ДАТЧИК УЛЬТРАЗВУКОВОГО РАСХОДОМЕРА

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности к устройствам измерения малого расхода газа (бытовые газовые счетчики).
Известен первичный преобразователь ультразвукового расходомера (полезная модель РФ №37826, G01F 1/66) содержащий прямолинейный мерный участок, вход и выход которого выполнены соответственно в виде конфузора и диффузора, переходящих во входной и выходной патрубки, пьезоэлектрические преобразователи, установленные в прямолинейных участках входного и выходного патрубков.
Однако данная конструкция имеет следующие недостатки:
- Площадь поперечного сечения ультразвукового луча намного меньше площади поперечного сечения мерного тракта, что приводит к неполному озвучиванию мерного участка и снижает точность измерения.
- Пульсации газового потока, присутствующие в газопроводе, непосредственно передаются в мерный участок, что вызывает ошибку измерения расхода газа.
- Звуковые помехи, присутствующие в газопроводе, сразу попадают на пьезоэлектрические преобразователи, что приводит к сбою измерения.
- Механические частички, парафины (грязь), находящиеся в потоке газа, непосредственно попадают на рабочую поверхность пьезоэлектрического преобразователя (расположенного рабочей поверхностью навстречу потоку), что приводит к постепенному снижению чувствительности, в конечном счете, нарушению работоспособности счетчика газа.
- Пьезоэлектрические преобразователи располагаются в трубе между входным и выходным патрубками, диаметр патрубков намного больше по отношению к диаметру подводящих газовых труб для данного расхода, что при монтаже счетчика приводит к дополнительным проблемам по соблюдению прямолинейных участков до и после счетчика и требует специальных переходников. Это приводит к неудобству и удорожанию монтажа.
Известен ультразвуковой расходомер для измерения малых расходов со смещенной осью потока и осевым озвучиванием по потоку и против потока, содержащий прямолинейный участок трубы мерного канала, у торцов которого перпендикулярно и диаметрально противоположно установлены входной и выходной патрубки, а чувствительные элементы установлены соосно в торцах прямолинейного мерного участка трубы. (П.П.Кремлевский "Расходомеры и счетчики количества", Ленинград, "Машиностроение", 1989 г., стр.449, рис.263 в).
Недостатками данного устройства являются:
- Малый диапазон измерения расхода и, соответственно, низкая точность при измерении малых расходов, так как для бытовых счетчиков газа (расходомеров) скорость газа в подводящем газопроводе при максимальном расходе очень низкая (не более 6 м/с). Это обусловлено тем, что диаметр мерного участка больше чем диаметр входного и выходного патрубков.
- Пульсации газового потока и завихрения, присутствующие в газопроводе, непосредственно передаются в мерный участок, что вызывает ошибку измерения расхода газа. Это обусловлено отсутствием ресиверов на входе и выходе мерного участка.
- Площадь поперечного сечения ультразвукового луча намного меньше площади поперечного сечения мерного тракта, что приводит к неполному озвучиванию мерного участка и снижает точность измерения.
- Неудобство и удорожание монтажа из-за смещенного и диаметрально противоположного размещения входного и выходного патрубков.
Известен также датчик ультразвукового расходомера (полезная модель РФ №22997, G01F 1/66), принятый за прототип по наибольшему количеству существенных признаков и содержащий прямолинейный мерный участок, вход и выход которого выполнены в виде конфузора и диффузора, электроакустические преобразователи, входной и выходной патрубки, соединенные соответственно с входным и выходным резервуарами, при этом входной и выходной патрубки выполнены в виде прямолинейных участков с диффузором на входном и конфузором на выходном патрубке, причем диаметр конфузора и диффузора мерного участка равны диаметрам диффузора и конфузора входных патрубков, а электроакустические преобразователи установлены по оси датчиков на переходах от диффузора патрубка в конфузор мерного участка и диффузора мерного участка в конфузор выходного патрубка.
Однако указанный датчик обладает также рядом недостатков:
- Малый диапазон измерения расхода и, соответственно, низкая точность при измерении малых расходов, так как для бытовых счетчиков газа (расходомеров) скорость газа в подводящем газопроводе при максимальном расходе очень низкая (не более 6 м/с). Это обусловлено тем, что диаметр мерного участка равен диаметрам входного и выходного патрубков.
- Большие габариты датчика, так как входной и выходной патрубки, пьезоэлектрические преобразователи и мерный участок находятся на одной оси.
- Пульсации газового потока, присутствующие в газопроводе, непосредственно передаются в мерный участок, что вызывает ошибку измерения расхода газа.
- Звуковые помехи, присутствующие в газопроводе, сразу попадают на пьезоэлектрические преобразователи, что приводит к сбою измерения.
