УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ПОТОКА И РАСХОДА ЖИДКИХ И ГАЗООБРАЗНЫХ СРЕД (ВАРИАНТЫ)
ULTRASONIC PIEZOELECTRIC TRANSDUCER FOR CHANGE OF FLOW SPEED AND DISCHARGE OF LIQUID AND GASEOUS MEDIUMS (VERSIONS)

Изобретения относятся к измерительной технике и могут быть использованы для измерения скорости потока и расхода веществ ультразвуковым методом, а также в устройствах определения плотности жидких и газообразных сред и их состава, и могут найти применение в химической, нефте- и газодобывающих, атомной, перерабатывающих и пищевых отраслях промышленности, дефектоскопии, теплоэнергетике, коммунальной сфере, медицине.
Известен ультразвуковой пьезопреобразователь, содержащий корпус с установленным в нем пьезоэлементом, соединенным через переходные слои с демпфером и плоской мембраной (Kritz J., An ultrasonic flowmeter for liquids. Proceedings of the Instrument Sosite of America, 1955, v.10, pt.1, №16/3, p.1-6) (Бражников Н.И. Ультразвуковая фазометрия. М., Энергия, 1968, 272 с. (стр.190). Два таких преобразователя, расположенные соосно в измеряемой среде с мембранами, обращенными навстречу друг другу, вместе со средой образуют измерительный акустический тракт.
Такие преобразователи наряду с малыми потерями преобразования и возможностью их установки под любым, необходимым для проведения измерений углом к направлению скорости потока имеют и недостатки.
К ним относятся значительные реверберационные помехи, вызываемые попаданием на пьезоэлемент приемного пьезопреобразователя значительной части энергии ультразвуковой волны после ее отражения от мембран пьезопреобразователей. Это приводит к понижению точности измерений.
Наиболее близким к предлагаемому ультразвуковому пьезопреобразователю является акустический пьезоэлектрический преобразователь электроакустического расходомера (Kritz J., Flushing N.Y. Elektroacoustic flowmeter, pat. USA №2912856, prior. 29.07.1955), содержащий корпус с установленными в нем двумя идентичными пьезопреобразователями, каждый из которых состоит из пьезоэлемента, соединенного через переходные слои с демпфером и мембраной, внешняя поверхность которой, нагруженная на измеряемую среду, скошена под небольшим углом.
Скос мембран под небольшим углом лишь незначительно снизил уровень реверберационных сигналов. Поэтому недостатком такого преобразователя по-прежнему является невысокая точность измерений из-за искажения полезного сигнала большим уровнем реверберационных помех. Увеличение угла скоса приводит к значительным уменьшениям уровня полезного сигнала. (Бражников Н.И. Ультразвуковая фазометрия, М., Энергия, 1968, 272 с. (стр.190)).
Заявляемый ультразвуковой пьезопреобразователь решает задачу повышения точности измерений. Техническим результатом изобретения является уменьшение уровня реверберационных помех и снижение искажений полезного сигнала при незначительном уменьшении его уровня.
Для достижения указанного технического результата в ультразвуковом пьезопреобразователе, содержащем корпус с установленным в нем пьезоэлементом, соединенным через переходные слои с демпфером и мембраной, внешняя поверхность которой скошена, согласно изобретению угол скоса мембраны β определяется из соотношения скоростей ультразвука в измеряемой среде и материале мембраны из выражений:
1
2
β≤β<β
1
2
где: β и β соответственно минимальные и максимальные углы скоса мембраны,
c - скорость ультразвука в измеряемой среде,
M
c - скорость ультразвука в материале мембраны.
Поставленная задача решается также тем, что мембрана и корпус выполнены из одного или разных материалов. Выполнение корпуса и мембраны из одного материала обеспечивает простоту их изготовления. Изготовление корпуса и мембраны из разных материалов обеспечивает возможность улучшения акустических параметров преобразователей и возможность получения необходимых параметров преобразователей в зависимости от поставленных технических требований.
Поставленная задача решается также тем, что в ультразвуковом пьезопреобразователе, содержащем корпус с установленным в нем пьезоэлементом, соединенным через переходные слои с демпфером и мембраной, внешняя поверхность которой согласно изобретению выполнена в форме конуса или многогранной пирамиды, а угол конуса - α и угол конуса, вписанного в многогранную пирамиду - α, определяется из выражения:
α=180°-2β;
где: β - угол между образующей конуса и плоскостью основания мембраны, определяется из соотношения скоростей ультразвука в измеряемой среде и материале мембраны из выражений:
1
2
β≤β<β;
1
2
где: β и β соответственно минимальные и максимальные углы между образующей конуса и плоскостью основания мембраны,
c - скорость ультразвука в измеряемой среде,
M
c - скорость ультразвука в материале мембраны.
