Датчик ультразвукового расходомера

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности к устройствам измерения малого расхода газовых и жидких сред (бытовые газовые счетчики).
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 (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 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), 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:
- 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.
Известен датчик ультразвукового расходомера (полезная модель РФ №123939, G01F 1/66), принятый за прототип по наибольшему количеству существенных признаков и содержащий на одной оси прямолинейный мерный участок, связанный с входным и выходным резервуарами, имеющими соответственно входной и выходной патрубки, конфузор и диффузор и составляющих с ними одно целое, два пьезоэлектрических преобразователя, расположенные в стаканах резервуаров перпендикулярно оси мерного участка с одной стороны его диаметра, излучающие (рабочие) поверхности которых располагаются на одном уровне с внутренней поверхностью резервуаров, зеркала (косые отражатели), установленные на пересечении осей мерного участка и соответствующего пьезоэлектрического преобразователя, при этом вход и выход мерного участка выполнен в виде соответственно конфузора и диффузора.
Однако данная конструкция имеет ряд недостатков:
- Большое расстояние от зеркала до входа в мерный участок (соизмеримое с длиной мерного участка), обусловленное размещением конфузора и диффузора соответственно на входе и выходе мерного участка, что приводит к снижению точности измерений.
- Большие полости (колоды) между пьезоэлектрическим преобразователем и стаканом вызывают завихрения потока, что увеличивает погрешность измерений.
- Зеркала находятся в зоне ближнего поля излучателя пьезоэлектрических преобразователей, т.е. зона ближнего поля излучателя больше расстояния по вертикальной оси преобразователя от излучающей поверхности до зеркала, что приводит к неоднородности поля озвучивания измеряемого потока (фазовые искажения) и создает дополнительные погрешности измерений, снижающие точность измерений.
Задачей полезной модели является повышение точности измерений.
Датчик ультразвукового расходомера содержит на одной оси прямолинейный мерный участок, связанный с входным и выходным резервуарами, имеющими соответственно входной и выходной патрубки, конфузор и диффузор и составляющих с ними одно целое, два пьезоэлектрических преобразователя, расположенные в стаканах резервуаров перпендикулярно оси мерного участка с одной стороны его диаметра, излучающие (рабочие) поверхности которых располагаются на одном уровне с внутренней поверхностью резервуаров, зеркала (косые отражатели), установленные на пересечении осей мерного участка и соответствующего пьезоэлектрического преобразователя.
В отличие от прототипа входной и выходной патрубки выполнены соответственно в виде конфузора и диффузора, полости между пьезоэлектрическими преобразователями и стенками стаканов закрыты перегородками, расположенными на уровне внутренней поверхности резервуаров и являющимися продолжением стенки резервуаров, а диаметр D излучающей поверхности пьезоэлектрического преобразователя выбран таким, чтобы зона ближнего поля излучателя была меньше расстояния L по вертикальной оси преобразователя от излучающей поверхности каждого пьезоэлектрического преобразователя до зеркала, в соответствии с формулой:
2
D/4λ<L
2
D4λ=N, где
ближнее поле излучателя это поле, простирающееся на расстояние менее N;
λ - длина волны излучателя.
Места сопряжений диаметров входного и выходного резервуаров с диаметром мерного участка скруглены.
Размещение конфузора и диффузора соответственно на входе и выходе мерного участка позволяет максимально приблизить к нему оси пьезоэлектрических преобразователей с зеркалами, что повышает точность измерений.
Выбор диаметра D излучающей поверхности пьезоэлектрического преобразователя в соответствии с нижеприведенной формулой позволяет отдалить зеркала от зоны ближнего поля излучателей пьезоэлектрических преобразователей, чем достигается однородность поля озвучивания мерного участка и исключаются фазовые искажения, что увеличивает точность измерения.
2
D/4λ<L,
2
D/4λ=N
(см. «Ультразвуковой контроль материалов» Й. Крауткремер, Г. Крауткремер, 1991 г., с. 79-80).
Наличие перегородок, которыми закрыты полости между пьезоэлектрическими преобразователями и стаканами, исключают завихрения, повышает точность измерений.
Наличие скругленных кромок в местах перехода мерного участка в резервуары уменьшает завихрения потока газа, что так же повышает точность измерений.
Таким образом, заявляемые признаки являются существенными и решают поставленную задачу.
Датчик ультразвукового расходомера представлен на чертеже общего вида.
Датчик содержит на одной оси прямолинейный мерный участок 1, переходящий во входной 2 и выходной 3 резервуары, составляющие с входным и выходным патрубками одно целое, выполненными в виде конфузора 4 и диффузора 5. Перпендикулярно оси мерного участка 1 расположены два пьезоэлектрических преобразователя 6 и 7, размещенные в стаканах соответственно 8 и 9, закрытых крышками соответственно 10 и 11. Полости между пьезоэлектрическими преобразователями 6 и 7 и стаканами 8 и 9 закрыты перегородками соответственно 12 и 13, являющимися продолжением стенки соответственно входного 2 и выходного 3 резервуаров. Излучающие (рабочие) поверхности 14 и 15 пьезоэлектрических преобразователей соответственно 8 и 9 располагаются на одном уровне с внутренней поверхностью резервуаров соответственно 2 и 3. На пересечении осей мерного участка 1 и каждого пьезоэлектрического преобразователя 6 и 7 располагаются зеркала соответственно 16 и 17 (косые отражатели под углом 45°). Зеркала 16 и 17 представляют собой тонкие пластинки, диаметр проекции которых на излучающие поверхности соответственно 14 и 15 равен диаметру этой излучающей поверхности 14 и 15. Диаметр D излучающих поверхностей 14 и 15 выбирается такой, чтобы зона ближнего поля каждого пьезоэлектрических преобразователей соответственно 6 и 7 была меньше расстояния L по вертикальной оси преобразователя от излучающих поверхности 14 и 15 до соответствующего зеркала 16 и 17. Диаметр входного 2 и выходного 3 резервуаров выбирается такой, чтобы он был больше диаметра мерного участка 1 в 1,3 раза. Входной и выходной патрубки выполнены в виде конфузора 4 и диффузора 5 для согласования входного 2 и выходного 3 резервуаров с подводящей трубой газопровода.
Работа датчика ультразвукового расходомера осуществляется следующим образом. Поток газа через входной патрубок (конфузор) 4 проходит во входной резервуар 2, огибает зеркало 16, далее попадает в прямолинейный мерный участок 1 и проходит в выходной резервуар 3, огибает зеркало 17 и попадает в выходной патрубок (диффузор) 5.
С помощью пьезоэлектрических преобразователей 6 и 7, зеркал 16 и 17 измеряют время прохождения ультразвукового сигнала по потоку и против потока газа в мерном участке 1, на основании этого вычисляют общий расход газа.
Таких датчиков ультразвукового расходомера для газа изготовлено 1000 штук разного типоразмера и все удачно прошли испытания, подтверждая правильность выбранных решений.