ДАТЧИК УЛЬТРАЗВУКОВОГО РАСХОДОМЕРА
ULTRASONIC FLOWMETER SENSOR

Изобретение относится к расходомерной технике, в частности к конструкциям время-импульсных ультразвуковых (УЗ) расходомеров, и может быть использована для определения расхода газов и жидкостей.
Измерение расхода ультразвуковым методом сводится к измерению скорости потока измеряемого вещества.
УЗ датчики расходомеров содержат измерительный (пролетный) канал, встроенный в основной трубопровод, входную и выходную камеры, в которых установлены электроакустические преобразователи. Электроакустические преобразователи излучают и принимают акустические импульсы, направляемые по потоку и против него. По разности времен прохождения импульса вдоль и против потока Δτ определяют скорость потока V по следующей формуле:
<mrow><mi>V</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>L</mi><mn>2</mn></mfrac><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mi>τ</mi></mrow><mrow><msub><mi>τ</mi><mn>1</mn></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>τ</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
2
1
2
1
где Δτ=τ-τ; τ - скорость прохождения акустического импульса против потока; τ - скорость прохождения акустического импульса вдоль потока; L -путь, который проходит акустический импульс. Затем по известной площади поперечного сечения пролетного канала вычисляют расход измеряемой среды.
Известен датчик УЗ расходомера (JP, заявка №2009236850, Ультразвуковой расходомер), в состав которого входит пролетный канал и два крайних (коленных) участка, расположенные под углом к пролетному каналу. В коленных участках установлены акустические датчики, излучающие навстречу друг другу, которые зондируют поток, протекающий по пролетному участку.
Конструктивной особенностью такого типа расходомеров является то, что коленные соединения позволяют устанавливать акустические преобразователи таким образом, чтобы они не оказывали никакого возмущающего воздействия на измеряемый поток. Преобразователи можно установить как снаружи пролетного канала, так и внутри него - в области коленных соединений.
Недостатком рассматриваемого датчика являются его большие габариты, которые определяются не столько тем, что длина его средней части должна быть достаточной для получения значительной величины Δτ, а сколько тем, что элементы его соединения с контролируемым трубопроводом в связи с его конструктивными особенностями должны быть больших габаритов.
Известен УЗ датчик расходомера (патент RU №2331851, МПК G01F 1/66), габариты которого значительно меньше, чем у датчика, рассмотренного выше. По совокупности существенных признаков это решение является наиболее близким к предлагаемому.
Известный УЗ датчик расходомера содержит пролетный канал, каждый конец которого подсоединен к камере, а камеры соединены с концами контролируемого трубопровода. В этих проточных камерах установлены акустические преобразователи, с помощью которых измеряется скорость потока в пролетном канале.
Недостатком известного устройства является то, что акустические преобразователи находятся в камерах, которые заполнены водой. В подобного вида преобразователях акустические блоки оказывают влияние на поведение потока и искажают результаты измерения. В рассматриваемом решении это влияние сведено к минимуму за счет увеличения объема камер, т.е. за счет увеличения габаритов. Но вторым недостатком является сложность самой установки акустических блоков внутри камер, их гидроизоляция и гидроизоляция системы подводки электрического напряжения.
Задачей, решаемой изобретением, является разработка ультразвукового датчика небольших габаритов, в котором акустические блоки не оказывают возмущающего влияния на контролируемый поток.
Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемый ультразвуковой датчик расходомера, как и известный, содержит пролетный канал и акустические преобразователи, направленные навстречу друг другу. Но, в отличие от известного, в предлагаемом датчике внешняя поверхность пролетного канала соединена с краями стенок двух патрубков, предназначенных для его соединения с контролируемым трубопроводом, а края каждого патрубка образованы вырезом части его поверхности вдоль его продольной стенки, контактирующей с пролетным каналом, на обоих концах которого выполнены отверстия для ввода и вывода измеряемой среды, причем акустические преобразователи установлены на глухих торцах пролетного канала со смещением акустической оси от оси симметрии канала в сторону, противоположную стороне с отверстиями.
Техническим результатом является конструктивное упрощение устройства за счет того, что в нем не возникает сложностей с гидроизоляцией проводов. Установка акустических преобразователей на торцах пролетного канала позволяет не размещать провода в измеряемой среде, при этом габариты устройства не увеличиваются. Для того чтобы указанные конструктивные изменения не повлияли на точность измерений, акустическая ось смещена в сторону смещения линии максимальной скорости потока, которое происходит при подведении потока к пролетному каналу через боковую стенку.
Совокупность признаков, сформулированная в пункте 2 формулы изобретения, характеризует датчик ультразвукового расходомера, в котором диаметры пролетного канала и дополнительных патрубков равны, а площади отверстий в боковых стенках пролетного канала выбраны из условия их равенства площади поперечного сечения пролетного канала.
Такое техническое решение обеспечивает постоянство поперечного сечения потока измеряемого вещества при его прохождении через датчик ультразвукового расходомера. Следствием этого является повышение достоверности измерений и минимизация потерь напора.
Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором показан предлагаемый датчик ультразвукового расходомера, вид спереди в разрезе.
Датчик ультразвукового расходомера содержит пролетный канал 1 с глухими торцами, на которых установлены акустические преобразователи 2, излучающие навстречу друг другу. Дополнительные патрубки 3 предназначены для соединения пролетного канала с контролируемым трубопроводом. Для того чтобы жидкость (газ) поступала из него в пролетный канал в них выполнены два отверстия 4 и 5 для ввода и вывода измеряемого потока. Особенностью патрубков является составная форма их поверхности в готовом изделии, поскольку вырезанную часть заменяет поверхность пролетного канала, которая приварена к краям выреза дополнительных патрубков. Ширина выреза определяется размером отверстий - она должна быть, по крайней мере, не меньше величины отверстия. Для выполнения условий, сформулированных в пункте 2 формулы изобретения, размеры отверстий должны быть такими, чтобы площадь каждого отверстия равнялась площади поперечного сечения пролетного канала и площади поперечного сечения дополнительного патрубка.
Жидкость (газ), при прохождении пролетного канала, зондируется акустическими преобразователями ультразвуковой частоты. При пропускании зондирующего сигнала по потоку в качестве излучателя работает первый акустический преобразователь, а в качестве приемного - второй. Ультразвуковые колебания проходят только по прямолинейному участку. Пропускание зондирующего сигнала против потока происходит аналогично, только в качестве излучателя работает второй преобразователь, а в качестве приемника - первый. 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 по направлению потока среды время уменьшается, а против потока возрастает.
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. При прохождении потока через рассматриваемый датчик ультразвукового расходомера эпюра скоростей в пролетном канале будет отличаться от осесимметричной формы из-за смещения области максимальных скоростей относительно оси трубопровода. Поэтому поступление контролируемой среды через боковую поверхность пролетного канала накладывает определенное условие на размещение преобразователей, а именно, они должны быть расположены не по центру канала, а со смещением акустической оси в сторону, противоположную стороне, на которой находятся входное и выходное отверстия, именно так смещается линия максимальной скорости эпюры скоростей. Такое расположение преобразователей позволяет зондировать поток в области его максимальных скоростей. Следствием этого является получение более гладкой расходомерной характеристики и повышение чувствительности расходомера.
Описание устройства показывает, что предложен достаточно малогабаритный датчик расходомера простой конструкции. При этом в этой конструкции отсутствуют элементы, которые могут оказывать возмущающее воздействие на поток и тем самым искажать достоверность измерений.