Реферат Датчики потока
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-28Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
от 25%
Подписываем
договор
Министерство образования и науки
Республики Беларусь
Белорусская государственная
политехническая академия
Кафедра “Информационно-измерительная
техника”
Курсовой проект
по дисциплине “Первичные измерительные преобразователи ИИС ”
на тему “Конструкция и схема применения датчика температуры для измерения скорости потока жидкости или газа ”
Исполнитель:
Меньшиков С.В.
Руководитель:
Яржембицкий В.Б.
Минск 1997
Содержание
Введение..............................................................................................................................3
Литературный обзор.............................................................................................5
Механические измерители потока........................................................5
Вращающиеся измерители...........................................................................6
Измерители с тормозящим элементом..............................................7
Гидродинамические (аэродинамические) измерители.......8
Трубки Пито...............................................................................................................9
Измерители на потокорезистивных элементах......................10
Электромагнитные измерители потока.....................................12
Ультразвуковые датчики потока........................................................16
Преобразователи.................................................................................................17
Принцип измерения времени прохождения сигнала.........19
Датчики непрерывного действия..........................................................23
Импульсные датчики.......................................................................................26
Методологическая часть...............................................................................31
Тепловые измерители потока...................................................................31
Инжекционные измерители......................................................................31
Конвекционные датчики...............................................................................32
Схема обратной связи для поддержания
постоянной температуры.............................................................................36
Типы зондов.............................................................................................................38
Заключение...................................................................................................................39
Литература.....................................................................................................................40
Введение.
Стремительное развитие электроники и вычислительной техники оказалось предпосылкой для широкой автоматизации самых разнообразных процессов в промышленности, в научных исследованиях, в быту. Однако реализация этой предпосылки в значительной мере определяется возможностями устройств для получения информации о регулируемом параметре или процессе. Разумеется, применение датчиков не ограничивается только автоматизированными системами, поскольку они могут выполнять также функции элементов просто измерительных систем.
По определению к датчикам относятся все основные узлы электронной схемы для измерения неэлектрических величин, расположенные непосредственно у объекта. Необходимость преобразования измеряемой неэлектрической величины в адекватный ей электрический сигнал послужила позднее основанием для введения термина «измерительный преобразователь».
Совершенствование полупроводниковой технологии позволило также расширить сферы применения датчиков и к тому же повысить их точность, быстродействие, надёжность, долговечность, удобство сопряжения с электронными измерительными схемами. Массовый характер производства датчиков способствует снижению их цены, что также является немаловажным фактором, определяющим их внедрение в практику. Техника конструирования и применения датчиков в последние годы развилась в самостоятельную ветвь измерительной техники. С ростом автоматизации к датчикам физических параметров стали предъявляться всё более высокие требования. При этом особое значение придаётся следующим показателям:
1. миниатюрность (возможность встраивания),
2. механическая прочность,
3. воспроизводимость,
4. дешевизна и др.
В русле общего направления технического прогресса существенные изменения претерпели также и датчики. На смену электромеханическим и электровакуумным устройствам пришли твёрдотельные (полупроводниковые, сегнетоэлектрические и т.п.) элементы и приборы, которые затем всё больше и больше стали вытесняться интегральными схемами. Развитие техники детектирования магнитных и электрических полей, электромагнитных волн (от ИК- до УФ-диапазона), малых количеств примеси в жидких и газообразных средах существенно расширили возможности измерений на удалённых, труднодоступных, движущихся и т.п. объектах. Это сделало не обязательным расположение датчиков непосредственно у объекта.
Литературный обзор.
В данной работе рассматриваются датчики (измерители) потока. В настоящее время существует множество методов реализующих измерение потока жидкости или газа, которые можно разделить на несколько групп: тепловые, механические, гидродинамические (аэродинамические), электромагнитные, ультразвуковые и другие. Различные датчики обеспечивают измерение различных характеристик потока. Метод измерения, основанный на стационарной инжекции тепла в поток, позволяет получить информацию о среднем массовом расходе жидкости или газа (кг/с). Гидродинамические (аэродинамические) методы и механический турбинный метод обеспечивают измерение среднего объёмного расхода (м3/с). Электромагнитные и ультразвуковые датчики предназначены для измерения средней скорости потока (м/с). Тепловой конвекционный метод и гидродинамический метод с использованием трубки Пито позволяют измерить локальную скорость жидкости или газа в потоке. Разработчик измерительной системы должен точно знать, какая из перечисленных характеристик потока подлежит измерению.
Механические измерители потока.
Механические измерители потока работают на принципе физического воздействия жидкости или газа на измерительный элемент, например на крыльчатку турбины или элемент, тормозящий поток.
Вращающиеся измерители потока.
Турбины. Турбинные измерители потока измеряют средний объёмный расход жидкости или газа. Скорость вращения крыльчатки (колеса) турбины, занимающей полное сечение потокопровода, и объёмный расход связаны следующей зависимостью:
где Q – средний объёмный расход (м3/с); n – скорость вращения ротора турбины (об/с); D – диаметр потокопровода (м); v – кинематическая вязкость текучей среды (м2/с). Как видно из графика на рис. 1, учёт конкретного вида функции f важен только при низких скоростях вращения турбины. Обычно турбина работает в линейной области, где величина Q/nD3 постоянна, так что скорость вращения турбины прямо пропорциональна среднему объёмному расходу жидкости или газа. Поскольку при мощностях потока износ подшипников ротора турбины очень быстро выводит турбину из строя, рабочий диапазон турбинного измерителя потока обычно ограничивается предельными значениями расхода жидкости или газа, соотносящимися приблизительно как 10:1. Заметим, что из-за нелинейности рабочих характеристик при малых потоках турбинные измерители не пригодны для измерения потоков, изменяющих своё направление.
Пропеллеры. Принцип его работы ничем не отличается от принципа работы турбинного измерителя потока. Однако, в отличие от турбины пропеллер не охватывает всё сечение потока и скорость его вращения скорее пропорциональна скорости потока, а не объёмному расходу. Рабочий диапазон пропеллерного измерителя потока в относительном выражении шире, чем 10:1, так как эффект вязкости для него менее важен, чем для турбины.
