ВИХРЕАКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ РАСХОДА

Полезная модель относится к средствам измерения расхода и количества текучих сред, а именно к вихревым расходомерам, и может быть использована в случаях, когда по условиям эксплуатации техническое обслуживание расходомера должно осуществляться без остановки потока при ограниченном доступе к преобразователю расхода или когда предъявляются жесткие ограничения на время восстановления работоспособности после выхода преобразователя расхода из строя.
Известен вихреакустический преобразователь расхода расходомера «Ultra yewflo-UYF200» фирмы «Yokogawa» [1], содержащий измерительный патрубок (body) с проточной частью круглого сечения, генератор вихрей (vortex shedder) в виде плохообтекаемого тела трапецеидального сечения, установленного поперек потока симметрично относительно стенок патрубка, две вставки (plug) в виде стаканов, вваренных в отверстия в стенке патрубка, два съемных ультразвуковых излучателя/приемника (sensor, ultrasonic transmitter/receiver) с плоскими пьезоэлектрическими элементами, два соединительных кабеля. Плоскопараллельное защитное донышко вставки имеет толщину, кратную половине длины ультразвуковой волны, что обеспечивает максимальную величину приемного сигнала. Акустический контакт пьезоэлементов с донышком обеспечивает силиконовая смазка. Излучатели/приемники крепятся в корпусах с помощью винтов.
Вышеописанный преобразователь расхода предназначен для применения в особо тяжелых условиях эксплуатации: он нечувствителен к вибрациям и ударам, а его конструкция позволяет осуществлять осмотр и замену излучателей/приемников без остановки процесса. Для этого необходимо отвернуть винты, извлечь излучатели/приемники из вставок, удалить старую силиконовую смазку, нанести на новые излучатели/приемники свежую силиконовую смазку (или заменить смазку на старых), установить излучатели/приемники в корпуса и закрепить их винтами. Недостатком известного преобразователя расхода является то, что для монтажа/демонтажа излучателей/приемников требуется иметь свободный доступ как минимум с двух сторон патрубка, что не всегда возможно на объекте эксплуатации, например, когда преобразователь расхода установлен на агрегате с плотной компоновкой. Кроме того, места выхода вставок в поток, а также места заделки тела обтекания в стенке патрубка цилиндрической формы являются источниками возмущений, снижающих стабильность процесса вихреобразования и, как следствие, точность измерений.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является вихреакустический преобразователь расхода согласно патенту США №5,747,701 [2]. Он содержит измерительный патрубок, выполненный в виде отрезка трубы круглого сечения с утолщенной центральной частью с двумя плоскими контактными площадками, расположенными в выемках на противоположных стенках патрубка, съемную П-образную скобу с четырьмя попарно соосными отверстиями, две съемные ультразвуковые головки с одинаковыми пьезоэлементами и стержень-фиксатор, причем ширина выемок равна ширине скобы.
Согласно описанию к патенту данный преобразователь предназначен для проведения периодического контроля расхода в трубопроводе, после которого скоба с излучателями демонтируется до следующего сеанса измерений (сам патрубок остается на трубопроводе). Для монтажа/демонтажа ультразвуковых головок на патрубке необходимо иметь к нему доступ сбоку и сверху. При монтаже необходимо: надеть скобу сверху на патрубок, закрепить скобу сбоку фиксатором, продев его через два нижних отверстия, нанести на ультразвуковые головки акустическую смазку, вставить ультразвуковые головки в два верхних отверстия в скобе и зафиксировать их. При демонтаже головок необходимо вынуть из нижних отверстий фиксатор, извлечь головки, снять скобу, переместив ее вверх. Таким образом, для монтажа/демонтажа ультразвуковых головок требуется иметь доступ к преобразователю расхода с двух сторон, что не всегда возможно на объекте эксплуатации. Кроме того, несмотря на то, что искажения потока в месте установки излучателей отсутствуют, имеет место сильное ослабление ультразвукового сигнала за счет преломления ультразвуковых лучей на цилиндрической стенке при их переходе из патрубка в рабочую жидкость. Это приводит к ухудшению отношения «сигнал/шум» сигнала приема и, соответственно, к снижению надежности работы преобразователя расхода.
Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, заключается в улучшении эксплуатационных характеристик и повышении точности и надежности измерений.
Поставленная задача решается тем, что в вихреакустическом преобразователе расхода, включающем измерительный патрубок, в поперечном сечении которого установлено плохообтекаемое тело, П-образную скобу с двумя соосными отверстиями, две ультразвуковые головки с одинаковыми пьезоэлементами, сигнальные провода и акустическую смазку, в котором патрубок выполнен в виде отрезка трубы с утолщением в средней части с двумя контактными площадками, расположенными в выемках на противоположных стенках патрубка за телом обтекания, ультразвуковые головки расположены в отверстиях скобы, а ширина выемок равна ширине скобы, введены входной конусный переход с круглого сечения на квадратное, выходной конусный переход с квадратного сечения на круглое, две плоские пружины, два поворотных стопора, электрический разъем и невыпадающие винты, причем патрубок выполнен с квадратным поперечными сечением, П-образная скоба, ультразвуковые головки, пружины, стопоры, разъем, сигнальные провода и невыпадающие винты выполнены в виде съемного узла, ультразвуковые головки установлены в отверстиях скобы с возможностью осевого перемещения, поворотные стопоры выполнены таким образом, что в крайнем положении они удерживают пружины в отжатом состоянии, а при повороте стопора пружины освобождаются и прижимают ультразвуковые головки к контактным площадкам, причем толщина стенок патрубка в местах расположения контактных площадок равна целому числу длин полуволн ультразвуковых колебаний на частоте резонанса пьезоэлемента, при этом диаметры конусных переходов равны длине диагонали патрубка, а углы конусности составляют 10°.
Техническим результатом, достигаемым совокупностью приведенных признаков, является обеспечение возможности оперативного монтажа/демонтажа ультразвуковых головок при наличии доступа к преобразователю расхода только с одной стороны патрубка и ограничений на время выполнения операций монтажа/демонтажа без снижения точности и надежности измерений.
Техническое решение иллюстрируется чертежами: на фиг. 1 изображен вихреакустический преобразователь расхода в сборе; на фиг. 2 показано устройство патрубка с конусными переходами; на фиг. 3 - съемный узел.
Вихреакустический преобразователь расхода (см. фиг. 1) содержит измерительный патрубок 1 с входным 2 и выходным 3 конусными переходами с круглого сечения на квадратное и съемный узел с двумя ультразвуковыми головками 4. Патрубок 1 (см. фиг. 2) имеет утолщение в центральной части, в котором установлено плохообтекаемое тело 5 и выполнены две выемки с плоскими контактными площадками 6, 7 (вторая площадка 7 не показана), расположенными на противоположных стенках за телом обтекания 5, в которые вставляется съемный узел 4 с ультразвуковыми головками. Толщина h стенок патрубка 1 в местах расположения контактных площадок 6, 7 равна целому числу полуволн ультразвукового сигнала, генерируемого ультразвуковыми головками. Тело обтекания 5 выполнено в виде цилиндра, например, трапецеидального сечения.
Съемный узел 4 (см. фиг. 3) включает П-образную скобу 8 с двумя соосными отверстиями, две ультразвуковые головки 9, 10 с дисковыми пьезоэлементами 11 и 12 (пьезоэлемент 12 не показан), установленные в отверстиях скобы, акустическую смазку 13, 14, нанесенную на пьезоэлементы 11, 12 (смазка не показана), две плоские пружины 15 и 16 (пружина 16 не показана), два поворотных стопора 17 и 18, четыре невыпадающих винта 19-22 (два винта не показаны), соединительные провода 23, 24 (один провод не показан) и электрический разъем 25. Ультразвуковые головки 9, 10 установлены в отверстиях скобы 8 на одной оси с возможностью перемещения и находятся в зацеплении с плоскими пружинами 15, 16. Соединительные провода 23, 24 соединяют пьезоэлементы 11, 12 с контактами разъема 25. Невыпадающие винты 19-22 обеспечивают крепление скобы 8 к патрубку 1. Ширина скобы 8 съемного узла 4 равна ширине выемки в патрубке 1.
