2.8.3. Використання ультразвукових давачів

В ультразвукових рівнемірах і дефектоскопах використовують властивість ультразвуку відбиватись від границі двох середовищ. Відношення між енергіями відбитих і падаючих коливань називається коефіцієнтом відбиття. Цей коефіцієнт досить великий для середовищ, що суттєво відрізняються за щільністю і швидкістю розповсюдження звуку. Наприклад, коефіцієнт відбиття на межі вода – сталь складає 88, а на межі вода – трансформаторне масло він дорівнює 0,6. Але навіть і при малих коефіцієнтах відбиття отриманий відбитий сигнал цілком достатній для вимірювання положення рівня розділу двох середовищ. Мірою рівня є час розповсюдження коливань від джерела випромінювання до межі розділу і назад до приймача. Ці величини рівня і часу пов’язані між собою співвідношенням (2.8.1). Дякуючи властивості ультразвукових коливань розповсюджуватись в будь-яких пружних середовищах, між випромінювачем і вимірюваним середовищем може знаходитись металева стінка, що дозволяє проводити вимірювання без контакту вимірювальних елементів з контрольованим середовищем і без електричних вводів в резервуар.

В ультразвукових рівнемірах вик ористовують в основному імпульсний режим передачі коливань в середовище. При цьому п’єзоелемент може позмінно працювати то випромінювачем, то приймачем ультразвуку. Схема ультразвукового рівнеміра показана на рис. 2.8.5. Електричні високочастотні імпульси від генератора 2 подаються кабелем до п’єзоелемента давача 1, який випромінює ультразвукові коливання в вимірюване середовище. Ці коливання відбиваються від межі розділу середовищ і повертаються до п’єзоелемента, який перетворює їх в електричний сигнал. Сигнал підсилюється підсилювачем 3 і подається на вимірювальний пристрій 4, що визначає час між посиланням імпульсу генератором 2 і поверненням імпульсу в підсилювач 3. В результаті багаторазового відбивання імпульсу, що посилається, можуть повернутись три-чотири сигнали, що спадають за амплітудою і запізнюються один відносно іншого на однаковий час. Частота імпульсів, що посилаються, повинна бути не дуже великою, щоб усі відбиті сигнали встигли повернутись до посилання наступного імпульсу. Ультразвукові рівнеміри забезпечують точність в 1% при вимірюваннях рівня в 5–10 м в умовах високої температури, високого тиску, великої хімічної активності контрольованого середовища. В повітрі ультразвукові коливання згасають набагато швидше, ніж в рідинних (і загалом в більш щільних) середовищах. Тому переважно треба розташовувати випромінювач і приймач під резервуаром, а не зверху (рис. 2.8.5).

В ультразвуковому витратомірі використовують ефект складання швидкості розповсюдження ультразвуку в пружному середовищі з швидкістю руху цього середовища. Схема ультразвукового витратоміра показана на рис. 2.8.6.

П’єзоелементи 1 і 2 розташовуються вздовж трубопроводу і збуджуються від генератора 3 на частоті в декілька сотень кілогерц. Кожен з п’єзоелементів позмінно, за допомогою перемикача 4, працює то випромінювачем, то приймачем. Таким чином, ультразвукові коливання посилаються то за потоком середовища, то назустріч йому. В першому випадку швидкості коливань і потоків складаються, в другому випадку – віднімаються. Після проходження середовищем сигнали, що прийняті п’єзоелементами, підсилюються підсилювачем 5 і надходять позмінно на вимірювальний пристрій 6. Різниця фаз прийнятих коливань буде пропорційна швидкості середовища. Градуювання пристрою виконується для певного середовища. При використанні пристрою для вимірювань витрат середовища з іншим значенням швидкості розповсюдження ультразвуку змінюється і градуювання.

Треба відмітити, що вимірювальні схеми для ультразвукових давачів дуже складні.