Патент на изобретение №2375682

(54) ДАТЧИК УЛЬТРАЗВУКОВОГО РАСХОДОМЕРА

(57) Реферат:

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения скорости потока жидких и газообразных сред ультразвуковым методом. Технический результат направлен на повышение точности измерений за счет уменьшения уровня реверберационных сигналов и уменьшения искажения полезного сигнала. Датчик ультразвукового расходомера содержит мерный участок трубопровода с установленными в нем обратимыми передающим и приемным пьезоэлектрическими преобразователями, каждый из которых состоит из соединенных между собой пьезоэлемента, звукопровода и демпфера, осуществляющих излучение и прием ультразвука в измеряемой среде без преломления, выполнен так, что длины звукопроводов излучающего и приемного пьезоэлектрических преобразователей не одинаковы. Длины звукопроводов отличаются на величину, кратную нечетному числу четвертей длины ультразвуковой волны в материале звукопровода на рабочей частоте пьезоэлектрических преобразователей. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения скорости потока и расхода веществ ультразвуковым методом, а также в устройствах определения плотности жидких и газообразных сред и их состава и может найти применение в химической, нефти и газодобывающих, атомной, фармацефтической, перерабатывающих и пищевых отраслях промышленности, дефектоскопии, теплоэнергетике, коммунальной сфере, медицине.

Известен датчик ультразвукового расходомера, содержащий мерный участок трубопровода с расположенными в нем соосно передающим и приемным пьезоэлектрическими преобразователями, каждый из которых состоит из пьезоэлемента, соединенного со звукопроводом, обеспечивающим ввод ультразвука в контролируемую среду без преломления на границе раздела сред (Бражников Н.И. Ультразвуковая фазометрия. – М.: Энергия, 1968, 272 с. (стр.56-59, стр.189-190)).

В таком датчике наряду с возможностью ввода ультразвука в контролируемую среду под любым необходимым для измерения углом и независимостью акустических параметров системы от толщины и материала стенки трубопровода имеются и недостатки.

К ним относится недостаточная точность измерений из-за большого уровня реверберационных помех, возникающих при отражении ультразвуковых сигналов от границ раздела «контролируемая среда – внешняя поверхность звукопровода» и из-за отражения ультразвуковых сигналов внутри звукопроводов от границ раздела «звукопровод – контролируемая среда» и «звукопровод – пьезоэлемент» (Бражников Н.И. Ультразвуковая фазометрия. Энергия, 1968, 272 с. (стр.49)).

Для уменьшения уровня таких помех предлагалось применять преобразователи со звукопроводами из материалов с высоким поглощением ультразвука (а.с. СССР 400808, кл. G01F 15/06, Б.И. 40, 1974). Однако при этом наряду с ослаблением помех уменьшается и уровень полезного сигнала, что ухудшает метрологические характеристики преобразователей. Кроме того, применение материалов с высоким поглощением ультразвука исключает применение металлов в качестве материалов звукопроводов.

Наиболее близким к предлагаемому датчику ультразвукового расходомера является датчик ультразвукового расходомера, содержащий пьезоэлектрические преобразователи (Replaceabl element ultrasonic flowmeter transducer, pat. USA 3925692, prior. 9.12.1975), каждый из которых состоит из соединенных между собой пьезоэлемента, демпфера и звукопровода, приемоизлучающая поверхность которого, нагруженная на контролируемую среду, выполнена с небольшой конусностью или небольшим скосом. Выполнение приемоизлучающих поверхностей звукопроводов с небольшой конусностью или со скосом приводит к уменьшению уровня реверберационных помех, возникающих при отражении ультразвуковых сигналов от границ раздела «контролируемая среда – внешняя поверхность звукопровода». Однако при этом практически не уменьшается уровень реверберационных помех, возникающих из-за отражения ультразвуковых сигналов внутри звукопроводов от границ раздела «звукопровод – контролируемая среда» и «звукопровод – пьезоэлемент», что не позволяет заметно повысить точность измерений, особенно при применении звукопроводов, изготовленных из материалов с малым поглощением ультразвука, например звукопроводов, изготовленных из металлов.