При соответствующей калибровке и правильной эксплуатации вращающиеся измерители потока обеспечивают довольно точное измерение характеристик потока (нелинейность не превышает 0.005%). Однако эти устройства не обладают достаточной механической прочностью и быстро выходят из строя при измерении мощных потоков и наличия в потоке посторонних твердых частиц. Для компенсации погрешностей, связанных с износом подшипников, необходимо периодически повторять процедуру калибровки измерителя, особенно если он эксплуатируется в коррозийной или агрессивной среде.
Измерители потока с тормозящим элементом
.
На рис. 2 показан измеритель потока с тормозящим элементом. Сила торможения, действующая на подвешенный в потоке элемент, определяется выражением
где Cd - коэффициент торможения; А - площадь поперечного сечения элемента (м2); r - плотность текучей среды (кг/м3); u - скорость потока (м/с).
Коэффициент торможения зависит от формы тормозящего элемента и практически постоянен, если форма элемента выбрана должным образом. Сила торможения чаще всего измеряется с помощью тензодатчика, закрепляемого на несущем рычаге тормозящего элемента.
Измерители потока с тормозящим элементом имеют хорошие частотные характеристики (типичное значение верхней границы частотного диапазона - 100 Гц), хотя для проведения точных измерений на повышенных частотах весьма важно обеспечить соответствующее демпфирование.
Симметричные тормозящие элементы устройства этого типа являются двунаправленными измерителями потока, хорошо работающими вблизи точки изменения направления потока. Измерители с тормозящим элементом - прочные устройства. Они часто используются в тех случаях, когда текучая среда содержит взвешенные твердые частицы, что исключает возможность применения многих других типов измерителей потока. С их помощью можно измерять скорость потока как жидкости, так и газа.
Гидродинамические (аэродинамические) измерители потока
.
В измерителях этого типа используется возможность установления связи между разностью давлений в двух характерных точках потока и скоростью потока. Эта разность давлений измеряется с помощью дифференциального преобразователя давления, связанного с микро ЭВМ. Если требуется линеаризация, она может быть выполнена программным способом.
Трубки Пито
Трубка Пито ( рис. 3) обеспечивает измерение локальных скоростей жидкости или газа в потоке. В трубке имеется два типа отверстий, открытых для текучей среды. На статических входах (или входе), выполненных в виде отверстий, оси которых перпендикулярны направлению потока, действует статическое давление текучей среды ps. Вход (отверстие) на конце трубки собирает заторможенную массу жидкости или газа, находящуюся под полным давлением pt. Если трубка Пито расположена параллельно потоку, то разность этих двух давлений находится из уравнения Бернулли
где р - разность давлений (Па); ps - давление на статическом входе (Па); pt - полное давление (Па); r - плотность текучей среды (кг/м3); u - скорость потока (м/с); Отсюда для скорости потока несжимаемой текучей среды получаем
Для сжимаемой текучей среды (например, воздуха) скорость потока определяется по формуле
где k=cp/cv (отношение удельных теплоемкостей).
Трубка Пито чаще всего применяется для измерения скорости воздуха в вытяжных трубах и на самолетах, хотя ее можно использовать в любой текучей среде. Это очень точное и прочное устройство, требующее минимального технического обслуживания. Главный недостаток трубки Пито - низкая чувствительность при малых скоростях потока и нелинейность связи между разностью давлений и скоростью.
Измерители на потокорезистивных
элементах.
Устройства этого типа определяют объемный расход жидкости или газа. В потокопроводе размещается препятствие с известными характеристиками и с помощью дифференциального преобразователя давления измеряется разность давлений по обе стороны от этого препятствия.
Сопло с острыми кромками. На рис. 4 показаны структура измерителя потока, в котором используется сопло с острыми кромками, и профиль давления вдоль потокопровода в таком измерителе. Несмотря на то что профиль давления весьма сложен, он воспроизводим, хорошо описан и протабулирован. Объемный расход для несжимаемой, текущей без трения среды описывается выражением
где Q - объемный расход (м3/с); Au и Ad - площади поперечных сечений потокпровода и сопла (м2); pu и pd - давление до и после препятствия (сопла) в текучей среде (Па); r - плотность текучей среды (кг/м3). Поскольку значения Au и Ad постоянны, формула (1.6) фактически задает туже функциональную зависимость (т.е. пропорциональность объемного расхода потока величине (pu-pd)1/2), что и формула (1.5) для трубки Пито.
С целью оптимизации рабочих характеристик таких измерителей потока для конкретных текучих сред и профилей потока используются различные модификации сопла с острыми кромками. При этом во всех случаях тип функциональной зависимости, определяемой формулой (1.6), остается неизменным, изменяются только значения констант.
Измерители потока данного класса могут использоваться практически с любыми текучими средами. Они просты по конструкции и надежны. При тщательной калибровке эти измерители обеспечивают точность порядка 1%.
Линейные потокорезистивные элементы. Существует два типа линейных потокорезистивных элементов, используемых для измерения объемного расхода воздуха при обследовании дыхательной системы. Узкие каналы обеспечивают однородность профиля потока воздуха, благодаря чему реализуется линейная взаимосвязь между разностью давлений и потоком. Дифференциальный преобразователь давления измеряет перепад давлений на элементе, пропорциональный объемному расходу воздуха.
Главный недостаток таких элементов - возможность быстрой закупорки узких каналов грязью, конденсируемой водой и т.п., что приводит к неточным показаниям.
Электромагнитные измерители потока.
Электромагнитные измерители потока используются для измерения скорости потока, усредненной по его поперечному сечению, и пригодны почти для всех проводящих жидкостей. Их работа основана на том хорошо известном факте, что в любом проводнике, движущемся перпендикулярно направлению силовых линий магнитного поля, индуцируется напряжение, величина которого прямо пропорциональна скорости проводника (в нашем случае - скорости жидкости).
