Фазовые измерительные схемы

Курсовая работа

по курсу Элементы Автоматики.

Тема: Расчет ультразвукового расходомера

 

 

Выполнил: студент группы КИП-08

Гришкин Д.П.

 

Проверил: Трофимов А.И.

 

Обнинск 2012г.

Содержание

 

 

1. Краткая теория по ультразвуковым расходомерам………………3

2. Фазовые измерительные схемы……………………………………6

3. Импульсные измерительные схемы……………………….………8

4. Частотные измерительные схемы……………………………...….10

5. Методика расчета ультразвукового преобразователя с фазовой схемой………………………………………………………………11

6. Методика расчета ультразвукового преобразователя с импульсной схемой……………………………………………..…12

7. Расчет ультразвукового преобразователя ………………………13

 

Принципы построения ультразвуковых расходомеров

 

Принцип действия ультразвуковых расходомеров основан на том, что скорость ультразвука в движущейся контролируемой среде относительно неподвижной системы координат (стенок трубопрово­да) равна векторной сумме скоростиультразвука относительно ско­рости перемещения самой среды.

В трубопроводе установлены два излучающих пьезоэлемента: один излучает ультразвуковую волну по направлению по­тока, другой - против него; соответственно два приемных, располо­женных на одинаковом расстоянии от излучателей. Эти пары излу­чающих и приемных пьезоэлементов образуют два акустических канала.

Рис.1. Принцип действия ультразвукового расходомера

Если контролируемая среда неподвижна, волновая длина обоих каналов одинакова, т.е. время распространения ультразвуковой вол­ны от излучателей к приемникам одинаково.

Если контролируемая среда движется, то между принятыми сиг­налами того и другого каналов образуется разность, зависящая от скорости перемещения среды.

Два ультразвуковых тракта можно осуществить и посредством одной пары пьезоэлементов. При этом попеременно происходит из­лучение и прием, чем меняется направление излучения ультразвука в направлении движения среды и против него.

 

Ультразвуковые расходомеры могут строиться также на принци­пе измерения "сноса" ультразвукового пучка потоком контролируе­мой среды (рис.2). Например, имеется один излучающий и два приемных пьезоэлемента. При неподвижной жидкости сигналы на приемных пьезозлементах одинаковы. При движении жидкости сиг­нал на приемнике 2 будет больше, чем на приемнике 3.

Рис. 2. Схема измерения расхода по принципу "сноса"

Измеряя разность сигналов приемников 2 и 3, можно судить о величине расхода. Следует отметить, что для измерения хода за­грязненных жидкостей схемы "сноса" не применимы.

Принципиально возможно построение расходов на эффекте Доп­лера: если источник и приемник движутся относительно друг друга.

Частота колебаний увеличивается, если приемник движется на­встречу источнику, и наоборот, если удаляется (рис.3).

Рис.3. Схема измерения расхода на эффекте Доплера

В данном случае частота изменяется при изменении скорости дви­жения среды. Приемник колебаний размещают рядом с излучателем. Величина частотного сдвига пропорциональна скорости жидкости. Приемник принимает сигналы, отраженные от частиц жидкости.

В последнее время нашли применение метода, основанного на возбуждении на резонансной частоте отдельных конструктивных элементов трубопровода, или создании специальных волноводов резонаторов. Например, возможно возбуждение пластины на изгибной моде колебаний.

Существуют три метода измерения расхода или скорости пере­мещения жидкости:

1) непосредственное измерение времени распространения ультра­звуковых импульсов;

2) измерение сдвига фаз между принятыми ультразвуковыми ко­лебаниями, прошедшими по потоку и против него (фазовые схемы);

3) измерение разности частот следования импульсов или пакетов ультразвуковых колебаний, распространяющихся по потоку и про­тив него, причем каждый последующий импульс или пакет запуска­ется пришедшим на приемник предыдущим (частотно-импульсные или частотно-пакетные схемы). Каждый из этих методов может быть реализован двумя способами:

1) двухканальные схемы с двумя независимыми парами пьзоэлементов;

2) одноканальные схемы - с одной парой пьезоэлементов.

По способу осуществления введения ультразвука в контролируе­мую среду измерительные преобразователи подразделяются на кон­тактные и бесконтактные.

Контактные преобразователи контактируют с контролируемой средой,

Бесконтактные не контактируют. Ультразвуковой сигнал переда­ется через стенки трубопровода-

По акустическим свойствам измерительные преобразователи подразделяются на два типа: без преломления и с преломлением или с преломляющей поверхностью между контролируемой средой и излучателем.

 

Существует два типа преобразователей без преломления. Осевые преобразователи, в которых направление распространения ультра­звука совпадает с направлением потока, и угловые контактные пре­образователи, в которых нет преломляющей поверхности.

Рис.4.Ультразвуковые преобразователи без преломления.

Осевые преобразователи имеют П-образные изгибы трубопровода (рис.4,а). Излучатель и приемник расположены слитно друг с другом. На рис.4,б показан ультразвуковой расходомер с угловы­ми контактными преобразователями. Излучатель и приемник контактируют с контролируемой средой через мембраны. Они располо­жены в специальных карманах.

Преобразователи с преломлением - бесконтактные. Между кон­тролируемой средой и излучателем могут быть одна, две или не­сколько преломляющих поверхностей.

На рис.5 показаны две модификации ультразвуковых преобра­зователей с одной преломляющей поверхностью. В первой (рис.5,а) ультразвуковая волна вводится через специальный вы­ступ на стенке трубопровода. Во второй модификации (рис.5,б) ввод и вывод ультразвуковой волны осуществляется через волноводные стержни 1 и 2, установленные в отверстиях трубопровода.

Рис.5. Ультразвуковые преобразователи с одной преломляющей поверхностью.

На рис.6 показаны две модификации ультразвуковых преобра­зователей с двумя преломляющими поверхностями. В одном случае (рис.6,а) ввод ультразвуковой волны в стенку трубопровода осу­ществляется через жидкостные волноводы. В другом (рис.6,б), через внешние волноводы которые выполнены из твердых материа­лов. Такие расходомеры применяются для измерения расхода агрес­сивных жидкостей.

Рис. 6. Ультразвуковые преобразователи с двумя преломляющими поверхностями.

Определение разности времен распространения ультразвуковых волн по потоку и против него производится различными методами.

1. Измерение сдвига фаз между ультразвуковыми колебаниями, принятыми измерительными преобразователями по потоку и против него (фазовая схема).

2. Непосредственное измерение времени, или разности времен прохождения ультразвуковых импульсов (импульсная схема).

3. Измерение разности частот следования импульсов или пакетов ультразвуковых колебаний, распространяющихся по потоку и про­тив него. При этом каждый последующий импульс или пакет коле­баний запускается предыдущим, пришедшим на приемник (частот­но-импульсная или частотно-пакетная схемы).

Метод измерения сноса ультразвуковой волны осуществляется определением изменения интенсивности ультразвуковых колебаний на приемных преобразователях.

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 2p f 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)

123Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: