Теплотехнические измерения и инновационные измерительные технологии, страница 38

Пьезоэффект был обнаружен у природного кварца. В настоящее время в преобразователях используются пьезокерамические материалы: титанат бария BaTiO₃ и свинца PbTiO₃, цирконат титаната свинца PbZ₂O₃, имеющие большие константы преобразования. У работающего пьезоэлемента на резонансной частоте 2,0 ¸ 2,25 МГц его толщина d связана с длиной волны акустических колебаний l: l/2 = d. Для чистых сред применяют тонкие пьезоэлементы, а при работе на загрязненных средах и средах с большими газовыми включениями из-за большого рассеяния энергии приходится применять пластинки большой толщины, т. е. работать на низких частотах.

Ультразвуковые расходомеры можно разделить на две группы. К первой группе относятся расходомеры с излучением, перпендикулярным потоку (рис. 5.64). Пьезоэлемент 1, возбуждаемый генератором 2, создает ультразвуковые колебания, посылаемые на приемные пьезоэлементы. Угол отклонения луча q определяется выражением

                                                   ,

где     v_ср – средняя скорость потока;

          c – скорость ультразвука в неподвижной среде.

Линейное отклонение луча у приемников . С ростом расхода среды увеличивается v_ср и, стало быть, линейное отклонение луча l. Это приводит к повышению разностного сигнала от пьезоприемников 3 и 4, передаваемого на вход усилителя 5. Такие расходомеры просты по устройству, но точность их невелика из-за малого угла отклонения луча.

Поэтому наибольшее распространение получили расходомеры второй группы, основанные на измерении скорости прохождения ультразвукового луча между излучателем и приемником в направлениях по потоку среды и против него. Схемы расходомеров могут быть одноканальные (рис. 5.65, а, в) и двухканальные (рис. 5.65, б, г).

а)	б)	в)	г)

Рис. 5.65. Схемы преобразователей ультразвуковых расходомеров с излучением по потоку

а, в – одноканальные; б, г – двухканальные

В одноканальной схеме каждый пьезоэлемент работает попеременно: то в режиме излучателя, то в режиме приемника. В двухканальных схемах каждый пьезоэлемент работает только в одном режиме.

Принцип действия расходомеров второй группы заключается в определении разности Dt времени прохождения луча по потоку t₁ на расстоянии L и времени прохождения луча против потока t₂ на том же расстоянии. Учитывая угол наклона направления луча ультразвуковых колебаний к оси трубы a, время прохождения по потоку выразится:

                                                       ,

где     c – скорость движения луча в неподвижной среде.

Время прохождения луча против потока:

                                                       .

Тогда

                                          .

Учитывая, что , получим:

                                                       .              (5.55)

Если ультразвуковые колебания направлены вдоль осевой линии потока (например, в расходомерах «Sonocal» фирмы Данфосс), то  и

                                                           ,

где     v₀ – осевая скорость потока.

В приведенных выражениях скорость v_L есть скорость потока среды, осредненная на длине L расстояния между излучателем и приемником. Для вычисления расхода среды требуется знание скорости потока v_ср, осредненной по диаметру трубы. Но даже для осесимметричных потоков . Это обстоятельство определяет основную составляющую методической погрешности ультразвуковых расходомеров.

Если представить , то для установившегося турбулентного течения осесимметричного потока коэффициент k зависит от числа Рейнольдса Re. Это приводит к нелинейности статической характеристики ультразвуковых расходомеров.

Существует несколько способов определения очень малого значения Dt: время-импульсный, частотный и фазовый.

Во время-импульсных расходомерах периодически производится измерение разности Dt времени прохождения достаточно коротких импульсов 0,1 ¸ 0,2 мкс, по которой вычисляется скорость v_ср и объемный расход Q₀. Измеряемое время Dt очень мало (10^–6 ¸ 10^–7 с) даже при максимальных расходах, а измерять его необходимо с погрешностью 10^–8 ¸ 10^–9 с. Этот фактор существенно усложняет структуру электронных схем измерения, что ограничивает применение таких расходомеров.