ДАТЧИК УЛЬТРАЗВУКОВОГО РАСХОДОМЕРА
ULTRASONIC FLOWMETRE SENSOR

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения скорости потока и расхода веществ ультразвуковым методом, а также в устройствах определения плотности жидких и газообразных сред и их состава и может найти применение в химической, нефти и газодобывающих, атомной, фармацефтической, перерабатывающих и пищевых отраслях промышленности, дефектоскопии, теплоэнергетике, коммунальной сфере, медицине.
Известен датчик ультразвукового расходомера, содержащий мерный участок трубопровода с расположенными в нем соосно передающим и приемным пьезоэлектрическими преобразователями, каждый из которых состоит из пьезоэлемента, соединенного со звукопроводом, обеспечивающим ввод ультразвука в контролируемую среду без преломления на границе раздела сред (Бражников Н.И. Ультразвуковая фазометрия. - М.: Энергия, 1968, 272 с. (стр.56-59, стр.189-190)).
В таком датчике наряду с возможностью ввода ультразвука в контролируемую среду под любым необходимым для измерения углом и независимостью акустических параметров системы от толщины и материала стенки трубопровода имеются и недостатки.
К ним относится недостаточная точность измерений из-за большого уровня реверберационных помех, возникающих при отражении ультразвуковых сигналов от границ раздела «контролируемая среда - внешняя поверхность звукопровода» и из-за отражения ультразвуковых сигналов внутри звукопроводов от границ раздела «звукопровод - контролируемая среда» и «звукопровод - пьезоэлемент» (Бражников Н.И. Ультразвуковая фазометрия. Энергия, 1968, 272 с. (стр.49)).
Для уменьшения уровня таких помех предлагалось применять преобразователи со звукопроводами из материалов с высоким поглощением ультразвука (а.с. СССР №400808, кл. G01F 15/06, Б.И. №40, 1974). Однако при этом наряду с ослаблением помех уменьшается и уровень полезного сигнала, что ухудшает метрологические характеристики преобразователей. Кроме того, применение материалов с высоким поглощением ультразвука исключает применение металлов в качестве материалов звукопроводов.
Наиболее близким к предлагаемому датчику ультразвукового расходомера является датчик ультразвукового расходомера, содержащий пьезоэлектрические преобразователи (Replaceabl element ultrasonic flowmeter transducer, pat. USA №3925692, prior. 9.12.1975), каждый из которых состоит из соединенных между собой пьезоэлемента, демпфера и звукопровода, приемоизлучающая поверхность которого, нагруженная на контролируемую среду, выполнена с небольшой конусностью или небольшим скосом. Выполнение приемоизлучающих поверхностей звукопроводов с небольшой конусностью или со скосом приводит к уменьшению уровня реверберационных помех, возникающих при отражении ультразвуковых сигналов от границ раздела «контролируемая среда - внешняя поверхность звукопровода». Однако при этом практически не уменьшается уровень реверберационных помех, возникающих из-за отражения ультразвуковых сигналов внутри звукопроводов от границ раздела «звукопровод - контролируемая среда» и «звукопровод - пьезоэлемент», что не позволяет заметно повысить точность измерений, особенно при применении звукопроводов, изготовленных из материалов с малым поглощением ультразвука, например звукопроводов, изготовленных из металлов.
Предлагаемый датчик ультразвукового расходомера решает задачу повышения точности измерений. Техническим результатом изобретения является уменьшение уровня реверберационных помех и снижение искажений полезного сигнала при сохранении его уровня.
Для достижения указанного технического результата в датчике ультразвукового расходомера, содержащем мерный участок трубопровода с соосно расположенными в нем пьезоэлектрическими преобразователями, каждый из которых состоит из соединенных между собой пьезоэлемента, звукопровода и демпфера, осуществляющих излучение и прием ультразвука в контролируемой среде без преломления, согласно изобретению длины звукопроводов излучающего и приемного пьезоэлектрических преобразователей выполняются различающимися на величину, кратную нечетному числу четвертей длины ультразвуковой волны в материале звукопровода на рабочей частоте пьезоэлектрических преобразователей.
Поставленная задача (повышение точности измерений решается также тем, что на поверхность звукопровода, обращенную в контролируемую среду, наносится согласующий слой из материала с удельным волновым сопротивлением, лежащим между удельными волновыми сопротивлениями звукопровода и контролируемой среды.