Принцип работы. Магнитное поле В приложенное перпендикулярно направлению потока жидкости. Индуцируемое электрическое поле, определяющее ЭДС электромагнитной индукции, перпендикулярно как направлению тока, так и направлению магнитного поля. Величина ЭДС определяется законом Фарадея
где vу - индуцируемая ЭДС между точками a и b(); B- магнитная индукция (Тл); a, b - точки, в которых и находятся электроды; L - расстояние между точками а и b (м); u - скорость жидкости (м/с).
Предполагая, что пространственные распределения поля В и скорости u однородны и что векторы В, u и L ортогональны, получаем следующее простое выражение для ЭДС
ve=BLu. (1.8)
Индуцируемая ЭДС ve измеряется с помощью двух электродов, контактирующих с жидкостью. Тип используемых электродов зависит от типа жидкости. Для многих жидкостей, включая жидкие металлы, используются электроды, изготавливаемые из сравнительно химически неактивных металлов, например платины.
Источники погрешностей. Тщательно сконструированные электромагнитные измерители потока при правильной эксплуатации могут иметь погрешности, не превышающие 1%, но тем не менее реально существует большое число возможных источников погрешностей. Например, в биологических исследованиях погрешность измерения потока крови может легко превышать 10%.
Соотношения (1.7) и (1.8) справедливы только для аксиально-симметричного потока; именно этот случай часто встречается на практике. Для потока с известным асимметричным профилем в показания измерителя потока необходимо вводить поправочный коэффициент.
Между электродами, находящимися в жидкости, может возникнуть разность потенциалов (как в обычном гальваническом элементе), проявляющаяся в наличии напряжения смещения нуля для измеряемой ЭДС. Эта проблема не возникает при использовании переменного магнитного поля. Электроды могут подвергнуться воздействию коррозии, на них постепенно могут осаждаться инородные материалы, что влияет их сопротивление и, возможно, на измеряемую ЭДС.
Неоднородность магнитного поля вдоль или перпендикулярно оси потока может приводить к существенным погрешностям из-за образования локальных токов, циркулирующих в жидкости.
Два метода измерения: в постоянном и переменном магнитных полях.
Сравнение методов. Соотношение (1.8) справедливо как для постоянных, так и для переменных магнитных полей; форма сигнала индуцируемой ЭДС ve повторяет форму сигнала возбуждения магнитного поля В. В тех случаях, когда поляризация электродов и напряжения смещения играют незначительную роль, предпочтительнее всего использовать постоянное магнитное поле для минимизации проблем, связанных с поляризацией электродов, приходится использовать переменное магнитное поле.
Контурная ЭДС. Проводники, используемые для снятия сигнала с электродов, вместе с проводящей жидкостью образуют замкнутый контур, находящийся в магнитном поле. Поскольку на практике не удается точно выполнить условие перпендикулярности вектора магнитного поля и нормали к плоскости этого контура, в последнем индуцируется контурная ЭДС vt. Величина этой ЭДС может в несколько раз превышать полезный сигнал от электродов.
Контурная ЭДС пропорциональна производной от индукции магнитного поля и поэтому сдвинута на 90 по фазе относительно полезного сигнала, снимаемого с электродов. Реально измеряемое напряжения равно сумме двух сигналов
vs=ve+vt=Vesin(t)+Vtcos(t), (1.9)
где ve - полезный сигнал с амплитудой Ve и vt - контурная ЭДС с амплитудой Vt.
Один из способов разделения этих двух сигналов: значения vs отсчитываются в те моменты, когда ve максимально, а vt проходит через нуль. Однако такой способ трудно реализовать на практике, поскольку любая погрешность фазы приводит к значительному вкладу vt в измеряемый сигнал.
Лучшим методом является метод фазочувствительной демодуляции сигнала. Суть этого метода заключается в том, что мы умножаем vs на ток электромагнита im, который всегда находится в фазе как с магнитным полем, так и с полезным сигналом ve. В результате имеем
vp=vsim=(Vesin(t)+Vtcos(t))Imsin(t)= ImVesin2(t)+
ImVtcos(t)sin(t). (1.10)
Интегрируя затем этот сигнал-произведение по одному периоду колебания (что эквивалентно низкочастотной фильтрации vp), получаем напряжение vf, пропорциональное потоку, в то время как контурная ЭДС в конечном результате исчезает:
В некоторых конструкциях фазочувствительный демодулятор используется также для выделения контурной ЭДС и добавления ее как сигнала отрицательной обратной связи к исходному сигналу vs. Это позволяет исключить контурную ЭДС еще до прихода сигнала к фазочувствительному демодулятору для выделения сигнала vf. Существуют конструкции, в которых магнитное поле возбуждается не гармоническим, а прямоугольным или трапецеидальным сигналом. Поскольку в этом случае контурная ЭДС равна нулю большую часть периода (за исключением моментов перехода тока im через нуль), то можно использовать описанный выше способ отсчётов полного сигнала vs.
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 .
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
, (1.16)
где fd- доплеровский сдвиг частоты; f0- частота излучаемой ультрозвуковой волны; u - скорость объекта (частицы в текучей сркде); c - скорость звука; q - 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 органа, подлежащего сканированию. Этот преобразователь излучает ультразвуковой сигнал, испытывающий отражение на любой неоднородности ткани вдоль направления сканирования. Задержка между временем излучения и приема сигнала может быть использована для определения места локализации этой неоднородности вдоль определенного пути сканирования.
Длительность излучаемого импульса является важным фактором при использовании импульсного доплеровского измерителя для регистрации кровотока. В идеале это должен быть очень короткий импульс, чтобы получить хорошее разрешение по расстоянию. С другой стороны, для достижения достаточно высокого значения отношения сигнал/шум и хорошего разрешения по скорости длительность этого импульса должна быть достаточно велика. Типичный компромиссный вариант - использование импульсов с частотой повторения 8 МГц и длительностью 1 мкс.
