Электромагнитные и ультразвуковые расходомеры крови

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Данная курсовая работа содержит 21 страниц, 8 рисунков, 5 источников.

Цель работы - рассмотреть расходометры крови, ознакомиться с их параметрами и методиками их применения.

Ключевые слова: Расходометр, Ультразвуковой, Электромагнитный, магнитное поле, Закон электромагнитной индукции.

Содержание

1. Классификация ультразвуковых расходомеров

2. Состав УЗ расходомера

3. Конструкция УЗ преобразователя

4. Принцип работы ультразвукового расходомера

5. Достоинства и недостатки электромагнитных расходометров

6. Принцип работы электромагнитного расходомера

7. Принцип работы электромагнитных расходомеров

Вывод

Литература

1. Классификация ультразвуковых расходомеров

Ультразвуковыми расходомерами называют расходомеры, принцип действия которых заключается в измерении какого-либо физического эффекта (в зависимости от расхода), создающего при прохождении акустических колебаний сквозь поток жидкости или газа. Большинство акустических расходомеров работают в ультразвуковом диапазоне частот.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.1.1 - Классификация ультразвуковых расходомеров

1)Фазовые ультразвуковые расходомеры - это ультразвуковые расходомеры, работающие по принципу зависимости фазовых сдвигов ультразвуковых колебаний, образующихся на приемных пьезоэлементах, от разности временного прохождения колебаниями одинакового расстояния по потоку движущейся жидкости или газа и против потока. В настоящее время существует несколько схем одно- и двухканальных фазовых расходомеров. В одноканальных расходомерах реализованы различные схемы переключения пьезоэлементов с излучения на прием (например: схемы переключения с помощью особого генератора, создающего сигналы двух форм, один из которых включает генератор, а второй сигнал переключает пьезоэлементы на прием и т.д.) Одноканальные фазовые расходомеры не требуют переключения с излучения на прием, в них оба пьезоэлемента непрерывно излучают ультразвуковые колебания двух разных, но весьма близких частот (например, 6 МГц и 6,01 МГц).

2)Частотные ультразвуковые расходомеры - это ультразвуковые расходомеры, работающие на принципе зависимости разности частот повторяющихся коротких импульсов ультразвуковых колебаний от разности времен прохождения ультразвуковыми колебаниями одинакового пути по потоку жидкости (газа) и против потока.

Частотные ультразвуковые расходомеры бывают частотно-пакетными и частотно-импульсными (при измерении разности проходящих через среду коротких импульсов). В частотно-импульсных ультразвуковых расходомерах генератор создает короткие импульсы, которые направляются с интервалами, равными времени прохождения ультразвука по направлению скорости потока и против направления скорости потока, к излучающим пьезоэлементам. У таких расходомеров частоты больше в два раза, относительно частотно-пакетных расходомеров. У частотных расходомеров разность частот пакетов небольшая, что затрудняет точное измерение. Для нивелирования этого недостатка и для увеличения разности частот пакетов, используемых в частотных расходомерах, в большинстве случаев применяют одноканальную схем.

Рис. 1.2 Схема одноканального частотного расходомера.

На рис. 1.2 приведена схема, в которой измеряется разность частот двух управляемых генераторов, периоды которых с помощью автоматической подстройки частоты устанавливаются в к раз меньшими времени распространения ультразвуковых колебаний в направлении скорости потока и против нее.

3)Время-импульсные ультразвуковые расходомеры - это ультразвуковые расходомеры, измеряющие разность времен прохождения коротких импульсов направлении потока жидкости или газа и против потока на расстоянии L. Времяимпульсные ультразвуковые расходомеры в основном одноканальные и работают на импульсах 0,1-0,2 мкс, посылаемых поочередно или одновременно навстречу друг другу с частотой примерно 0,5 кГц. Такие ультразвуковые расходомеры предназначены для измерения объемного расхода. Чтобы определять массовый расход используют ультразвуковые расходомеры с коррекцией на скорость звука и плотность измеряемого вещества, в которых устанавливается дополнительный возбуждаемый на резонансной частоте пьезоэлемент, направляющий акустические колебания в измеряемое вещество. Снимаемое с него напряжение, прямо пропорционально удельному акустическому сопротивлению вещества, при условии, что сопротивление вещества значительно меньше сопротивления генератора. Умножение электрического сигнала от пьезоэлемента, на пропорциональный объемному расходу сигнал, дает в итоге сигнал, прямо пропорциональный массовому расходу.

