§ 13.3. Применение ультразвуковых датчиков

В ультразвуковых уровнемерах и дефектоскопах исполь­зуется свойство ультразвука отражаться от границы двух сред. Соотношение между энергиями отраженных и падающих колебаний называется коэффициентом отражения. Этот коэффициент весьма велик для сред, существенно отличающихся по плотности и скоро­сти распространения звука. Например, коэффициент отражения на границе вода — сталь составляет 88, а на границе вода — транс­форматорное масло он равен 0,6. Но даже и при малых коэффи­циентах отражения полученный отраженный сигнал вполне доста­точен для измерения положения уровня раздела двух сред. Мерой

уровня является время распространения колебании от источника излучения к границе раздела и обратно к приемнику. Эти величи­ны уровня и времени связаны между собой соотношением (13.1). Благодаря свойству ультразвуковых колебаний распространяться в любых упругих средах между излучателем и измеряемой средой может находиться металлическая стенка, что позволяет вести изме­рение без контакта измерительных элементов с контролируемой средой и без электрических вводов в резервуар.

В ультразвуковых уровнемерах используется в основном им­пульсный режим передачи колебаний в среду. При этом пьезоэле-мент может попеременно работать то излучателем, то приемником ультразвука. Схема ультразвукового уровнемера показана на рис. 13.5. Электрические высокочастотные импульсы от генерато­ра 2 подаются по кабелю к пьезоэлементу датчика /, который из­лучает ультразвуковые колебания в измеряемую среду. Эти колеба­ния отражаются от границы раздела сред и возвращаются к пьезо­элементу, который преобразует их в электрический сигнал. Этот сигнал усиливается усилителем 3 и подается на измерительное уст­ройство 4, определяющее время между посылкой импульса генера­тором 2 и приходом импульса в усилитель 3. В результате много­кратного отражения посланного импульса могут вернуться три-четыре сигнала, убывающие по амплитуде и запаздывающие друг относительно друга на одинаковое время. Частота посылаемых им­пульсов должна быть не слишком большой, чтобы все отраженные сигналы успели вернуться до посылки следующего импульса. Ультразвуковые уравнемеры обеспечивают точность в 1% при из­мерениях уровня в 5—10 м в условиях высокой температуры, вы­сокого давления, большой химической активности контролируемой среды. В воздухе ультразвуковые колебания затухают во много раз быстрее, чем в жидких (и вообще в более плотных) средах. По­этому предпочтительнее располагать излучатель и приемник под резервуаром, а не сверху (рис. 13.5).

В ультразвуковом расходомере используется эффект сложения скорости распространения ультразвука в упругой среде со ско­ростью движения этой среды. Схема ультразвукового расходомера показана на рис. 13.6. Пьезоэлементы 1 и 2 располагаются вдоль трубопровода и возбуждаются от генератора 3 на частоте в не­сколько сотен килогерц. Каждый из пьезоэлементов попеременно с помощью переключателя 4 работает то излучателем, то прием­ником. Таким образом, ультразвуковые колебания посылаются то по потоку среды, то навстречу ему. В первом случае скорости колебаний и потока складываются, во втором случае — вычита­ются. После прохождения по среде сигналы, принятые пьезоэле-ментами, усиливаются усилителем 5 и поступают попеременно на измерительное устройство 6. Разность фаз принятых колебаний будет пропорциональна скорости среды. Градуировка прибора вы­полняется для определенной среды. При использовании прибора для измерений расхода среды с другим значением скорости рас­пространения ультразвука изменяется и градуировка.

Следует отметить, что измерительные схемы для ультразвуко­вых датчиков довольно сложны.