Поясним сущность заявляемого изобретения. Для решения поставленной задачи по повышению точности измерений посредством уменьшения реверберационных помех, длина звукопровода 6 (фиг.2) одного из пьезоэлектрических преобразователей выполняется отличной от длины звукопровода 6 второго преобразователя на величину, определяемую скоростью ультразвука в материале звукопровода и рабочей частотой пьезопреобразователей. Длины звукопроводов отличаются на величину кратную нечетному числу четверти длины ультразвуковой волны в материале звукопровода на рабочей частоте преобразователя так, чтобы через время, кратное половине периода ультразвуковых колебаний, на приемный пьезоэлемент 5 (фиг.2) приходили колебания, дважды отраженные в звукопроводе 6 излучающего преобразователя и прошедшие измеряемую среду 4, и колебания, возникающие в звукопроводе 6 приемного преобразователя от дважды отраженного в нем основного сигнала. Сложение этих колебаний, пришедших на приемный пьезоэлемент 5 в противофазе, приводит к их взаимной компенсации.
Как видно из фиг.2, ультразвуковой сигнал, возбужденный пьезоэлементом 5 излучающего преобразователя, пройдя через его звукопровод 6, контролируемую среду 4 и звукопровод 6 приемного преобразователя, падает на пьезоэлемент 5, возбуждая в нем полезный сигнал.
1
З1
C
З2
При падении полезного сигнала из звукопровода 6 излучающего преобразователя на границу раздела «звукопровод - контролируемая среда» происходит частичное прохождение этого сигнала в контролируемую среду 4 и частичное отражение в звукопровод 6. Отраженный в звукопровод 6 сигнал приходит на границу раздела «звукопровод - пьезоэлемент» и отражается в звукопровод 6. Пройдя звукопровод 6, этот сигнал проходит в контролируемую среду 4, пройдя которую попадает в звукопровод 6, а затем на пьезоэлемент 5 приемного преобразователя, возбуждая в нем ложный сигнал. Время прохождения такого ложного сигнала - tв акустическом тракте, как видно из фиг.2, складывается из времен прохождения ложного сигнала в звукопроводе излучающего преобразователя - 3t, контролируемой среде - t и звукопроводе приемного преобразователя - t:
З1
З2
З
Времена прохождения сигнала в звукопроводах определяются длиной звукопроводов - L, L и скоростью ультразвука в материале звукопровода - C:
C
Время прохождения сигнала в контролируемой среде определяется длиной акустического пути в контролируемой среде - L и скоростью ультразвука в среде - С:
2
Как видно из фиг.2, полезный сигнал, пройдя звукопровод 6 приемного преобразователя, попадает на границу раздела «звукопровод - пьезоэлемент», частично проходит в пьезоэлемент 5, возбуждая в нем полезный сигнал, а частично отражается в звукопровод 6 приемного преобразователя. Затем отраженный сигнал, пройдя звукопровод 6 приемного преобразователя, отражается назад в звукопровод от границы раздела «звукопровод - контролируемая среда», вновь проходит звукопровод и попадает на приемный пьезоэлемент 5, возбуждая в нем ложный сигнал. Время прохождения в акустическом тракте такого ложного сигнала - t будет:
Разность времен задержки ложных сигналов, возникающих из-за отражений в звукопроводах излучающего и приемного преобразователя - Δt, как следует из уравнений (1), (2), (3), (4) и (5) будет:
31
32
При одинаковых длинах звукопроводов (L=L), разность времен задержки ложных сигналов, образовавшихся в звукопроводах излучающего и приемного преобразователей, как следует из уравнения (6), будет равна нулю. Это значит, что эти ложные сигналы приходят в одной фазе и, складываясь, возбуждают в приемном пьезоэлементе ложный сигнал.
Для подавления такого ложного сигнала необходимо, чтобы ложные сигналы, образовывающиеся в звукопроводах излучающего и приемного преобразователей, приходили на приемный пьезоэлемент в противофазе. То есть времена задержки этих сигналов должны отличаться на величину Δt, кратную нечетному числу (n=1, 3, 5…) половины периода (0,5T) ультразвуковых колебаний на рабочей частоте пьезопреобразователей:
Из уравнений (6) и (7) следует:
Выразим период колебаний через длину ультразвуковой волны в материале звукопровода - λ:
Тогда из уравнений (8) и (9) получим:
Таким образом, чтобы ложные сигналы, образующиеся в звукопроводах излучающего и приемного преобразователя, приходили на приемный пьезоэлемент в противофазе, необходимо, чтобы длины звукопроводов отличались на величину, кратную нечетному числу четвертей длины волны ультразвуковых колебаний в материале звукопровода на рабочей частоте пьезопреобразователей.
