УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ГАЗОВЫЙ РАСХОДОМЕР
ULTRASONIC GAS FLOW METER

Изобретение относится к бытовым ультразвуковым счетчикам для измерения расхода газа.
Известен ультразвуковой газовый расходомер (см. Свидетельство на полезную модель РФ №32268), содержащий измерительную камеру с входным и выходным патрубками, два пьезоэлектрических преобразователя. Пьезоэлектрические преобразователи в этом техническом решении установлены в проточной полости измерительной камеры. Такое размещение пьезоэлектрических преобразователей приводит к возникновению вихревых потоков при движении газа, что вносит погрешности в величину измеряемого расхода газа, а также снижает возможный динамический диапазон измеряемого расхода газа.
Известен также ультразвуковой газовый расходомер (Свидетельство на полезную модель РФ №37826), содержащий измерительную камеру с входным и выходным патрубками, два пьезоэлектрических преобразователя. В этом расходомере пьезоэлектрические преобразователи расположены в стаканах, которые, в свою очередь, установлены непосредственно в измеряемом потоке газа. Такое размещение пьезоэлектрических преобразователей также приводит к возникновению вихревых потоков в движущемся газовом потоке, что снижает точность измерений и уменьшает динамический диапазон измеряемого расхода газа.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является известный ультразвуковой газовый расходомер (Свидетельство на полезную модель РФ №27218), содержащий измерительную камеру с входным и выходным патрубками, два пьезоэлектрических преобразователя. Пьезоэлектрические преобразователи в этом техническом решении размещены в полостях, открытых в измерительную камеру. Такое размещение пьезоэлектрических преобразователей приводит к возникновению вихревых потоков при движении газа, что вносит погрешности в величину измеряемого расхода газа, а также снижает возможный динамический диапазон измеряемого расхода газа.
Сущность изобретения выражается в том, что каждый из пьезоэлектрических преобразователей состоит, по крайней мере, из двух одинаковых приемно-излучающих блоков, смещенных относительно друг друга вдоль оси, нормальной к излучающей (принимающей) поверхности каждого из блоков, причем излучающие (принимающие) поверхности блоков параллельны друг другу.
Сущность изобретения по п.2 выражается в том, что каждый преобразователь содержит четное число приемно-излучающих блоков.
Сущность изобретения по п.3 выражается в том, что преобразователи расположены на противоположных боковых стенках измерительной камеры со смещением один относительно другого вдоль направления распространения газового потока.
Сущность изобретения по п.4 выражается в том, что преобразователи расположены на одной из боковых стенок измерительной камеры со смещением один относительно другого по стенке вдоль направления газового потока симметрично относительно плоскости поперечного сечения измерительной камеры, в центре противоположной боковой стенки измерительной камеры расположено, по крайней мере, одно акустическое зеркало, так, что его плоскость параллельна плоскостям излучающих поверхностей блоков, причем, смещение блоков одного преобразователя зеркально относительно смещения блоков другого преобразователя, а также плоскости зеркала и приемно-излучающих преобразователей не выступают внутрь измерительной камеры за ее плоскость.
Сущность изобретения по п.5 выражается в том, что приемно-излучающие блоки каждого из преобразователей, объединены в группы, причем каждая из групп состоит из одинакового количества, но не менее двух, блоков, имеющих одинаковое смещение вдоль нормали к излучающей (принимающей) поверхности.
Технический результат, который достигается данным техническим решением, заключается в повышении точности и динамического диапазона измеряемого расхода газа.
Технический результат заявляемого решения достигается тем, что ультразвуковой газовый расходомер содержит два пьезоэлектрических преобразователя, каждый из которых состоит, по крайней мере, из двух блоков, смещенных относительно друг друга вдоль направления излучения. Такое смещение одного приемно-излучающего элемента (блока) относительно другого, обеспечивает создание акустического набега фазы между двумя ультразвуковыми пучками, генерируемыми (или принимаемыми) соседними блоками. Возникновение набега фазы между соседними ультразвуковыми пучками приводит к повороту диаграммы направленности пьезоэлектрического преобразователя. Таким образом, излучающий и приемный преобразователи имеют излучающие поверхности, лежащие в плоскости, не выступающей за стенки измерительной камеры, и при этом генерируют (принимают) ультразвуковое излучение в направлении, составляющем заданный угол с нормалью к излучающей поверхности преобразователей. Такое техническое решение позволяет исключить или значительно снизить вероятность возникновения вихрей в большем динамическом диапазоне скоростей газового потока при повышении точности измерения расхода газа.
