ВОЛНОВОДНЫЙ ДАТЧИК

ВОЛНОВОДНЫЙ ДАТЧИК
Устройство относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для оценки состояния двухфазного потока (газжидкость) в трубопроводе в любые заданные промежутки времени с получением визуальной информации.
Известные современные диагностические схемы визуализации состояния двухфазных потоков содержат как обязательные элементы датчики различной конструкции и электронные блоки, обеспечивающие качество подаваемых электромагнитных импульсов, их преобразование и прием прошедших через двухфазный поток сигналов. Так же соответствующие современному уровню в этой области техники устройства снабжены компьютерами, обрабатывающими огромный массив экспериментальных данных и выдающих результаты исследования в виде визуальной информации.
В зависимости от принципа действия датчика и его расположения по отнощению к исследуемому потоку диагностические системы связаны с использованием проникающего излучения, измерения электрических свойств исследуемой среды, применением механических колебаний ультразвукового диапазона и т.д.
Так, известен прибор на основе электродно-ячеистой томографической системы. В основе этой системы находится рещетчатый датчик, состоящий из двух электродных сеток, расположенных параллельно по отнощению друг к другу, - излучающей и приемной. Угол между электродами сеток составляет 90°. Электроды в каждой сетке находятся на небольшом расстоянии друг от друга. На электроды, образующие излучающую поверхность, последовательно подается
МПК G01N29/00
электрическое напряжение. Если импульс, подведенный к одному из излучающих электродов, возникает на соответствующем приемном электроде другой принимающей поверхности (в точке пересечения электродов), то, следовательно, в ячейке между этими электродами находится проводящая электрический ток жидкость. В противном случае, т.е. в отсутствии сигнала, в этой ячейке находится не электропроводный (газовый) компонент смеси. В течение одного измерительного цикла последовательно активизир)ются все излучающие электроды и запоминаются принятые сигналы. После обработки данных в компьютере полученная фиксированная картина дает представление о распределении жидкой и газовой фаз потока по сечению трубопровода за период времени опроса. Многократно повторяя процедуру опроса, получают пространственную картину распределения фаз смеси в трубопроводе при протекании последней через датчик/1/.
Как видно из описания известного устройства, он имеет значительные ограничения в области применения: не пригоден для использования в неэлектропроводящих средах, показания могут зависеть от изменения проводимости среды, кроме того, его использование затруднено в системах со средой находящейся при высоких давлении и температуре.
Наиболее близким по принципу действия к заявленному устройству является волноводный датчик ультразвуковой многоточечной диагностической системы визуализации состояния двухфазного потока, разработанный В.И. Мельниковым с соавторами/2/.
Волноводный датчик известной конструкции основан на просвечивании потока двухфазной среды акустическими импульсами. Принцип его действия основан на измерении акустической проводимости среды в локальных объемах, равномерно распределенных по сечению трубы.
, .Г//
Работает известное устройство следующим образом. Электрические импульсы, генерируемые электронным блоком, преобразуются пьезоэлементами в акустические волны, которые по излучающим волноводам цилиндрической формы подаются внутрь трубопровода к контролируемым локальным объемам среды. Если в контролируемом объеме находится жидкость, то затухание ультразвуковых импульсов, проходящих через контролируемые объемы и принимаемые приемными волноводами, незначительно, акустические колебания достигают приемного волновода и после преобразования в электрический сигнал поступают в электронную схему обработки информации. Если в некоторых контролируемых объемах находится газовая среда, то амплитуда принимаемых в них ультразвуковых импульсов уменьщается, что фиксируется приемной частью электронного блока.
Авторы установили, что оптимальной является констрзлкция, в которой  ультразвука осуществляется отдельными не зависимыми друг от друга волноводами, а для приема используют волноводы, объединенные в группы. Это позволило сделать систему более компактной и надежной за счет уменьшения количества приемников и излучателей.
В известной конструкции в качестве излучателей используют капиллярные трубочки, а в качестве приемников проволоку меньшего диаметра, по сравнению с излз чателем.
