4. Расчет ультразвукового расходомера.

Целью расчета является, выбор рациональной схе­мы ультразвукового расходомера, основных конструктивных пара­метров преобразователей, определение рабочей частоты ультразвуковых колебаний и других параметров.

Исходные данные:

• контролируемая среда – вода

• материал трубопровода – нержавеющая сталь

• диаметр трубы – 300 мм

• толщина трубы – 5 мм

• скорость потока – 4 м/с

4.1. Расчет ультразвукового преобразователя с фазовой схемой.

1. Определим внутренний диаметр трубы – D=300мм - 2*5мм=290мм

2. Определим диапазон рабочих частот ультразвуковых ко­лебаний.

Нижняя граница диапазона частот определяется для преобразова­телей без преломления и с преломляющей поверхностью по форму­лам (3) и (6). При этом принимают  = 2 рад,  и  не превыша­ют 60°, скорость звука в жидких средах 1500 м/сек. Верхняя граница частот определяется размерами твердых частиц в контролируемой среде. Длина волны ультразвуковых колебаний должна быть на по­рядок больше размера частиц.

Возьмем следующие значения углов:  = 40°, _ = 35°, _ = 30°

Тогда для преобразователя без преломления:

_min=2163 кГц

f_min=344 кГц

А для преобразователя с преломлением:

_min=10863 кГц

f_min=1730 кГц

3. Расчет коэффициента пропускания ультразвуковой волны че­рез контролируемую среду

- в случае нормального падения ультразвуковой волны

• в случае падения ультразвуковой волны под углом

где  = 40º, _ = 35º, _ = 30º

4. Расчет минимально допустимого радиуса пьезоэлементов:

5. Расчет угла  и рабочей частоты f для преобразователей без преломления по формуле (3) и для преобразователей с преломле­нием по формуле (6). При этом можно задаваться различными зна­чениями угла , но не превышающими 60°.

Зная f_min можно подобрать f для преобразователя без преломления и с преломлением:

без преломления

f₁ = 3 МГц

с преломлением

f₁ = 2 МГц

4.2. Расчет ультразвукового преобразователя с импульсной схемой.

1. Расчет разности времен прохождения импульсов для преобр­азователя без преломления по формуле (7) и с преломлением по формуле (8).

Возьмем угол 0º и найдем по формуле (7) и (8) разность времен прохождения импульсов для преобразователя без преломления и с преломлением:

2. Расчет коэффициента пропускания ультразвуковой волны че­рез контролируемую среду

- в случае нормального падения ультразвуковой волны

• в случае падения ультразвуковой волны под углом

где  = 40º, _ = 35º, _ = 30º

3. Расчет минимально допустимого радиуса пьезоэлементов:

где С_п - скорость звука в материале пьезоэлемента.

4. Расчет угла  и величины _max для преобразователей без преломления по формулам (7) и с преломлением по формулам (8).

Для преобразователя без преломления:

Исходя из формулы (7) можно сделать следующий вывод, что максимальное значение _max будет тогда, когда tg будет максимальным, а это возможно лишь в том случае, если угол  устремить к 90º. Следовательно, максимальное значение _max будет в случае, когда угол º

Для преобразователя с преломлением:

Исходя из формулы (8) можно сделать следующий вывод, что максимальное значение _max будет тогда, когда sin будет максимальным, а это возможно лишь в том случае, если угол  сделать равным 90º.

5. РАСЧЕТ РАСХОДОМЕРОВ.

5.1. с фазовой схемой без преломления.

Возьмем f₁ = 3МГц, следовательно, ₁=18840кГц. Пусть угол 40ºОстальные значения возьмем из исходных данных. Получим следующее:

5.2. с фазовой схемой с преломлением.

Возьмем f₁ = 2МГц, следовательно, ₁=12560кГц. Пусть угол =40º.Остальные значения возьмем из исходных данных. Получим следующее:

5.3. с импульсной схемой без преломления.

В озьмем угол _ºи_ºОстальные значения возьмем из исходных данных. Получим следующее:

5.4. с импульсной схемой с преломлением.

В озьмем угол _ºи_ºОстальные значения возьмем из исходных данных. Получим следующее:

По формуле (2) определим точный расход воды:

Вывод: Сравнивая точное значение расхода воды со значениями, которые были получены теоретически, можно увидеть, что получилось одно и то же число. Следовательно, данные расходомеры с фазовой и импульсной схемами были выбраны и рассчитаны правильно.

6. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.

1. Трофимов А. И., Трофимов М. А. Принципы построения и расчёта ультразвуковых преобразователей дефектоскопов и ультразвуковых расходомеров. Учебное пособие по курсам «Элементы автоматики» и «Физические основы получения информации». – Обнинск: ИАТЭ, 2002, с. 76.

2. Трофимов А. И., Трофимов М. А. Пьезоэлектрические измерительные преобразователи в ультразвуковых системах контроля. – Обнинск: ИАТЭ, 2001.

3. Трофимов А. И. Ультразвуковые системы контроля технологических каналов ядерных реакторов. – М.: Энергоатомиздат, 1994.

19