§ 13.3. Применение ультразвуковых датчиков

В ультразвуковых уровнемерах и дефектоскопах используется свой­ство ультразвука отражаться от границы двух сред. Соотношение между энергиями отраженных и падающих колебаний называется коэффициентом отражения. Этот коэффициент весьма велик для сред, существенно отличающихся по плотности и скорости распро­странения звука. Например, коэффициент отражения на границе вода — сталь составляет 88, а на границе вода — трансформаторное масло он равен 0,6. Но даже и при малых коэффициентах отраже­ния полученный отраженный сигнал вполне достаточен для измере­ния положения уровня раздела двух сред. Мерой уровня является время распространения колебаний от источника излучения к грани­це раздела и обратно к приемнику. Эти величины уровня и времени связаны между собой соотношением (13.1). Благодаря свойству уль-

гразвуковых колебаний распростра­няться в любых упругих средах между излучателем и измеряемой средой может находиться металла ческая стенка, что позволяет вести измерение без контакта измерите­льных элементов с контролируемой средой и без электрических вводов в резервуар.

В ультразвуковых уровнемерах используется в основном импуль­сный режим передачи колебаний в среду. При этом пьезоэлемент мо­жет попеременно работать то излучателем, то приемником ультра­звука. Схема ультразвукового уровнемера показана на рис. 13.5. Электрические высокочастотные импульсы от генератора 2 подают­ся по кабелю к пьезоэлементу датчика 1, который излучает ультра­звуковые колебания в измеряемую среду. Эти колебания отражаются от границы раздела сред и возвращаются к пьезоэлементу, который преобразует их в электрический сигнал. Этот сигнал усиливается усилителем Зи подается на измерительное, устройство 4> определяю­щее время между посылкой импульса генератором 2 и приходом им­пульса в усилитель 3. В результате многократного отражения по­сланного импульса могут вернуться три-четыре сигнала, убывающие по амплитуде и запаздывающие друг относительно друга на одинакр^ вое время. Частота посылаемых импульсов должна быть не слишком большой, чтобы все отраженные сигналы успели вернуться до по­сылки следующего импульса. Ультразвуковые уровнемеры обеспечи­вают точность в 1 % при измерениях уровня в 5—10 м в условиях вы­сокой температуры, высокого давления, большой химической актив­ности контролируемой среды. В воздухе ультразвуковые колебания затухают во много раз быстрее, чем в жидких (и вообще в более плотных) средах. Поэтому предпочтительнее располагать излучатель и приемник под резервуаром, а не сверху (рис. 13.5).

В ультразвуковом расходомере используется эффект сложения скорости распространения ультразвука в упругой среде со скоро­стью движения этой среды. Схема ультразвукового расходомера по­казана на рис. 13.6. Пьезоэлементы 1 и 2 располагаются вдоль тру­бопровода и возбуждаются от генератора 3 на частоте в несколько сотен килогерц. Каждый из пьезоэлементов попеременно с помо­щью переключателя Сработает то излучателем, то приемником. Та­ким образом, ультразвуковые колебания посылаются то по потоку

среды, то навстречу ему. В. первом случае скорости колебаний и потока складыва­ются, во втором случае — вычитаются. После прохождения по среде сигналы, принятые пьезоэлементами, усиливаются усилителем 5 и поступают попеременно на измерительное устройство 6. Разность фаз принятых колебаний будет пропорци­ональна скорости среды. Градуировка прибора выполняется для определенной среды. При использовании прибора для измерений расхода среды с другим значе­нием скорости распространения ультра­звука изменяется и градуировка.

Следует отметить, что измерительные схемы для ультразвуковых датчиков дово­льно сложны.

Контрольные вопросы