4) Допплеровские ультразвуковые расходомеры работают по принципу измерения, зависящего от расхода допплеровской разности частот, возникающих вследствие отражения акустических колебаний неоднородностями потока. Разность зависит от скорости частицы, отражающей акустические колебания и скорости с распространения этих колебаний. Допплеровские ультразвуковые расходомеры обладают низкой точностью (2-3%) вследствие того, что выходной сигнал состоит из спектра разных частот, образующихся в результате сдвига исходной частоты большим количеством частиц, имеющих отличные скорости. В доплеровских ультразвуковых расходомерах используется отражение ультразвуковых колебаний движущимися частицами потока. Доплеровские расходомеры измеряют местную скорость звука. В трубах малого и среднего диаметров эти расходомеры могут измерять среднюю скорость по диаметру или части площади трубы. В трубах больших диаметров при наличии прямых участков достаточной длины отражатель должен находиться на расстоянии 0,12 D от стенки трубы, где скорость соответствует средней скорости потока. В противном случае необходима индивидуальная градуировка расходомера.

Рис. 1.3 Схема доплеровского преобразователя

Устройство преобразователя и измерительной схемы ультразвукового расходомера, равно как и характер его работы, сильно зависят от того, производится ли излучение ультразвуковых колебаний по потоку и против него по одному или по двум разным электроакустическим каналам. В связи с этим ультразвуковые расходомеры разделяются на:

- однолучевые или одноканальные;

- двухлучевые или двухканальные.

В первом случае преобразователи несколько проще, но измерительные схемы, как правило, сложнее, так как возникает необходимость в запоминающем устройстве и в переключении пьезоэлементов с излучения на прием. С другой стороны, в двухлучевых приборах будут возникать погрешности, если в обоих электроакустических каналах будут наблюдаться неодинаковые температуры или различный состав среды. Фазовые расходомеры бывают как однолучевые, так и двухлучевые; частотные и импульсные расходомеры, как правило, изготовляются двухлучевыми.

2. Состав УЗ расходомера

В состав ультразвукового расходомера в зависимости от исполнения и количества каналов (трубопроводов) входят:

а) Для однолучевых ультразвуковых расходомеров:

- до четырех ультразвуковых преобразователя расхода (УПР) с установленными пьезоэлектрическими датчиками (ПЭП) из титана;

- электронный блок прибора(ЭБ);

- соединительный кабель для датчиков РК-50.

Рис.2.1 Одноканальный ультразвуковой расходомер.

б) Для двухлучевых ультразвуковых расходомеров:

- до двух УПР с установленными ПЭП;

- ЭБ;

- кабель РК-50.

Рис.2.2 Одноканальный двухлучевой ультразвуковой расходомер.

в) Для четырехлучевых ультразвуковых расходомеров:

- один УПР с установленными ПЭП;

- ЭБ прибора;

- кабель РК-50.

Рис.2.3 Одноканальный четырехлучевой ультразвуковой расходомер.

г) Для врезных ультразвуковых расходомеров:

- до четырех пар ПЭП с комплектом монтажных частей;

- ЭБ прибора;

- кабель РК-50.

Рис.2.4 Врезной ультразвуковой расходомер.

3. Конструкция УЗ преобразователя

Ультразвуковые расходомеры основаны на принципе различной скорости распространения ультразвуковых волн (100 кГц-- 4 МГц) вдоль и против потока крови. Генераторами волн в этих приборах служат 2 пьезокристалла, расположенные на противоположных стенках сосуда по диагонали. Звуковые волны, возникающие при движении крови в сосуде и распространяющиеся вдоль потока, имеют большую скорость, нежели волны, распространяющиеся против тока крови. Таким образом, скорость кровотока оказывается пропорциональной разности двух скоростей распространения ультразвуковых волн в противоположных направлениях. По конструкции ультразвуковые расходомеры делятся на два типа. В первом из них измеряется сдвиг фазы звуковой волны; в другом -- регистрируется разница во времени распространения пачки квантов (10 колебаний) в прямом и противоположном направлениях (Guyton, 1969). Датчики этих приборов гораздо миниатюрнее соответствующих устройств магнитного флоуметра, однако они не могут быть использованы для регистрации кровотока по сосудам малого диаметра (из-за того, что скорость кровотока составляет лишь 0,2% скорости распространения ультразвука). В связи с этим практически невозможно зарегистрировать разницу во времени распространения ультразвука в прямом и противоположном направлениях. Кроме того, ультразвуковые расходомеры измеряют скорее линейную, нежели объемную скорость кровотока.

Конструкция электромагнитной системы зависит от используемого вида поля. Равномерное магнитное поле создается при помощи 2 обмоток, расположенных диаметрально противоположно вверху и внизу трубы, через которые пропускается электрический ток. Также возможно применение цилиндрической обмотки с ленточным магнитопроводом. Применение неравномерного магнитного поля повышает технические характеристики преобразователя.