Доплеровским измерительным системам, работающим в импульсном режиме, присуще внутреннее ограничение. Оно выражается в том, что при заданной дальности ограничен диапазон измеряемых скоростей. Это вынуждает использовать импульсы с меньшей частотой повторения fr. Действительно, для устранения неопределенности в определении расстояния (дальности) эхо-сигнал от каждого импульса должен быть проанализирован до момента посылки следующего импульса. Следовательно,
, (1.17)
где Rm - максимальная определяемая при данном измерении дальность. Теорема о дискретизации утверждает необходимость выполнения условия
fr>2fd. (1.18)
Из соотношений (1.17), (1.18) и (1.16) получаем
, (1.19)
т.е. произведение максимальной дальности на максимальную скорость - ограниченная скорость. Это означает, что нельзя измерить высокие скорости при больших расстояниях до отражающего объекта. Спектральное уширение, которое может привести к появлению в сигнале спектральных составляющих с частотами, превышающими несущую частоту, а также неидеальность характеристик фильтров нижних частот, используемых для исключения эффекта наложения спектров, приводит к еще более жестким ограничениями по сравнению с тем, которое определяется формулой (1.19).
В импульсных доплеровских системах преобразователи имеют более сложную конструкцию, чем в доплеровских системах непрерывного действия. Любой кристаллический преобразователь характеризуется высокой добротностью Q (узкой частотной характеристикой) и поэтому после окончания возбуждающего электрического сигнала довольно долго осциллирует на своей резонансной частоте. Импульсный доплеровский преобразователь модифицируется путем добавления к нему спереди или сзади массивного демпфера, что обеспечивает уменьшение (уширение частотной характеристики) кристалла. Типичные значения модифицированной добротности - от 5 до 15. При использовании одного общего преобразователя в качестве излучателя и приемника отключение излучателя осуществляется с помощью логического элемента (вентиля). Однокаскадный логический элемент не обеспечивает надлежащей развязки мощного сигнала, возбуждающего излучатель, от исключительно слабого принимаемого сигнала. Проблема развязки решается последовательным включением двух логических элементов.
При использовании импульсных доплеровских систем возникают дополнительные проблемы и с обработкой принимаемого сигнала. В система должна быть предусмотрена некоторая схема, обеспечивающая защиту усилителя высокой частоты от перегрузок во время передачи сигнала и предотвращающая поступление напряжения генератора на вход этого усилителя во время приема сигнала. Примером такой схемы является диодная структура, обладающая низким сопротивлением для высокоуровневого передаваемого сигнала и высоким сопротивлением для слабого принимаемого сигнала. Измерение профилей потока в реальном масштабе времени достигается путем использования 16 логических элементов (селекторов дальности), задающих различные временные задержки для принимаемого сигнала. На выходе измерительного устройства имеем при этом 16 “параллельных” сигналов, соответствующих различным точкам в поперечном сечении трубы или кровеносного сосуда и определяющих временную зависимость локальных скоростей потока в этих точках. Профиль скорости формируется путем быстрого сканирования по этим 16 каналам.
Главное преимущество импульсных доплеровских измерителей потока - возможность получения информации о профиле потока. Кроме того, в этих устройствах детектируются сигналы, отражаемые частицами из малых объемов текучей среды (в силу сканирования по поперечному сечению потока), и поэтому на детекторы нуля поступают сигналы с узким частотным спектром, что является другим важным преимуществом измерителей потока этого типа. И наконец, поскольку для импульсного доплеровского измерителя потока нужен только один преобразователь, выполняющий функции как излучателя, так и приемника, то это - идеальное устройство для измерений с помощью катетера. Такие измерители используются для регистрации кровотока в различных участках кровеносной системы.
Методологическая часть.
Тепловые измерители потока
В тепловых измерителях потока используется нагреваемый элемент, устанавливаемый на пути потока жидкости или газа и обтекаемый этим потоком. Тепло передается от этого элемента к текучей среде с интенсивностью (Р, Вт), определяемой разностью температур (DТ, оС) элемента итекучей среды, удельной теплоемкостью (с, Дж/кг×К) и скоростью (u, м/с) последней, а также профилем потока. На принципе передачи тепла от нагреваемого элемента в поток основаны два метода измерения потока. В конвекционном методе измеряется количество тепла, рассеиваемого нагревательным элементом, тогда как в методе стационарной тепловой инжекции определяется изменение температуры текучей среды, связанное с инжекцией тепла в поток.
Инжекционные измерители потока.
Средний массовый расход любой текучей среды можно определить путем инжекции в поток известного количества тепла и измерения изменения температуры этой среды за нагревателем (ниже по течению). Средний массовый расход рассчитывается по формуле
, (2.1)
где F - массовый расход (кг/с); q - скорость стационарной инжекции тепла (Вт); cb - удельная теплоемкость текучей среды (Дж/кг×К); Tu - температура текучей среды перед нагревателем - выше по течению; Td - температура текучей среды за нагревателем - ниже по течению.
Значения температур, которые входят в формулу (2.1), можно измерить с помощью термисторов или термопар. Хотя метод стационарной тепловой инжекции весьма прост, но на практике при его реализации довольно трудно получить хорошую точность по двум следующим причинам: 1) могут иметь место паразитные утечки тепла, например, через стенки потокопровода, 2) датчик температуры, расположенный выше по течению, должен находиться достаточно далеко от нагревателя, где устанавливается однородное распределение температуры, но это еще больше осложняет проблему паразитных утечек тепла.
Конвекционные измерители потока
Конвекционный измеритель потока обеспечивает определение локальной скорости жидкости или газа путем измерения количества тепла, которое рассеивает нагреваемый элемент, обтекаемый потоком. Измерение расхода можно осуществить чисто электронным путем, применяя в качестве датчика самонагревающийся резистор. Сопротивление такого резистора изменяется вследствии охлаждения потоком, в результате чего резистор действует как датчик расхода. В этих условиях теплоотвод осуществляется несколькими путями:
PL1 - теплопроводность через среду потока к стенкам трубы; PL1~T1;
PL2 - теплоотводность через механический держатель и электропровода; Pl2~T1;
Pstr - теплопередача путем излучения (по закону Стефана- Больцмана Pstr~T14);
Pk1 - теплопередача путем свободной конвекции; Pk1~T1;
Pk2 - теплопередача путем вынужденной конвекции (поток):
, (2.2)
где Q - объемный расход.
