УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ТЕКУЧИХ СРЕД Российский патент 1997 года по МПК G01F1/66 

Изобретение относится к ультразвуковым измерениям и может быть использовано для измерения расхода звукопроводящих сред в трубопроводах различного диаметра.

Известен ультразвуковой расходомер в накладными преобразователями, размещаемыми по одну сторону трубопровода на заранее расчетно определенном расстоянии между ними [1]
Основное неудобство заключается в размещении преобразователей и приспособления натяжения элементов крепления по разные стороны трубопровода. Одним из наиболее существенных недостатков известной конструкции является невозможность установки преобразователей на разные по диаметру трубы без переделки, т. е. отсутствие унификации по типоряду труб, а также недостаточная точность их установки и контроля расстоянии, сложность крепления на трубопроводах.

Известен ультразвуковой расходомер с системой крепления преобразователей, представляющий собой комбинацию из пары преобразователей, устанавливаемых по одну сторону трубопровода, которые могут быть защелкнуты на поверхности трубы [2]
Система включает в себя монтажные средства, обеспечивающие прижим преобразователей к поверхности трубы вдоль продольной оси трубопровода.

Недостатком известного расходомера является ограничение возможности унификации конструкции приборов для труб различного диаметра стандартизованного типоряда как в части самого монтажного комплекта, так и в части стыковки преобразователей с поверхностью труб из-за ограничений по базам крепления, а также невозможность применения его в качестве съемного после пуско-наладки устройства.

Техническим результатом использования изобретерния является повышение надежности крепления и точности фиксации пьезопреобразователей в рабочем положении для стандартного типоряда труб в процессе пуско-наладки и эксплуатации, унификация преобразователей с узлами крепления и натяжения для широкого стандартизованного типоряда труб по диаметру условного прохода и снижение трудоемкости изготовления единицы приборного комплекта, а также унификация контактных площадок преобразователей для труб различного диаметра и соблюдение расчетных условий удовлетворительной прозрачности смазочного слоя для любого участка контакта.

Это достигается тем, что каждый пьезопреобразователь снабжен индивидуальной кареткой с крышкой и установочными винтами, имеющими конический конец и расположенными в непосредственной близости к краевым опорам кареток, а каждый узел натяжения крепежного элемента и фиксации пьезопреобразователей выполнен в виде троса и размещен в направляющих пазах каретки симметрично относительно ее оси, на краевых опорах каретки выполнены отверстия с установленными в них втулками, а накладные пьезопреобразователи снабжены контактными площадками.

При этом монтажное приспособление выполнено съемным, состоящим их двух штанг, двух корпусов с направляющими осями, на которые надеваются каретки пьезопреобразователей своими втулками, причем расчетное расстояние между пьезопреобразователями устанавливают путем подвижки корпусов вместе с закрепленными на них каретками пьезопреобразователей, а контактные площадки каждого пьезопреобразователя выполнены вогнутой формы с унифицированным радиусом цилиндричности в пределах R 210 215 мм для труб стандартизованного типоряда по диаметру условного прохода 80 1200 мм с расчетным определением зазора по контактному слою "трубопровод-пьезопреобразователь".

На фиг. 1 представлен поперечный разрез пьезопреобразователя с узлом крепления на трубопроводе; на фиг. 2 общий вид пьезопреобразователей ("излучатель-приемник"), установленных по одну сторону трубопровода, и съемное приспособление для их установки.

На выбранном участке трубопровода 1 размещены пьезопреобразователи 2, состоящие из датчиков (пьезоэлементов) в корпусах 3, прижимных винтов 4, кареток 5, при этом каретка каждого пьезопреобразователя 2 снабжена крышкой 6. В каждой каретке 5 предусмотрены два направляющих паза-канавки 7, имеющих волнообразно рифленую поверхность для протяжки троса 8. Для исключения проскальзывания троса 8 в месте затяжки предусмотрены накладки 9 с аналогичной рифленой поверхностью и болтов для крепления 10. Установка каждой каретки 5 на трубе осуществляется с помощью призматических ножей 11 (по четыре для каждой каретки). Для исключения переноса кареток 5 предусмотрены установочные винты 12 с коническими концами, расположенные в непосредственной близости с краевым опорам кареток 5 и обеспечивающие их жесткую фиксацию от разворотов после снятия монтажного приспособления.

