ВИХРЕАКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ РАСХОДА

Полезная модель относится к средствам измерения объема жидкости или газа путем пропускания их через измерительные устройства непрерывным потоком, в частности, через расходомеры вихревого типа, и может быть использовано в расходометрии жидких и газообразных сред.
Известен преобразователь расхода жидкости вихревого типа Инженерно-производственной фирмы «СИБНЕФТЕАВТОМАТИКА», содержащий чувствительный элемент и тело обтекания трапецеидальной формы, чувствительный элемент выполнен в виде двух пьезоэлементов, расположенных по потоку измеряемой среды за телом обтекания симметрично относительно него. Набегающий поток измеряемой среды на теле обтекания разделяется и образует вихри, которые распространяются попеременно вдоль и сзади каждой стороны тела обтекания. Частота образования вихрей за телом пропорциональна скорости потока. При прохождении вихря изменяется давление на пьезоэлементах чувствительного элемента. Сигнал напряжения переменного тока, выработанный пьезоэлементом, передается через токопроводящий проводник на электронный блок для обработки (Руководство по эксплуатации 311.01.00.000 РЭ «Датчик расхода газа ДРГ.М», стр. 1, 16, 19, г. Тюмень). Вибростойкость такого преобразователя не удовлетворяет предъявляемым к нему требованиям. Вибрация деформирует пьезоэлементы, которые вырабатывают шумовой сигнал. Шумовой сигнал заглушает полезный сигнал при значениях виброускорения более 0,2-0,4 g.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является вихреакустический преобразователь расхода жидкости МЕТРАН-300ПР, содержащий проточную часть, тело обтекания, акустический тракт, включающий установленные в проточную часть излучатель и приемник ультразвуковых волн и электронный блок, имеющий генератор, фазовый детектор, электронный фильтр, вычислитель. Излучатель и приемник ультразвуковых волн имеют корпуса, выполненные в виде стального стакана со сферической наружной поверхностью донышка. Стаканы вварены в проточную часть. Внутри стакана расположен круглый, в виде таблетки с напыленными на нее электродами, пьезоэлемент, взаимодействующий с подпружиненным прижимом, и электроизолирующая втулка. При этом излучатель и приемник ультразвуковых волн электрически связаны с проточной частью (МЕТРАН, Руководство по эксплуатации СПГК.407131.026 РЭ, стр. 1, 22-25).
В известном устройстве шумовые сигналы создаются вибрацией в частотном диапазоне 5-400 Гц, а полезный сигнал имеет частоту 1 МГц. В результате прибор не чувствует вибрацию и является абсолютно виброустойчивым. Наиболее проблемными элементами вихреакустического преобразователя расхода являются излучатель и приемник ультразвуковых волн. Донышко стакана излучателя для обеспечения наибольшей амплитуды колебаний его внешней поверхности должно иметь ту же резонансную частоту, что и пьезоэлемент. Если резонансные частоты пьезоэлемента и донышка излучателя не совпадают, то чем больше разница между этими частотами, тем меньше амплитуда и интенсивность излучаемой донышком ультразвуковой волны.
Осевая резонансная частота f (Гц), как пьезоэлемента, так и донышка, определяется нечетным количеством четвертей волны, укладывающихся в толщину пьезоэлемента или донышка.
Длина волны λ определяется формулой:
Здесь с - скорость звука в материале, (м/с).
Видно, что с изменением толщины донышка вдоль оси будет укладываться нечетное количество четвертей волны, которая имеет другую длину, т.е. резонансная частота определяется толщиной донышка. В конструкции стакана резонансная частота соответствует толщине (3/4)·λ.
Однако донышко со сферической наружной поверхностью имеет разную толщину по всей поверхности. Его можно представить в виде набора вставленных друг в друга кольцевых фрагментов, толщина которых уменьшается от середины к периферии. Такая конструкция обусловлена тем, что металл, из которого изготовлено донышко, имеет очень низкие потери на внутреннее трение. В связи с этим у него очень узкая резонансная полоса с шириной несколько десятков Гц. Если бы донышко изготавливалось плоским, то пришлось бы с точностью до долей микрона изготавливать толщину донышка, чтобы одна из частот, составляющих ширину его резонансной полосы, совпала с резонансной частотой пьезоэлемента. Поскольку скорости звука в металлах различных плавок не совпадают из-за несовпадения их химсостава в пределах гостированного допуска, то для расчета толщины донышка пришлось бы каждый раз определять скорость звука.