В итоге омический элемент датчика оказывается в состоянии теплового равновесия, т.е. количество подводимой энергии равно количеству отводимой.
Поскольку проводимая электрическая энергия равна I2R(T1), равновесие определяется выражением
I2R(T1)= PL1+ PL2+ Pstr+ Pk1+ Pk2, (2.3)
где Pk2 представляет собой собственно измеряемую величину, так как она определяется потоком в канале. Поэтому все остальные формы теплопередачи могут быть выражены константой. В этом случае получается так называемое уравнение Кинга
I2R(T1)=( a1+a2Q1/2)(Tе-Tf), (2.4)
В этом уравнении a1 и a2 можно считать аппаратурными параметрами (структурой нагреваемого элемента и удельной теплоемкости текучей среды), остающимися постоянными в известных пределах.
Если элемент и текучая среда находятся в тепловом равновесии, то количество теплоты, ежесекундно передаваемого в поток, равно джоулевой мощности, выделяемой в элементе:
P=I2R (2.5)
где Р - выделяемая в элементе мощность; I - электрический ток через элемент; R - электрическое сопротивление элемента.
Из соотношений (2.4) и (2.5) следует:
, (2.6)
Уравнение (2.6) содержит четыре переменные: I, Te, Tf и u. Поскольку сопротивление R любого резистивного элемента связано с его температурой Te, мы можем определить из этого уравнения скорость u при условии постоянства I ли R. Если поддерживать на постоянном уровне величину тока I, то при изменении скорости жидкости или газа температура элемента будет изменяться в широких пределах, что приводит неудовлетворительной чувствительности измерителя при высоких и возможности теплового разрушения (выгорания) резистивного элемента - при низких. Поэтому обычно поддерживается постоянной величина сопротивления R, при этом, очевидно, постоянна и температура резистивного элемента. Зная температуру текучей среды Tf, мы можем найти из уравнения (2.6) скорость u как функцию тока I. Сводя все входящие в это уравнение постоянные к двум эмпирически определяемым коэффициентам К1 и К2 получаем
u=K1(I2-K2), (2.7)
Система обратной связи, необходимая для поддержания постоянного значения R в измерителе потока с фиксацией температуры резистивного элемента, обеспечивает значительно более высокое быстродействие устройства по сравнению с измерителем, в котором фиксируется величина тока.
Для изготовления анемометров наиболее пригодными кажутся миниатюрные терморезисторы подходящие из-за их малой массы. Сопротивление терморезистора с отрицательным ТКС типа М85 (фирма Siemens) изменяется от 10 кОм при 20 оС до 1 кОм при 100 оС. Если рабочую температуру датчика принять равной 100 оС, то по вольт-амперной характеристике М85 для сопротивления 1мА. На основании этого можно сконструировать схему типа показанной на рис. 7. Сопротивление моста составляет примерно
=3 кОм. (2.8)
При постоянном (регулируемом) напряжении питания моста 6 В для Iм= 1 мА добавочное сопротивление Rv получается равным
кОм. (2.9)
Выразим передаточную характеристику анемометра с термистором:
, (2.10)
где Rм – сопротивление моста.
Механическое устройство датчика такого анемометра состоят так. Чувствительный к потоку терморезистор М85 находится в канале длиной около 3 см и внутренним диаметром около 2 см. Благодаря такой конструкции можно исключить возникновение налагающихся побочных потоков, способных исказить результаты измерений. Терморезистор с помощью клея (двухкомпонентный) крепится на подставке в измерительной трубке, которая в свою очередь приклеивается ко второй трубке, используемой одновременно как рукоятка и как канал для электропроводов. Выходящий из рукоятки кабель фиксируется силиконовым клеем, чтобы исключить действие растягивающих нагрузок.
Характеристика изготовленного таким образом терморезистивного анемометра показана на рис. 8. Она получается на основании зависимости, определяемой уравнением Кинга и нелинейной характеристикой терморезистора.
Схема обратной связи для подержания
постоянной температуры (
R=const).
Для обеспечения необходимого режима работы зонда (с постоянной температурой) нужна какая-нибудь схема контроля температуры, имеющая цепь обратной связи. На рис. 9 показана простая схема, которая поддерживает температуру (и сопротивление) проволочного элемента на постоянном уровне. Предположим, например, что в исходном состоянии резистивный мост в этой схеме сбалансирован, так что v-=v+ при данной скорости воздуха. Теперь предположим, что скорость воздуха возрастает, вызывая охлаждение накаленной проволоки. При этом уменьшается сопротивление Rw последней, что приводит к уменьшению напряжения v-. Выходное напряжение va ОУ, а с ним и ток ib возрастают, в результате чего возрастает ток ie. Увеличение тока ie приводит к увеличению тока iw через накаленную проволоку зонда; проволока нагревается до тех пор, пока не восстанавливается баланс моста. Но если полное сопротивление моста между точкой v0 и землей остается постоянным, то, значит,
v02 пропорционально Pw (2.10)
где Pw - мощность, выделяемая в проволоке. Таким образом v0 пропорционально iw. Из соотношения (2.7) получаем
u=K1(v02-K2), (2.11)
Напряжение v0 можно подать на вход АЦП для выполнения сопряжения с IBM PC. Функциональная зависимость (2.11) легко реализуется программным способом.
Полученные соотношения (2.7) и (2.11) представляют собой полезные теоретические результаты, фактическая же взаимосвязь величин u и i (или v0) может существенно модифицироваться в зависимости от физической структуры потока и нагреваемого элемента. Поэтому для проведения точных измерений важно откалибровать измерительную систему. Поскольку мы осуществляем сопряжение с микро ЭВМ, преобразование измеренного значения тока i в скорость жидкости u можно выполнять с помощью заносимой в память микро ЭВМ справочной (переводной) таблицы.
Типы зондов.
