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

Изобретение относится к ультразвуковым измерениям и может быть использовано для измерения расхода звукопроводящих жидких сред в различных отраслях народного хозяйства, в частности для контроля и учета мгновенного и накопленного расходов теплоносителя и тепла в магистралях систем водо- и теплоснабжения.

Современные устройства для измерения объемов производства и потребления тепловой энергии в системах централизованного теплоснабжения, устанавливаемые на производящие и распределительно-контрольные объекты систем водо- и теплоснабжения, в большинстве работают в автоматическом режиме, выполняя такие функции как измерение объемного расхода сетевой воды, определение тепловой мощности теплоносителя, расхода тепла, объемных потерь теплоносителя и т.п.

Известны ультразвуковые расходомеры, метод работы которых основан на принципе сопоставления времени распространения ультразвуковых колебаний по потоку контролируемой среды и против него. Расход текучей среды определяется по разности времени при известных параметрах измерительного участка и контролируемой среды. Измерение разницы во времени распространения ультразвуковых колебаний производится как с помощью встроенных в трубопровод, так и накладных наружных преобразователей. В наружных преобразователях с преломлением ультразвук вводится в поток с помощью специальных призм-звукопроводов, укрепленных на поверхности трубопровода, через слой смазки для акустического контакта. Основные преимущества таких накладных преобразователей в сохранении целостности трубопровода и возможности их установки на работающих системах водо- и теплоснабжения (А.Ш. Киясбейли, А.М.Измайлов, В.М.Гуревич "Частотно-временные ультразвуковые расходомеры и счетчик. М. Машиностроение, 1984, с. 44 46).

Известен акустический расходомер, в котором использован наружный преобразователь, связанный волноводом с чувствительным элементом, закрепленным между демпфирующими прокладками на трубопроводе. Демпфирующие прокладки закреплены с помощью прижимного приспособления, а чувствительный элемент закреплен с помощью перемычек между демпфирующими прокладками, которые в свою очередь закреплены на участке трубопровода. В чувствительном элементе создаются изгибные колебания, а на внутренней поверхности трубы образуется распределенный источник ультразвука, формирующий диаграмму направленности под углом к оси трубопровода. Преобразователь обладает обратимостью, т.е. может работать как в качестве излучателя, так и в качестве приемника (авт. св. N 1714371, МКИ G 01 F, 1/66).

Однако, данный расходомер обладает несколькими недостатками:
конструкция не обеспечивает необходимой точности ориентации оси диаграммы излучения на пересечение с осью трубопровода, из-за чего особенно на малых по диаметру условного прохода трубах будут возникать искажения приемного сигнала в сторону отсутствия явной выраженности первого импульса в пачке импульсов по максимуму амплитуды, что в свою очередь может приводить к сбоям в измерениях и снижению их точности;
соотношение, определяющее угол ввода акустической волны в контролируемый поток, является приближенным и не предусмотрено конструктивных мер по его оптимизации в зависимости от акустических характеристик сопрягаемых материалов конструкции по ходу ультразвукового луча, что также снижает точность измерения по причине ухудшения качества приемного сигнала;
конструктивное размещение пьезоэлемента в непосредственной близости к трубопроводу (или на трубопроводе) не создает условий надежной защиты элемента от механических воздействий при гидроударах и термических перегрузках.

Наиболее близким аналогом данного изобретения в части точной фиксации пьезопреобразователей на трубопроводе является техническое решение по авт. св. N 769336, в котором крепление пьезопреобразователей производится с помощью накладок в виде призм с опорными кромками, стягиваемых гибкими тросиками. Однако, такой принцип крепления не лишен недостатков, а именно:
точность установки пьезопреобразователей относительно оси трубопровода недостаточно высока из-за возможности смещения накладок по цилиндрической поверхности трубы при затяжке тросиками;
конструкция громоздка и не обеспечивает автоматической, быстрой и точностной ориентации пьезопреобразователей, особенно в жестких температурных условиях без остановки теплообъекта;
конструкция не обеспечивает унифицированного подхода к креплению с точки зрения использования ее без изменения деталей для расширенного типоряда труб по диаметру условного прохода.

