УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ГАЗОВЫЙ РАСХОДОМЕР
ULTRASONIC GAS FLOW METER

Изобретение относится к ультразвуковым расходомерам (счетчикам) для измерения расхода газа.
Известен ультразвуковой газовый расходомер (см. Свидетельство на полезную модель РФ №32268), содержащий измерительную камеру, представляющую собой отрезок газовой трубы, одну пару пьезоэлектрических приемопередатчиков. Пьезоэлектрические приемопередатчики в этом техническом решении установлены в проточной полости измерительной камеры. Такое размещение пьезоэлектрических приемопередатчиков приводит к возникновению вихревых потоков при движении газа, что вносит погрешности в величину измеряемого расхода газа, а также снижает возможный динамический диапазон измеряемого расхода газа. Другими недостатками такого решения являются: конструктивная сложность, а также ограниченная возможность применения такого решения для реализации многолучевых расходомеров.
Известен также ультразвуковой газовый расходомер (Свидетельство на полезную модель РФ №37826), содержащий измерительную камеру, представляющую собой отрезок газовой трубы, одну пару пьезоэлектрических приемопередатчиков. В этом расходомере пьезоэлектрические приемопередатчики расположены в стаканах, которые, в свою очередь, установлены непосредственно в измеряемом потоке газа. Такое размещение пьезоэлектрических приемопередатчиков также приводит к возникновению вихревых потоков в движущемся газовом потоке, что снижает точность измерений и уменьшает динамический диапазон измеряемого расхода газа. Другими недостатками такого решения также являются: конструктивная сложность и ограниченная возможность применения такого решения для реализации многолучевых расходомеров.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является известный ультразвуковой газовый расходомер (Свидетельство на изобретение РФ № RU 2623833 C1), содержащий измерительную камеру, представляющую собой отрезок газовой трубы с отверстиями либо патрубками для установки ультразвуковых приемопередатчиков и, по меньшей мере, четыре пары ультразвуковых пьезоэлектрических приемопередатчиков, расположенных под углом к направлению потока, с возможностью образования, по меньшей мере, четырех измерительных лучей. Расположение ультразвуковых пьезоэлектрических приемопередатчиков под углом к направлению газового потока существенно усложняет конструкцию измерительной камеры, а также технологию изготовления измерительной камеры. Такая технология требует наличия специального сложного и дорогостоящего оборудования для выполнения наклонных соосных отверстий для каждой пары ультразвуковых приемопередатчиков. Кроме того такое решение ограничивает для ультразвуковых пучков (лучей) базовое расстояние пространственных составляющих, параллельных направлению газового потока, что, в свою очередь, ограничивает точность измерения расхода протекающего газа.
Сущность изобретения выражается в том, что каждый из пьезоэлектрических приемопередатчиков состоит из двух блоков - посадочного и приемоизлучающего, соединенных между собой так, что ось симметрии приемоизлучающего блока наклонена к оси симметрии посадочного блока на некоторый угол, определяемый заданным направлением ультразвукового пучка, причем габаритные размеры приемоизлучающего блока в плоскости, перпендикулярной оси симметрии посадочного блока, совпадающей с осью симметрии патрубка для установки пьезоэлектрического приемопередатчика, не превышают внутренних размеров патрубка для установки пьезоэлектрического приемопередатчика, а ось симметрии патрубков для установки пьезоэлектрических приемопередатчиков перпендикулярна оси симметрии измерительной камеры.
Сущность изобретения по п. 2 выражается в том, что приемоизлучающие поверхности приемоизлучающих блоков каждой пары пьезоэлектрических приемопередатчиков расположены в измерительной камере друг напротив друга и их оси симметрии совпадают.
Сущность изобретения по п. 3 выражается в том, что внутри измерительной камеры вблизи ее поверхности установлено плоское зеркало для ультразвуковых пучков, а угловые положения приемоизлучающих поверхностей приемоизлучающих блоков каждой из пар приемопередатчиков сориентированы так, что оси симметрии приемоизлучающих блоков в каждой паре лежат в одной плоскости, перпендикулярной плоскости зеркала, пересекаются на поверхности зеркала и имеют углы относительно перпендикуляра к поверхности зеркала с совпадающими значениями и с противоположными знаками.
Технический результат, который достигается данным техническим решением, заключается в уменьшении габаритных размеров расходомера, упрощении конструкции расходомера и существенном упрощении технологии изготовления измерительной камеры, а также в повышении точности измерения расхода газа.