Как видно из рис. 10, зонд с нагреваемым элементом может иметь различную конструкцию. Проволочный зонд (рис. 10(а)) чаще всего используется для измерения скорости воздуха. Для обеспечения адекватной чувствительности тонкая вольфрамовая проволока этого зонда накаливается практически докрасна. На рис. 10(б) показан тонкопленочный зонд, используемый для измерения сверхзвуковых скоростей в воздушной среде. Тонкая платиновая пленка напыляется на изолирующую подложку, и в результате получается очень прочная структура. Как проволочные, так и тонкопленочные зонды характеризуются положительным ТКС, т.е. при увеличении температуры их сопротивление возрастает. Термисторный зонд применяется для измерения скорости тока крови в биологических исследованиях. Дополнительные термисторы на этом зонде введены для компенсации изменений температуры крови и определения направления тока. Термисторный зонд имеет отрицательный ТКС.
Заключение.
За последние годы в технике измерения и регулирования параметров, различных процессов в самостоятельную отрасль выделилось изготовление и применение датчиков. Эта отрасль, постоянно развиваясь, служит основой создания разнообразных вариантов систем автоматического регулирования.
Общие тенденции к миниатюризации и компьютеризации коснулись, безусловно, и рассматриваемой области техники. При этом сигнал датчика, в большинстве случаев аналоговый, для обработки в микропроцессоре или микро-ЭВМ должен быть представлен в цифровом виде. Это осуществляется обычно интерфейсным устройством, включающим в себя АЦП. В последнее время наряду с созданием датчиков, имеющий цифровой выходной сигнал, наблюдается тенденция к конструктивному объединению датчиков с микропроцессорными устройствами.
Такое развитие обусловлено прежде всего, гигантским прогрессом микроэлектроники. Широкий спектр применений микро-ЭВМ в бытовой технике, автомобилестроении и других отраслях промышленности всё в большей мере требуется недорогих датчиков, выпускаемых крупными сериями. Как следствие этого появились интересные и в то же время недорогие устройства на датчиках.
Литература
1. Булычев А.А., Галкин В.И., Прохоренко В.А. Аналоговые интегральные схемы. – Мн. : Беларусь, 1985.
2. Виглеб Г. Датчики. Устройство и применение: Пер. с нем. — М. : Мир, 1989.
3. Томпкинс У., Уэбстер Дж. Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с компьютерами IBM PC: Пер. с англ. — М. : Мир, 1992.
4. Како Н., Яманэ Я. Датчики и микро-ЭВМ: Пер. с япон. — Л. : Энергоатомиздат, 1986.
5. Фолкенберри Л. Применение операционных усилителей и линейных ИС: Пер. с англ. – М. : Мир, 1985.
6. Пейтон А. Дж., Волш В. Аналоговая электроника на операционных усилителях. — М. :БИНОМ, 1994.
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
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
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
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 .
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
где fd- доплеровский сдвиг частоты; f0- частота излучаемой ультрозвуковой волны; u - скорость объекта (частицы в текучей сркде); c - скорость звука; q - 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 органа, подлежащего сканированию. Этот преобразователь излучает ультразвуковой сигнал, испытывающий отражение на любой неоднородности ткани вдоль направления сканирования. Задержка между временем излучения и приема сигнала может быть использована для определения места локализации этой неоднородности вдоль определенного пути сканирования.
Длительность излучаемого импульса является важным фактором при использовании импульсного доплеровского измерителя для регистрации кровотока. В идеале это должен быть очень короткий импульс, чтобы получить хорошее разрешение по расстоянию. С другой стороны, для достижения достаточно высокого значения отношения сигнал/шум и хорошего разрешения по скорости длительность этого импульса должна быть достаточно велика. Типичный компромиссный вариант - использование импульсов с частотой повторения 8 МГц и длительностью 1 мкс.
Доплеровским измерительным системам, работающим в импульсном режиме, присуще внутреннее ограничение. Оно выражается в том, что при заданной дальности ограничен диапазон измеряемых скоростей. Это вынуждает использовать импульсы с меньшей частотой повторения fr. Действительно, для устранения неопределенности в определении расстояния (дальности) эхо-сигнал от каждого импульса должен быть проанализирован до момента посылки следующего импульса. Следовательно,
где Rm - максимальная определяемая при данном измерении дальность. Теорема о дискретизации утверждает необходимость выполнения условия
fr>2fd. (1.18)
Из соотношений (1.17), (1.18) и (1.16) получаем
т.е. произведение максимальной дальности на максимальную скорость - ограниченная скорость. Это означает, что нельзя измерить высокие скорости при больших расстояниях до отражающего объекта. Спектральное уширение, которое может привести к появлению в сигнале спектральных составляющих с частотами, превышающими несущую частоту, а также неидеальность характеристик фильтров нижних частот, используемых для исключения эффекта наложения спектров, приводит к еще более жестким ограничениями по сравнению с тем, которое определяется формулой (1.19).
В импульсных доплеровских системах преобразователи имеют более сложную конструкцию, чем в доплеровских системах непрерывного действия. Любой кристаллический преобразователь характеризуется высокой добротностью Q (узкой частотной характеристикой) и поэтому после окончания возбуждающего электрического сигнала довольно долго осциллирует на своей резонансной частоте. Импульсный доплеровский преобразователь модифицируется путем добавления к нему спереди или сзади массивного демпфера, что обеспечивает уменьшение (уширение частотной характеристики) кристалла. Типичные значения модифицированной добротности - от 5 до 15. При использовании одного общего преобразователя в качестве излучателя и приемника отключение излучателя осуществляется с помощью логического элемента (вентиля). Однокаскадный логический элемент не обеспечивает надлежащей развязки мощного сигнала, возбуждающего излучатель, от исключительно слабого принимаемого сигнала. Проблема развязки решается последовательным включением двух логических элементов.
При использовании импульсных доплеровских систем возникают дополнительные проблемы и с обработкой принимаемого сигнала. В система должна быть предусмотрена некоторая схема, обеспечивающая защиту усилителя высокой частоты от перегрузок во время передачи сигнала и предотвращающая поступление напряжения генератора на вход этого усилителя во время приема сигнала. Примером такой схемы является диодная структура, обладающая низким сопротивлением для высокоуровневого передаваемого сигнала и высоким сопротивлением для слабого принимаемого сигнала. Измерение профилей потока в реальном масштабе времени достигается путем использования 16 логических элементов (селекторов дальности), задающих различные временные задержки для принимаемого сигнала. На выходе измерительного устройства имеем при этом 16 “параллельных” сигналов, соответствующих различным точкам в поперечном сечении трубы или кровеносного сосуда и определяющих временную зависимость локальных скоростей потока в этих точках. Профиль скорости формируется путем быстрого сканирования по этим 16 каналам.
