Ультразвуковые датчики потока.
Ультразвуковые датчики эффективно используются для измерения потока во многих медико-биологических и промышленных применениях. Основным элементом конструкции ультразвукового датчика является пьезоэлектрический излучатель коротких посылок акустических (упругих) волн. Для измерения потока используются частоты, лежащие за пределами слышимого акустического диапазона - в ультразвуковой области. Работа ультразвуковых датчиков потока основана на одном из двух физических принципов. В датчиках первого типа (измерение времени прохождения сигнала) используется тот факт, что скорость звука, распространяющегося в движущейся среде, равна скорости относительно этой среды плюс скорость движения самой среды. В датчиках второго типа используется изменение (доплеровский сдвиг) частоты ультразвуковой волны при ее рассеянии движущейся средой. В данном разделе мы опишем эти основные типы ультразвуковых измерителей потока, принципы их работы и применение.
Преобразователи.
В ультразвуковых измерителях потока используются электроакустические преобразователи из пьезоэлектрических материалов, осуществляющие преобразование электрической мощности в акустические колебания. Идеальным пьезоэлектрическим материалом для электроакустического преобразователя является такой материал, который обеспечивает низкий уровень шума, высокую эффективность преобразования и позволяет создать преобразователь с высокой добротностью. Чаще всего в электроакустических преобразователях используется цирконат – титанат свинца (ЦТС). Преимущество этого материала - очень высокая эффективность электроакустического преобразования и высокая температура Кюри (приблизительно 300 oC); последнее уменьшает вероятность деполяризации материала в процессе припаивания выводов преобразователя.
Можно изготовить ультразвуковой преобразователь любой формы посредством расплавления материала и последующей его формовки. Пьезоэлектрические кристаллы подвергаются искусственной поляризации путем помещения их в сильное электрическое поле при высокой температуре и охлаждения в этом поле ниже температуры Кюри. Обычно формируются преобразователи в виде дисков, на противоположные плоские поверхности которых наносятся металлические электроды. Через эти электроды генератор колебаний возбуждает кристалл-излучатель. Электроды кристалла-приемника присоединены к высокочастотному усилителю. Для обеспечения максимальной эффективности толщина кристалла обычно выбирается равной половине длины ультразвуковой волны.
Выбор рабочей частоты преобразователя определяется фундаментальными физическими факторами. Конечное значение диаметра преобразователя обуславливает наличие дифракционного распределения интенсивности ультразвуковой волны по аналогии с апертурной дифракцией в оптике. В области ближнего поля пучок имеет практически цилиндрическую форму, соответствующую геометрии излучателя, и его уширение мало. Однако распределение интенсивности в пучке неоднородно, поскольку здесь возникают многочисленные интерференционные максимумы и минимумы. Расстояние от излучателя, определяющего характерный размер (dnf) области ближнего поля, находится по формуле
, (1.12)
где D - диаметр преобразователя и l - длина волны.
В области дальнего поля пучок расходится, причем интенсивность ультразвуковой волны в пучке изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния от преобразователя. Для угла расходимости пучка имеем
sinf=1.2l/D, (1.13)
Эффект расходимости пучка ухудшает пространственное разрешение, поэтому область дальнего поля использовать не рекомендуется. Для обеспечения работы в области ближнего поля нужны большие преобразователи и высокие рабочие частоты. В промышленных применениях пространственное разрешение при измерении потока можно получить, выбирая рабочую частоту и размер преобразователя таким образом, чтобы размер области ближнего поля приближенно соответствовал диаметру потокопровода (трубы, трубопровода).
Правильный выбор рабочей частоты очень важен для измерителей потока крови. Для пучка с постоянным поперечным сечением мощность ультразвуковой волны экспоненциально спадает с расстоянием из-за ее поглощения в ткани. С этой точки зрения предпочтительнее низкие рабочие частоты, поскольку коэффициент поглощения ультразвука квазилинейным образом возрастает с увеличением частоты. С другой стороны, наиболее распространенные ультразвуковые измерители потока - доплеровские датчики потока - работают на принципе детектирования мощности ультразвуковой волны, рассеиваемой движущимися красными кровяными тельцами, причем рассеиваемая мощность пропорциональна четвертой степени частоты. Таким образом, в этих измерителях потока для увеличения детектируемой мощности необходимо увеличивать рабочую частоту. Компромисс достигается при выборе рабочей частоты в диапазоне от 2 до 10 MГц.
Датчик потока на принципе измерения времени прохождения сигнала.
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 .