Технический результат заявляемого решения достигается тем, что каждый из пьезоэлектрических приемопередатчиков состоит из двух блоков - посадочного и приемоизлучающего, соединенных между собой так, что ось симметрии приемоизлучающего блока наклонена к оси симметрии посадочного блока на некоторый угол, определяемый заданным направлением ультразвукового пучка, причем габаритные размеры приемоизлучающего блока в плоскости, перпендикулярной оси симметрии посадочного блока, совпадающей с осью симметрии патрубка для установки пьезоэлектрического приемопередатчика, не превышают внутренних размеров патрубка для установки пьезоэлектрического приемопередатчика, а ось симметрии патрубков для установки пьезоэлектрических приемопередатчиков перпендикулярна Оси симметрии измерительной камеры.
Технический результат по п. 2 формулы изобретения достигается тем, что приемоизлучающие поверхности приемоизлучающих блоков каждой пары пьезоэлектрических приемопередатчиков расположены в измерительной камере друг напротив друга и их оси симметрии совпадают.
Технический результат по п. 3 формулы изобретения достигается тем, внутри измерительной камеры вблизи ее поверхности установлено плоское зеркало для ультразвуковых пучков, а угловые положения приемоизлучающих поверхностей приемоизлучающих блоков каждой из пар приемопередатчиков сориентированы так, что оси симметрии приемоизлучающих блоков в каждой паре лежат в одной плоскости, перпендикулярной плоскости зеркала, пересекаются на поверхности зеркала и имеют углы относительно перпендикуляра к поверхности зеркала с совпадающими значениями и с противоположными знаками.
Изобретение поясняется чертежами, где:
- на фиг. 1 показана конструкция заявляемого устройства в однолучевом исполнении, когда приемоизлучающие поверхности приемопередатчиков расположены напротив друг друга;
- на фиг. 2 показана конструкция заявляемого устройства в однолучевом исполнении с зеркалом, отражающем ультразвуковые пучки;
- на фиг. 3 показана конструкция заявляемого устройства в многолучевом (трехлучевом) исполнении, когда приемоизлучающие поверхности приемопередатчиков расположены напротив друг друга, а) - вид сверху, перпендикулярно осевой секущей плоскости центральной пары приемопередатчиков, б) - вид сбоку, в) вид в плоскости, перпендикулярной оси газового трубопровода;
- на фиг. 4 приведена конструкция заявляемого устройства в многолучевом (трехлучевом) исполнении с зеркалом, отражающем ультразвуковые пучки, а) - вид сбоку относительно секущей плоскости, проходящей через оси симметрии центральной пары приемопередатчиков, б) - вид сверху, в) - вид в плоскости, перпендикулярной оси трубопровода;
- на фиг. 5 приведена фотография экспериментальных образцов приемопередатчиков, выполненных согласно заявляемому техническому решению в однолучевом исполнении. Приемопередатчики расположены по схеме реализации заявляемого устройства, когда приемоизлучающие поверхности приемоизлучающих блоков приемопередатчиков расположены напротив друг друга;
- на фиг. 6 приведена фотография экспериментальных образцов приемопередатчиков, выполненных согласно однолучевому исполнению заявляемого технического решения. Приемопередатчики расположены по схеме реализации заявляемого устройства с зеркалом;
- на фиг. 7 приведена фотография макетного образца измерительной камеры с установленными приемопередатчиками по схеме с зеркалом, отражающим ультразвуковые пучки;
- на фиг. 8 приведена фотография макетного образца измерительной камеры расходомера в исполнении с зеркалом с установленными приемопередатчиками, один из которых подключен к импульсному генератору, а другой - к приемнику. На экране компьютера отображен импульс, задержанный на время распространения ультразвука от генератору -к приемнику.
На чертежах 1-4 позициями обозначено:
1 - измерительная камера, представляющая собой отрезок газового трубопровода,
2 - патрубок для установки пьезоэлектрического приемопередатчика,
3 - пьезоэлектрический приемопередатчик,
4 - посадочный блок приемопередатчика,
5 - приемоилучающий блок приемопередатчика,
6 - ультразвуковой пучок,
7 - приемоизлучающая поверхность приемоизлучающего блока приемопередатчика,
8 - зеркало, отражающее ультразвуковые пучки,
9 - отражающая поверхность зеркала.
