ПЕРВИЧНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УЛЬТРАЗВУКОВОГО РАСХОДОМЕРА

Полезная модель относится к расходомерной технике, в частности к конструкциям времяимпульсных ультразвуковых (УЗ) расходомеров, и может быть использована для определения расхода газов и жидкостей.
Измерение расхода ультразвуковым методом сводится к измерению скорости потока измеряемого вещества.
Первичные преобразователи ультразвуковых расходомеров содержат измерительный канал, встроенный в основной трубопровод, в котором происходит зондирование контролируемого потока акустическим лучом (лучами). Акустический луч реализуется с помощью двух электроакустических преобразователей, которые излучают и принимают акустические импульсы. Зондирование происходит по диаметру и (или) по хордам измерительного канала. При этом электроакустические преобразователи излучают и принимают акустические импульсы, направляемые по потоку и против него. По разности времен прохождения импульса вдоль и против потока определяют скорость потока вдоль акустического луча.
Для вычисления средней скорости потока в измерительном канале при зондировании по диаметру используют известные функции преобразования скорости потока вдоль акустического луча. При зондировании по хордам для вычисления средней скорости потока в измерительном канале используют методы численного интегрирования. Затем по известной площади поперечного сечения измерительного канала вычисляют расход измеряемой среды.
Минимальное расхождение между средней скоростью потока и скоростью потока вдоль акустического луча достигается при зондировании по среднерадиусной хорде (хорда, проходящая через точку, которая лежит на середине внутреннего радиуса измерительного канала). В трубопроводах круглого сечения местные скорости потока изменяются вдоль сечения, принимая максимальные значения в области оси трубопровода. Функция, которая описывает такие изменения, называется эпюрой скоростей. Использование зондирования по одной среднерадиусной хорде требует обязательного сохранения осесимметричного вида эпюры скоростей в измерительном канале. Применение зондирования контролируемого участка потока по нескольким среднерадиусным хордам позволяет компенсировать искажения формы эпюры скоростей.
Под действием гидравлических сопротивлений у местных скоростей потока наряду с основной компонентой скорости, направленной вдоль оси трубопровода, появляются компоненты скорости, направленные под углом к оси трубопровода, что приводит к появлению дополнительной погрешности УЗ расходомеров. Зондирование потока по нескольким хордам, лежащих в разных пересекающихся внутри измерительного канала плоскостях, позволяет минимизировать эту дополнительную погрешность.
Известен первичный преобразователь УЗ расходомера (RU, патент №2277700, «Врезная секция ультразвукового расходомера»), в состав которого входят измерительный канал, два электроакустических приемопередающих преобразователя и отражатели акустических сигналов, причем преобразователи установлены с возможностью акустической связи между ними по трем среднерадиусным хордам, лежащих в разных плоскостях. Электроакустический преобразователь излучает акустический импульс, который распространяется в измерительном канале, отражаясь от отражателей, и попадает на второй электроакустический преобразователь.
Недостатком рассматриваемого первичного преобразователя является то, что при такой конструкции среднерадиусные хорды расположены последовательно друг за другом вдоль измерительного канала, что приводит к зондированию каждой хордой не одного, а разных участков контролируемого потока. При изменении вдоль измерительного канала эпюры скоростей потока и компонент его скорости, направленных под углом к оси трубопровода, такое конструктивное решение не позволяет компенсировать искажение формы эпюры скоростей и исключить дополнительную погрешность, связанную с появлением компонент скорости контролируемого потока, направленных под углом к оси трубопровода.
Вторым недостатком рассматриваемого первичного преобразователя является наличие в его конструкции отражателей акустических сигналов. Их использование увеличивает габариты преобразователя и ухудшает его эксплуатационные характеристики, вследствие обоюдного влияния, как отражателей на контролируемый поток (возмущение потока), так и потока на отражатели (износ, образование пленки и изменение геометрических параметров под воздействием веществ, содержащихся в контролируемом потоке).
Известен первичный преобразователь УЗ расходомера (RU, патент №2106603), в котором реализована возможность некоторого сокращения его размеров. По совокупности существенных признаков он является наиболее близким к предлагаемому решению. Первичный преобразователь содержит, измерительный участок, включающий один приемный, три приемопередающих акустических преобразователя и три отражателя, причем два приемопередающих преобразователя и два отражателя установлены диаметрально противоположно в первом и втором поперечном сечениях измерительного участка, приемный и третий приемопередающий акустический преобразователи расположены диаметрально противоположно в третьем поперечном сечении и третий отражатель установлен в четвертом поперечном сечении таким образом, чтобы третье и четвертое поперечные сечения делили расстояние между первым и вторым поперечными сечениями на три равные части.
