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.