Предлагаемый датчик ультразвукового расходомера решает задачу повышения точности измерений. Техническим результатом изобретения является уменьшение уровня реверберационных помех и снижение искажений полезного сигнала при сохранении его уровня.

Для достижения указанного технического результата в датчике ультразвукового расходомера, содержащем мерный участок трубопровода с соосно расположенными в нем пьезоэлектрическими преобразователями, каждый из которых состоит из соединенных между собой пьезоэлемента, звукопровода и демпфера, осуществляющих излучение и прием ультразвука в контролируемой среде без преломления, согласно изобретению длины звукопроводов излучающего и приемного пьезоэлектрических преобразователей выполняются различающимися на величину, кратную нечетному числу четвертей длины ультразвуковой волны в материале звукопровода на рабочей частоте пьезоэлектрических преобразователей.

Поставленная задача (повышение точности измерений решается также тем, что на поверхность звукопровода, обращенную в контролируемую среду, наносится согласующий слой из материала с удельным волновым сопротивлением, лежащим между удельными волновыми сопротивлениями звукопровода и контролируемой среды.

Поясним сущность заявляемого изобретения. Для решения поставленной задачи по повышению точности измерений посредством уменьшения реверберационных помех, длина звукопровода 6 (фиг.2) одного из пьезоэлектрических преобразователей выполняется отличной от длины звукопровода 6 второго преобразователя на величину, определяемую скоростью ультразвука в материале звукопровода и рабочей частотой пьезопреобразователей. Длины звукопроводов отличаются на величину кратную нечетному числу четверти длины ультразвуковой волны в материале звукопровода на рабочей частоте преобразователя так, чтобы через время, кратное половине периода ультразвуковых колебаний, на приемный пьезоэлемент 5 (фиг.2) приходили колебания, дважды отраженные в звукопроводе 6 излучающего преобразователя и прошедшие измеряемую среду 4, и колебания, возникающие в звукопроводе 6 приемного преобразователя от дважды отраженного в нем основного сигнала. Сложение этих колебаний, пришедших на приемный пьезоэлемент 5 в противофазе, приводит к их взаимной компенсации.

Как видно из фиг.2, ультразвуковой сигнал, возбужденный пьезоэлементом 5 излучающего преобразователя, пройдя через его звукопровод 6, контролируемую среду 4 и звукопровод 6 приемного преобразователя, падает на пьезоэлемент 5, возбуждая в нем полезный сигнал.

При падении полезного сигнала из звукопровода 6 излучающего преобразователя на границу раздела «звукопровод – контролируемая среда» происходит частичное прохождение этого сигнала в контролируемую среду 4 и частичное отражение в звукопровод 6. Отраженный в звукопровод 6 сигнал приходит на границу раздела «звукопровод – пьезоэлемент» и отражается в звукопровод 6. Пройдя звукопровод 6, этот сигнал проходит в контролируемую среду 4, пройдя которую попадает в звукопровод 6, а затем на пьезоэлемент 5 приемного преобразователя, возбуждая в нем ложный сигнал. Время прохождения такого ложного сигнала – t₁ в акустическом тракте, как видно из фиг.2, складывается из времен прохождения ложного сигнала в звукопроводе излучающего преобразователя – 3t_З1, контролируемой среде – t_C и звукопроводе приемного преобразователя – t_З2:

Времена прохождения сигнала в звукопроводах определяются длиной звукопроводов – L_З1, L_З2 и скоростью ультразвука в материале звукопровода – C_З:

Время прохождения сигнала в контролируемой среде определяется длиной акустического пути в контролируемой среде – L_C и скоростью ультразвука в среде – С:

Как видно из фиг.2, полезный сигнал, пройдя звукопровод 6 приемного преобразователя, попадает на границу раздела «звукопровод – пьезоэлемент», частично проходит в пьезоэлемент 5, возбуждая в нем полезный сигнал, а частично отражается в звукопровод 6 приемного преобразователя. Затем отраженный сигнал, пройдя звукопровод 6 приемного преобразователя, отражается назад в звукопровод от границы раздела «звукопровод – контролируемая среда», вновь проходит звукопровод и попадает на приемный пьезоэлемент 5, возбуждая в нем ложный сигнал. Время прохождения в акустическом тракте такого ложного сигнала – t₂ будет:

