ПЕРВИЧНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УЛЬТРАЗВУКОВОГО РАСХОДОМЕРА-СЧЕТЧИКА

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована в газовой, нефтяной, химической и пищевой промышленности.
Прототипом полезной модели является первичный преобразователь ультразвукового расходомера, содержащий корпус со входным и выходным патрубками, находящимися на одной оси, измерительный участок в виде трубы, ось которой параллельна оси патрубков, а диаметр равен диаметру патрубков, и два пьезопреобразователя, каждый из которых размещен на соответствующем патрубке, оси ультразвуковых лучей пьезопреобразователей перпендикулярны оси патрубков и оси трубы измерительного участка, при этом в качестве отражателей используются две противоположных радиальных внутренних поверхности трубы измерительного участка в месте ее загиба на 90° по радиусу R, определяемому из формулы: R=1,71 D, где D - диаметр трубы измерительного участка - патент РФ на полезную модель №91423, G01F 1/66, 2010 г.
Известное устройство имеет недостаточную точность измерений, связанную с невозможностью учитывать при их проведении влияние изменений скорости ультразвука.
В связи с этим, технической задачей, решаемой полезной моделью, является повышение точности измерений, а также расширение диапазона измерений.
Эта задача решена первичным преобразователем ультразвукового расходомера-счетчика, содержащем корпус со входным и выходным патрубками, находящимися на одной оси, измерительный участок в виде трубы, ось которой параллельна оси патрубков, а диаметр равен диаметру патрубков, два пьезоэлектрических преобразователя, каждый из которых размещен на соответствующем патрубке так, что оси ультразвуковых лучей пьезоэлектрических преобразователей перпендикулярны оси патрубков и измерительного участка, в качестве отражателей, обеспечивающих прохождение ультразвуковых лучей пьезоэлектрических преобразователей по измерительному участку, используется внутренняя поверхность этой трубы в местах ее загиба на 90° по радиусу R, определяемому из формулы: R=1,71×D, где D - диаметр проточной области патрубков и измерительного участка, в соответствии с предложением, дополнительно в качестве отражателей используется внутренняя стенка каждого патрубка, а размеры сторон прямоугольной рабочей поверхности каждого пьезоэлектрического преобразователя равны D и 2D, при этом, большая сторона располагается вдоль патрубка.
На фиг.1 приведена конструкция устройства, на фиг.2 показано изменение формы и амплитуды ультразвуковых сигналов при работе в зависимости от соотношения сторон прямоугольной рабочей поверхности пьезоэлектрического преобразователя.
Первичный преобразователь ультразвукового расходомера-счетчика содержит корпус 1 со входным и выходным патрубками 2, находящимися на одной оси. Ось трубы 3 измерительного участка параллельна осям патрубков 2, а ее диаметр D равен диаметру патрубков. Пьезоэлектрические преобразователи 4 размещены на соответствующих патрубках 2; размеры сторон прямоугольной рабочей поверхности каждого пьезоэлектрического преобразователя 4 равны D и 2D, при этом, большая сторона - 2D - располагается вдоль патрубка 2.
В качестве отражателей при работе пьезоэлектрических преобразователей 4 используются как две противоположных радиальных внутренних поверхности 5 трубы 3 измерительного участка в месте ее загиба на 90° по радиусу R, так и внутренняя стенка каждого патрубка 2.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Через патрубки 2 и трубу 3 измерительного участка устройства прокачивают измеряемую жидкость или газ.
Рабочая поверхность одного из пьезоэлектрических преобразователей 4, например, расположенного на фиг.1 слева, излучает зондирующий импульс 6 (фиг.2) в виде ультразвуковых колебаний, при этом, их направление перпендикулярно оси соответствующего патрубка 2 и оси трубы 3 измерительного участка.
Импульс 6, отражаясь от радиальной внутренней поверхности 5 трубы 3, проходит по измерительному участку в направлении движения измеряемой среды, взаимодействуя с ней, а затем, вновь отражаясь от противоположной радиальной поверхности 5, попадает на второй пьезоэлектрический преобразователь 4. Одновременно с этим, ультразвуковые колебания от зондирующего импульса 6 отражаются от внутренней стенки патрубка 2.
На фиг.2 это сигнал 7. Сигнал 8 на фиг.2 представляет собой импульс, прошедший по измерительному участку.
Изменение формы и амплитуды сигналов 7 и 8, показанных на фиг.2, зависит от соотношения сторон прямоугольной рабочей поверхности пьезоэлектрического преобразователя 4.
На верхнем изображении показана форма и амплитуда сигналов при оптимальном предлагаемом соотношении сторон поверхности, равном D и 2D.
Отраженный сигнал 7 от внутренней стенки патрубка 2 имеет достаточную амплитуду, что позволяет надежно определить время его распространения (от зондирующего импульса 6) на фиксированном расстоянии (диаметр патрубка 2), а значит и скорость распространения ультразвука в среде.
На среднем изображении показана форма и амплитуда сигналов при соотношении сторон прямоугольной рабочей поверхности пьезоэлектрического преобразователя 4, равном D и менее 2D.
Отраженный сигнал 7 от внутренней стенки патрубка 2 имеет недостаточную амплитуду, что не позволяет надежно определить время его распространения (от зондирующего импульса 6) на фиксированном расстоянии (диаметр патрубка 2), а значит и скорость распространения ультразвука в среде. Очевидно, что это происходит за счет недостаточной площади приемо-излучающей (рабочей) поверхности пьезоэлектрического преобразователя 4.
На нижнем изображении показана форма и амплитуда сигналов при соотношении сторон прямоугольной рабочей поверхности пьезоэлектрического преобразователя 4, равном D и более 2D.
Отраженный сигнал 7 от внутренней стенки патрубка 2 имеет достаточную амплитуду, но его передний фронт пологий, что не позволяет надежно определить время его распространения (от зондирующего импульса 6) на фиксированном расстоянии (диаметр патрубка 2), а значит и скорость распространения ультразвука в среде. Кроме того, сигнал 8, прошедший через мерный участок, имеет амплитуду, недостаточную для надежного определения времени его прихода (от зондирующего импульса 6), а значит и не обеспечивает надежного определения скорости движения среды. Искажение сигнала 7 и уменьшение амплитуды сигнала 8 происходит за счет дополнительного рассеяния энергии зондирующего импульса 6 на внутренней стенке патрубка 2 из-за превышения площади приемо-излучающей (рабочей) поверхности пьезоэлектрического преобразователя 4.
Измерительное устройство, не показанное на фиг.1, например, компьютер, фиксирует суммарное время прохождения сигналов 7 и 8 от зондирующего импульса 6.
Затем второй пьезоэлектрический преобразователь 4, расположенный на фиг.1 справа, излучает зондирующий импульс и вышеописанный процесс повторяется.
На компьютере также фиксируется время прохождения сигналов в направлении против движения измеряемой среды.
По двум значениям измеренного времени - по течению среды и против течения, с учетом полученного значения скорости ультразвуковых колебаний в среде, компьютер вычисляет скорость прокачиваемой среды, а так как сечение измерительного участка известно, то и ее расход.
Таким образом, в предлагаемом устройстве за счет введения оптимального размера прямоугольной рабочей поверхности используемых пьезоэлектрических преобразователей при их расположении вдоль патрубка и использования дополнительно в качестве отражателей внутренней стенки каждого патрубка, повышается чувствительность и точность измерений.