- Механические частички, парафины (грязь), находящиеся в потоке газа, непосредственно попадают на рабочую поверхность пьезоэлектрического преобразователя (находящегося рабочей поверхностью навстречу потоку), что приводит к постепенному снижению чувствительности, в конечном счете, нарушению работоспособности счетчика газа.
- Для замены пьезоэлектрического преобразователя, вышедшего из строя, требуется разобрать весь расходомер, что приводит к удорожанию ремонта и обслуживания.
Задачей предлагаемой полезной модели является:
- Расширение диапазона измерения расхода.
- Повышение точности измерения.
- Уменьшение влияния звуковых помех на измерение.
- Защита от механических частичек и парафинов (грязи), находящихся в потоке газа.
- Выравнивание газового потока (уменьшение пульсаций).
- Уменьшение габаритов.
- Упрощение ремонта и обслуживания расходомера.
Датчик ультразвукового расходомера содержит прямолинейный мерный участок, вход и выход которого выполнены в виде соответственно конфузора и диффузора, пьезоэлектрические преобразователи, расположенные на общей оси с мерным участком, входной и выходной патрубки, расположенные соответственно в начале и в конце мерного участка и соединенные соответственно с входным и выходным резервуарами.
В отличие от прототипа входной и выходной патрубки расположены перпендикулярно оси мерного участка и с одной стороны его диаметра, а диаметр мерного участка меньше диаметра входного и выходного патрубков, каждый резервуар выполнен с крышкой на свободном торце.
Выполнение мерного участка диаметром меньшим, чем диаметр входного и выходного патрубков (как минимум в 1,5 раза) увеличивает скорость потока газа, тем самым расширяет диапазон измерения расхода и увеличивает точность измерения.
Расположение входного и выходного патрубков перпендикулярно оси мерного участка и с одной стороны его диаметра повышает компактность устройства, уменьшая его габариты.
Кроме того, при таком расположении патрубков поток газа не попадает непосредственно на рабочую поверхность пьезоэлектрических преобразователей и в мерный участок, что повышает точность измерений.
Наличие конфузора и диффузора обеспечивают плавный переход от резервуаров к мерному участку, выполняя роль ресиверов и выравнивая газовый поток (уменьшая пульсации).
Основная часть звуковых помех, присутствующих в газопроводе, попадая во входной или выходной патрубки, отражается от стенок входного и выходного резервуаров обратно в газопровод, а механические частички (грязь), находящиеся в потоке газа, оседают во входном резервуаре, чем обеспечивается чистота рабочих поверхностей пьезоэлектрических преобразователей. Все это повышает точность измерений.
С помощью пьезоэлектрических преобразователей измеряют время прохождения ультразвукового сигнала по потоку и против потока газа, на основании этого вычисляют общий расход газа.
Конструкция позволяет снабдить резервуары крышками, что облегчает доступ к преобразователям, упрощая ремонт и обслуживание расходомера.
Диаметр входного и выходного патрубков соответствует диаметру подводящей трубы для данного расхода, что создает удобство монтажа и снижает затраты на монтаж.
Таким образом, заявляемые признаки являются существенными и решают поставленную задачу.
Датчик ультразвукового расходомера представлен на чертеже общего вида.
Датчик содержит прямолинейный мерный участок 1, вход и выход которого выполнены в виде соответственно конфузора 2, сужающегося на входе в мерный участок 1, и диффузора 3, расширяющегося на выходе из мерного участка 1, переходящих во входной 4 и выходной 5 резервуары с расположенными перпендикулярно оси мерного участка и с одной стороны его диаметра входным 6 и выходным 7 патрубками. Диаметр входного 6 и выходного 7 патрубков соответствует диаметру подводящей трубы для данного расхода.
На (свободных) торцах резервуаров установлены пьезоэлектрические преобразователи 8 и 9, закрытые крышками соответственно 10 и 11. Причем диаметр мерного участка меньше, чем диаметры входного и выходного патрубков (более чем в 1,5 раза).
Работа датчика ультразвукового расходомера осуществляется следующим образом. Поток газа через входной патрубок 6 попадает во входной резервуар 4, где механические частички (грязь), находящиеся в потоке газа, оседают, не попадая на рабочую поверхность пьезоэлектрических преобразователей 8, 9. Далее газовый поток через конфузор (ресивер) 2 проходит прямолинейный мерный участок 1. Далее поток газа через диффузор (ресивер) 3 попадает в выходной резервуар 5.
Основная часть звуковых помех, присутствующих в газопроводе, попадая во входной 6 или выходной 7 патрубки, отражается от стенок входного 4 и выходного 5 резервуаров обратно в газопровод.
Для замены пьезоэлектрического преобразователя 8 или 9, вышедшего из строя, снимают соответствующую крышку 10 или 11 преобразователя.
Таких датчиков ультразвукового расходомера изготовлено 30 штук разного типоразмера и все удачно прошли испытания, подтверждая правильность выбранных решений.