Целью изобретения является повышение точности измерения расхода текучей среды и возможность работы с широким типорядом труб по диаметру условного прохода (от 80 до 1200 мм) за счет улучшения качества принимаемого акустического сигнала без необходимости фокусировки, а также за счет обеспечения надежного крепления ультразвуковых пьезопреобразователей к трубопроводу.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства; на фиг. 2 - конструкция ультразвукового преобразователя вид спереди; на фиг. 3 - продольный разрез по А-А на фиг. 2; на фиг. 4 конструкция прижимного приспособления поперечный разрез.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для ультразвукового измерения расхода жидкости, включающем обратимые по функциональному признаку накладные ультразвуковые преобразователи и прижимное приспособление для их крепления к трубе, каждый пьезопреобразователь состоит из чувствительного элемента (пьезоэлемента), звукопровода, демпфера, причем при формировании сигнала в чувствительном элементе создаются продольные акустические колебания, а образуемый на внутренней поверхности трубы источник поперечной ультразвуковой волны формирует диаграмму направленности под углом к оси трубопровода; в верхней части звукопровода из неметалла выполнено посадочное углубление под углом 90^°-β к продольной образующей к контактной поверхности трубы из конструкционной стали, достаточное по своим размерам для размещения в нем пьезоэлемента и основания конического демпфера с углом под ≈ 45^o к основанию, при этом оси головных лепестков диаграммы направленности излучающего и принимающего преобразователей совпадают, а общая ось лепестков диаграммы пересекается с осью трубы. Выбираемый угол ввода продольной ультразвуковой волны в трубопровод определяется соотношением

где С_ж скорость распространения ультразвуковой волны в контролируемой жидкости,
С_м скорость распространения продольной ультразвуковой волны в материале трубопровода,
С_зв скорость распространения продольной ультразвуковой волны в материале трубопровода.

Расстояние L между центрами пьезоэлементов вдоль оси трубопровода определяется расчетным путем с учетом геометрических размеров и ультразвуковых свойств сопрягаемых материалов трубопровода, звукопровода и жидкости.

Приспособление для крепления пьезопреобразователей к трубе снабжено стяжными металлическими лентами одинаковой длины, одновременно наматывающимися на барабаны через механизм червячной передачи необратимого типа, причем максимальная ширина стяжных лент определяется из условия размещения пьезопреобразователей на трубах с минимальным диаметром условного прохода.

Устройство для ультразвукового измерения расхода текучей среды состоит из двух идентичных измерительных каналов (на фиг. показан один), обслуживающих подающую и обратную ветви тепломагистрали. Каждый измерительный канал работает со своим трубопроводом, представляет собой частотно-временной расходомер и содержит подсистему измерения температуры (термопреобразователь сопротивления).

На измерительном участке трубопровода 1 размещен ультразвуковой преобразователь 2 в корпусе 3, основным элементом преобразователя 2 является пьезокерамический элемент 4, выполненный в форме диска и имеющий на своих плоских гранях возбуждающие электроды. Пьезоэлемент 4 размещен в углублении звукопровода 5, имеющего в продольном сечении форму призмы, причем нижняя поверхность основания имеет овальную форму для плотного прилегания к трубе. С противоположной стороны звукопровода 5 к пьезоэлементу 4 примыкает демпфер 6 в форме конуса с углом под ≈ 45^o к основанию, при этом основание демпфера 6 размещено вместе с пьезоэлементом 4 в углублении звукопровода 5. Заливочная масса 7 служит в качестве связки для пьезоэлемента 4, звукопровода 5 и демпфера 6 и представляет собой единый узел 8, подвижно закрепленный в корпусе 3. Заливочная масса, имеющая состав: эпоксидная смола с отвердителем плюс порошок вольфрама, окиси вольфрама либо порошковой смеси окисей вольфрама и кобальта, создает поглощающий слой для боковых паразитных акустических лучей, исключает переотражения от граней звукопровода, существенно влияющих на чистоту и качество предлагаемого и принимаемого сигналов, повышает соотношение "сигнал-шум".

