3.Ультразвуковые (акустические) расходомеры

Ультразвуковыми расходомерами называют расходомеры, принцип действия которых заключается в измерении какого-либо эффекта (в зависимости от расхода), создающего при прохождении акустических колебаний сквозь поток жидкости или газа. Большинство акустических расходомеров работают в ультразвуковом диапазоне. Ультразвуковые расходомеры подразделяются на: • расходомеры, работающие по принципу перемещения акустических колебаний движущейся средой • расходомеры, работающие на принципе эффекта Допплера Наибольшее применение получили расходомеры, сконструированные на принципе измерения разности времени прохождения акустических колебаний по направлению потока и против потока измеряемого вещества. Приборы, в которых акустические колебания проходят перпендикулярно к потоку и измеряется величина отклонения этих колебаний от первоначального направления встречаются редко. Приборы работающие на явлении Допплера, используются для измерения местной скорости потока, реже для измерения расхода вещества и имеют более простые измерительные схемы. Кроме вышеуказанных разновидностей рсходомеров, разработаны длинноволновые акустические расходомеры, работающие в звуковом диапазоне частот акустических колебаний. Ультразвуковые расходомеры, как правило, используют для измерения объемного расхода вещества, но при добавлении в конструкцию расходомера реагирующего на плотность измеряемого вещества акустического преобразователя, возможно измерение массового расхода. Погрешность измерения ультразвуковых расходомеров находится пределах от 0,1 до 2,5 %. Чаще всего такие расходомеры используют при измерении расхода жидкости, так как газы имеют низкое акустическое сопротивление и сложность получения интенсивных звуковых колебаний. Ультразвуковые расходомеры применяют для измерения расхода в трубах диаметром 10 мм и больше. Ультразвуковые расходомеры отличаются по устройству первичных преобразователей и по используемым измерительным схемам. Высокие частоты акустических колебаний (0,1-10 МГц) используются для измерения расхода чистых жидкостей. Для измерения загрязненных сред частоты колебаний значительно уменьшают до нескольких десятков КГц, чтобы предотвратить поглощение и рассеяние акустических колебаний. Длина волны должна быть в разы больше диаметра воздушных пузырей или твердых частиц. Для измерения расхода газов используют низкие частоты.

3.1.Излучатели и приемники акустических колебаний

Излучатели и приемники колебаний применяются для ввода акустических колебаний в поток и их приема на выходе из потока. Они являются главными составляющими первичных преобразователей ультразвуковых расходомеров. На поверхностях кристаллов (пьезоэлементов) при сжатии и растяжении образуются электрические заряды, если к поверхностям кристаллов приложить разность потенциалов, то пьезоэлемент сожмется или растянется в зависимости от разности величины напряжения между поверхностями— обратный пьезоэффект. На явлении обратного пьезоэффекта строится работа излучателей, трансформирующих переменное электрическое напряжение в акустические (механические) колебания аналогичной частоты. На явлении прямого пьезоэффекта работают приемники, трансформирующие акустические колебания в переменные электрические напряжения. Первоначально пьезоэлектрический эффект был обнаружен у природного кварца. В настоящее время в ультразвуковых расходомерах в качестве излучателей и приемников акустических колебаний используют пьезокерамические материалы (титанат бария, цирконат титаната свинца) с большим пьезомодулем и диэлектрической проницаемостью. Для измерения расхода чистых жидкостях следует использовать высокие резонансные частоты и использовать тонкие пьезокерамические пластины. Для измерения расхода веществ с механическими примесями или газовыми пузырями используют малую частоту и пьезокерамику большой толщины. Излучатели и приемники чаще всего делают в форме круглых дисков.