Наибольший интерес представляют электромагнитные системы для создания неравномерного магнитного поля, у которого , где - индукция, а - весовая функция, определяющая вклад различных точек жидкости в суммарную ЭДС, тогда . Создание магнитного поля, точно удовлетворяющего условию , невозможно. Однако, достаточно простого приближения к нему.

Конфигурация магнитного поля, приближенно удовлетворяющая этому условию: вблизи электродов индукция минимальна, затем она резко возрастает. По мере приближения к центру трубы темп нарастания индукции замедляется.

Для создания такого магнитного поля применяются электромагнитные системы, обмотки которых вблизи электродов имеют минимальную толщину, которая увеличивается при удалении от электродов, а при приближении к центру трубы снова уменьшается. Снаружи обмотки покрываются ленточным магнитопроводом.

Применение неравномерного магнитного поля с обладает следующими достоинствами: не требуется прямых участков перед и после преобразователя, отсутствует влияние формы и неравномерности потока на выходной сигнал, возможно сокращение длины преобразователя до , где - диаметр трубы.

4. Принцип работы ультразвукового расходомера

Внутри ультразвукового расходомера устанавливаются пары сенсоров друг против друга. Каждый сенсор может попеременно передавать и получать ультразвуковой сигнал. Одновременно измеряется время пробега этих сигналов. Ультразвуковые сигналы генерируются пьезоэлектрическими кристаллами при использовании напряжения. В свою очередь пьезоэлектрические кристаллы создают напряжение, когда ультразвуковой сигнал доходит до сенсора. ( Путем увеличения количества пар сенсоров возможно с точностью определить и математически рассчитать искажения профиля потока по всему внутреннему поперечному сечению трубы.)

При отсутствии потока время пробега сигнала одинаковое выше и ниже по потоку. Как только жидкость начинает перемещаться в измерительной трубе, ультразвуковые сигналы ускоряются по направлению потока и замедляются в обратном направлении. В результате, ультразвуковые сигналы обладают различным временем пробега - наименьшим временем по направлению потока и более длительным временем в обратном направлении. Поэтому различное время пробега, измеряемое сенсорами прямо пропорционально скорости потока в трубе. Зная поперечное сечение, можно рассчитать фактический расход. Чем больше скорость потока, тем больше разница измеряемого времени между двумя ультразвуковыми сигналами. Для измерения расхода при помощи ультразвуковых волн, сенсоры необязательно должны быть установлены внутрь стены трубы. При помощи системы зажимных приспособлений сенсоры крепятся непосредственно на внешнюю сторону трубы. Они могут быть легко модифицированы в любое время, не нарушая процесс. При сенсорах, закрепленных зажимами, ультразвуковой сигнал проходит непосредственно через стенку трубы, жидкость, отражается на противоположной стенке и измеряется вторым сенсором. Удобная установка, безопасность процесса и рентабельность являются существенными преимуществами измерения расхода при помощи ультразвукового расходомера

5. Достоинства и недостатки электромагнитных расходомеров

ультразвуковой расходомер преобразователь электромагнитный

Основным требованием к электромагнитным расходомерам, является линейная зависимость выходного сигнала (индуцированной разности потенциалов) от средней скорости или объемного расхода жидкости.

Коэффициент пропорциональности между сигналом и объемным расходом жидкости при выбранной схеме и заданных размерах расходомера зависят только от напряженности приложенного магнитного поля. Этот коэффициент, по крайней мере, при непроводящих стенках трубы, не зависит ни от каких свойств жидкости. Поэтому тарировочная кривая, полученная для одной среды, может, без сомнения, быть использовала и для других сред.

Другое важное преимущество электромагнитных расходомеров состоит в том, что принцип их работы и регистрация сигнала являются электрическими. Их можно без дополнительных преобразователей подсоединить к электрическим системам, предназначенным для измерений и автоматического регулирования. По этой же причине электромагнитные расходомеры применимы для дистанционной регистрации сигнала (хотя в случае плохой проводимости жидкости длина проводников, соединяющих расходомер с измерительным устройством, должна быть ограничена).

Большинство электромагнитных расходомеров имеет каналы, обеспечивающие беспрепятственное течение жидкости. Беспрепятственное течение жидкости особенно благоприятствует измерению расхода таких сред, как кровь или неустойчивые химические соединения (когда дополнительное воздействие на жидкость или на окружающие ее стенки может вызвать нежелательные изменения самой жидкости), или сред, содержащих крупные твердые частицы, которые могут закупорить ротаметры или мерные шайбы.