Однако эта конструкция датчика является весьма сложной в изготовлении и настройке, не обеспечивает достаточную прочность волноводов в высокоскоростном потоке двухфазной среды и имеет сравнительно большое количество узлов герметизации для подвода и приема ультразвуковых импульсов из трубопровода.
Поэтому перед авторами стала задача повышения технологичности известного датчика, увеличения его прочности и уменьшения количества узлов герметизации.
Поставленная задача решается, благодаря волноводному датчику диагностической многоточечной системы визуализации состояния двухфазного нотока в условиях его работы в трубопроводе, соединенному с электронным блоком, реализующим излучение и прием механических колебаний ультразвукового диапазона и имеющим выход в компьютер, и состоящему из двух параллельных друг другу решёток, формирующих поверхности излучения и приёма ультразвуковых сигналов, находящихся на расстоянии, обеспечивающем гарантированное качество передачи сигнала, каждая из которых образована параллельными друг другу, снабжёнными электро-механическими преобразователями рядами волноводов, при этом каждый из излучающих волноводов ориентирован в пространстве под углом к принимающим волноводам, в котором каждый волновод размещён на подвеске, закреплён на ней с возможностью продольного перемещения и содержит локальные элементы акустической связи, причём количество элементов акустической связи на каждом излучающем волноводе соответствует числу принимающих волноводов, а количество элементов акустической связи на каждом принимающем волноводе соответствует числу излучающих волноводов, причём угол между волноводами излучающей и принимающей поверхностей составляет 30-90 град. Кроме того, элементы акустической связи выполнены в виде локальной деформации на поверхности цилиндрического волновода, представляющей собой в поперечном сечении форму треугольника.
В известных автору источниках научно - технической информации не было выявлено устройство с аналогичной совокупностью существенных признаков.
Волноводный датчик представлен на рис. 1. Он состоит из набора излучающих волноводов 1, образующих поверхность излучения ультразвуковых импульсов, набора приемных волноводов 2, образующих поверхность приема, и корпуса 3. Свободный кончик каждого волновода
выведен из корпуса и снабжен ньезокерамическим электромеханическим преобразователем 4. Все волноводы снабжены локальными элементами акустической связи 5 в виде локальных деформаций волновода в форме треугольника. Каждый волновод закреплен на подвеске 6 при помощи скобок 7.
Работает датчик следующим образом. Электрический импульс, подведенный к одному из преобразователей, генерирует акустический импульс, который распространяется по излучающему волноводу в виде продольной волны. Часть энергии продольной волны, попадая на своем пути на локальные элементы акустической связи, преобразуется в изгибные волны в волноводе, которые эффективно последовательно излучаются в обтекающую волновод среду в виде продольных волн. Достигая локальных элементов акустической связи приемных волноводов, расположенных в местах пересечения излучающего и приемных волноводов, ультразвуковые волны по приемным волноводам последовательно поступают к преобразователям, где трансформируются в электрические сигналы и подаются в электронный блок обработки. Если в момент времени прохождения ультразвука от соответствующего локального элемента излучающего волновода к соответствующему элементу приемного волновода (через контролируемый объем) на пути распространения ультразвука была жидкая фаза, амплитуда принятого сигнала велика. Если - газовая фаза, то мала. Амплитуда принятых сигналов запоминается в компьютере. Затем процесс повторяется с использованием следующего излучающего волновода. Таким образом, в компьютере формируется картина распределения фаз потока в сечении трубы в виде одного кадра.
Поскольку двухфазный поток в трубе перемещается, то, повторяя процесс измерений и обрабатывая данные в компьютере, получают
картину пространственного распределения фаз в трубе в виде множества кадров или в ином удобном для зрительного восприятия виде.
Источники информации
1.Prasser Н.-М., Bottger А., Zschau J. А new electrode-mesh tomograph for gas-hquid flows// Flow Measurement and Instrumentation. 9(1998), P.111-119.
2.Мельников В .И., Контелев В. В., Иванов В. В., Прассер Х.-М., Циппе В. Ультразвуковая волноводная многоточечная система визуализации двухфазного теплоносителя.// Известия вузов. Ядерная энергетика.-2000.-Ы1 .-С.89-96.