ДАТЧИК УЛЬТРАЗВУКОВОГО РАСХОДОМЕРА

Полезная модель относится к измерительной технике и может найти применение для измерения расхода сред в различных отраслях промышленности, связанных с транспортировкой жидких и газообразных сред по трубопроводам, например, в нефтеперерабатывающей, нефте-газодобывающей отраслях, в системах ЖКХ, энергетике.
Известен датчик ультразвукового расходомера (см. патент США №7360448, заявл. 10.08.2006, опубл. 22.04.2008), содержащий измерительный участок трубопровода и два кольцеобразных электроакустических преобразователя (далее - ЭАП), установленных соосно на концах измерительного участка для зондирования потока по и против течения путем обеспечения многократного пересечения потока по всему поперечному сечению траекторией движения ультразвуковых волн, сопровождающееся при этом многократными отражениями и преломлениями этих волн в стенке проточной части измерительного участка.
Недостатком этого устройства является пониженная точность измерения, обусловленная значительными паразитными помехами, возникающими в стенке проточной части при каждом отражении и преломлении зондирующего сигнала, который при этом расщепляется на продольную и поперечную волны и циркулирует в стенке до полного затухания.
Наиболее близким по технической сущности относительно заявляемого решения является датчик ультразвукового расходомера (см. авторское свидетельство СССР №1185091, заявл. 13.07.1983, опубл. 15.06.1985), содержащий измерительный участок трубопровода с проточной частью, имеющей квадратное поперечное сечение и два электроакустических преобразователя ЭАП, расположенных отдельно и симметрично в окнах наклонных стенок входной части и выходной частях. Входная часть измерительного участка выполнена в виде диффузора с расширением только по двум противолежащим сторонам, а выходная часть - в виде конфузора с сужением по тем же сторонам, причем ЭАП расположены на наклонных сторонах диффузора и конфузора заподлицо с ними.
Недостатком этого устройства является значительная погрешность измерения расхода, обусловленная искажением профиля скорости потока диффузором и конфузором. Другим недостатком известного устройства является ограничения по давлению и температуре контролируемых сред из-за установки указанных ЭАП в двух сквозных отверстиях в диффузоре и конфузоре.
Техническим результатом заявляемого решения является повышение точности измерения расхода жидких и газообразных сред в трубопроводах в условиях изменения температуры и давления контролируемой среды за счет зондирования потока по всему поперечному сечению проточной части датчика и эффективного осреднения профиля скорости потока по всему поперечному сечения проточной части. Высокая точность осреднения профиля скорости потока обеспечивается при многократном пересечении по всему поперечному сечению проточной части за счет интегрирования профиля скорости V(x,y) не только вдоль траектории распространения акустической волны, но и по длине электроакустического преобразователя, т.е. коэффициент пропорциональности К между измеренной величиной расхода и истинным значением близок к единице с точностью до десятых долей процента.
К=Vcp.кв.(Re)/Vcp(Re),
где Vср.кв.(Re) - средняя скорость контролируемого потока, измеренная с использованием датчика с квадратным поперечным сечением, в зависимости от числа Рейнольдса Re, V(x,y) - функция распределения скоростей потока в поперечном сечении проточной части, S-площадь поперечного сечения проточной части, Vcp.(Re) - средняя скорость контролируемогопотока в зависимости от числа Re, измеренная эталонным расходомером.
Предлагается датчик ультразвукового расходомера, содержащий измерительный участок трубопровода с проточной частью, имеющей поперечное сечение (в том числе квадратное) в виде многоугольника с четным числом граней, на противоположных концах каждой пары параллельных граней в поперечном углублении в материале стенки проточной части установлены не менее двух прямоугольных электроакустических преобразователей поперечных волн с одинаковыми углами наклона преимущественно от 45 до 65° к продольной оси на расстоянии 3-х или 4-х диаметров трубопровода и длиной, равной ширине грани.
При этом каждый из электроакустических преобразователей отделен от проточной части резонансной перемычкой, равной половине длины волны несущей частоты зондирующего сигнала.
Для ослабления акустических помех, возникающих внутри стенок проточной части при каждом отражении и преломлении зондирующего сигнала, который при этом расщепляется на продольную и поперечную волны и циркулирует в стенке до полного затухания, на поверхности измерительного участка трубопровода выполнен поглотитель акустических помех в виде периодической гребенчатой структуры с шагом, равным или большим половине длины волны в материале стенки.