Электромагнитные расходомеры можно успешно использовать применительно к различным суспензиям и взвесям - от сточных вод до крови. В расходомерах круглого сечения с поперечным магнитным полем концентрическое отложение твердой фазы на стенках не оказывает влияния на показания прибора, если только твердое вещество и жидкость имеют одинаковую электропроводность.

Использование электромагнитных расходомеров наиболее оправдано, когда при обращении с рабочий жидкостью следует соблюдать особые меры предосторожности. Они необходимы, если надо предотвратить загрязнение жидкости (крови, лекарственных и питательных веществ) или требуется герметизация жидкости из-за ее токсичности, химической активности, воспламеняемости, коррозионных свойств (в случае радиоактивных растворов, жидких охладителей для ядерных реакторов, окислителей в ракетах) или если рабочая среда имеет высокую температуру. Электромагнитные расходомеры были использованы для измерения расхода жидкостей с температурой примерно до 80є С. При этом единственная предосторожность состояла в том, чтобы магнит был достаточно холодным, и тем самым напряженность магнитного поля поддерживалась на известном уровне. При необходимости поле может создаваться обмотками возбуждения без сердечника.

В некоторых случаях электромагнитные расходомеры вообще оказываются вне конкуренции. Вероятно, наиболее яркий пример их использования - измерение мгновенных скоростей крови во внутренних артериях животных без нарушения их жизнедеятельности.

Помимо высокой стоимости, недостатком широко используемых на практике электромагнитных расходомеров является невозможность точного предварительного определения тарировочной кривой. Поэтому возникает необходимость в эмпирической тарировке, которую, впрочем, легко провести, так как тарировочная кривая линейна и не зависит от рода жидкости (если стенки трубы непроводящие). Невозможность предварительного определения тарировочной кривой объясняется тем, что в целях удешевления большинство расходомеров имеет магниты с малой протяженностью полюсов в направлении движения, и это приводит к сильному концевому эффекту. Величину концевого эффекта легко рассчитать, но нельзя точно предсказать заранее. Если бы удалось стандартизовать конструкции расходомеров, то соответствующие тарировочные кривые имели бы общий характер, и необходимость эмпирической тарировки для каждого нового прибора была бы исключена. Электромагнитные расходомеры имеют и другие недостатки. Как правило, они не могут использоваться, если стенки трубы изготовлены из мягкой стали или других ферромагнитных материалов, экранирующих жидкость от поля. В этом случае в стальной трубопровод должна быть вставлена секция из немагнитного материала. Если в потоке имеются примеси, содержащие железо, то возможно их накопление о области магнитного поля, что постепенно приводит к частичному или полному блокированию расходомера. Электромагнитные расходомеры не могут применяться для измерения расхода неионизированных газов.

6. Принцип работы электромагнитного расходомера

Принцип работы электромагнитного расходомера основан на взаимодействии движущейся жидкости с электромагнитным полем. Это взаимодействие подчиняется закону электромагнитной индукции, согласно которому в жидкости, пересекающей магнитное поле, индуктируется ЭДС, пропорциональная скорости движения жидкости. Измерение скорости течения и расхода осуществляется за счет регистрации ЭДС индукции путем измерения разности потенциалов 2 металлических электродов, введенных в жидкость.

Рассмотрим перемещение за время отрезка проводника длиной в магнитном поле с индукцией со скоростью , при этом в нем индуцируется ЭДС :

Если скорость перпендикулярна проводнику, а индукция перпендикулярна плоскости, образованной векторами и , то .

Уравнение справедливо для случая, когда магнитное поле равномерно, жидкость однородна по своим электрическим свойствам, а электропроводность внутренней изоляции во много раз ниже электропроводности жидкости.

При неравномерности магнитного поля (вследствие ограниченности геометрических размеров магнитного поля вдоль длины трубы) в формулу вводится поправочный коэффициент . Также вследствие ограниченности длины изоляции, неизолированные концы трубы оказывают шунтирующее воздействие, которое учитывается при помощи коэффициента . Коэффициент учитывает остальные эффекты. Обычно эти коэффициенты близки к 1 и в любом случае не нарушают пропорциональность между ЭДС и расходом. Нелинейность преобразования не превышает 0,25%. - коэффициент усиления измерительной схемы. Коэффициент преобразования равен .

С учетом этих коэффициентов формула примет вид: . Если все коэффициенты свести в один , тогда .

