Замечание. В ультразвуковой измерительной технике все шире применяют пьезоэлектрический эффект, так как он позволяет достичь высоких частот

В ультразвуковой измерительной технике все шире применяют пьезоэлектрический эффект, так как он позволяет достичь высоких частот, находящихся в диапазоне мегагерц.

Время прохождения или поглощения луча ультразвука может служить мерой уровня. В воздухе и газах скорость распространения ультразвука минимальна, С ростом частоты звукопроводность уменьшается.

Различают три режима работы ультразвуковых преобразователей уровня (рис. 5.103). В первом режиме при измерении уровня методом поглощения мерой уровня служит ослабление луча ультразвука.

А б в

Рис. 103. Схемы ультразвуковых уровнемеров, в которых осуществляется первый (а), второй (б) и третий (в) режимы работы: / — излучатель; 2 — приемник

Первый режим весьма похож на работу фотоэлектрического преобразователя: ультразвуковой излучатель и приемник (детектор) монтируются внутри резервуара и располагаются строго друг против друга так, что между ними образуется прямой путь прохождения ультразвуковой волны в газе (рис. 5.103, а). При заполнении пространства между двумя вибраторами жидкостью или сыпучим материалом ультразвуковой излучатель посылает сигнал, и ультразвуковые волны весьма существенно поглощаются жидкостью или сыпучим материалом. Если сыпучий материал или жидкость освобождает траекторию луча ультразвука, сигнал гаснет. Этот режим работы ультразвуковых преобразователей используется только для определения дискретных уровней жидкости, т. е. для сигнализации предельных величин. Такой способ подачи ультразвуковых сигналов пригоден для измерения уровня сыпучих материалов.

Для измерения уровня жидкостей более удобен второй режим работы ультразвуковых преобразователей, основанный на измерении времени прохождения сигнала с использованием принципа эхолота (рис. 5.103, б). Электрический импульс пьезоэлектрическим вибратором преобразуется в ультразвуковой импульс, который излучается в жидкость и отражается пограничным слоем жидкость-воздух. Эхо поступает на аналогичный пьезоэлектрический вибратор и преобразуется в электрический импульс. Оба импульса, посланный и отраженный, попадают с определенным интервалом на вход усилителя.

Тогда уровню жидкости соответствует время между излучением (моментом посылки импульса) и приемом отраженного ультразвукового импульса от поверхности жидкость—воздух до ультразвукового преобразователя:

где — расстояние от излучателя до поверхностного раздела фаз; — скорость распространения ультразвука в измеряемой среде. Скорость распространения ультразвука при любой температуре жидкости (воды) можно рассчитать по эмпирической формуле:

где — температура жидкости (воды),°С.

Пауза между двумя последовательно посылаемыми импульсами определяется выражением

Принципиальная схема ультразвукового уровнемера, работающего во втором режиме ультразвуковых преобразователей, приведена на рис. 104.

Рис. 104. Принципиальная схема ультразвукового уровнемера.

Уровнемер состоит из пьезоэлектрического преобразователя (вибратора) 2, установленного в резервуаре 1, электронного блока 3 и вторичного измерительного прибора 8 (на рисунке — автоматический потенциометр). Электронный блок включает в себя генератор 7, задающий частоту повторения импульсов; генератор импульсов 4, посылаемых в жидкость, уровень которой измеряется; приемного устройства-усилителя 5; измерителя времени 6. Генератор 7, задающий частоту повторения импульсов, управляет работой генератора импульсов 4 и измерителем времени 6. Генератор импульсов 4 вырабатывает электрические импульсы с определенной частотой повторения, которые преобразуются в ультразвуковые с помощью пьезоэлектрического преобразователя 2, установленного с внешней стороны дна резервуара. Распространяясь в жидкой среде, ультразвуковые импульсы отражаются от поверхности жидкости (от границы раздела жидкость—газ) и поступают на тот же пьезометрический преобразователь. Отраженные импульсы после обратного преобразования в электрические усиливаются и формируются усилителем 5, а затем подаются на измеритель времени. Выходным сигналом измерительной схемы является постоянное напряжение, поступающее на вход вторичного прибора 8 (например, автоматического потенциометра).