Разность времен задержки ложных сигналов, возникающих из-за отражений в звукопроводах излучающего и приемного преобразователя – t, как следует из уравнений (1), (2), (3), (4) и (5) будет:

При одинаковых длинах звукопроводов (L₃₁=L₃₂), разность времен задержки ложных сигналов, образовавшихся в звукопроводах излучающего и приемного преобразователей, как следует из уравнения (6), будет равна нулю. Это значит, что эти ложные сигналы приходят в одной фазе и, складываясь, возбуждают в приемном пьезоэлементе ложный сигнал.

Для подавления такого ложного сигнала необходимо, чтобы ложные сигналы, образовывающиеся в звукопроводах излучающего и приемного преобразователей, приходили на приемный пьезоэлемент в противофазе. То есть времена задержки этих сигналов должны отличаться на величину t, кратную нечетному числу (n=1, 3, 5) половины периода (0,5T) ультразвуковых колебаний на рабочей частоте пьезопреобразователей:

Из уравнений (6) и (7) следует:

Выразим период колебаний через длину ультразвуковой волны в материале звукопровода – :

Тогда из уравнений (8) и (9) получим:

Таким образом, чтобы ложные сигналы, образующиеся в звукопроводах излучающего и приемного преобразователя, приходили на приемный пьезоэлемент в противофазе, необходимо, чтобы длины звукопроводов отличались на величину, кратную нечетному числу четвертей длины волны ультразвуковых колебаний в материале звукопровода на рабочей частоте пьезопреобразователей.

Введение согласующего слоя из материала с удельным волновым сопротивлением, лежащим между удельными волновыми сопротивлениями материалов звукопровода и контролируемой среды, приводит к уменьшению уровня сигнала, отраженного от границы раздела «звукопровод – согласующий слой» по сравнению с уровнем сигнала отраженного от границы раздела «звукопровод – контролируемая среда». Это приводит к уменьшению уровня ложных сигналов, возникающих как при отражении от границ раздела «контролируемая среда – внешняя поверхность звукопровода», так и при отражении от границ раздела «звукопровод – контролируемая среда», что ведет к повышению точности измерений. Согласующий слой обеспечивает также уменьшение потерь ультразвукового сигнала на прохождение границ раздела сред, что приводит к уменьшению затухания сигнала в акустическом тракте.

Изобретение иллюстрируются чертежами. На фиг.1 изображен датчик ультразвукового расходомера, расположенный в мерном участке трубопровода с движущимся потоком жидкости, и распространение в нем ультразвукового сигнала. На фиг.2 изображен датчик ультразвукового расходомера и прохождение основного и реверберационных сигналов в звукопроводах излучающего и приемных пьезопреобразователей и в контролируемой среде.

Датчик ультразвукового расходомера (фиг.1) содержит два взаимно обратимых пьезоэлектрических преобразователя 1 и 2, которые установлены в мерном участке трубопровода 3 с контролируемой средой 4. Пьезоэлектрический преобразователь (фиг.2) состоит из пьезоэлемента 5, соединенного со звукопроводом 6 и демпфером 7. В частном случае демпфер 7 может отсутствовать.

При выполнении звукопроводов пьезопреобразователей, например, из нержавеющей стали, работающих на частоте 1,5 МГц, длины звукопроводов, работающих в паре и обеспечивающих максимальное ослабление ложных сигналов, в соответствии с формулами (9) и (10), отличаются на 0,9 мм.

Датчик ультразвукового расходомера (фиг.1) работает следующим образом.

В контролируемую среду, например в трубопровод с движущимся потоком вещества, устанавливают соосно два ультразвуковых пьезопреобразователя 1 и 2 (фиг.1), которые зондируют движущуюся среду ультразвуковыми импульсами со скоростью распространения С, направленными под углом относительно вектора скорости потока V. Зондирование производится по направлению и навстречу потоку. Ультразвуковой сигнал, излучаемый преобразователем 1, проходит в исследуемый поток 4. Пройдя поток, ультразвуковой сигнал приобретает информацию об его скорости и принимается преобразователем 2. Аналогично распространяются сигналы, излученные преобразователем 2. Пьезоэлементы преобразователей обратимы, то есть работают как в режиме излучения, так и в режиме приема ультразвуковых сигналов.