Ультразвуковой расходомер газа (фиг. 1-8) содержит измерительную камеру (1), представляющую собой отрезок газового трубопровода с патрубками (2) для установки пьезоэлектрических приемопередатчиков (3), по меньшей мере, одну пару пьезоэлектрических приемопередатчиков (3), каждый из пьезоэлектрических приемопередатчиков (3) состоит из двух блоков - посадочного (4) и приемоизлучающего (5), соединенных между собой так, что ось симметрии приемоизлучающего блока (5) наклонена к оси симметрии посадочного блока (4) на некоторый угол (α), определяемый заданным направлением ультразвукового пучка (6), причем габаритные размеры приемоизлучающего блока (5) в плоскости, перпендикулярной оси симметрии посадочного блока (4), совпадающей с осью симметрии патрубка (2) для установки пьезоэлектрического приемопередатчика (3), не превышают внутренних размеров патрубка (2) для установки пьезоэлектрического приемопередатчика (3), а ось симметрии патрубков (2) для установки пьезоэлектрических приемопередатчиков (3) перпендикулярна оси симметрии измерительной камеры (1).
В ультразвуковом расходомере газа по п. 2 формулы изобретения (фиг. 1, 3) приемоизлучающие поверхности (7) приемоизлучающих блоков (5) каждой пары пьезоэлектрических приемопередатчиков (3) расположены в измерительной камере (1) друг напротив друга и их оси симметрии совпадают.
В ультразвуковом газовом расходомере по п. 3, формулы (фиг. 2, 4) внутри измерительной камеры (1) вблизи ее поверхности установлено плоское зеркало (8) для ультразвуковых пучков (6), а угловые положения приемоизлучающих поверхностей (7) приемоизлучающих блоков (5) каждой из пар приемопередатчиков (3) сориентированы так, что оси симметрии приемоизлучающих блоков в каждой паре (5) лежат в одной плоскости, перпендикулярной плоскости зеркала (8), пересекаются на отражающей поверхности (9) зеркала (8) и имеют углы (β) относительно перпендикуляра к поверхности зеркала с совпадающими значениями и с противоположными знаками.
Изобретение может быть осуществлено следующим образом
Ультразвуковой расходомер газа содержит измерительную камеру (1), представляющую собой отрезок газового трубопровода с патрубками (2) для установки пьезоэлектрических приемопередатчиков (3), по меньшей мере, одну пару пьезоэлектрических приемопередатчиков (3), каждый из пьезоэлектрических приемопередатчиков (3) состоит из двух блоков - посадочного (4) и приемоизлучающего (5), соединенных между собой так, что ось симметрии приемоизлучающего блока (5) наклонена к оси симметрии посадочного блока (4) на некоторый угол (α), определяемый заданным направлением ультразвукового пучка (6), причем габаритные размеры приемоизлучающего блока (5) в плоскости, перпендикулярной оси симметрии посадочного блока (4), совпадающей с осью симметрии патрубка (2) для установки пьезоэлектрического приемопередатчика (3), не превышают внутренних размеров патрубка (2) для установки пьезоэлектрического приемопередатчика (3), а ось симметрии патрубков (2) для установки пьезоэлектрических приемопередатчиков (3) перпендикулярна оси симметрии измерительной камеры (1).
Как это предложено в п. 2 формулы изобретения, приемоизлучающие поверхности (7) приемоизлучающих блоков (5) каждой пары пьезоэлектрических приемопередатчиков (3), расположены в измерительной камере (1) друг напротив друга и их оси симметрии совпадают.
Согласно п. 3 формулы изобретения, внутри измерительной камеры (1) вблизи ее поверхности установлено плоское зеркало (8) для ультразвуковых пучков (6), а угловые положения приемоизлучающих поверхностей (7) приемоизлучающих блоков (5) каждой из пар приемопередатчиков (3) сориентированы так, что оси симметрии приемоизлучающих блоков в каждой паре (5) лежат в одной плоскости, перпендикулярной плоскости зеркала (8), пересекаются на отражающей поверхности (9) зеркала (8) и имеют углы (β) относительно перпендикуляра к поверхности зеркала с совпадающими значениями и с противоположными знаками.
Таким образом, в каждом из предложенных вариантов исполнения, ультразвуковые пучки (6) в каждой паре приемопередатчиков (3) направлены при отсутствии газового потока перпендикулярно приемоизлучающим поверхностям (7) в паре приемоизлучающих блоков (5).
Пьезоэлектрические приемопередатчики (3) в каждой паре работают попеременно «на передачу» и «на прием». В первый момент времени один из приемопередатчиков (3) в паре (например, левый на фигурах 1-4) работает на передачу, генерируя короткий ультразвуковой импульс, который распространяется внутри измерительной камеры (1) до второго приемопередатчика (3) (правого на фигурах 1-4). Правый приемопередатчик (3) принимает акустический импульс с некоторой временной задержкой, обусловленной конечной скоростью распространения ультразвука, а также скоростью движения газового потока. В следующий момент времени правый приемопередатчик (3) генерирует ультразвуковой импульс, а левый - принимает сигнал с некоторой задержкой. Суммарная скорость ультразвуковой волны в движущейся газовой среде равна векторной сумме скоростей ультразвуковой волны и газового потока. Измеряя временную задержку в распространении ультразвукового импульса между двумя приемопередатчиками (3) в одном направлении, а затем время распространения импульса между этими же приемопередатчиками в обратном направлении, можно определить скорость ультразвука в неподвижной газовой среде, а также скорость движения газового потока. На основе полученных данных о скорости ультразвука в неподвижной среде делается вывод о свойствах протекающего газа, в том числе о наличии примесей, а на основании полученных данных о скорости движения газового потока в измерительной камере известной геометрии, вычисляется расход газа.
