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 I 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, C₂ - скорость ультра­звука в контролируемой среде, w - частота ультразвуковых колеба­ний, V - скорость потока.

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

Q =900pD²V (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 Дт, 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 MГц 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 (КЗ) подает импульс на триггерную схему (Т₂) 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 (КП4) 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.

У прощенные формулы импульсных схем без преломления имеют вид

(7)

д ля импульсных схем с преломлением

(8)