На фигурах изображено: фиг. 1 - конструкция предлагаемого датчика ультразвукового расходомера с 4-хгранной проточной частью и одним акустическим каналом, фиг. 1а - траектория распространения акустической волны в проточной части датчика, фиг. 2 - конструкция одноканального датчика в поперечном сечении А-А, фиг. 3 - конструкция датчика с 4-хгранной проточной частью и четырьмя акустическими каналами в разрезе в вертикальной плоскости, фиг. 4 - конструкциядатчика с 4-хграннойпроточной частью и четырьмя акустическими каналами с частичным разрезом, фиг. 5 - конструкция 4 - хканального датчика в поперечном сечении А-А, фиг. 6 - конструкция 4 - хканального датчика в поперечном сечении Б-Б, фиг. 7 - конструкция датчика с проточной частью, имеющей поперечное сечение в виде 8 - угольника, фиг. 8 - конструкция датчика с 8-гранной проточной частью в поперечном сечении А-А, фиг. 9 - конструкция датчика с 8 - гранной проточной частью в поперечном сечении Б-Б.
На фиг. 1 представлена конструкция предлагаемого датчика ультразвукового расходомера с одним акустическим каналом. Датчик состоит из цельнометаллического измерительного участка трубопровода 1 (из титана, нержавеющей стали, пластика или другого материала) в виде отрезка трубопровода с проточной частью 2, имеющей квадратное поперечное сечение. На поверхности двух противоположных сторон измерительного участка трубопровода 1, образованных двумя параллельными гранями проточной части 2 выполнен поглотитель акустических помех в виде гребенчатой структуры 3 для исключения помех, обусловленных отраженными внутри металла ультразвуковыми волнами 11. На противоположных концах измерительного участка трубопровода 1 в одной диаметральной плоскости в стенках проточной части 4 и 9 в углублении выполнены две идентичные площадки, строго параллельные друг другу, с равными углами наклона от 45 до 65° к поверхностям продольной оси проточной части 2. Каждая площадка отделена от проточной части 2 резонансными перемычками 6 и 7, имеющими минимальную толщину, кратную половине длины волны несущей зондирующего сигнала. На каждой из этих площадок симметрично относительно указанной диаметральной плоскости измерительного участка трубопровода 1 установлены электроакустические преобразователи поперечных (сдвиговых) волн 5 и 8. Траектория распространения зондирующего сигнала обозначена цифрой 10. Распространение зондирующего сигнала может происходить:
1) без отражения сигнала от стенок проточной части, т.е. с одним лучом,
2) с двумя отражениями сигнала от стенок проточной части, т.е. с тремя лучами как изображено на фиг. 6; 3) с четырьмя отражениями сигнала от стенок проточной части, т.е.с пятью лучами. Условно под числом лучей имеется в виду число отрезков, из которых состоит указанная траектория.
На фиг. 2 представлена конструкция датчика в поперечном сечении А-А, из которой следует, что перемычка 7 имеет равномерную толщину, равной половине длины волны, в поперечном направлении относительно продольной оси проточной части 2. Такая конструкция обеспечивает когерентность волн, преломляемых в стенке проточной части 9 и большую ширину диаграммы направленности зондирующего сигнала, излучаемого в поток.
При зондировании контролируемой среды по потоку, имеющей скорость V, в качестве излучателя используется ЭАП 8, а в качестве приемного элемента используется ЭАП 5. Импульсный ультразвуковой сигнал, излучаемый ЭАП 8 в виде волнового пакета поперечных волн, проходит через стенку 9, представляющую призму, затем в виде продольной волны многократно пересекает поток контролируемой среды по всему его поперечному сечению и далее переходя в поперечную волну и преломляясь в стенке 4 измерительного участка трубопровода 1 достигает ЭАП 5. При этом с помощью электронного блока происходит измерение времени распространения ультразвукового сигнала по потоку. Аналогичным образом происходит зондирование контролируемой среды против потока и измерение времени распространения ультразвукового сигнала против потока с использованием ЭАП 5 в качестве излучателя и ЭАП 8 в качестве приемного элемента. По разности времени распространения ультразвукового сигнала по потоку и против потока определяется величина расхода контролируемой среды. Точность измерения расхода достигается за счет зондирования потока по всему поперечному сечению проточной части датчика и эффективного осреднения профиля скорости потока и оценивается в сравнении с показаниями эталонного расходомера.
l
эт
а
а
где V(x,l) - проекция профиля скорости потока вдоль акустического луча в продольном сечении х, S=L* - наклонная площадь, через которую проходит озвучиваемый поток в проточной части датчика, L - длина акустического луча,  - ширина грани проточной части, V - средняя скорость контролируемого потока, измеренная эталонным расходомером.