Материал пьезоэлемента имеет более высокие потери на внутреннее трение и рабочая ширина резонансной полосы частот пьезоэлемента составляет порядка 4-6 кГц. Толщина кольцевых фрагментов донышка по мере удаления от центра уменьшается, поэтому увеличивается их резонансная частота. Такая конструкция при правильном выборе толщины донышка и радиуса его наружной сферы позволяет фрагментам донышка, составляющим кольцо, реагировать на все частоты, составляющие ширину резонансной полосы пьезоэлемента и обеспечить рабочую ширину резонансной полосы излучателя 4-6 кГц. Однако, на излучение и прием сигнала работает только кольцевой фрагмент, имеющий нужную резонансную частоту. Поскольку площадь фрагмента много меньше площади всего донышка, то амплитуда и интенсивность ультразвуковой волны, излучаемой от сферического донышка, много меньше чем от плоского. Ультразвуковая волна, в свою очередь, возбуждает колебания донышка стакана приемника. Как и для излучателя, чем ближе резонансная частота фрагмента донышка приемника к частоте ультразвуковой волны, тем больше амплитуда его колебаний. Донышко с частотой ультразвуковой волны механически воздействует на пьезоэлемент приемника, создающего синусоидальное изменение разности напряжений на электродах и на выходе с акустического тракта.
Отличие в работе излучателя и приемника состоит в том, что излучатель при колебаниях преодолевает сопротивление среды. Вследствие инерционности к донышку излучателя «прилипает» некоторый объем среды. Этот объем колеблется в одной фазе с поверхностью донышка. Объем имеет массу, которую принято называть соколеблющейся массой. Соколеблющаяся масса снижает резонансные частоты фрагментов донышка излучателя. Величина соколеблющейся массы зависит от плотности и вязкости среды, зависящих от ее температуры. Поэтому происходит смещение резонансной полосы излучателя при нагреве, что должно быть учтено при настройке системы. В случае приемника соколеблющаяся масса отсутствует. Из этого следует, что донышко излучателя должно быть тоньше донышка приемника для компенсации влияния соколеблющейся массы на резонансную частоту. В результате изготовление и сборка излучателей и приемников технологически значительно усложняется, что увеличивает стоимость прибора.
3
В случае, когда диаметр проточной части превышает 200 мм, вихреакустический преобразователь расхода имеет проблемы из-за ослабления сигнала. Причинами ослабления сигнала являются несовпадения акустических сопротивлений жидкости и металла, а также сферическая форма донышек излучателя и приемника. Акустическое сопротивления металла превышает акустическое сопротивление жидкости примерно в 40 раз (акустическое сопротивление определяется выражением ρ·c, где ρ - плотность среды в кг/м, c - скорость звука в м/с) Такая разница приводит к ослаблению сигнала как при излучении, так и при приеме ультразвуковой волны. При сферической форме донышка излучение происходит в полусферу. Интенсивность (Вт/м2) акустической волны уменьшается примерно пропорционально квадрату расстояния между излучателем и приемником.
Наконец, этот преобразователь не может измерять расход газообразных сред, поскольку акустическое сопротивление металла значительно превышает акустическое сопротивление газа. Так, например, превышение для воздуха составляет более, чем в сто тысяч раз, и интенсивность излучаемой ультразвуковой волны настолько мала, что приемник ее не чувствует.
Предлагаемая полезная модель решает задачи повышения надежности вихреакустического преобразователя расхода, увеличения амплитуды полезного сигнала, расширения функциональных возможностей прибора при уменьшении его стоимости.
