CC BY
45
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ЭЛЕКТРОНИКА
УДК 534.232.4; 681.121.4
В. Д. ГОРБОКОНЕНКО, В. Е. ШИКИ11А, Л. Р. САДЕРТДИНОВ
ПЕРВИЧНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ РАСХОДОМЕРОВ
Рассмотрены вопросы исследования первичных преобразователей одноканальных ультразвуковых расходомеров с использованием электрических моделей при заданных конструктивных параметрах.
Вопросы измерения с высокой точностью расхода и количества жидких и газообразных сред приобретают в последнее время все большую актуальность в связи с решением задач автоматизации производственных процессов, необходимости коммерческого учета продуктов, ■фанспортируемых по трубопроводам, а также с увеличением числа научных исследовашш в области динамики жидкости и газа. Среди большого многообразия приборов для измерения расхода ультразвуковые устройства в последние годы завоевывают все большее признание и все большую область применения, особенно в сложных производственных условиях.
Возможность применения ультразвука в расходоизмерительной технике базируется в основном на трех факторах. С одной стороны, используется активное воздействие на вещество ультразвуковых колебаний, приводящее к изменению его физико-химических свойств. Другим направлением является передача и обработка сигналов при помощи ультразвука. И. наконец, наиболее широко используется получение информации с помощью ультразвуковых колебаний, распространяющихся в движущейся среде. В каждом конкретном случае используется ультразвук определенного частотного диапазона и различной интенсивности.
Известны многочисленные конструкции
первичных преобразователей и способы их расположения на объектах, на которых
предполагается измерение расхода. Они в
значительной степени отличаются метрологическими и эксплуатационными характеристиками.
Для ввода акустических колебаний в поток и для приема их на выходе из потока необходимы
излучатели и приемники колебаний - главные элементы первичных преобразователей
ультразвуковых расходомеров. Материалами для излучателей и приемников служат, главным образом, титанат бария и цирконат титаната свинца. Для получения интенсивных акустических колебаний следует использовать резонансную частоту пьезоэлемента.
На рис.1 представлен общий вид трубопровода с вмонтированными пьезоэлектрическими
преобразователями, что является предметом
исследования.
На пьезоизлучатель подается возбуждающее напряжение для получения ультразвуковых акустических колебаний в рабочую среду, в свою очередь через некоторое время колебания принимаются пьезоприемником и преобразуются в электрический сигнал на его выходе. Каждый из первичных преобразователей может работать в качестве излучателя или приемника для зондирования рабочей среды по потоку и против него. Напряжение, поданное на пьезоизлучатель и выданное пьезоприемником, характеризуется
чувствительностью преобразователя и зависит от его конструкции и диаметра трубы с1тр.
Пьезопреобразователи могут быть подразделены на узкополосные и широкополосные. В конструктивном отношении широкополосные иьезопреобразователи отличаются от узкополосных наличием механического демпфера и одного или нескольких согласующих слоев между пьезоэлектрической пластинкой и рабочей средой. Вместе с расширением полосы пропускания механическое демпфирование пьезопреобразователя уменьшает его чувствительность, поэтому при конструировании широкополосных
пьезопреобразователей одним из требований является
Карман 1
Карман 2
Рис Л. Общий вид вмонтированных в трубопровод пьезоэлектрических преобразователей
оптимальный выбор параметров механических
согласующих слоев и электрических цепей
включения, обеспечивающий заданную полосу пропускания при минимальном волновом
акустическом сопротивлении демпфера.
При однородных колебаниях пластин сила, развиваемая на активной поверхности, определяется как произведение колебательного давления на площадь пластины. Поскольку колебательное давление - это сила, нормированная по площади, то для рассматриваемого случая в качестве входных и выходных воздействий пьезопреобразователя целесообразно рассматривать пару величин: колебательное давление - электрическое напряжение. Тогда передаточная функция пьезопреобразователя, работающего в режиме излучения ультразвуковых волн (пьезоизлучателя) Ю, определяется выражением
Ki = р/ивх,
(О
где р колебательное давление на акустическом выходе; ивх - питающее электрическое напряжение.
Соответственно передаточная функция пьезопреобразователя, работающего в режиме приема ультразвуковых волн (пьезоприемника) Кр, выражается следующим образом:
Кр = ивьгх/р,
(2)
где ивых - электрическое напряжение на выходе приемника; р - колебательное давление в рабочей среде без пьезоприемника.
Значения передаточных функций на фиксированных частотах будем называть коэффициентами передачи пъезопреобразователей.
В ультразвуковых контрольно-измерительных приборах преобразователи часто образуют пары излучатель-приемник. Передаточная функция такой системы имеет вид
К - КтКр'Ку, (3)
где Ку - передаточная функция рабочей среды.