Главное преимущество импульсных доплеровских измерителей потока - возможность получения информации о профиле потока. Кроме того, в этих устройствах детектируются сигналы, отражаемые частицами из малых объемов текучей среды (в силу сканирования по поперечному сечению потока), и поэтому на детекторы нуля поступают сигналы с узким частотным спектром, что является другим важным преимуществом измерителей потока этого типа. И наконец, поскольку для импульсного доплеровского измерителя потока нужен только один преобразователь, выполняющий функции как излучателя, так и приемника, то это - идеальное устройство для измерений с помощью катетера. Такие измерители используются для регистрации кровотока в различных участках кровеносной системы.
Методологическая часть.
Тепловые измерители потока
В тепловых измерителях потока используется нагреваемый элемент, устанавливаемый на пути потока жидкости или газа и обтекаемый этим потоком. Тепло передается от этого элемента к текучей среде с интенсивностью (Р, Вт), определяемой разностью температур (DТ, оС) элемента итекучей среды, удельной теплоемкостью (с, Дж/кг×К) и скоростью (u, м/с) последней, а также профилем потока. На принципе передачи тепла от нагреваемого элемента в поток основаны два метода измерения потока. В конвекционном методе измеряется количество тепла, рассеиваемого нагревательным элементом, тогда как в методе стационарной тепловой инжекции определяется изменение температуры текучей среды, связанное с инжекцией тепла в поток.
Инжекционные измерители потока.
Средний массовый расход любой текучей среды можно определить путем инжекции в поток известного количества тепла и измерения изменения температуры этой среды за нагревателем (ниже по течению). Средний массовый расход рассчитывается по формуле
где F - массовый расход (кг/с); q - скорость стационарной инжекции тепла (Вт); cb - удельная теплоемкость текучей среды (Дж/кг×К); Tu - температура текучей среды перед нагревателем - выше по течению; Td - температура текучей среды за нагревателем - ниже по течению.
Значения температур, которые входят в формулу (2.1), можно измерить с помощью термисторов или термопар. Хотя метод стационарной тепловой инжекции весьма прост, но на практике при его реализации довольно трудно получить хорошую точность по двум следующим причинам: 1) могут иметь место паразитные утечки тепла, например, через стенки потокопровода, 2) датчик температуры, расположенный выше по течению, должен находиться достаточно далеко от нагревателя, где устанавливается однородное распределение температуры, но это еще больше осложняет проблему паразитных утечек тепла.
Конвекционные измерители потока
Конвекционный измеритель потока обеспечивает определение локальной скорости жидкости или газа путем измерения количества тепла, которое рассеивает нагреваемый элемент, обтекаемый потоком. Измерение расхода можно осуществить чисто электронным путем, применяя в качестве датчика самонагревающийся резистор. Сопротивление такого резистора изменяется вследствии охлаждения потоком, в результате чего резистор действует как датчик расхода. В этих условиях теплоотвод осуществляется несколькими путями:
PL1 - теплопроводность через среду потока к стенкам трубы; PL1~T1;
PL2 - теплоотводность через механический держатель и электропровода; Pl2~T1;
Pstr - теплопередача путем излучения (по закону Стефана- Больцмана Pstr~T14);
Pk1 - теплопередача путем свободной конвекции; Pk1~T1;
Pk2 - теплопередача путем вынужденной конвекции (поток):
где Q - объемный расход.
В итоге омический элемент датчика оказывается в состоянии теплового равновесия, т.е. количество подводимой энергии равно количеству отводимой.
Поскольку проводимая электрическая энергия равна I2R(T1), равновесие определяется выражением
I2R(T1)= PL1+ PL2+ Pstr+ Pk1+ Pk2, (2.3)
где Pk2 представляет собой собственно измеряемую величину, так как она определяется потоком в канале. Поэтому все остальные формы теплопередачи могут быть выражены константой. В этом случае получается так называемое уравнение Кинга
I2R(T1)=( a1+a2Q1/2)(Tе-Tf), (2.4)
В этом уравнении a1 и a2 можно считать аппаратурными параметрами (структурой нагреваемого элемента и удельной теплоемкости текучей среды), остающимися постоянными в известных пределах.
Если элемент и текучая среда находятся в тепловом равновесии, то количество теплоты, ежесекундно передаваемого в поток, равно джоулевой мощности, выделяемой в элементе:
P=I2R (2.5)
где Р - выделяемая в элементе мощность; I - электрический ток через элемент; R - электрическое сопротивление элемента.
Из соотношений (2.4) и (2.5) следует:
Уравнение (2.6) содержит четыре переменные: I, Te, Tf и u. Поскольку сопротивление R любого резистивного элемента связано с его температурой Te, мы можем определить из этого уравнения скорость u при условии постоянства I ли R. Если поддерживать на постоянном уровне величину тока I, то при изменении скорости жидкости или газа температура элемента будет изменяться в широких пределах, что приводит неудовлетворительной чувствительности измерителя при высоких и возможности теплового разрушения (выгорания) резистивного элемента - при низких. Поэтому обычно поддерживается постоянной величина сопротивления R, при этом, очевидно, постоянна и температура резистивного элемента. Зная температуру текучей среды Tf, мы можем найти из уравнения (2.6) скорость u как функцию тока I. Сводя все входящие в это уравнение постоянные к двум эмпирически определяемым коэффициентам К1 и К2 получаем
u=K1(I2-K2), (2.7)
Система обратной связи, необходимая для поддержания постоянного значения R в измерителе потока с фиксацией температуры резистивного элемента, обеспечивает значительно более высокое быстродействие устройства по сравнению с измерителем, в котором фиксируется величина тока.