Недостатком известного устройства является то, что информационное зондирование потока происходит по среднерадиусным хордам, которые расположены последовательно друг за другом вдоль измерительного канала. Опорное зондирование реализовано под прямым углом к контролируемому потоку. Поэтому результаты такого зондирования не позволяют компенсировать искажение формы эпюры скоростей и исключить дополнительную погрешность, связанную с появлением компонент скорости контролируемого потока, направленных под углом к оси трубопровода. Вторым недостатком известного устройства является наличие в его конструкции отражателей акустических сигналов.
Задачей, решаемой полезной моделью, является разработка первичного преобразователя УЗ расходомера, в котором реализуется многолучевое зондирование контролируемого потока, которое позволяет компенсировать искажение формы эпюры скоростей и исключить дополнительную погрешность, связанную с появлением компонент скорости контролируемого потока, направленных под углом к оси трубопровода, с применением минимального необходимого для этого числа акустических лучей и без использования отражателей акустических сигналов.
Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемый первичный преобразователь УЗ расходомера, как и известный, содержит измерительный канал и акустические приемопередающие преобразователи. Но, в отличие от известного, предлагаемый первичный преобразователь содержит шесть акустических преобразователей, три из которых расположены в одном поперечном сечении измерительного канала, а три других - во втором поперечном сечении измерительного канала, попарно на трех образующих, равноотстоящих друг от друга, при этом преобразователи установлены с возможностью образования трех акустических каналов, в каждый из которых входит один из преобразователей, расположенных в первом поперечном сечении и на одной образующей, и один из преобразователей, расположенных во втором поперечном сечении и на соседней образующей.
Техническим результатом является возможность уменьшения габаритов устройства и возможность уменьшения погрешности измерения расхода измеряемых веществ, особенно сильно загрязненных и (или) вязких.
Полезная модель иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показан предлагаемый первичный преобразователь ультразвукового расходомера со схемой зондирования измерительного канала; на фиг.2 показана проекция акустических лучей на поперечное сечение измерительного канала.
Рассмотрим пример выполнения первичного преобразователя ультразвукового расходомера, который содержит измерительный канал 1 и шесть приемопередающих электроакустических преобразователей, причем преобразователи 2, 3, 4 расположены в поперечном сечении 5 измерительного канала, а преобразователи 6, 7, 8 в поперечном сечении 9. Преобразователи 2 и 6 установлены на одной образующей, 3 и 7 на второй образующей и 4 и 8 на третьей, причем эти образующие отстоят друг от друга на равные расстояния. Преобразователи ориентированы с возможностью проводить треххордовое зондирование. Для этого преобразователи 2 и 8, так же, как и преобразователи 3 и 6, преобразователи 4 и 7 образуют три акустических канала. Зондирование контролируемого потока осуществляется тремя акустическими лучами, причем каждый луч реализуется своей парой электроакустических преобразователей, зондирует поток по среднерадиусной хорде, а проекция всех акустических лучей на поперечное сечение измерительного канала представляет собой равносторонний треугольник (фиг. 2).
Жидкость (газ), при прохождении измерительного канала, зондируется электроакустическими преобразователями ультразвуковой частоты. При распространении зондирующих сигналов по потоку (предположим поток движется слева направо) в качестве излучателей работают электроакустические преобразователи 2, 3, 4 из каждой акустической пары, расположенные, в поперечном сечении 5, а в качестве приемников - преобразователи 6, 7, 8, расположенные в сечении 9. Распространение зондирующих сигналов против потока происходит аналогично, только в качестве излучателей работают преобразователи из каждой акустической пары 6, 7, 8, расположенные в сечении 9, а в качестве приемников - преобразователи 2, 3, 4, расположенные в сечении 5. При наличии расхода контролируемой среды происходит сложение векторов скорости ультразвуковых колебаний и скорости контролируемой среды, приводящее к изменению времени распространения ультразвука между электроакустическими преобразователями, при этом при распространении по направлению потока среды время уменьшается, а против потока возрастает.
Средняя скорость потока в измерительном канале получается в результате усреднения скоростей потока вдоль каждого акустического луча. При искажении эпюры скоростей контролируемого потока измеренные скорости потока вдоль каждого акустического луча будут отличаться друг от друга. Но при предлагаемой схеме зондирования и усреднении лучевых скоростей данные отличия будут компенсировать друг друга. Аналогичные процессы будут происходить и при появлении компонент скорости контролируемого потока, направленных под углом к оси трубопровода. Любая такая компонента будет вносить свой вклад в результат измерения скорости по каждому лучу. Для каждого луча эти вклады могут отличаться как по величине, так и по знаку, но сумма этих вкладов при предлагаемой схеме зондирования будет всегда равна нулю.
Описание устройства показывает, что предложен достаточно малогабаритный первичный преобразователь УЗ расходомера простой конструкции, которая позволяет при проведении измерений компенсировать искажения формы эпюры скоростей потока и исключить дополнительную погрешность, связанную с появлением компонент скорости контролируемого потока, направленных под углом к оси трубопровода. При этом в этой конструкции отсутствуют элементы, которые могут оказывать возмущающее воздействие на поток и, тем самым, искажать достоверность измерений.