Для расчета необходимы матрицы коэффициентов, описывающие как электрические, так и механические элементы систем. При этом особое место занимает эквивалентный четырехполюсник электромеханического
преобразователя, связывающий электрические параметры с механическими [1].
В общем случае любой элемент системы может быть схематически представлен четырехполюсником,
У,
1
-у
к 1
А
/\
Рис. 2. Эквивалентный четырехполюсник элемента ультразвуковой системы
показанным на рис. 2. Входные XI, У1 и выходные Х2, У2 воздействия связываются уравнениями:
Х\ 2 + -^12^2 >
= Л7+ Л22У7.
(4)
Эти же уравнения в матричной форме принимают вид
X.
7,
=1К»
•*2 ЛиЛ12 • ^2
У* -^21^22 Г2
(5)
Здесь Ашп (ш = 1,2; п = 1,2) - коэффициенты четырехполюсника рассматриваемого элемента.
Для пьезопреобразователя, работающего в режиме излучения, входными являются электрические воздействия, а выходными -механические. На основании электромеханических аналогий электрическое напряжение - сила, электрический ток - колебательная скорость. В дальнейшем под механическими воздействиями будут приняты сила и колебательная скорость на активной поверхности преобразователя. Таким образом, при анализе эквивалентных четырехполюсников пьезоэлектрических пластин за воздействия XI, У1 будут приниматься, соответственно, электрическое напряжение и ток, а за воздействия Х2, У2 - колебательные сила и скорость на ее активной поверхности.
Поскольку передаточные функции являются комплексными величинами, во многих практических случаях эти функции целесообразно выражать амплитудно-частотной Фрг(х) и фазо-частотной
фрг(х) характеристиками.
На рис. 3 приведена электрическая цепь нагрузки пьезоизлучателя.
Рис.З. Электрическая цепь нагрузки пьезоизлучателя
По известным соотношениям [1] для исследуемой конструкции излучателя в программе «Mathcad 2000 Professional» рассчитана передаточная функция, график которой приведен на рис. 4.
На графике Ki(x) видно, что Ki имеет максимальное значение при х=0.88, но т. к. в пьезоэлектрическом преобразователе при
определении его чувствительности исходят из коэффициента передачи пьезоприемника, следует использовать рабочую частоту при хЮ,96.
А (х) Л -5,
Рис. 4. Передаточная функция пьезоизлучателя
На рис. 5 приведена электрическая цепь нагрузки пьезоприемника.
-------------О
Рис. 5. Электрическая цепь нагрузки пьезоприемника
В соответствии с теоретическими исследованиями [1] рассчитана амплитудно-частотная и передаточная функции пьезоприемника.
иО.ОІ, х 2
Рис. 6. Амплитудно-частотная характеристика пьезоприемника
Откуда видно, что на частотах от 0,96 до 1 МГц наблюдается максимальная амплитуда приемного сигнала, следовательно, Кр(х)=0,0928284 (данная точность необходима для того, чтобы показать влияние коэффициента поглощения акустических колебаний в рабочей среде Ку).
Рис. 7. Передаточная функция пьезоприемника
При определении чувствительности
преобразователя также следует найти коэффициент
среде Ку. Т. к.
Ку = (Рвых/Рвх), (6)
где Рвых - колебательное давление на акустическом входе пьезоприемника; Рвх - колебательное давление на выходе пьезоизлучателя. Согласно расчетам Ку= 0,997.
Таким образом, общий коэффициент передачи пьезокерамического преобразователя находится из выражения (3) и равен 0,0107 в диапазоне частот от 0,96 до 1 МГц.
Используемые при расчете пьезоэлектрических преобразователей электрические модели позволяют определить как характеристики преобразователя при заданных параметрах его составных элементов, так и параметры составных элементов преобразователя, обеспечивающих необходимые характеристики преобразователя.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Домаркс В. И., Кажис Р.-И. Ю. Контролыю-измерительные пьезоэлектрические преобразователи. - Вильнюс: Изд-во «Минтис», 1974. - С. 258.
Горбокопенко Вера Дмитриевна, доцент
кафедры «Измерительно-вычислительные комплексы» (ИВК) УлГТУ. Имеет публикации по метрологии, измерению электрических величин.
Шикина Виктория Евгеньевна, аспирант
кафедры ИВК УлГТУ. Окончила Ульяновский
государственный технический университет.
Садертдинов Линар Радикович, выпускник
факультета информационных систем и технологий УлГТУ.
0.2
Д1157574о.18
0.16
0.14
0.12
Фрг2(х) о.1 0.08 0.06 0.04 0.02 А о
