо вводить не в виде множителя, а в виде делителя. Тогда получим

kυc kυ.

Наиболее просто массовый расход может быть получен в расходомерах, измеряющих величину отклонения или сноса излучения. Здесь достаточно ввести в качестве множителя напряжение, пропорциональное акустическому сопротивлению  с, чтобы сразу получить весовой расход. Действительно

D ,

где D - постоянная величина.

Элементы, необходимые для получения напряжения, пропорционального с, и для его ввода в схему расходомера, показаны на рисунке 1.12 штрих - пунктиром.

Заметим, что вибратор, служащий для измерения акустического сопротивления среды, должен передавать колебания непосредственно измеряемой среде без промежуточного звукопровода. Это исключает возможность его применения для сред, могущих давать отложения на его поверхности.