Вихреакустический преобразователь расхода работает следующим образом. При течении среды через измерительный патрубок 1 за телом обтекания 5 образуется вихревая дорожка Кармана. От блока электроники (на рисунках не показан) на разъем 25 подается электрический сигнал возбуждения, который по проводу 23 поступает на пьезоэлемент 12 ультразвуковой головки 11. Сигнал возбуждения преобразуется пьезоэлементом 12 в ультразвуковой зондирующий сигнал, который проходят через слой акустической смазки 13, стенку корпуса 1, вихревую дорожку, через противоположную стенку корпуса 1, слой смазки 14 и поступает на пьезоэлемент 12 ультразвуковой головки 10, который преобразует его в электрический сигнал приема. Сигнал приема по проводу 24 поступает на разъем 25, а с разъема - на блок электроники. Время задержки сигнала приема по отношению к сигналу возбуждения непостоянно и колеблется около среднего значения с частотой вихреобразования. С помощью электронной схемы измеряется частота этих колебаний, которая пропорциональна расходу.
При возникновении необходимости оперативной замены съемного узла 4 с ультразвуковыми головками блок электроники отстыковывается от разъема 25, отвинчиваются невыпадающие винты 19-22 и съемный узел 4 вынимается из выемок измерительного патрубка 1 путем перемещения вверх с приложением незначительного усилия. Установка съемного узла 4 на место осуществляется в следующем порядке:
- с пьезоэлементов 11, 12 и контактных поверхностей снимается старая смазка;
- пружины 15, 16 отжимаются и в зазоры между головками и пружинами вводятся стопоры 17, 18, которые фиксируют ультразвуковые головки 9, 10 в отведенном состоянии;
- на поверхности пьезоэлементов 11, 12 наносится новая акустическая смазка;
- скоба 8 устанавливается на место и закрепляется винтами 19-22, при этом выемки в патрубке 1 используются как направляющие;
- стопоры 17, 18 поворачиваются, при этом концы стопоров 17, 18 выходят из зазоров и пружины 15, 16 освобождаются, прижимая пьезоэлементы 11, 12 к контактным площадкам патрубка 1. За счет прижима смазка равномерно заполняет пространство между пьезоэлементами 11, 12 и контактными площадками патрубка 1, обеспечивая надежный акустический контакт;
- электронный блок подключается к разъему 25: расходомер готов к работе.
Для выполнения всех вышеописанных операций достаточно иметь доступ к патрубку сверху.
За счет квадратного сечения патрубка снижается уровень возмущений в месте заделки тела обтекания. Снижение уровня возмущений, образующихся в местах перехода с круглого сечения трубопровода (и фланца) на квадратное сечение патрубка, обеспечивает конусные переходы, причем диаметры фланцев должны быть равны диагонали сечения патрубка, а угол конусности 10° обеспечивает безотрывный режим течения. За счет вышеуказанных особенностей конструкции заявляемого преобразователя расхода по сравнению с прототипом повышается стабильность частоты вихреобразования и, как следствие, точность измерений.
За счет того, что стенка патрубка в местах расположения контактных площадок (в месте прилегания пьезоэлементов) равна целому числу полуволн ультразвукового сигнала на резонансной частоте пьезоэлемента, обеспечивается акустическая прозрачность стенки. При этом по сравнению с прототипом имеет место значительное увеличение коэффициента передачи (отношения амплитуд сигналов приема и возбуждения) благодаря чему повышается надежность работы преобразователя расхода.
Проведенные на расходомерном стенде испытания предлагаемого преобразователя расхода показали:
- для выполнения операций по замене съемного узла с ультразвуковыми головками достаточно иметь доступ к преобразователю расхода с одной стороны (сверху);
- время, необходимое для замены съемного узла, не превышает 5 мин;
- в сравнении с прототипом предлагаемый преобразователь обеспечивает повышение стабильности частоты вихреобразования в 1,5-2 раза.
Источники информации
1. Ultrasonic vortex Flowmeter «Ultra yewflo-UYF200». Т. Kawano, Y. Matsunaga, T. Andoh, A. Yasumatsu. Yokogawa Technical Report. English Edition. №25 (1998), c. 23-26.
2. Патент США №5, 747,701 C2, МПК G01F 1/32, НКИ 78/861.23, опубл. 05.05.1998.