Время прохождения сигналом потока зависит от длины пути в потоке, которое определяется диаметром трубопровода D, углом ввода ультразвука в поток (90°-), скоростью ультразвука в веществе потока С и скоростью движения потока V.

Время распространения сигнала по потоку T₁, как видно на фиг.1, определяется из выражения:

Время распространения сигнала против потока Т₂ определяется из выражения:

Из выражений (11) и (12)по временам Т₁ и Т₂ и определяется скорость потока V:

а затем и расход вещества Q:

где S – площадь сечения потока.

Точность измерения скорости потока определяется в значительной степени точностью измерения времен распространения ультразвуковых сигналов, излученных по и против потока. Реверберационные помехи уменьшают точность измерения времен распространения ультразвука. Поэтому уменьшение уровня реверберационных помех приводит к повышению точности измерений.

При использовании ультразвуковых пьезопреобразователей для определения или контроля плотности жидких и газообразных сред преобразователи могут быть установлены аналогично преобразователям, установленным для контроля скорости потока, как показано на фиг.1. Тогда, измерив времена распространения сигналов, излученных по и против потока, из формул (11) и (12) определяют скорость распространения ультразвука в среде:

Затем по известной для данной среды зависимости С=f(), определяют плотность среды . Если среда, например, двухкомпонентная и известна зависимость концентрации от плотности, по плотности определяют концентрацию компонентов.

Экспериментальная проверка показала, что при нагрузке на воду при использовании датчика ультразвукового расходомера с пьезопреобразователями, работающими на частоте 1,5 МГц, звукопроводы которых выполнены из нержавеющей стали и отличаются по длине на 0.9 мм, определенной на основании предлагаемого изобретения, уровень реверберационных сигналов, возникающих в звукопроводах через времена 2t₃,4t₃,6t₃,St₃, по отношению к основному сигналу составил соответственно: 20 дБ, 23 дБ, 29 дБ и 33 дБ. Применение согласующих слоев, например из пластмасс, уменьшило уровень реверберационных сигналов соответственно до 22 дБ, 26 дБ, 33 дБ и 37 дБ.

При тех же условиях уровень реверберационных сигналов при использовании звукопроводов одинаковой длины без согласующих слоев составил соответственно: 2,5 дБ, 9 дБ, 12 дБ и 20 дБ.

При применении излучающего и приемного пьезопреобразователей со звукопроводами различной длины ослабление основного сигнала, по сравнению с применением звукопроводов одинаковой длины, не происходит.

Таким образом, предложенный датчик ультразвукового расходомера по сравнению с известными техническими решениями позволяет существенно снизить уровень реверберационных помех, уменьшить искажение полезного сигнала, и, следовательно, повысить точность измерений.

Изготовлены опытные образцы заявляемого датчика ультразвукового расходомера и проведены их эксплуатационные испытания.

Формула изобретения

1. Датчик ультразвукового расходомера, содержащий мерный участок трубопровода с соосно расположенными в нем передающим и приемным пьезоэлектрическими преобразователями, каждый из которых состоит из соединенных между собой пьезоэлемента, звукопровода и демпфера, осуществляющих излучение и прием ультразвука в контролируемой среде без преломления, отличающийся тем, что длины звукопроводов передающего и приемного пьезоэлектрических преобразователей отличаются на величину кратную нечетному числу четвертей длины ультразвуковой волны в материале звукопровода на рабочей частоте пьезоэлектрических преобразователей.

2. Датчик ультразвукового расходомера по п.1, отличающийся тем, что на торцах звукопроводов, обращенных в контролируемую среду, созданы согласующие слои из материала с удельным волновым сопротивлением, меньшим удельного волнового сопротивления материала звукопровода, но большим удельного волнового сопротивления контролируемой среды.

РИСУНКИ