ДАТЧИК УЛЬТРАЗВУКОВОГО РАСХОДОМЕРА

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности к устройствам измерения малого расхода газовых и жидких сред (бытовые газовые счетчики, бытовые счетчики воды).
Известен ультразвуковой расходомер содержащий на одной оси входной и выходной патрубки и мерный участок, перпендикулярно расположенных два пьезоэлектрических преобразователя и два косых отражателя. (П.П.Кремлевский "Расходомеры и счетчики количества", Ленинград, "Машиностроение", 1989 г., стр.449, рис.263 д, е). Недостатками данного устройства являются:
- Малый диапазон измерения расхода и, соответственно, низкая точность при измерении малых расходов, так как для бытовых счетчиков газа и воды (расходомеров) скорость потока среды в подводящем трубопроводе при максимальном расходе очень низкая (не более 6 м/с). Это обусловлено тем, что диаметр мерного участка равен диаметру входного и выходного патрубков.
- Площадь поперечного сечения ультразвукового луча намного меньше площади поперечного сечения мерного тракта, что приводит к неполному озвучиванию мерного участка и снижает точность измерения.
Известен первичный преобразователь ультразвукового расходомера - счетчика «Днепр» (полезная модель РФ №83612, G01F 1/66) содержащий прямолинейный мерный участок, две измерительные камеры, два пьезоэлектрических преобразователя, два косых отражателя, входной и выходной патрубки. Площадь поперечного сечения ультразвукового луча равна поперечной площади мерного участка. Прямолинейный мерный участок, входной и выходной патрубки располагаются на одной оси и диаметр мерного участка равен диаметрам входного и выходного патрубков.
Однако данная конструкция имеет следующие недостатки:
- Малый диапазон измерения расхода и, соответственно, низкая точность при измерении малых расходов, так как для бытовых счетчиков газа и воды (расходомеров) скорость потока среды в подводящем трубопроводе при максимальном расходе очень низкая (не более 6 м/с). Это обусловлено тем, что диаметр мерного участка равен диаметрам входного и выходного патрубков.
- Большое вносимое сопротивление, и образование завихрений (на острых кромках), что тоже увеличивает погрешность измерения расхода. Это обусловлено тем, что отсутствуют плавные переходы (конфузоры и диффузоры) между мерным участком, измерительными камерами, входным и выходным патрубками, а так же исполнение косых отражателей виде цельных кусков материала перегораживающие поток.
Известен также первичный преобразователь ультразвукового расходомера (полезная модель РФ №32268, G01F 1/66), принятый за прототип по наибольшему количеству существенных признаков и содержащий на одной оси прямолинейный мерный участок, вход и выход которого выполнены в виде конфузора и диффузора, переходящие во входной выходной патрубки, перпендикулярно оси расположены два пьзоэлектропреобразователя, со встроенным косым отражателем, угол наклона которого к оси сепаратора составляет не более 45°. Причем косой отражатель установлен в сепараторе, имеющем форму трубки, и жестко соединенном с поверхностью пьзоэлектропреобразователя.
Однако указанный первичный преобразователь ультразвукового расходомера обладает также рядом недостатков:
- Площадь поперечного сечения ультразвукового луча намного меньше площади поперечного сечения мерного тракта, что приводит к неполному озвучиванию мерного участка и снижает точность измерения.
- Вся громоздкая цельная конструкция пьзоэлектропреобразователей с жестко соединенными сепараторами (со встроенными косыми отражателями) располагается в трубе (в проточной полости) в потоке газа, что не только увеличивает габариты датчика и усложняет конструкцию, но и способствует образованию завихрений (на острых кромках). Кроме того, поток газа заходит в карман сепаратора как в ловушку, образуя завихрения. При выходе из кармана сепаратора образуется газовая пробка, которая дополнительно усиливает сопротивление потоку, что увеличивает погрешность измерения.
- Кроме того, такая цельная конструкция пьзоэлектропреобразователей с сепараторами, расположенная в патрубках, обусловливает необходимость в большом диаметре патрубков, намного большем, чем диаметр подводящих трубопроводов для данного расхода. При монтаже счетчика это ведет к дополнительным проблемам по соблюдению прямолинейных участков до и после счетчика и требует специальных переходников, что неудобно и удорожает монтаж.
- Механические частички, парафины (грязь), находящиеся в потоке газа, непосредственно попадают в окно сепаратора пьзоэлектропреобразователя (находящегося навстречу потоку), что приводит к постепенному снижению чувствительности, в конечном счете, нарушению работоспособности счетчика газа.