На фиг. 3, 4, 5, 6 представлена конструкция 4 - хканального датчика с 4 - гранной проточной частью ультразвукового расходомера, симметричная по двум взаимно перпендикулярным плоскостям относительно продольной оси датчика, которые перпендикулярны также к соответствующим граням проточной части, обеспечивающая возможность осреднения профиля скорости потока и пульсаций по двум плоскостям и соответственно повышении точности измерения расхода. На фиг. 3 конструкция изображена в разрезе в вертикальной плоскости, а на фиг. 4 с частичным разрезом. Датчик состоит из цельнометаллического измерительного участка трубопровода 1 в виде отрезка трубопровода с проточной частью 2, имеющей квадратное поперечное сечение. Цилиндрическая поверхность 3 измерительного участка трубопровода 1 имеет волнистую структуру, выполненную в виде спиралевидной резьбы. В первом акустическом канале в качестве приемоизлучающих элементов используются ЭАП 8 и 5; во втором - ЭАП 13 и 15; в третьем - ЭАП 12 и 17; в четвертом - ЭАП 14 и 16 в соответствии с фиг. 5. Датчик работает следующим образом. Цикл измерения расхода 4-хканальным датчиком включает последовательное измерение разности времени распространения зондирующего ультразвукового сигнала по и против потока каждым акустическим каналом. В первом акустическом канале измерение указанного времени по потоку осуществляется с помощью ЭАП 8 в качестве излучателя и ЭАП 5 в качестве приемного элемента, а при измерении против потока - ЭАП 5 - излучатель и ЭАП 8 - приемный элемент, затем определяется разность этих измеренных интервалов времени. Во втором акустическом канале осуществляется аналогичный процесс с использованием ЭАП 13 и 15, в третьем канале - с использованием ЭАП 12 и 17, в четвертом - с использованием ЭАП 14 и 16. Осредненные данные, полученные четырьмя акустическими каналами является мерой расхода. В предлагаемом датчике в каждом канале зондирование происходит по трем плоским лучам, как изображено на фиг. 1а. Таким образом, в случае 4-хканального датчика в одном цикле измерения расхода зондирование контролируемого потока и осреднение осуществляется 12 раз. При увеличении диаметра измерительного участка трубопровода соотношения между диаметром и размером ЭАП (длиной) определяются по формуле (3):
где Н - ширина грани многоугольника, D - условный диаметр проточной части, n - четное число граней многоугольника.
На фиг. 7, 8, 9 представлена конструкция 4-хканального датчика ультразвукового расходомера с проточной частью, имеющей поперечное сечение в виде 8 - угольника. Четыре акустических канала построены на четырех параллельных парах граней таким образом, чтобы осуществить "озвучивание" потока по всему поперечному сечению. Этообеспечивает возможность осреднения профиля скорости потока и пульсаций и, соответственно, повышению точности измерения расхода в трубопроводах большего диаметра. На фиг. 7 конструкция изображена в разрезе в вертикальной плоскости. Датчик состоит из цельнометаллического измерительного участка трубопровода 1 в виде отрезка трубопровода с проточной частью 2, имеющей поперечное сечениев виде 8 - угольника. Поверхность измерительного участка трубопровода 1 имеет поглотитель акустических помех в виде гребенчатой структуры 3, выполненной в виде спиралевидной резьбы. В первом акустическом канале в качестве приемо-излучающих элементов используются ЭАП 8 и 5; во втором - ЭАП 13 и 15; в третьем - ЭАП 12 и 17; в четвертом - ЭАП 14 и 16 в соответствии с фиг. 8 и 9.
Датчик работает следующим образом.
Цикл измерения расхода датчиком, представленным на фиг. 7, 8, 9, включает последовательное измерение разности времени распространения зондирующего ультразвукового сигнала по и против потока каждым акустическим каналом. В первом акустическом канале измерение указанного времени по потоку осуществляется с помощью ЭАП 8 в качестве излучателя и ЭАП 5 в качестве приемного элемента, а при измерении против потока - ЭАП 5 - излучатель и ЭАП 8 - приемный элемент, затем определяется разность этих измеренных интервалов времени. Во втором акустическом канале осуществляется аналогичный процесс с использованием ЭАП 13 и 15, в третьем канале - с использованием ЭАП 12 и 17, в четвертом - с использованием ЭАП 14 и 16. Осредненные данные, полученные четырьмя акустическими каналами, являются мерой расхода.
Повышение точности измерения расхода с использованием предлагаемого датчика ультразвукового расходомера происходит за счет:
1) установки ЭАП с заглублением в стенке проточной части и обеспечения при этом толщины резонансной перемычки, отделяющей ЭАП от проточной части, равной половине длины волны частоты несущей, которая позволяет получить широкую диаграмму направленности в продольной плоскости для зондирующего сигнала при входе в поток;
2) значительного ослабления акустических помех, возникающих внутри стенок проточной части при каждом отражении и преломлении зондирующего сигнала, который при этом расщепляется на продольную и поперечную волны и циркулирует в стенке до полного затухания за счет выполнения на поверхности измерительного участка трубопровода поглотителя акустических помех в виде гребенчатой структуры;
3) многократного (по числу лучей) зондирования потока по всему поперечному сечению потока за счет выполнения проточной части с многоугольным поперечным сечением.