Поставленная задача решается также тем, что мембрана и корпус выполнены из одного или разных материалов.
Объединение двух технических решений в одну заявку связано с тем, что два данных устройства имеют одинаковое назначение и направлены на получение одного и того же технического результата: уменьшение уровня реверберационных помех и снижение искажений полезного сигнала при незначительном уменьшении его уровня, и решают одну и ту же задачу повышения точности измерений.
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
Поясним сущность заявляемых изобретений. Для решения поставленной задачи по повышению точности измерений посредством уменьшения реверберационных помех угол скоса мембран 1 ультразвуковых преобразователей (фиг.1) выполняется, исходя из соотношения скоростей ультразвука в материале мембраны и измеряемой среды, таким, чтобы ультразвуковой сигнал, излученный пьезоэлементом 2 излучающего преобразователя 6 (фиг.2) и затем отраженный от мембраны 1 приемного преобразователя 7 и вновь отраженный от мембраны 1 изучающего преобразователя 6, приходил на мембрану 1 приемного преобразователя 7 под углом, равным или большим угла полного внутреннего отражения. При таком угле падения отраженный сигнал в мембрану не проходит и на приемный пьезоэлемент не попадает. Как видно из фиг.3, излучаемая пьезоэлементом 2 излучающего преобразователя 6 ультразвуковая волна, попадая в мембрану 1, скошенную под углом β, при переходе в измеряемую среду изменяет свое направление, распространяясь под углом γ к нормали, восстановленной к скошенной поверхности мембраны 1. Эта волна на скошенную под углом β мембрану 1 приемного преобразователя 7 падает под углом (2β-γ) и частично отражается от нее под таким же углом, а частично преломляясь под углом φ проходит в мембрану, падает на пьезоэлемент 2 и возбуждает в нем полезный сигнал. Отраженная от мембраны 1 приемного преобразователя 7 ультразвуковая волна, распространяясь в среде, попадает на мембрану 1 излучающего преобразователя 6 под углом (4β-γ) и отражается от нее под тем же углом (4β-γ). Отраженная от мембраны 1 излучающего преобразователя 6 волна на мембрану 1 приемного преобразователя 7 падает под углом (6β-γ), и, испытывая на границе раздела сред «измеряемая среда 8 - мембрана 1 приемного преобразователя 7» полное внутреннее отражение, в мембрану 1 не проходит и на пьезоэлемент 2 приемного преобразователя 7 не попадает и ложного сигнала не возбуждает.
Время задержки такого ложного сигнала - 3t в три раза больше времени задержки основного сигнала - t. Ложные сигналы в системах с излучающим и приемным преобразователем с временами задержки, равными нечетному числу времен задержки основного сигнала, называются кратными. К ним относятся ложные сигналы с временами задержки 3t, 5t, 7t, 9t и т.д. (Соколинский А.Г., Сухаревский Ю.М. Магниевые ультразвуковые линии задержки, М., Советское радио, 1966, 231 с. (стр.194)).
1
1
Первый кратный сигнал падает на мембрану приемного преобразователя, как видно из фиг.3, под углом (6β-γ) и проходит в нее под углом χ. Согласно закона Снеллиуса:
При выполнении условия полного внутреннего отражения:
На основании чего из уравнений (1) и (2) запишем:
Откуда получим:
1
Угол γ, как следует из фиг.3 и закона Снеллиуса, определяется из отношения скоростей ультразвука в измеряемой среде и мембране и угла скоса мембраны:
1
Из уравнений (4) и (5) получим выражение, из которого определяется минимальный угол скоса мембраны - β, обеспечивающий максимальное ослабление кратных ложных сигналов:
2
2
2
Максимальный угол скоса мембраны - β определяется из условия непрохождения основного сигнала в мембрану приемного преобразователя. В этом случае, как видно из фиг.4, излучаемая пьезоэлементом 2 излучающего преобразователя 6 ультразвуковая волна, попадая в мембрану 1, скошенную под углом β, при переходе в измеряемую среду изменяет свое направление, распространяясь под углом γ к нормали, восстановленной к скошенной поверхности мембраны 1. Из фиг.4 видно, что угол φ, под которым основной сигнал проходит в мембрану приемного преобразователя, можно определить из закона Снеллиуса:
Сигнал не проходит в мембрану, когда на границе раздела «измеряемая среда - мембрана 1 приемного преобразователя 7» сигнал испытывает полное внутреннее отражение, т.е. при условии, что угол прохождения основного сигнала в мембрану - φ=90°. Тогда выражение (7) запишется в следующем виде:
Откуда получим:
2
Угол γ, как следует из фиг.4 и закона Снеллиуса, определяется из отношения скоростей ультразвука в измеряемой среде и мембране и угла
2
Из уравнении (9) и (10) получим выражение, из которого определяется угол скоса мембраны - β, обеспечивающий максимальное ослабление кратных ложных сигналов и максимальное ослабление полезного сигнала:
2
2
1
При угле скоса мембраны β основной сигнал в мембрану не проходит. Поэтому угол скоса мембраны β должен быть меньше угла β, определяемого из выражения (11), при этом для обеспечения максимального подавления кратных сигналов угол скоса должен быть равен или больше угла скоса β, определяемого из выражения (6). Таким образом, для угла скоса мембраны β должно выполняться соотношение:
1
Угол скоса мембраны - β является минимально возможным для обеспечения максимального ослабления кратных ложных сигналов. Ослабление кратного ложного сигнала эффективно осуществляется и при большем угле скоса мембран, но увеличение угла скоса приводит к ослаблению основного сигнала.