Технический результат по п.2 формулы изобретения достигается тем, что каждый преобразователь содержит четное число приемно-излучающих блоков. При четном количестве приемно-излучающих элементов (блоков), может реализовываться максимальная амплитуда акустических волн, излучаемых в направлении используемого лепестка диаграммы направленности преобразователя. Например, при сдвиге фазы между блоками, равном к, при четном количестве излучающих (принимающих) элементов, формируется симметричная диаграмма направленности с максимумом излучения, направленном в боковые лепестки.
Если же при таком сдвиге фазы между блоками, их количество окажется нечетным, то наряду с боковыми лепестками, будет присутствовать и центральный лепесток, в который будет направлена часть излучаемой (принимаемой) ультразвуковой энергии. Таким образом, реализация четного числа блоков в каждом из преобразователей, даст возможность дополнительного увеличения излучаемой (принимаемой) энергии преобразователем и, как следствие приведет к увеличению динамического диапазона измеряемого расхода газа.
Технический результат по п.3 формулы изобретения достигается тем, преобразователи расположены на противоположных боковых стенках измерительной камеры со смещением один относительно другого вдоль направления распространения газового потока. Такое смещение преобразователей вдоль направления распространения газового потока обеспечивает наличие составляющей вектора скорости ультразвуковой волны, коллинеарной с вектором скорости газового потока, что позволяет посредством измерения скорости ультразвуковой волны в движущемся газовом потоке, определять скорость газового потока и затем объем протекающего газа. Величина смещения преобразователей относительно друг друга зависит от величины смещения соседних блоков друг относительно друга в направлении, нормальном плоскости излучения (приема).
Технический результат по п.4 формулы достигается тем, что преобразователи расположены на одной из боковых стенок измерительной камеры со смещением один относительно другого по стенке вдоль направления газового потока симметрично относительно плоскости поперечного сечения измерительной камеры, в центре противоположной боковой стенки измерительной камеры расположено, по крайней мере, одно акустическое зеркало, так, что его плоскость параллельна плоскостям излучающих (принимающих) поверхностей блоков, причем, смещения блоков одного преобразователя зеркально относительно смещения блоков другого преобразователя, а плоскости зеркала и приемно-излучающих преобразователей не выступают внутрь измерительной камеры за ее плоскость. Размещение преобразователей на одной из стенок измерительной камеры с расположением акустического зеркала на противоположной стенке, обеспечивает удлинение акустического пути ультразвукового пучка, что приводит к дополнительному увеличению точности измерения расхода газа. Расположение плоскостей зеркала и преобразователей не выступающими внутрь измерительной камеры за ее плоскость предотвращает появление вихрей в распространяющемся газовом потоке, увеличивая динамический диапазон измеряемого расхода газа.
Расположение преобразователей в одной из стенок измерительной камеры является, кроме того, более технологичным и позволяет разместить электронные элементы генерации и приема электрических сигналов в непосредственной близости от преобразователей с одной стороны измерительной камеры, что делает устройство более компактным. Это решение обеспечивает получение дополнительного технического результата.
Технический результат по п.5 формулы достигается тем, что приемно-излучающие блоки каждого из преобразователей, объединены в группы, причем каждая из групп состоит из одинакового количества, но не менее двух, блоков, имеющих одинаковое смещение вдоль нормали к излучающей (принимающей) поверхности. Объединение блоков в группы позволяет измерять не только изменение амплитуды ультразвукового пучка, распространяющегося в движущейся газовой среде, но и фазы ультразвуковой волны, падающей на такой преобразователь. Такое конструктивное решение позволяет дополнительно увеличить точность измерений, а также увеличить чувствительность устройства, что является дополнительном техническим результатом изобретения.
Изобретение поясняется чертежами, где на рисунках 1 и 2 показана конструкция заявляемого изобретения. Ультразвуковой газовый расходомер содержит измерительную камеру (1) с входным (2) и выходным (3) патрубками, два пьезоэлектрических преобразователя (4 и 5), каждый из пьезоэлектрических преобразователей (4 и 5) состоит, по крайней мере, из двух одинаковых приемно-излучающих блоков (6, 7 и 8, 9), смещенных относительно друг друга вдоль оси, нормальной к излучающей (принимающей) поверхности каждого из блоков, причем излучающие (принимающие) поверхности блоков параллельны друг другу.