Установка пьезопреобразователя 2 на трубе 1 осуществляется с помощью узла натяжения троса 13 следующим образом. На крышку 6 пьезопреобразователя 2 сверху помещают корпус узла крепления 14, причем трос 8, огибая трубу 1, пропускается с двух сторон между втулками 15 и кареткой 6, далее через пазы-канавки 7 обе ветви троса натягиваются в верхних пазах-канавках 7 и закрепляются прижимными болтами 16 через накладки 17. Верхним болтом 18 (через втулку 19), упирающимся в крышку 6 каретки 5, трос 8 натягивается, прижимая тем самым каретку 5 к трубе 1 через контактную площадку 20.

Затем оба троса 8 в нижних направляющих пазах 7 надежно фиксируются болтами 10 через накладки 9, а на узле натяжения 13 болты ослабляют и узел 13 снимают. Вкручивая винт 4 преобразователя 2 до упора (с помощью тарированного инструмента), поджимают датчик в корпусе 3 преобразователя 2 к трубе 1.

Для исключения перекоса каретка 5 снабжена четырьмя призматическими ножами 11 и четырьмя установочными винтами 12 с коническими концами.

Особенностью конструкции узла натяжения троса 13 является возможность прижима обеих ветвей троса 8 в месте обхвата трубы 1 за счет пропускания троса 8 между втулками 15 и кареткой 5 для исключения излома троса в месте закрепления в нижних пазах 7 (например, на трубах большого диаметра 200 1200 мм) и для придания ветвям троса 8 однонаправленности при движении троса в верхних и нижних пазах-канавки. Глубина пазов-канавок 7 выбрана достаточной для надежного крепления троса, а форма исполнения волнообразная рифленая поверхность пазов и накладок позволяет исключить провисание троса в местах затяжки.

Для повышения точности установки преобразователей 2 с одной стороны трубы служит приспособление 21 (фиг. 2), состоящее из двух штанг 22, двух корпусов 23 с направляющими осями 24. Штанги 22 вставляются в отверстия корпусов 23, которые с помощью стопорных винтов (не показаны) фиксируются на штангах 22. На направляющие оси 24 надеваются каретки 5 преобразователей 2 своими втулками 15 (фиг. 1) и фиксируются стопорными винтами.

Расчетное расстояние l между пьезопреобразователями 2, выполняющими попеременно функции излучателя и приемника ультразвуковых колебаний, определяется по формуле
l L 2A_констр,
где L расстояние вдоль трубы;
A_{констр.} расстояние от базы преобразователей до центра пьезоэлемента (определяется по номинальным размерам и допускам конкретной конструкции).

Для общего случая, например с трансформированием исходной продольной акустической волны в поперечную при проходе в материал трубы, необходимое и оптимальное расстояние между центрами пьезоэлементов может быть вычислено по формуле

где для температурных условий, например 20^oC,
L расстояние вдоль трубы между центрами пьезоэлементов, обращенных к трубе;
β угол ввода луча продольной У3 волны в трубу (угол между центральным лучом и нормалью к оси трубы), град.

D_у диаметр условного прохода трубопровода, м;
C_в скорость распространения продольной У3 волны по жидкости, расход которой измеряется, м/с;
C_в скорость распространения поперечной (сдвиговой) У3 волны по материалу трубопровода, м/с;
C_к скорость распространения исходной продольной У3 волны по материалу звукопровода (призмы), м/с;
d_t толщина стенки трубы, м;
δ_к толщина звукопровода (призмы) от центра пьезоэлемента по нормали к оси трубы, м;
n число рабочих проходов У3 волны через диаметр трубы D_вн (поток жидкости) от одного пьезопреобразователя к другому, для крепления пьезопреобразователей по одну сторону трубопровода n 2, 4, 6, для противоположного закрепления n 1, 3, 5,
Для частного случая при конкретной конструкции и выбранных параметрах (акустических) β, C_в, C_t, C_k для конкретных сопрягающихся материалов формула может быть упрощена
l = C₁•D_у•n+C₂•δ_t+C₃,
где C₁, C₂, C₃ постоянные коэффициенты.