Мембрана может быть выполнена в форме конуса или многогранной пирамиды, вершина которой направлена в измеряемую среду, как показано на фиг.5. Угол при вершине многогранной пирамиды определяется углом конуса, вписанного в данную пирамиду (Киселев А.П. Геометрия, М., Физматлит., 2004, 328 с. (стр.289)). Для обеспечения максимального ослабления кратных сигналов угол конуса - α и угол конуса вписанного в многогранную пирамиду - α определяются из выражения:
1
2
где: β - угол между образующей конуса и плоскостью основания мембраны, определяемый значениями минимального β и максимального β углов между образующей конуса и плоскостью основания мембраны.
Изобретение иллюстрируется чертежами. На фиг.1 изображен ультразвуковой пьезопреобразователь по первому варианту заявляемого изобретения. На фиг.2 изображено расположение преобразователей на исследуемом объекте, например в трубопроводе, и распространение основного ультразвукового сигнала. На фиг.3 изображено прохождение основного и первого кратного сигналов в скошенных мембранах и исследуемой среде. На фиг.4 изображено прохождение основного сигнала в скошенных мембранах и исследуемой среде при его падении на мембрану приемного преобразователя под углом полного внутреннего отражения. На фиг.5 изображен ультразвуковой пьезопреобразователь по второму варианту заявляемого изобретения. На фиг.6 изображено прохождение основного и первого кратного сигналов в исследуемой среде и мембранах, выполненных в форме конуса или пирамиды.
Ультразвуковой пьезопреобразователь (фиг.1) содержит мембрану 1, скошенную под углом β, которая соединена с пьезоэлементом 2 через металлический или клеевой переходный слой 3, тыльная грань пьезоэлемента 2 через металлический или клеевой переходный слой 3 соединена с демпфером 4, и это все размещено в корпусе 5. В частном случае в пьезопреобразователе могут отсутствовать один из переходных слоев 3 и демпфер 4, а мембрана 1 может являться частью корпуса 5.
При выполнении мембраны, например из нержавеющей стали, при нагрузке ее на воду, при условии максимального ослабления кратных сигналов, в соответствии с формулами (6), (11) и (12) угол скоса мембраны будет: 2,6°≤β<8,5°. При выполнении мембраны из нержавеющей стали со скосом, при нагрузке ее на воздух, при условии максимального ослабления кратных сигналов, в соответствии с формулами (6), (11), (12) и (13) угол скоса мембраны будет: 0,5°≤β<1,7°.
При нагрузке мембраны на жидкую углеводородную среду, скорость ультразвука в которой меньше, чем в воде, минимальный угол скоса получается на несколько десятых градуса меньше, чем у мембраны для воды. При использовании одних и тех же преобразователей для разных жидкостей угол скоса выбирается из условий нагрузки их на воду, так как при нагрузке на среды с меньшими скоростями ультразвука условие обеспечения полного отражения кратных сигналов также выполняется.
Ультразвуковой пьезопреобразователь (фиг.1), (фиг.5) работает следующим образом.
В исследуемую среду, например в трубопровод с движущимся потоком вещества, устанавливают соосно два идентичных ультразвуковых пьезопреобразователя 6 и 7 (фиг.2), которые зондируют движущуюся среду ультразвуковыми импульсами со скоростью распространения C, направленными под углом θ относительно вектора скорости потока V. Зондирование производится по направлению и навстречу потоку. Ультразвуковой сигнал, излучаемый преобразователем 6, проходит в исследуемый поток 8. Пройдя поток, ультразвуковой сигнал приобретает информацию об его скорости и принимается преобразователем 7. Аналогично распространяются сигналы, излученные преобразователем 7. Пьезоэлементы преобразователей обратимы, то есть работают как в режиме излучения, так и в режиме приема ультразвуковых сигналов.