Ультразвуковой газовый расходомер по п.4 формулы изобретения содержит также в центре противоположной боковой стенки измерительной камеры (1), по крайней мере одно акустическое зеркало (10), расположенное так, что его плоскость параллельна плоскостям излучающих (принимающих) поверхностей блоков (6.7 и 8.9), причем, смещение блоков (6, 7) одного преобразователя (4) выполнено зеркальным относительно смещения блоков (8, 9) другого преобразователя (5), а плоскости зеркала (10) и приемно-излучающих преобразователей (4 и 5) не выступают внутрь измерительной камеры (1) за ее плоскость.
Изобретение по п.5 поясняется дополнительно чертежами, где на рисунках 3 и 4 показаны группы (15, 16 и 17, 18) блоков (6.7.11.12 и 8.9.13.14). На рисунках 5 и 6 показаны дополнительно направления распространения акустических ультразвуковых пучков.
Изобретение может быть осуществлено следующим образом. Ультразвуковой газовый расходомер содержит измерительную камеру (1) с входным (2) и выходным (3) патрубками, два пьезоэлектрических преобразователя (4 и 5), каждый из пьезоэлектрических преобразователей (4 и 5) состоит, по крайней мере, из двух одинаковых приемно-излучающих блоков (6, 7 и 8, 9), смещенных относительно друг друга вдоль оси, нормальной к излучающей (принимающей) поверхности каждого из блоков, причем излучающие (принимающие) поверхности блоков параллельны друг другу.
Ультразвуковые преобразователи (4 и 5) работают попеременно «на передачу» и «на,. прием». В первый момент времени преобразователь (4) работает на передачу, генерируя короткий ультразвуковой импульс, который распространяется внутри измерительной камеры (1) до преобразователя (5), как показано на рисунках 5 и 6. Преобразователь (5) принимает акустический импульс с некоторой временной задержкой, обусловленной конечной скоростью распространения ультразвука, а также скоростью движения газового потока. В следующий момент времени преобразователь (5) генерирует ультразвуковой импульс, а преобразователь (4) принимает сигнал с некоторой задержкой. Суммарная скорость ультразвуковой волны в движущейся газовой среде равна векторной сумме скоростей ультразвуковой волны и газового потока. Измеряя временную задержку в распространении ультразвукового импульса от преобразователя (4) к преобразователю (5), а затем время распространения импульса от преобразователя (5) к преобразователю (4) можно определить скорость ультразвука в неподвижной газовой среде, а также скорость движения газового потока. На основе полученных данных о скорости ультразвука в неподвижной среде делается вывод о свойствах протекающего газа, в том числе о наличии примесей, а на основании полученных данных о скорости движения газового потока в измерительной камере известной геометрии, вычисляется расход газа.
Параметры пьезоэлектрического преобразователя могут быть определены следующим образом. Угловая апертура у излучения (приема) двухэлементного (многоэлементного преобразователя), каковым является пьезопреобразователь, состоящий из отдельных блоков, определяется отношением длины ультразвуковой волны Λ к линейной апертуре единичного излучателя (блока) а (см. Рис.6) волны. В качестве примера газовой среды примем воздух, где скорость звуковых волн V составляет при нормальных условиях, примерно V=330 м/с.
Если частота f переменного напряжения, питающего пьезоэлектрический преобразователь составит f=100 кГц, то длина ультразвуковой волны в воздухе окажется равной Λ=3.3 мм. Если между соседними элементами преобразователя имеется сдвиг фазы φ, то угол наклона лепестка диаграммы направленности такого излучателя (приемника) может быть найден как
α=arcsin(φ V/ 2πf L),
где L - период двухблочного (многоблочного) преобразователя.
При линейной апертуре единичного блока а=1 мм, периоде L=2 мм и сдвиге фазы между соседними излучателями (блоками) φ=π, (см. Рис.6) продольный сдвиг между соседними блоками вдоль нормали к их плоскости излучения (приема) Δx составит 1.5 мм, а угол наклона лепестка диаграммы направленности преобразователя окажется примерно равным 60°.
При поперечном размере измерительной камеры D=4 см, преобразователи будут смещены вдоль направления распространения газового потока на А=8 см, а для устройства по п.4 формулы, А=16 см.
Расчеты показывают, что применение заявляемого технического решение позволит повысить динамический диапазон газа в 1.2-1.5 раза, а также увеличить точность в определении измеряемого расхода газа, по крайней мере, в два раза по сравнению с прототипом.