145897 (Датчики потока), страница 3

Датчик потока, работающий на принципе измерения времени прохождения сигнала - один из простейших ультразвуковых измерителей потока. Он широко используется в промышленности и пригоден также для респираторных измерений и измерений потока крови. На рис. 5 иллюстрируются два возможных способа расположения преобразователей в датчике этого типа. Способ расположения, представленный на рис. 5(а) , имеет очевидное преимущество, заключающееся в возможности закреплять преобразователи на внешней поверхности трубы или кровеносного сосуда, что исключает ограничение потока. На рис. 5(б) показаны преобразователи, изолированные от трубы; они используются для высокотемпературных измерений (например, при газификации каменного угля). В этом случае связь преобразователей со средой осуществляется с помощью буферных стержней или волноводов.

Для конфигурации измерителя потока, показанной на рис. 5(б), эффективная скорость ультразвука в кровеносном сосуде или трубе равна скорости звука с относительно текучей среды плюс компонента, связанная с величиной u - скоростью потока, усредненной вдоль пути распространения ультразвуковой волны. Для ламинированного потока u=1,33 , для турбулентного - u=1,07 , где - скорость, усредненная по площади поперечного сечения трубы или кровеносного сосуда. Разница в значениях u и объясняется тем, что ультразвук распространяется вдоль одной линии, а не охватывает все поперечное сечение потока. Формула для времени прохождения ультразвукового сигнала между преобразователями вверх по течению (+) и вниз по течению (-) имеет вид

, (1.14)

Из этой формулы следует, что время прохождения меньше для случая распространения ультразвуковой волны “вместе с потоком”, т.е. вниз по течению.

В одной из модификаций этого метода используются короткие акустические импульсы, попеременно пересылаемые в направлении потока и против него, для того чтобы получить значение разности Dt между временем прохождения сигнала вверх по течению и временем его прохождения вниз по течению. Величина Dt пропорциональна средней скорости u и равна

. (1.15)

Эту величину можно измерить, используя два преобразователя, расположенные в соответствии с рис. и попеременно выполняющие функции излучателя и приемника, или используя излучатель и приемник на каждой стороне кровеносного сосуда или трубы. Единственным препятствием на пути практической реализации данного метода является малость величины Dt, значения которой лежат в наносекундном диапазоне; поэтому для достижения адекватной стабильности необходимо сложное электронное оборудование.

На рис. 5(б) представлен более простой вариант ультразвукового датчика потока на принципе измерения времени прохождения сигнала, используемой в некоторых промышленных системах. При подстановке в выражение (1.15) =0 получаем Dt=2Du/c. Скорость звука c может изменяться с температурой, и с этим могут быть связаны значительные погрешности измерения Dt, если учесть, что в формулу для Dt входит не c, а c².

Большинство стандартных датчиков потока, работающих на принципе измерения времени прохождения сигнала, выполнены по схеме, представленной на рис. 5(а). Преимущества таких датчиков (измерителей) потока заключается в следующем: 1) с их помощью можно измерять потоки самых различных жидкостей и газов, поскольку для проведения измерений не требуется наличие в текучей среде частиц, отражающих ультразвук; 2) они позволяют определять направление потока; 3) их показания сравнительно нечувствительны к изменениям вязкости, температуры и плотностей текучей cреды; 4) из всех серийно выпускаемых измерителей потока промышленные устройства этого типа обеспечивают наивысшую точность измерений.

Рассматриваемые датчики потока пригодны для измерения потоков жидкостей во многих промышленных применениях. В группу текучих сред, с которыми могут работать эти датчики, входят вода, молоко, масло, очищенные сточные воды, фармацевтические жидкости, жидкая бумажная масса. Измеритель потока серии 240, выпускаемый фирмой Controlotron Corp., - пример ультразвукового измерителя потока для промышленных применений, закрепляемого на внешней поверхности трубопровода. Это устройство позволяет измерять скорость потока жидкости в диапазоне от 0,3 мм/c до 9,14 м/с с точностью до 1% и может работать с трубой любого диаметра от 2,54 см до 1,52 м независимо от материала трубы и толщины ее стенок. Согласно спецификации, предоставляемой фирмой Controlotron, типичное разрешенияе измерителя серии 240 составляет 1,52 мм/с.

Ультразвуковые измерители потока были опробованы также в качестве пневмотахометров - для измерения мгновенного значения объемного расхода вдыхаемого или выдыхаемого газа. Ультразвуковые пневмотахометры имеют следующие теоретические преимущества: 1) высокое быстродействие; 2) широкий динамический диапазон; 3) отсутствие движущихся частей; 4) пренебрежимо малое влияние на поток; 5) естественную двунаправленность; 6) легкость очистки и стерилизации. В настоящее время ультразвуковые пневмотахометры находятся все еще в стадии разработки. Есть несколько проблем, препятствующих успешному внедрению этих устройств: 1) низкая акустическая эффективность передачи ультразвука через газы; 2) широкий диапазон изменений состава, температуры и влажности газа; 3) неудовлетворительное понимание природы ультразвукового поля и характера его взаимодействия с движущимся газом .

Доплеровские измерители потока непрерывного действия.