Магнитная индукция величиной порядка Тл создается 2 катушками, расположенными противоположно по обе стороны трубопровода (сверху и снизу), расход в котором измеряется. Трубопровод изготавливается из немагнитного материала, а внутренняя поверхность трубы покрывается изоляционным слоем, стойким к агрессивной транспортируемой среде. Два электрода, воспринимающие сигнал, располагаются на концах диаметра поперечного сечения изолированно от трубы, перпендикулярного силовым линиям магнитного поля. Катушки питаются переменным током промышленной частоты (50 Гц), чтобы избежать поляризации электродов. При движении жидкости по закону электромагнитной индукции в точках, лежащих на противоположных концах диаметра трубы, образуется разность потенциалов, которая регистрируется при помощи электродов. Сигнал генерируется в виде . Амплитуда сигнала , пропорциональная скорости течения, выделяется из общего сигнала посредством синхронного детектирования и составляет порядка нескольких мВ.

7. Принцип действия

Принцип работы электромагнитных расходомеров основан на индукции электрических потенциалов при движении крови в магнитном поле. С помощью электродов, расположенных на поверхности сосудов, электрические потенциалы отводятся на регистрирующие приборы. При движении крови перпендикулярно полю индуцируемое на электродах напряжение (Е) будет пропорционально напряженности магнитного поля (В), диаметру сосуда (D) и средней скорости кровотока--B·D·у

При постоянстве магнитного поля В и строго определенном диаметре D возникающая на электродах ЭДС будет пропорциональна скорости кровотока у.

В расходомерах современных конструкций, в отличие от первых образцов, используется не постоянное магнитное поле, а переменное, что позволяет избегать поляризации электродов.

Современные датчики могут использоваться как в остром, так и в хроническом эксперименте; они пригодны для измерения кровотока в сосудах диаметром от 1 до 30 мм и более (Guyton, 1969).Отечественный электромагнитный одноканальный расходомер РКЭ-1 предназначен для измерения потока крови в аппаратах искусственного кровообращения и в невскрытых сосудах. Прилагаемые к нему датчики имеют диаметр канала от 2 до 26 мм. Прибор обеспечивает измерение расхода крови с помощью сосудистых датчиков от 10 мл/мин до 30 л/мин, а с помощью магистральных датчиков -- от 1 мл/мин до 15 л/мин. Погрешность прибора составляет 2--7% от максимальной производительности датчика.

Вывод

Расходомер - это прибор, который позволяет измерять расход вещества в сечении трубопровода за определенный промежуток времени. Его можно использовать как для проведения измерений в жилых зданиях, так и в промышленности.

Ультразвуковые расходомеры жидкости, воды и газа - это расходомеры, принцип действия которых заключается в измерении какого-либо эффекта (в зависимости от расхода), создающего при прохождении акустических колебаний сквозь поток жидкости или газа. Большинство акустических расходомеров работают в ультразвуковом диапазоне. Ультразвуковые многофункциональные расходомеры предназначены для коммерческого и оперативного учета жидкости и газа в напорных трубопроводах.

Электромагнитные расходомеры применяют для измерения очень малых (3 * 10^-9 м³/с) расходов (например, для измерения расхода крови по кровеносным сосудам) и больших расходов жидкостей (3 м³/с). Причем диапазон измерения расходомера одного типоразмера достигает значения 10:1, т. е. достаточно велик.

Электромагнитные расходомеры непригодны для измерения расхода газов, а также жидкостей с электропроводностью менее 10^-3 - 10^-5 сим/м (10^-5 - 10^-7Ом^-1*см^-1), например, легких нефтепродуктов, спиртов и т. п. Применение разрабатываемых в настоящее время специальных автокомпенсирующих устройств позволит существенно снизить требования к электропроводности измеряемых сред и создать электромагнитные расходомеры для измерения расхода любых жидкостей, в том числе и нефтепродуктов.

Литература

1.Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. [Электронный ресурс]Изд. 3-е, перераб. И доп. - Л.: Машиностроение (Ленинградское отделение), 1975. - 776 с., ил. URL : http://mexalib.com/view/6418

2. Ультразвуковой жидкостный расходомер Daniel 3812. [Электронный ресурс] Лист технических данных.

URL: http://www.metran.net/_3812_rus.pdf

3.Классификация УЗ расходомеров. [Электронный ресурс]

URL: http://www.ultrasonic-time.ru/ultrasonic_klass.html

4. Теория электромагнитного измерения расхода. - М.: Мир, [Электронный ресурс] 1965. - 268 с.

URL: http://studopedia.ru/3_211264_elektromagnitnie-rashodomeri.html

5. Принцип работы ультразвукового расходомера. [Электронный ресурс]

URL: http://kipiavp.ru/video-printsipy-raboty/309-printsip-raboty-ultrazvukovogo-raskhodomera

Размещено на Allbest.ru