многочисленные интерференционные максимумы и минимумы. Расстояние от

излучателя, определяющего характерный размер (dnf) области ближнего поля,

находится по формуле

[pic][pic], (1.12)

где D - диаметр преобразователя и ( - 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

sin(=1.2(/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[pic], для

турбулентного - u=1,07[pic], где [pic] - скорость, усредненная по площади

поперечного сечения трубы или кровеносного сосуда. Разница в значениях u и

[pic] 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

[pic], (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 (t между временем

прохождения сигнала вверх по течению и временем его прохождения вниз по

течению. Величина (t пропорциональна средней скорости u и равна

[pic]. (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 (t,

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 (t=2Du/c. Скорость звука c может изменяться с

температурой, и с этим могут быть связаны значительные погрешности

измерения (t, если учесть, что в формулу для (t 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 .

Доплеровские измерители потока непрерывного действия.

На рис. 5,в показано, как могут располагаться преобразователи в

доплеровских измерителях потока непрерывного действия. В этих измерителях

потока используется известный эффект изменения (понижения) частоты звука,

детектируемого движущимся приемником, удаляющимся от неподвижного источника

звука (эффект Доплера). Если излучатель и приемник неподвижны, а движется

объект (частица в текучей среде), отражающий ультразвуковую волну, то

обусловленный эффектом Доплера сдвиг частоты при симметричном расположении

преобразователей по отношению к аксиально-симметричному потоку

рассчитывается по формуле

[pic], (1.16)

где fd- доплеровский сдвиг частоты; f0- частота излучаемой

ультрозвуковой волны; u - скорость объекта (частицы в текучей сркде); c -

скорость звука; ( - угол между направлением излучения (приема)

ультрозвуковой волны и осью трубы или кровеносного сосуда. Если поток не

имеет аксиальной симметрии или преобразователи расположены несимметрично,

то в формулу (1.16) нужно вводить дополнительный тригонометрический

коэффициент.

Самое важное преимущество доплеровского измерителя потока

непрерывного действия - возможность измерения кровотока с помощью

преобразователей, расположенных на поверхности тела с одной стороны

кровеносного сосуда. Измерители потока этого типа могут работать с

жидкостями, содержащими включения газов или твердых тел. Можно указать и

ряд других преимуществ этих устройств: 1) временные задержки сигнала в них

минимальны и определяются главным образом характеристиками фильтров; 2) при

измерении кровотока помехи от сигнала электрокардиограммы (ЭКГ)

незначительны; 3) такие устройства можно устанавливать в дешевых

регуляторах потока.

При использовании доплеровского измерителя потока непрерывного

действия для получения сигнала доплеровского сдвига необходимо наличие в

текучей среде каких-либо частиц. Сигнал доплеровского сдвига не является

одночастотным гармоническим сигналом, что обусловлено рядом причин:

1. Профиль распределения скорости по поперечному сечению потока

(профиль потока) неоднороден. Частицы движутся с различными скоростями,

генерируя различные по частоте доплеровские сдвиги.

2. Частица отражает ультразвуковую волну в течении короткого

промежутка времени.

3. Хаотическое вращение частиц и турбулентность вызывают различные

доплеровские сдвиги.

Два других недостатка доплеровского измерителя потока непрерывного

действия - практически полное отсутствие информации о профиле потока и

невозможность определения направления потока без дополнительной обработки

сигнала.

Импульсные доплеровские измерители потока.

Импульсный доплеровский измеритель потока работает в радарном режиме

и выдает информацию о профиле потока текучей среды. На рис. 6

иллюстрируется принцип работы этого устройства. Преобразователь

возбуждается короткими посылками сигнала несущей частоты от генератора.

Этот преобразователь выполняет функции излучателя и приемника; отражаемый

сигнал с доплеровским сдвигом принимается с некоторой временной задержкой

относительно момента излучения первичного сигнала. Временный интервал между

моментами излучения и приема сигнала является непосредственным указателем

расстояния до отражающей частицы (дальности). Следовательно, можно получить

полную “развертку” отражений сигнала поперек трубы или кровеносного сосуда.

Профиль скорости в поперечном сечении кровеносного сосуда получается в

результате регистрации доплеровского сдвига сигнала при различных временных

задержках. С помощью импульсного доплеровского измерителя потока можно

оценить диаметр кровеносного сосуда. Как видно из рис. 6, принимаемые

сигналы А и С обусловлены отражениями от ближней и дальней стенок сосуда

соответственно. Расстояние между точками, где происходят эти отражения,

непосредственно связано через простые геометрические соотношения с

диаметром сосуда.

Аналогичный принцип измерения лежит в основе метода ультразвукового

сканирования в амплитудном режиме (А-режиме) и метода эхо-кардиографии.

Ультразвуковой преобразователь устанавливается напротив участка тела или

Страницы: 1, 2, 3, 4