Для достижения указанного технического результата в вихреакустическом преобразователе расхода, содержащем проточную часть, тело обтекания, акустический тракт, включающий установленные в проточную часть излучатель и приемник ультразвуковых волн, и электронный блок, излучатель и приемник ультразвуковых волн имеют корпус с донышком, внутри которого расположен пьезоэлемент, корпуса излучателя и приемника ультразвуковых волн выполнены состоящими из нижней и верхней частей, нижняя часть корпуса с донышком и расположенным в ней пьезоэлементом выполнена из пластической массы, акустическое сопротивление которой меньше акустического сопротивления материала пьезоэлемента и больше акустического сопротивления измеряемой среды, верхняя часть корпуса представляет собой полую металлическую обойму, электроизолированную от пьезоэлемента, а наружная поверхность донышка выполнена плоской.
Отличительными признаками предлагаемого устройства по сравнению с прототипом являются выполнение корпуса излучателя и приемника ультразвуковых волн состоящими из нижней и верхней частей, нижняя часть корпуса с донышком и расположенным в ней пьезоэлементом выполнена из пластической массы, акустическое сопротивление которой меньше акустического сопротивления материала пьезоэлемента и больше акустического сопротивления измеряемой среды, верхняя часть корпуса представляет собой полую металлическую обойму, электроизолированную от пьезоэлемента, а наружная поверхность донышка выполнена плоской.
Благодаря наличию этих признаков излучатель и приемник ультразвуковых волн электрически не связаны с проточной частью. Это уменьшает помехообразование, увеличивает соотношение сигнал/шум и приводит к снижению стоимости электронной части вихреакустического преобразователя расхода при повышении помехоустойчивости и надежности работы прибора. Использование пластической массы в конструкции нижней части корпуса и плоского донышка приводят к увеличению амплитуды сигнала. Заявляемое устройство дает возможность увеличения диаметра проточной части с увеличением значений измеряемых расходов при снижении стоимости механической части преобразователя. Появляется возможность измерения расхода газообразных сред наряду с измерением расхода жидких сред.
Предлагаемый вихреакустический преобразователь расхода иллюстрируется чертежами: на фиг. 1 представлен вихреакустический преобразователь расхода; на фиг. 2 - блок-схема вихреакустического преобразователя расхода; на фиг. 3 - увеличенное изображение I на фиг. 1.
Вихреакустический преобразователь расхода содержит проточную часть 1 тело обтекания 2 трапецеидальной формы и акустический тракт, который представляет собой установленные в проточную часть излучатель 3 и приемник 4 ультразвуковых волн. Электронный блок имеет генератор 5, фазовый детектор 6, электронный фильтр 7 и вычислитель 8. Корпуса излучателя 3 и приемника 4 ультразвуковых волн выполнены из двух частей: нижней 9 и верхней 10. Нижняя часть корпуса с донышком 11 и расположенным в ней пьезоэлементом 12 выполнена из пластической массы, акустическое сопротивление которой меньше акустического сопротивления материала пьезоэлемента 12 и больше акустического сопротивления измеряемой среды. Донышко 11 выполнено толщиной (3/4)·λ, где λ - длина ультразвуковой волны в пластмассе на частоте 1 МГц. Наружная поверхность донышка 11 выполнена плоской. Верхняя часть корпуса представляет собой полую металлическую обойму 13, электроизолированную от пьезоэлемента прокладкой 14 и пластической массой. Выводы 15 от пьезоэлемента электроизолированы от обоймы 13 пластической массой.