На рис. 5,в показано, как могут располагаться преобразователи в доплеровских измерителях потока непрерывного действия. В этих измерителях потока используется известный эффект изменения (понижения) частоты звука, детектируемого движущимся приемником, удаляющимся от неподвижного источника звука (эффект Доплера). Если излучатель и приемник неподвижны, а движется объект (частица в текучей среде), отражающий ультразвуковую волну, то обусловленный эффектом Доплера сдвиг частоты при симметричном расположении преобразователей по отношению к аксиально-симметричному потоку рассчитывается по формуле

, (1.16)

где f_d- доплеровский сдвиг частоты; f₀- частота излучаемой ультрозвуковой волны; u - скорость объекта (частицы в текучей сркде); c - скорость звука; q - угол между направлением излучения (приема) ультрозвуковой волны и осью трубы или кровеносного сосуда. Если поток не имеет аксиальной симметрии или преобразователи расположены несимметрично, то в формулу (1.16) нужно вводить дополнительный тригонометрический коэффициент.

Самое важное преимущество доплеровского измерителя потока непрерывного действия - возможность измерения кровотока с помощью преобразователей, расположенных на поверхности тела с одной стороны кровеносного сосуда. Измерители потока этого типа могут работать с жидкостями, содержащими включения газов или твердых тел. Можно указать и ряд других преимуществ этих устройств: 1) временные задержки сигнала в них минимальны и определяются главным образом характеристиками фильтров; 2) при измерении кровотока помехи от сигнала электрокардиограммы (ЭКГ) незначительны; 3) такие устройства можно устанавливать в дешевых регуляторах потока.

При использовании доплеровского измерителя потока непрерывного действия для получения сигнала доплеровского сдвига необходимо наличие в текучей среде каких-либо частиц. Сигнал доплеровского сдвига не является одночастотным гармоническим сигналом, что обусловлено рядом причин:

1. Профиль распределения скорости по поперечному сечению потока (профиль потока) неоднороден. Частицы движутся с различными скоростями, генерируя различные по частоте доплеровские сдвиги.

2. Частица отражает ультразвуковую волну в течении короткого промежутка времени.

3. Хаотическое вращение частиц и турбулентность вызывают различные доплеровские сдвиги.

Два других недостатка доплеровского измерителя потока непрерывного действия - практически полное отсутствие информации о профиле потока и невозможность определения направления потока без дополнительной обработки сигнала.

Импульсные доплеровские измерители потока.

Импульсный доплеровский измеритель потока работает в радарном режиме и выдает информацию о профиле потока текучей среды. На рис. 6 иллюстрируется принцип работы этого устройства. Преобразователь возбуждается короткими посылками сигнала несущей частоты от генератора. Этот преобразователь выполняет функции излучателя и приемника; отражаемый сигнал с доплеровским сдвигом принимается с некоторой временной задержкой относительно момента излучения первичного сигнала. Временный интервал между моментами излучения и приема сигнала является непосредственным указателем расстояния до отражающей частицы (дальности). Следовательно, можно получить полную “развертку” отражений сигнала поперек трубы или кровеносного сосуда. Профиль скорости в поперечном сечении кровеносного сосуда получается в результате регистрации доплеровского сдвига сигнала при различных временных задержках. С помощью импульсного доплеровского измерителя потока можно оценить диаметр кровеносного сосуда. Как видно из рис. 6, принимаемые сигналы А и С обусловлены отражениями от ближней и дальней стенок сосуда соответственно. Расстояние между точками, где происходят эти отражения, непосредственно связано через простые геометрические соотношения с диаметром сосуда.

Аналогичный принцип измерения лежит в основе метода ультразвукового сканирования в амплитудном режиме (А-режиме) и метода эхо-кардиографии. Ультразвуковой преобразователь устанавливается напротив участка тела или органа, подлежащего сканированию. Этот преобразователь излучает ультразвуковой сигнал, испытывающий отражение на любой неоднородности ткани вдоль направления сканирования. Задержка между временем излучения и приема сигнала может быть использована для определения места локализации этой неоднородности вдоль определенного пути сканирования.

Длительность излучаемого импульса является важным фактором при использовании импульсного доплеровского измерителя для регистрации кровотока. В идеале это должен быть очень короткий импульс, чтобы получить хорошее разрешение по расстоянию. С другой стороны, для достижения достаточно высокого значения отношения сигнал/шум и хорошего разрешения по скорости длительность этого импульса должна быть достаточно велика. Типичный компромиссный вариант - использование импульсов с частотой повторения 8 МГц и длительностью 1 мкс.

Доплеровским измерительным системам, работающим в импульсном режиме, присуще внутреннее ограничение. Оно выражается в том, что при заданной дальности ограничен диапазон измеряемых скоростей. Это вынуждает использовать импульсы с меньшей частотой повторения f_r. Действительно, для устранения неопределенности в определении расстояния (дальности) эхо-сигнал от каждого импульса должен быть проанализирован до момента посылки следующего импульса. Следовательно,

, (1.17)

где R_m - максимальная определяемая при данном измерении дальность. Теорема о дискретизации утверждает необходимость выполнения условия

f_r>2f_d. (1.18)

Из соотношений (1.17), (1.18) и (1.16) получаем