Пример конкретного исполнения
На фиг. 5 приведены фотографии экспериментальных образцов приемопередатчиков (3) с наклонным расположением приемоизлучающего блока (5) относительно посадочного блока (4) на угол α=30°. Корпуса приемопередатчиков (3) выполнены из титана, а приемоизлучающие блоки (5) приварены к посадочным блокам с помощью аргонной микродуговой сварки. Диаметр посадочного блока (4), погружаемого в патрубок (2) составляет 20 мм, а диаметр приемоизлучающей поверхности (7) приемоизлучающего блока (5) приемопередатчика (3) составляет 16 мм. Приемопередатчики (3) схематично расположены так, как они устанавливаются в измерительную камеру при встречном расположении приемоизлучающих поверхностей пары приемопередатчиков.
На фиг. 6 приведена фотография экспериментальных образцов приемопередатчиков (3), расположенных так, как они устанавливаются в исполнении измерительной камеры с зеркалом.
На фиг. 7 приведена фотография экспериментальной измерительной камеры (1) однолучевого расходомера с отражающим зеркалом (8). Внутренний диаметр отрезка трубопровода измерительной камеры (1) составляет 25 мм, а расстояние между осями симметрии патрубков (2) для установки приемопередатчиков (3) равно 60 мм. Общий размер измерительной камеры (1) с фланцами с учетом дополнительной установки датчика давления, составляет 170 мм, что соответствует одному из стандартных размеров промышленно выпускаемых расходомеров вихревого типа, у которых габаритный размер значительно меньше размера ультразвуковых расходомеров, рассчитанных на аналогичные сечения трубопровода и определяется лишь удобством компоновки датчика давления, тела обтекания и датчика изгибающего момента. При определенной технической необходимости заявляемый расходомер может быть выполнен еще более компактным, так как его размер вдоль трубопровода определяется только задаваемым расстоянием между осями приемопередатчиков и внешним диаметром патрубка для установки приемопередатчиков.
На фигуре 8 приведена фотография экспериментальной измерительной камеры (1) однолучевого расходомера с отражающим зеркалом (8). В измерительную камеру установлены приемопередатчики, один из которых подключен к генератору импульсов, а другой к приемнику. На экране отображен импульс, задержанный на величину прохождения ультразвука от передатчика к приемнику.
Достижение технического результата данным техническим решением
В таблице 1 приведено сопоставление характеристик заявляемого технического решения и аналогичных промышленно выпускаемых устройств, присутствующих на рынке.
Технический результат, который достигается данным техническим решением, заключается в уменьшении габаритных размеров расходомера, упрощении конструкции расходомера и существенном упрощении технологии изготовления измерительной камеры, а также в повышении точности измерения расхода газа.
Уменьшение габаритных размеров заявляемого устройства по сравнению с прототипом реализуется вследствие того, что приемопередатчики устанавливаются не наклонно к оси газового трубопровода, а по нормали к нему. Это позволяет выполнить прибор более компактным и удобным при монтаже и эксплуатации.
Отсутствие необходимости выполнения наклонных патрубков для установки приемопередатчиков в измерительной камере заявляемого устройства в отличие от прототипа, упрощает конструкцию и существенным образом упрощает технологию изготовления расходомера, вследствие чего снижается себестоимость, а также время на изготовление прибора.
Повышение точности заявляемого технического решения по сравнению с прототипом обусловлено конструктивной возможностью увеличения базовой длины проекции ультразвукового пучка на направление движения газового потока посредством вариации расстояния между осями приемопередатчиков и угла расположения приемоизлучающего блока относительно оси приемопередатчика. Кроме того, в п. 3 формулы изобретения реализуется дополнительное повышение точности определения расхода газа в заявляемом техническом решении, где за счет переотражения ультразвукового пучка от зеркала на противоположной поверхности трубопровода, удваивается длина пути ультразвукового пучка (при неизменном угле между осями приемопередающего и посадочного блоков) и, соответственно - длина его проекции на направление движения газового потока.