Такая формула расчета более удобна при проведении пуско-наладочных работ.

Подвижкой корпусов 23 вместе с закрепленными на них каретками 5 преобразователей 2 с помощью стандартного мерительного инструмента, например штангенциркуля, устанавливают расчетное расстояние и фиксируют корпусы 23 в этом положении. Контроль расстояния производят также стандартным мерительным инструментом.

Затем приспособление 21 вместе с пьезопреобразователями переносится на выбранный и подготовленный (зачисткой) участок трубы 1 и преобразователи 2 с помощью натяжения троса 13 фиксируются на трубопроводе. После устранения точек "зависания" кареток и их жесткой фиксации установочными винтами 12 стопорные винты освобождаются, монтажное приспособление снимается.

С целью унификации контактных площадок пьезопреобразователей и соблюдения расчетных условий удовлетворительной (достаточной) прозрачности смазочного слоя для любого участка контакта вогнутой формы контактные площадки 20 выполнены с унифицированным радиусом цилиндричности R 210 215 мм для труб стандартизованного типоряда по диаметру условного прохода 80 1200 мм.

Зазор по контактному слою "трубопровод-пьезопреобразователь" определяется по известным формулам (см. Н.М. Алешин с соавт. Методы акустического контроля металлов. М. Машиностроение, 1987, с. 90)

где h_с толщина смазочного слоя;
m простое число (0 1, 2, 3);
λ_c длина продольной волны У3 по смазке;
Z_c = C_c•ρ_c характеристический импеданс смазки;
C_с скорость продольной волны У3 в смазке;
ρ_c удельная плотность смазки;
Z характеристический импеданс материала трубы;
Z₁ характеристический импеданс материала звукопровода.

Использование для измерения расхода звукопроводящих сред в трубопроводах различных диаметров. Сущность изобретения: расходомер содержит два накладных обратимых пьезообразователя 2, корпус 3, прижимные винты 4, две каретки 5, крышки 6, пазы-канавки 7, трос 8, накладки 9, болты 10 для крепления, призматические ножи 11, установочные винты 12, узел натяжения троса 13, узел крепления 14, втулки 15, прижимные болты 16, накладки 17, болт 18, опорную втулку 19, контактную площадку 20, приспособление 21, состоящее из двух штанг 22, двух корпусов 23 с направляющими осями 24. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для ультразвукового измерения расхода текучих сред, включающее установленные по одну сторону трубы с текущей средой с помощью монтажного приспособления обратимые накладные пьезопреобразователи, узлы натяжения крепежного элемента и фиксации пьезопреобразователей на трубе, отличающееся тем, что каждый пьезопреобразователь снабжен индивидуальной кареткой с крышкой и установочными винтами, имеющими конический конец и расположенными в непосредственной близости к краевым опорам кареток, а каждый узел натяжения крепежного элемента и фиксации пьезопреобразователей выполнен в виде троса и размещен в направляющих пазах каретки симметрично относительно ее оси, на краевых опорах каретки выполнены отверстия с установленными в них втулками, а накладные пьезопреобразователи снабжены контактными площадками. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что монтажное приспособление выполнено съемным, состоящим из двух штанг, двух корпусов с направляющими осями, на которые надеваются каретки пьезопреобразователей своими втулками, при этом расчетное расстояние между пьезопреобразователями устанавливают путем подвижки корпусов вместе с закрепленными на них каретками пьезопреобразователей. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что контактные площадки выполнены вогнутой формы с унифицированным радиусом цилиндричности в пределах R= 20 215 мм для труб стандартизованного типоряда по диаметру условного прохода 80 1200 мм с расчетным определением зазора по контактному слою "трубопроводпьезопреобразователь".