Рассмотрим работу вихреакустического преобразователя расхода. Набегающий поток жидкости на теле обтекания 2 разделяется и образует вихри, которые распространяются попеременно вдоль и сзади каждой стороны тела обтекания. Частота образования вихрей за телом пропорциональна скорости потока. Генератор 5 подает переменное напряжение ультразвуковых частот с частотой 1 МГц на излучатель 3 ультразвуковых волн. Излучатель преобразует его в механические колебания и создает ультразвуковую волну, которая пересекает поток и попадает на приемник 4 ультразвуковых волн. Последний преобразует механические колебания жидкости в электрические той же частоты и подает на фазовый детектор 6. Затем сигнал поступает на электронный фильтр 7 для очистки от помех и в вычислитель 8. В начальной стадии пересечения вихрем луча между излучателем и приемником скорость звука и скорость частиц среды, двигающихся по окружности вихря, совпадают. Имеет место эффект уменьшения времени прохождения звуковой волны между излучателем и приемником. Наоборот, в конечной стадии пересечения частицы среды движутся против звуковой волны. Соответственно время прохождения волны увеличивается. То есть происходит изменение фазы волны. Изменение фазы волны создает изменение фазы электрического сигнала, вырабатываемого приемником. Электрический сигнал поступает на фазовый детектор 6. На фазовом детекторе определяется разность фаз между сигналами с приемника и генератора 5 На выходе фазового детектора образуется напряжение, частота изменения которого равна частоте образования вихрей. Вычислитель 8 по частоте образования вихрей рассчитывает объемный расход. Пьезоэлемент имеет форму круглой таблетки, спрессованной из окислов металлов. На торцевых плоскостях таблетки напылены два электрода. Он преобразует переменное напряжение, подведенное к электродам, в механические колебания пьезоэлемента вдоль его оси с той же частотой. Амплитуда механических колебаний определяется подводимым к электродам напряжением. И наоборот. При механическом воздействии вдоль оси на электродах пьезоэлемента создается переменное напряжение, частота которого равна частоте механического воздействия. Амплитуда напряжения определяется амплитудой силы воздействия. Пьезоэлемент имеет спектр резонансных частот, определяемый его толщиной. Его толщина 2 мм, что соответствует первой резонансной частоте 1 МГц. При подаче напряжения с частотой, близкой к 1 МГц, амплитуда механических колебаний будет близка к максимальной. И, наоборот, при воздействии гармонической силы вдоль оси пьезоэлемента с частотой 1 МГц, получим наибольшую амплитуду напряжения между электродами пьезоэлемента. Поэтому для получения наибольшего выходного сигнала от акустического тракта необходимо, чтобы все его элементы имели резонансную частоту, близкую к 1 МГц. На электроды пьезоэлемента излучателя подается напряжение 5 В с частотой 1 МГц. Пьезоэлемент начинает пульсировать с той же частотой и возбуждает колебания донышка, создающего ультразвуковую волну.
Пластическая масса является диэлектриком. Электрические выводы от пьезоэлемента и сам пьезоэлемент гальванически развязаны с проточной частью. Поэтому будут отсутствовать помехи, поступающие в электронный блок через корпус. Отпадает необходимость фильтрации помех, поступающих через корпус, электронная схема блока упрощается, повышается надежность и снижается стоимость электронного блока.
Имеются пластмассы, значение акустического сопротивления которых находится примерно между акустическими сопротивленими жидкости и материала пьезоэлемента. Наибольшая амплитуда сигнала наблюдается, если акустическое сопротивление пластмассы примерно равно среднеквадратичному значению акустических сопротивлений жидкости и материала пьезоэлемента.
Излучатель с плоским донышком имеет узкий угол излучения. Поэтому интенсивность волны изменяется незначительно с увеличением расстояния между излучателем и приемником. Это позволяет увеличить диаметр проточной части до 1800 мм, а значит расширить диапазон измеряемых расходов в большую сторону.
Пластмасса имеет высокий коэффициент потерь на внутреннее трение. Поэтому излучатель и приемник имеют ширину резонансной полосы около 400 кГц (фиг. 4.). Это позволяет собирать акустический тракт без дополнительной настройки, что существенно упрощает технологию сборки и снижает ее стоимость. Отсутствие необходимости в дополнительной настройке позволяет производить ремонт в полевых условиях в минимально короткое время.
Наконец, существуют пластические массы с акустическим сопротивлением, приближенным к акустическому сопротивлению газа, например, фторопласт. Если изготовить нижнюю часть корпусов излучателя и приемника из такой пластмассы, то вихреакустический преобразователь будет измерять также и расход газа, а это расширение функциональных возможностей преобразователя расхода.