Время прохождения сигналом потока зависит от длины пути в потоке, которое определяется диаметром трубопровода D, углом ввода ультразвука в поток (90°-θ), скоростью ультразвука в веществе потока С и скоростью движения потока V.
1
Время распространения сигнала по потоку Т, как видно на фиг.2, определяется из выражения:
2
Время распространения сигнала против потока Т определяется из выражения:
1
2
Из выражений (8) и (9) по временам Т и Т определяется скорость потока V:
а затем и расход вещества Q.
где: S - площадь сечения потока.
Точность измерения скорости потока определяется в значительной степени точностью измерения времен распространения ультразвуковых сигналов, излученных по и против потока. Реверберационные помехи уменьшают точность измерения времен распространения ультразвука. Поэтому уменьшение уровня реверберационных помех приводит к повышению точности измерений.
При использовании ультразвукового пьезопреобразователя для определения или контроля плотности жидких и газообразных сред преобразователи могут быть установлены аналогично преобразователям, установленным для контроля скорости потока, как показано на фиг.2. Тогда измерив времена распространения сигналов, излученных по и против потока, из формул (14) и (15) определяют скорость распространения ультразвука в среде:
Затем по известной для данной среды зависимости c=f(ρ) определяют плотность среды ρ. Если среда, например двухкомпонентная и известна зависимость концентрации от плотности, по плотности определяют концентрацию компонентов.
Ультразвуковой пьезопреобразователь (фиг.5) содержит мембрану 1, выполненную в виде конуса, которая соединена с пьезоэлементом 2 через металлический или клеевой переходный слой 3, тыльная грань пьезоэлемента 2 через металлический или клеевой переходный слой 3 соединена с демпфером 4, и это все размещено в корпусе 5. В частном случае в пьезопреобразователе могут отсутствовать один из переходных слоев 3 и демпфер 4, а мембрана 1 может являться частью корпуса 5.
При выполнении конусной мембраны (фиг.5) из нержавеющей стали при нагрузке ее на воду, при условии максимального ослабления кратных сигналов, в соответствии с формулами (6), (11), (12) и (13) угол конуса мембраны будет: 163°<α≤174,8°. При выполнении мембраны в виде конуса из нержавеющей стали, при нагрузке ее на воздух, при условии максимального ослабления кратных сигналов, в соответствии с формулами (6), (11), (12) и (13) угол конуса мембраны будет: 176,6°<α≤179°.
Экспериментальная проверка показала, что при использовании преобразователей, работающих на частоте 1 МГц, с плоскими стальными мембранами, скошенными под углом 3°, определенным на основании заявляемых выражений (6), (11), (12) при расположении их в воде соосно друг другу на расстоянии 50 мм уровень ослабления кратных ложных сигналов 3t, 5t, 7t и 9t по отношению к основному сигналу составил соответственно: 30 дБ, 50 дБ, 69 дБ и 85 дБ. При тех же условиях уровень кратных ложных сигналов при применении мембран без скоса составил соответственно: 3 дБ, 6 дБ, 9 дБ и 13 дБ. При применении скошенных мембран дополнительное ослабление основного сигнала по сравнению с применением мембран без скоса не превысило одного децибела.
Экспериментальная проверка показала, что при использовании преобразователей, работающих на частоте 1 МГц, с конусными стальными мембранами, с углом конуса 174°, определенным на основании заявляемых выражений (6), (11), (12) и (13), при расположении их в воде соосно друг другу на расстоянии 50 мм уровень ослабления кратных ложных сигналов 3t, 5t, 7t и 9t по отношению к основному сигналу составил соответственно: 33 дБ, 52 дБ, 70 дБ и 85 дБ. При тех же условиях уровень кратных ложных сигналов при применении мембран без скоса составил соответственно: 3 дБ, 6 дБ, 9 дБ и 13 дБ. При применении конусных мембран дополнительное ослабление основного сигнала по сравнению с применением мембран без скоса не превысило одного децибела.
Таким образом, предложенный ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь по сравнению с известными техническими решениями позволяет существенно снизить уровень реверберационных помех, уменьшить искажение полезного сигнала и, следовательно, повысить точность измерений.
Изготовлены опытные образцы заявляемого ультразвукового пьезопреобразователя и проведены их эксплуатационные испытания.