 |
Методика расчета ультразвуковых расходомеров
|
|
|
|
Общие сведения
Целью расчета является, прежде всего, выбор рациональной схемы ультразвукового расходомера, основных конструктивных параметров преобразователей исходя из конкретной задачи, определение рабочей частоты ультразвуковых колебаний и других параметров.
Исходные данные для расчета:
параметры контролируемой среды (состав, плотность, загрязнение, температура);
параметры трубопровода (материал, диаметр, толщина стенок);
акустические характеристики исследуемой среды (скорость звука, коэффициент затухания);
диапазон измерения расхода, требуемая точность.
В промышленных условиях преимущественно применяются преобразователи с одной или двумя преломляющими поверхностями. Диапазон измерения расхода определяется диаметром трубопровода, т.к. диапазон скоростей потока примерно одинаковый (до 3-4м/сек). Однако в некоторых случаях имеют место пониженные скорости потока (до 1м/сек) и повышенные (до 10м/сек). Диаметры трубопровода условно разбиваются на следующие группы:
малые (25-75 мм), средние (75-150 мм) и большие (150-300 мм).
.Наиболее часто в промышленных условиях применяются фазовые схемы с преломлением, т.к. в них отсутствует затухание.
Импульсные и частотно-импульсные схемы применяются, главным образом, для измерения расхода чистых жидкостей.
Частотно-пакетные схемы имеют ограниченные возможности Применения.
5. Методика расчета ультразвукового преобразователя с фазовой схемой
1. Определение диапазона рабочих частот ультразвуковых колебаний,
Нижняя граница диапазона частот определяется для преобразователей без преломления и с преломляющей поверхностью по формулам (3) и (6). При этом принимают ∆j=2 рад, a и b не превышают 60°, скорость звука в жидких средах 1500 м/сек. Верхняя граница частот определяется размерами твердых частиц в контролируемой среде. Длина волны ультразвуковых колебаний должна быть на порядок больше размера частиц.
|
|
|
2. Расчет коэффициента пропускания ультразвуковой волны через контролируемую среду
-в случае нормального падения ультразвуковой волны,по формуле
(20)
в случае падения ультразвуковой волны под углом, по формуле
(21)
где m=r1c1/r2c2; P=a12sin2asin2b2+cos2b2+r1c1cosa/r2c2cos2b2
r1, c1- плотность контролируемой среды и скорость звука в ней;
r2, c2 - плотность и скорость звука материала трубопровода;
ct, с l - поперечная и продольная скорости ультразвука в материале трубопровода;
a - угол излучения и приема в трубопроводе;
b1 - угол излучения в контролируемой среде;
b2 - угол преломления в трубопроводе приемного луча.
s - коэффициент Пуассона материала трубопровода;
b1 и b2 можно выбирать по величине, не превышающей 60°.
3. Расчет минимально допустимого радиуса пьезоэлементов:
где Сп - скорость звука в материале пьезоэлемента.
4. Расчет угла a и рабочей частоты/для преобразователей без преломления по формуле (3) и для преобразователей с преломлением по формуле (6). При этом можно задаваться различными значениями угла a, но не превышающими 60°.
6. Методика расчета ультразвукового преобразователя с импульсной схемой
1. Расчет разности времен прохождения импульсов для преобразователя без преломления по формуле (7) и с преломлением по формуле (8).
2. Расчет коэффициента пропускания ультразвуковой волны проводится аналогично п.2 предыдущей методики.
3. Расчет минимально допустимого радиуса пьезоэлемента проводится аналогично п.З предыдущей методики.
4. Расчет угла a и величины ∆tmax для преобразователей без преломления по формулам (7) и с преломлением по формулам (8)
Расчет ультразвукового преобразователя
|
|
|
|
|
|