Задачей предлагаемой полезной модели является:
- Повышение точности измерения.
- Защита от механических частичек и парафинов (грязи), находящихся в потоке газа.
- Уменьшение габаритов.
- Упрощение конструкции.
- Упрощение монтажа расходомера.
Датчик ультразвукового расходомера содержит на одной оси прямолинейный мерный участок, вход и выход которого выполнены в виде соответственно конфузора и диффузора, переходящих во входной и выходной резервуары, составляющие с входным и выходным патрубками одно целое, два пьезоэлектрических преобразователя, расположенные перпендикулярно оси мерного участка с одной стороны его диаметра, зеркала (косые отражатели), установленные на пересечении осей мерного участка и соответствующего пьезоэлектрического преобразователя, причем диаметр мерного участка меньше, чем диаметр входного и выходного патрубков.
В отличие от прототипа площадь излучающей поверхности каждого пьезоэлектрического преобразователя больше или равна площади мерного участка, излучающие (рабочие) поверхности пьезоэлектрических преобразователей располагаются на одном уровне с внутренней поверхностью резервуаров, каждое зеркало представляет собой тонкую пластинку обтекаемой формы, диаметр входного и выходного патрубков соответствует диаметру подводящей трубы.
Зеркала имеют форму, соответствующую косому сечению мерного участка.
Выполнение площади излучающей поверхности каждого пьезоэлектрического преобразователя больше или равной площади поперечного сечения мерного участка, обеспечивает полное озвучивание измеряемого потока, увеличивая точность измерения.
Вынесение пьезоэлектрических преобразователей из потока и расположение их излучающих рабочих поверхностей на одном уровне с внутренней поверхностью резервуаров снижает сопротивление потоку и исключает образование завихрений. Причем благодаря такому решению механические частички, парафины (грязь), находящиеся в потоке газа, свободно пролетают сквозь датчик, оставляя излучающие поверхности пьезоэлектрических преобразователей и зеркала чистыми, что повышает работоспособность датчика.
В отличие от прототипа в потоке находятся только зеркала, но выполнение каждого зеркала в виде тонкой пластинки обтекаемой овальной формы, соответствующей косому сечению мерного участка, максимально уменьшает сопротивление потоку рабочей среды, что увеличивает точность измерения.
Совмещение входного и выходного резервуаров с входным и выходным патрубками, вынос пьезоэлектрических преобразователей из резервуаров и оптимальная форма зеркал упрощает конструкцию и повышает компактность датчика, уменьшая его габариты.
Выполнение диаметров входного и выходного патрубков одинаковыми с диаметром подводящей трубы для данного расхода создает удобство монтажа и снижает затраты на него.
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.
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 составляющие с входным 6 и выходным 7 патрубками одно целое, с расположенными перпендикулярно оси мерного участка и с одной стороны его диаметра пьезоэлектрическими преобразователями 8 и 9, закрытыми крышками соответственно 10 и 11, внутри резервуаров 4 и 5 на пересечении осей мерного участка 1 и каждого пьезоэлектрического преобразователя 8 и 9 располагаются зеркала (косые отражатели) 12 и 13. Излучающие (рабочие) поверхности 14, 15 пьезоэлектрических преобразователей соответственно 8 и 9 располагаются на одном уровне с внутренней поверхностью резервуаров соответственно 4 и 5. Зеркала 12 и 13 представляют собой тонкие пластинки в форме овала, соответствующие косому сечению мерного участка 1 под углом 45°, прикрепленные к соответствующему резервуару 4 и 5. Диаметр входного 6 и выходного 7 патрубков соответствует диаметру подводящей трубы для данного расхода. 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 проходит во входной резервуар 4 мимо пьезоэлектрического преобразователя 8, свободно огибает зеркало 12, далее через конфузор 2 попадает в прямолинейный мерный участок 1, и через диффузор 3 проходит в выходной резервуар 5 мимо пьезоэлектрического преобразователя 9 и, огибая зеркало 13, попадает в выходной патрубок 7.
С помощью пьезоэлектрических преобразователей 8 и 9, и зеркал 12 и 13 измеряют время прохождения ультразвукового сигнала по потоку и против потока газа, на основании этого вычисляют общий расход газа.
Таких датчиков ультразвукового расходомера изготовлено 25 штук разного типоразмера и все удачно прошли испытания, подтверждая правильность выбранных решений.