Ультразвуковые датчики

Ультральтразвуковые датчики используются во многих системах автоматизации и управления, правило, для измерения скорости потока, неразрушающего контроля материалов и измерений уровня жидкости. В общем случае ультразвуковым датчиком можно назвать любой прибор, преобразующий электрические импульсы в механическую энергию, порождающую звук с частотой выше предела слышимости человека. Выбор звуковой частоты зависит от приложения. Для измерения скорости потока используют звук с частотой от 30 кГц до 5 МГц. При контроле уровня жидкости средняя частота звука обычно ниже: от 30 кГц до 200 кГц. Для приложений диагностики, например, измерения расстояний, детекторов зазоров частоты могут выбираться в широком диапазоне, но их величина обычно гораздо больше, чем в других приложениях.

В ультразвуковом времяпролетном сенсоре потока используется пара датчиков для измерения скорости потока в трубопроводе. В каждом датчике есть пьезоэлектрический кристалл, преобразующий электрические импульсы в акустические ультразвукового диапазона и наоборот. Сенсор представляет собой комбинацию приемника и передатчика. Пара приборов располагается таким образом, чтобы выпущенный в определенный момент времени акустический импульс после распространения вниз по потоку попал на второй прибор пары. Следующий импульс распространяется обратно, вверх по потоку. Разница времени, потраченного на прохождение одного расстояния двумя импульсами пропорциональна измеряемой скорости потока.

Принципиальная схема

Обычно датчик для ультразвуковой времяпролетной системы измерения скорости потока состоит из следующих элементов: пьезоэлектрического кристалла, основания, согласователя им-педансов и прокладки. Одна из целей конструкции — увеличить передаваемую в текущую среду энергию, уменьшить эхо, погасить нежелательное дрожание структуры и расширить полосу частот. Для оценки демпфирования пьезоэлектрического диска М.Г.Силк (M.G. Silk) в своей книге по ультразвуковым передатчикам предлагает следующее выражение:

W = (ZD-ZA)(ZD-ZB)/(ZD+ZA)(ZD+ZB)

Где:

W — отношение амплитуды текущего колебания к предыдущему.

ZD — акустический импеданс пьезоэлектрического диска.

ZA — акустический импеданс согласователя.

ZB — акустический импеданс подложки.

В зависимости от выбора материалов, существует три типа передатчиков:

• Узкая полоса частот: пьезоэлектрический диск колеблется долгое время, W > 0,75.

• Средняя полоса частот: приемлема для большинства ультразвуковых приложений, W~0,3.

• Широкая полоса частот: очень короткий (широкополосный) сигнал, W < 0,1

Приложения датчиков:

• Для типичных приложений горения газа (см. рисунок), можно использовать методику четвертьволнового смешения, все компоненты датчика размещены внутри металлической оболочки для защиты от агрессивной газовой среды. Толщина металлического окна, через которое проходит звуковая волна много меньше длины волны в 100 кГц, поэтому потери энергии звука при его прохождении через металл также невелики.

• Для типичных приложений анализа жидкости пьезоэлектрический кристалл расположен внутри металлической оболочки без слоя согласования импедансов.

Тоан Нгуенг (Toan Nguyen)
(toan.h.nguyen@ge.com) главный инженер,
центр исследования потоков, группа передатчиков.

Кристофер Фрэил (Christopher Frail) (christopher.frail@ge.com)
менеджер по маркетингу продукции,
технологии потоков, GE Sensing,
Биллерика, Массачусетс, (Billerica, MA),
www.gesensing.com

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *