Ультразвуковые преобразователи

Ультразвуковые преобразователи основаны на закономерностях взаимо­действия звуковых колебаний с ве­ществом. Скорость распространения звуковых колебаний зависит от соста­ва, плотности, температуры вещества, модуля упругости (для твердых тел). Рассеяние и поглощение звука зависит от частоты колебаний, от степени неод­нородности среды. При переносе зву­ковых колебаний движущейся средой наблюдаются релятивистские эффек­ты.

Скорость распространения звука в идеальном газе

где — отношение удельной теплоемкости при постоян­ном давлении к удельной теплоем­кости при постоянном объеме;

R = 8,314 Дж/КМоль — газовая посто­янная;

Т — абсолютная температура;

М — молекулярный вес;

P — давле­ние газа;

В — второй вириальный ко­эффициент.

Скорость распространения в твер­дом теле

где Е — модуль упругости;

ρ — плот­ность.

В табл. 2.8 и 2.9 представлены зна­чения скорости звука С и коэффициен­ты поглощения α/f² при температурах Т и плотностях ρ в жидкостях и газах соответственно. В табл. 2.10 — скоро­сти звука в твердом теле (Е — модуль Юнга; μ — модуль сдвига) [35].

Могут быть выделены два пред­ставительных принципа преобразова­ния звуковых колебаний в датчиках: датчики на основе бегущей ультразву­ковой волны и датчики со стоячей уль­тразвуковой волной.

Датчики на основе бегущей волны в свою очередь могут быть подразделе­ны на следующие разновидности:

• Датчики локационного типа — эхолоты, уровнемеры, дефектоскопы. Во всех датчиках этого типа звуковой импульс излучается датчиком, прохо­дит путь до отражающей поверхно­сти (граница раздела жидкости и га­за, поверхность дефекта, твердая поверхность) и возвращается обратно в датчик. В эхолотах и уровнемерах по измеренному времени распростране­ния импульса вычисляется расстояние (уровень), в дефектоскопах не толь­ко оценивается глубина залегания де­фекта, но и могут оцениваться разме­ры дефекта. В эхолотах и уровнеме­рах принимаются специальные меры для учета местной скорости звука. В уровнемерах локация осуществляется как через газ, так и через жидкость. Первая группа характеризуется широ­ким диапазоном измерения (до 30 м), сравнительно большой погрешностью (1...3 %) и достаточно высокой инер­ционностью (до 0,2 с). Для сниже­ния потерь, обусловленных затухани­ем звука в газе, такие уровнемеры ра­ботают на низких частотах (несколько десятков кГц).

Уровнемеры с локацией через жидкость характеризуются высокой точностью (десятые доли процента), низкой инерционностью (до 10~³ с). В них излучатель целесообразно исполь­зовать и как приемник.

Известны реализации уровнеме­ров, основанные на локации границы раздела сред по волноводам (исполь­зуются поверхностные ультразвуковые волны, испытывающие отражение на границе раздела сред).

Таким образом, в этих датчиках путь звукового импульса L преобра­зуется во время распространения им­пульса t_И при постоянстве скорости звука с = const:

• Другая реализация — датчик с фиксированной базой распространения звукового импульса. В этом случае измеряемой величиной является ско­рость (либо скорость распространения звука в среде, заполняющей фиксиро­ванную базу, либо скорости движения среды на фиксированной базе, т.е. объ­емные расходы).

• Принцип бегущей волны исполь­зуется в ультразвуковых термометрах, основанных на зависимости скорости звука от температуры вещества. При этом звукопроводящей средой могут быть как специальные звукопроводы-термометры, имеющие тепловой кон­такт с термометрируемой средой, так и сама термометрируемая среда. Из­вестен интерес к такого рода измери­телям в ядерной термометрии [36].

На рис. 2.29 приведена зависи­мость времени следования импульсов ультразвуковых волн τ от температу­ры звукопроводов из различных метал­лов.

Рис. 2.29. Зависимость времени следова­ния импульсов от температуры

В расходомерах (рис. 2.30) ульт­развуковая волна, излучаемая в не­четном такте первым излучателем И₁, сносится потоком, движущимся со ско­ростью v, и воспринимается приемни­ком П₁. В четном такте волна излуча­ется излучателем И₂ и воспринимает­ся приемником П₂. При соответству­ющей синхронизации излучения и при­ема в качестве излучателя и приемни­ка на каждой стороне используемся од­но и то же обратимое устройство. При нечетном такте скорость распростране­ния звуковой волны c+v (излучение по нормали к вектору скорости потока), при четном такте - с- v.

Разность времен прохождения фиксированной базы L:

Рис. 2.30.Принцип действия ультразву­кового расходомера

Известны три основные модификации расходомеров с перемещением звуко­вой волны движущейся средой - осе­вые, угловые и со сносом. Уль­тразвуковые расходомеры по видам модуляции подразделяются на фазо­вые, частотно-импульсные и время-импульсные. Первые две модифика­ции используются наиболее часто.

Датчики на основе стоячей звуко­вой волны содержат резонатор, в кото­ром образуется стоячая волна. Таким резонатором может быть и слой газа и жидкости, и стержень твердого тела.

При неизменном составе газа в ре­зонаторе скорость звука зависит толь­ко от температуры газа. Поэтому та­кой газовый термометр-резонатор, в котором возбуждаются автоколебания, является абсолютным термометром и может использоваться для измерений от абсолютного нуля вплоть до тем­ператур, при которых сохраняется це­лостность резонатора [37, 38].

В [39] использовался акустический резонатор с жидким наполнителем для реакторной термометрии.

Если в резонаторе меняется состав среды, но неизменной остается темпе­ратура, то скорость звука становит­ся функцией состава среды. На этом принципе строятся акустические газо­анализаторы.

Дата добавления: 2014-01-07