Ультразвуковые расходомеры
Дипломная работа - Разное
Другие дипломы по предмету Разное
чный состав среды. Фазовые расходомеры бывают как однолучевые, так и двухлучевые; частотные и импульсные расходомеры, как правило, изготовляются двухлучевыми.
Достоинства ультразвуковых расходомеров:
возможность измерения расхода любых жидкостей (не содержащих газовых включений), в том числе агрессивных и вязких, в любых трубах, имеющих диаметр, начиная от 10 до 20 мм и выше, при скоростях 0,02 м/с и выше;
принципиальная возможность измерения расхода газа;
высокое быстродействие, позволяющее измерять расходы, меняющиеся с частотой до 10 кГц;
бесконтактность приемных устройств;
очень небольшая величина или даже полное отсутствие дополнительной потери давления.
К недостаткам рассматриваемых приборов следует отнести:
относительную сложность их измерительной схемы;
зависимость показаний от плотности среды.
В первую очередь эти приборы должны применяться в тех случаях, где трудно использовать расходомеры других типов, например при измерении расхода агрессивных сред и пульп, неэлектропроводных жидкостей, больших расходов воды, например в гидротурбинах.
1.3 Вибраторы ультразвуковых расходомеров
Наибольшее применение для изготовления вибраторов ультразвуковых расходомеров получил титанат бария (ВаТiO3), относящийся к группе сегнетоэлектриков и обладающий исключительно высокой диэлектрической постоянной (порядка 1500) и большим пьезомодулем, в 100 раз большим, чем у кварца. Он позволяет получать интенсивные колебания при напряжениях во много раз меньших, чем это необходимо для кварца.
Во избежание непосредственного контакта с измеряемой средой, колебания от вибратора передаются через металлический или пластмассовый звукопровод в виде пластины или стержня.
В некоторых случаях вибраторы устанавливаются снаружи трубы и через ее стенки передают колебания измеряемой среде.
Обычно вибраторы изготовляются из круглых пластинок. Такие вибраторы (близкие к круглым поршневым мембранам) дают определенную направленность излучения, которое почти полностью сосредоточено внутри конуса, охватывающего пластину с углом раскрытия 2q, который определяется выражением
sin q =,
где f - частота колебаний;
D - диаметр излучателя.
Чем выше частота и радиус излучателя, тем меньше угол q и тем более направленным оказывается излучение.
Собственная или резонансная частота вибратора fd (МГц) обратно пропорциональна толщине пластины и определяется формулами
fd = для кварца,
fd = для титаната бария,
где s - толщина пластины, мм.
Высокие частоты необходимы в двухканальных приборах для получения направленного излучения, кроме того, они повышают чувствительность прибора при фазовом методе измерения. Однако с ростом частоты увеличивается коэффициент поглощения в жидкостях и особенно в газах, поэтому для последних высокие частоты не подходят. В равной мере они не подходят для загрязненных жидкостей и пульп, так как, если длина ультразвуковой волны одного порядка с размером частиц, находящихся в измеряемой среде, то энергия колебаний будет рассеяна или поглощена.
Фазовые расходомеры работают обычно на частотах 0,1…2 МГц (верхние цифры только для чистых жидкостей), а частотные - на частотах 5…10 МГц или на коротких радиоимпульсах. Пользуясь приведенными формулами, можно подобрать необходимую толщину излучателя, чтобы он работал вблизи от резонанса, и его диаметр, обеспечивающий нужную направленность излучателя. Последняя особенно необходима при двух рядом расположенных электроакустических каналах.
При направленном излучении поверхность приемного вибратора должна располагаться против поверхности излучающего. В тех фазовых однолучевых расходомерах, которые работают на сравнительно невысоких частотах, угол 2q получается весьма значительным и колебания распространяются практически сферически. В этом случае противопоставление поверхностей излучающего и приемного вибраторов не обязательно.
Если вибратор установлен снаружи трубы, а внутрь последней введен звукопровод, соединенный с вибратором, например в виде стержня, то последний в случае невысоких частот будет создавать колебания, распространяющиеся равномерно во все стороны. Такой способ применялся при измерении расхода в прямоугольных каналах, подводящих воду к гидравлической турбине. Длина звукопроводящих стержней была около 8 м. Тип расходомера - фазовый с двумя вибраторами, возбуждаемыми поочередно.
На рисунке 1.4 показаны основные принципиальные схемы расположения вибраторов, из них первые три (а, б, в,) - одноканальные, а последние два (г, д) - двухканальные. Первая схема со сферическим излучением, остальные - с направленным, причем последняя может работать как с направленным, так и со сферическим излучением. Наиболее часто применяются схемы с излучением, направленным под углом к оси трубы ( см. рисунок 1.4, в, г, д и рисунок 1.5). В этом случае на трубопроводе делаются особые впадины - карманы, в глубине которых размещаются вибраторы. При загрязненных жидкостях и пульпах наличие таких карманов крайне нежелательно из-за возможности выпадения в них осадков.
Рисунок 1.4 - Основные схемы расположения пьезоэлементов: а, б, в - одоканальные; г, д - двухканальные
Поэтому было предложено заполнять все свободное пространство карманов звукопроводом из металла или органического стекла. Подобные преобразователи (рисунок 1.5,б) называются преобр?/p>