Введение согласующего слоя из материала с удельным волновым сопротивлением, лежащим между удельными волновыми сопротивлениями материалов звукопровода и контролируемой среды, приводит к уменьшению уровня сигнала, отраженного от границы раздела «звукопровод - согласующий слой» по сравнению с уровнем сигнала отраженного от границы раздела «звукопровод - контролируемая среда». Это приводит к уменьшению уровня ложных сигналов, возникающих как при отражении от границ раздела «контролируемая среда - внешняя поверхность звукопровода», так и при отражении от границ раздела «звукопровод - контролируемая среда», что ведет к повышению точности измерений. Согласующий слой обеспечивает также уменьшение потерь ультразвукового сигнала на прохождение границ раздела сред, что приводит к уменьшению затухания сигнала в акустическом тракте.
Изобретение иллюстрируются чертежами. На фиг.1 изображен датчик ультразвукового расходомера, расположенный в мерном участке трубопровода с движущимся потоком жидкости, и распространение в нем ультразвукового сигнала. На фиг.2 изображен датчик ультразвукового расходомера и прохождение основного и реверберационных сигналов в звукопроводах излучающего и приемных пьезопреобразователей и в контролируемой среде.
Датчик ультразвукового расходомера (фиг.1) содержит два взаимно обратимых пьезоэлектрических преобразователя 1 и 2, которые установлены в мерном участке трубопровода 3 с контролируемой средой 4. Пьезоэлектрический преобразователь (фиг.2) состоит из пьезоэлемента 5, соединенного со звукопроводом 6 и демпфером 7. В частном случае демпфер 7 может отсутствовать.
При выполнении звукопроводов пьезопреобразователей, например, из нержавеющей стали, работающих на частоте 1,5 МГц, длины звукопроводов, работающих в паре и обеспечивающих максимальное ослабление ложных сигналов, в соответствии с формулами (9) и (10), отличаются на 0,9 мм.
Датчик ультразвукового расходомера (фиг.1) работает следующим образом.
В контролируемую среду, например в трубопровод с движущимся потоком вещества, устанавливают соосно два ультразвуковых пьезопреобразователя 1 и 2 (фиг.1), которые зондируют движущуюся среду ультразвуковыми импульсами со скоростью распространения С, направленными под углом θ относительно вектора скорости потока V. Зондирование производится по направлению и навстречу потоку. Ультразвуковой сигнал, излучаемый преобразователем 1, проходит в исследуемый поток 4. Пройдя поток, ультразвуковой сигнал приобретает информацию об его скорости и принимается преобразователем 2. Аналогично распространяются сигналы, излученные преобразователем 2. 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 T, как видно на фиг.1, определяется из выражения:
2
Время распространения сигнала против потока Т определяется из выражения:
1
2
Из выражений (11) и (12)по временам Т и Т и 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 ультразвуковых пьезопреобразователей для определения или контроля плотности жидких и газообразных сред преобразователи могут быть установлены аналогично преобразователям, установленным для контроля скорости потока, как показано на фиг.1. Тогда, измерив времена распространения сигналов, излученных по и против потока, из формул (11) и (12) определяют скорость распространения ультразвука в среде:
Затем по известной для данной среды зависимости С=f(ρ), определяют плотность среды ρ. Если среда, например, двухкомпонентная и известна зависимость концентрации от плотности, по плотности определяют концентрацию компонентов.
3
3
3
3
Экспериментальная проверка показала, что при нагрузке на воду при использовании датчика ультразвукового расходомера с пьезопреобразователями, работающими на частоте 1,5 МГц, звукопроводы которых выполнены из нержавеющей стали и отличаются по длине на 0.9 мм, определенной на основании предлагаемого изобретения, уровень реверберационных сигналов, возникающих в звукопроводах через времена 2t,4t,6t,St, по отношению к основному сигналу составил соответственно: 20 дБ, 23 дБ, 29 дБ и 33 дБ. Применение согласующих слоев, например из пластмасс, уменьшило уровень реверберационных сигналов соответственно до 22 дБ, 26 дБ, 33 дБ и 37 дБ.
При тех же условиях уровень реверберационных сигналов при использовании звукопроводов одинаковой длины без согласующих слоев составил соответственно: 2,5 дБ, 9 дБ, 12 дБ и 20 дБ.
При применении излучающего и приемного пьезопреобразователей со звукопроводами различной длины ослабление основного сигнала, по сравнению с применением звукопроводов одинаковой длины, не происходит.
Таким образом, предложенный датчик ультразвукового расходомера 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 датчика ультразвукового расходомера и проведены их эксплуатационные испытания.