Для изготовления анемометров наиболее пригодными кажутся миниатюрные терморезисторы подходящие из-за их малой массы. Сопротивление терморезистора с отрицательным ТКС типа М85 (фирма Siemens) изменяется от 10 кОм при 20 оС до 1 кОм при 100 оС. Если рабочую температуру датчика принять равной 100 оС, то по вольт-амперной характеристике М85 для сопротивления 1мА. На основании этого можно сконструировать схему типа показанной на рис. 7. Сопротивление моста составляет примерно
При постоянном (регулируемом) напряжении питания моста 6 В для Iм= 1 мА добавочное сопротивление Rv получается равным
Выразим передаточную характеристику анемометра с термистором:
где Rм – сопротивление моста.
Механическое устройство датчика такого анемометра состоят так. Чувствительный к потоку терморезистор М85 находится в канале длиной около 3 см и внутренним диаметром около 2 см. Благодаря такой конструкции можно исключить возникновение налагающихся побочных потоков, способных исказить результаты измерений. Терморезистор с помощью клея (двухкомпонентный) крепится на подставке в измерительной трубке, которая в свою очередь приклеивается ко второй трубке, используемой одновременно как рукоятка и как канал для электропроводов. Выходящий из рукоятки кабель фиксируется силиконовым клеем, чтобы исключить действие растягивающих нагрузок.
Характеристика изготовленного таким образом терморезистивного анемометра показана на рис. 8. Она получается на основании зависимости, определяемой уравнением Кинга и нелинейной характеристикой терморезистора.
Схема обратной связи для подержания
постоянной температуры (
R=const).
Для обеспечения необходимого режима работы зонда (с постоянной температурой) нужна какая-нибудь схема контроля температуры, имеющая цепь обратной связи. На рис. 9 показана простая схема, которая поддерживает температуру (и сопротивление) проволочного элемента на постоянном уровне. Предположим, например, что в исходном состоянии резистивный мост в этой схеме сбалансирован, так что v-=v+ при данной скорости воздуха. Теперь предположим, что скорость воздуха возрастает, вызывая охлаждение накаленной проволоки. При этом уменьшается сопротивление Rw последней, что приводит к уменьшению напряжения v-. Выходное напряжение va ОУ, а с ним и ток ib возрастают, в результате чего возрастает ток ie. Увеличение тока ie приводит к увеличению тока iw через накаленную проволоку зонда; проволока нагревается до тех пор, пока не восстанавливается баланс моста. Но если полное сопротивление моста между точкой v0 и землей остается постоянным, то, значит,
v02 пропорционально Pw (2.10)
где Pw - мощность, выделяемая в проволоке. Таким образом v0 пропорционально iw. Из соотношения (2.7) получаем
u=K1(v02-K2), (2.11)
Напряжение v0 можно подать на вход АЦП для выполнения сопряжения с IBM PC. Функциональная зависимость (2.11) легко реализуется программным способом.
Полученные соотношения (2.7) и (2.11) представляют собой полезные теоретические результаты, фактическая же взаимосвязь величин u и i (или v0) может существенно модифицироваться в зависимости от физической структуры потока и нагреваемого элемента. Поэтому для проведения точных измерений важно откалибровать измерительную систему. Поскольку мы осуществляем сопряжение с микро ЭВМ, преобразование измеренного значения тока i в скорость жидкости u можно выполнять с помощью заносимой в память микро ЭВМ справочной (переводной) таблицы.
Типы зондов.
Как видно из рис. 10, зонд с нагреваемым элементом может иметь различную конструкцию. Проволочный зонд (рис. 10(а)) чаще всего используется для измерения скорости воздуха. Для обеспечения адекватной чувствительности тонкая вольфрамовая проволока этого зонда накаливается практически докрасна. На рис. 10(б) показан тонкопленочный зонд, используемый для измерения сверхзвуковых скоростей в воздушной среде. Тонкая платиновая пленка напыляется на изолирующую подложку, и в результате получается очень прочная структура. Как проволочные, так и тонкопленочные зонды характеризуются положительным ТКС, т.е. при увеличении температуры их сопротивление возрастает. Термисторный зонд применяется для измерения скорости тока крови в биологических исследованиях. Дополнительные термисторы на этом зонде введены для компенсации изменений температуры крови и определения направления тока. Термисторный зонд имеет отрицательный ТКС.
Заключение.
За последние годы в технике измерения и регулирования параметров, различных процессов в самостоятельную отрасль выделилось изготовление и применение датчиков. Эта отрасль, постоянно развиваясь, служит основой создания разнообразных вариантов систем автоматического регулирования.
Общие тенденции к миниатюризации и компьютеризации коснулись, безусловно, и рассматриваемой области техники. При этом сигнал датчика, в большинстве случаев аналоговый, для обработки в микропроцессоре или микро-ЭВМ должен быть представлен в цифровом виде. Это осуществляется обычно интерфейсным устройством, включающим в себя АЦП. В последнее время наряду с созданием датчиков, имеющий цифровой выходной сигнал, наблюдается тенденция к конструктивному объединению датчиков с микропроцессорными устройствами.
Такое развитие обусловлено прежде всего, гигантским прогрессом микроэлектроники. Широкий спектр применений микро-ЭВМ в бытовой технике, автомобилестроении и других отраслях промышленности всё в большей мере требуется недорогих датчиков, выпускаемых крупными сериями. Как следствие этого появились интересные и в то же время недорогие устройства на датчиках.
Литература
1. Булычев А.А., Галкин В.И., Прохоренко В.А. Аналоговые интегральные схемы. – Мн. : Беларусь, 1985.
2. Виглеб Г. Датчики. Устройство и применение: Пер. с нем. — М. : Мир, 1989.
3. Томпкинс У., Уэбстер Дж. Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с компьютерами IBM PC: Пер. с англ. — М. : Мир, 1992.
4. Како Н., Яманэ Я. Датчики и микро-ЭВМ: Пер. с япон. — Л. : Энергоатомиздат, 1986.
5. Фолкенберри Л. Применение операционных усилителей и линейных ИС: Пер. с англ. – М. : Мир, 1985.
6. Пейтон А. Дж., Волш В. Аналоговая электроника на операционных усилителях. — М. :БИНОМ, 1994.
