2. Фазовые измерительные схемы.

Непрерывные ультразвуковые колебания синфазно вводятся в контролируемую среду по направлению потока и против него. На приемные пьезоэлементы ультразвуковые волны попадают с некоторой разностью фаз, зависящей от скорости потока. На рис.7 приведена блок-схема ультразвукового расходомера по двухканальной фазовой схеме с преломлением.

Рис.7. Фазовая схема ультразвукового расходомера

Задающий генератор 1 вырабатывает непрерывные электрические колебания высокой частоты, которые через усилитель мощности 2 подаются на излучающие пьезоэлементы 3. В них электрические колебания преобразуются в ультразвуковые той же частоты, кото­рые проходят через звукопроводы 4 и после преломления на границе раздела распространяются в контролируемой среде 5 по направле­нию потока в одном канале и против него в другом. Далее ультра­звуковые волны вторично преломляются и, пройдя через звукопроводы 6, попадают на приемные пьезоэлементы 7. Электрические ко­лебания высокой частоты, преобразованные из ультразвуковых, по­даются на двухканальный усилитель 8 , в одном из каналов которо­го установлен также фазовращатель. После усиления и ограничения по амплитуде принятые сигналы попадают на фазовый детектор 9, на выходе которого вырабатывается напряжение постоянного тока, пропорциональное измеряемой разности фаз. Это напряжение изме­ряется показывающим и регистрирующим прибором 10, например, автоматическим электронным потенциометром.

Исследование чувствительности и диапазонов измерения расхода можно провести с применением упрощенных формул, в которых предполагается, что оба акустических тракта расходомера абсолют­но симметричны.

Разность фаз для ультразвукового расходомера без преломления определяется выражением

(1)

где D - внутренний диаметр трубопровода, С₂ - скорость ультра­звука в контролируемой среде, - частота ультразвуковых колеба­ний, V - скорость потока.

Считая, что измеренная ультразвуковым расходомером скорость потока V равна средней скорости по сечению трубопровода, заме­ним в (1)  через 2f и V (м/сек)-через расход Q (м³/ч) из соотно­шения

(2)

получим

(3)

Упрощенные формулы ультразвуковых расходомеров по фазо­вым схемам с преломлением получены аналогичным образом:

(4)

(5)

(6)

3. Импульсные измерительные схемы.

В импульсных схемах короткие импульсы ультразвуковых коле­баний высокой частоты излучаются по направлению потока и про­тив него. Времена прохождения импульсов отличаются друг от дру­га на величину , зависящую от скорости потока.

Блок схема одного из ультразвуковых расходомеров по одноканальной схеме без преломления приведена на рис.8.

Рис.8. Импульсная схема ультразвукового расходомера

Преобразователь представляет собой керамический цилиндр, разрезанный по образующей на две равные половины, которые на­девают на контролируемый кровеносный сосуд. Два пьезоэлемента из титаната бария ПП с резонансной частотой 3 МГц установлены на внутренней поверхности преобразователя под углом к направлению потока.

Генератор подает на излучатель импульсы с частотой повторения 12 кГц, а направление излучения меняется 800 раз в секунду при по­мощи электромеханических вибропреобразователей (ВП1) и (ВП2). Таким образом, в каждом направлении поочередно излучаются се­рии из нескольких импульсов. Синхронность работы генератора им­пульсов и всех вибропреобразователей обеспечивается одним и тем же задающим генератором (ЗГ) с частотой 12 кГц. Во время процес­сов переключения генератор импульсов блокируется при помощи селекторного каскада (С), который также управляется сигналом за­дающего генератора. На выходе селекторного каскада получается серия из 8 импульсов, за которыми следует пауза, затем следующая серия из 8 импульсов в другом направлении и т. д. Каждый импульс из селекторного каскада возбуждает блокинг-генератор (БГ), выра­батывающий короткий импульс длительностью 0,2 мкс, который через катодный повторитель подается на пьезоэлемент. Через 5 мкс с начала распространения ультразвукового импульса в контролируемой среде блок задержки (БЗ) подает импульс на триггерную схему (T₂) приемного канала. Принятый на приемном пьезоэлементе импульс усиливается, детектируется и преобразуется в им­пульс с крутым передним фронтом, который подается на эту же триггерную схему и возвращает ее в исходное состояние. Таким об­разом, на выходе триггера образуется прямоугольный импульс, про­должительность которого линейно зависит от времени распростра­нения ультразвукового импульса в контролируемой среде.

Полученный прямоугольный импульс возбуждает генератор раз­вертки с искусственной линией (ГР), максимальная величина пило­образного напряжения на выходе которого линейно зависит от вре­мени прохождения ультразвукового импульса через контролируе­мую среду. Пилообразное напряжение подается на схему растягива­ния импульсов (РИ), которая облегчает измерение достигнутых пи­ковых напряжений. Растянутые импульсы подаются на детекторы пикового напряжения (ПД) через коммутатор (ВПЗ), работающий синхронно с основными коммутаторами тактов работы. Постоянные напряжения с выходов пиковых детекторов при помо­щи вибропреобразователя (ВП4) сравниваются 400 раз в секунду. При неподвижной жидкости эти напряжения равны, и на выходе вибропреобразователя образуется постоянное напряжение. При движении жидкости они отличаются друг от друга, и на выходе виб­ропреобразователя образуется постоянное напряжение с наложен­ными на него прямоугольными импульсами с частотой 400 кГц. Эти импульсы подаются на синхронный детектор (СД). Таким образом, выходное напряжение детектора показывает скорость и направление потока жидкости.

Упрощенные формулы импульсных схем без преломления имеют вид

(7)

для импульсных схем с преломлением

(8)