В процессе установки преобразователя 2 на трубу 1 узел 8 имеет возможность перемещения внутри корпуса 3. Прилегание узла 8 к поверхности трубы 1 через акустический слой обеспечивается пружиной 9 через площадку 10. Гарантированное усилие прижима узла 8 к трубе выполняется винтом 11 с использованием тарированной отвертки.

В звукопроводе 5, выполненном из неметалла, например из эпоксидной смолы, установлены два контакта 12, на которые в нижней части распаяны выводы 13 пьезоэлемента 4, а в верхней кабеля 14.

В состав устройства входят четыре ультразвуковых преобразователя по два на каждую ветвь тепломагистрали. В каждой паре пьезоэлементы имеют отличную друг от друга распайку контактов соединительного разъема (на фиг. не показаны) и соответственно разную маркировку.

Корпус 3 преобразователя жестко закрепляется на поверхности трубы 1 с помощью прижимного преобразователя 15 (фиг. 2, 3), размещенного на трубе и связанного с корпусом 3 металлическими стяжными лентами одинаковой длины 16.

Прижимное приспособление 15 (фиг. 3) состоит из механизма червячной передачи 17 с двумя ведомыми зубчатыми колесами 18, на осях барабанов 19 которых закреплены концы стяжных лент 16. Механизм червячной передачи, зубчатые колеса и барабаны заключаются в корпус 20. Червяк 17 с одной стороны упирается в трубу 1, а с другой снабжен приспособлением для его вращения вручную (на фиг. не показан). Движение от червяка 17 через червячные колеса 18 передается на оси барабанов 19, и ленты 16 наматываются на них в противоположных направлениях.

Корпус 3 ультразвукового преобразователя 2, шарнирно соединенный со вторым концом стяжных лент 16, равномерно притягивается к трубопроводу 1, и при условии равенства длин лент строго ориентируется центром излучающей площадки в плоскости, проходящей через ось трубопровода. Длина стяжных лент 16 позволяет установить преобразователь на трубу любого диаметра в диапазоне 80 - 1200 мм (условный проход).

В конструкции применен необратимый тип червячной передачи с самоторможением колес, благодаря чему обеспечивается достаточно мощное по усилию натяжение лент, а также более надежная фиксация пьезопреобразователей в процессе эксплуатации. Такой тип червячной передачи с невозможностью передачи движения от колеса 18 к червяку 17 не позволяет стяжным лентам ослабиться в процессе работы.

На корпусе прижимного приспособления 15 (фиг. 3) устанавливается термопреобразователь сопротивления 21, электрические характеристики которого соответствуют медному термометру сопротивления с номинальной статической характеристикой 100 М.

Принцип действия устройства для измерения расхода основан на измерении разницы во времени распространения акустических волн, возбуждаемых в трубопроводе по и против направления перемещения теплоносителя. При наличии перемещения теплоносителя, т. е. акустической среды, время распространения волны по направлению перемещения меньше, чем время распространения волны в противоположном направлении. Путь распространения акустической волны от излучателя до приемника представляет ломаную линию, состоящую из нескольких отрезков. Пьезоэлемент при подаче на него электрического импульса возбуждает в соседствующих с ним средах продольную волну. От пьезоэлемента до наружной поверхности трубы акустическая волна распространяется в звукопроводе под углом β по отношению к нормали к поверхности трубы, т.е. и к направлению движения теплоносителя. На границе раздела "звукопровод-металл" в результате неравенства скоростей ультразвука в материал происходит трансформация продольной моды акустической волны в поперечную, а также преломление волны, в результате которого направление распространения волны в металле отклоняется от нормали (угол v больше угла b). На границе "металл-теплоноситель" акустическая волна вновь преломляется, при этом соотношение скоростей ультразвука в смежных материалах определяет то, что угол a меньше как угла v, так и угла b.

На оставшемся участке пути "теплоноситель-вторая стенка трубы" акустическая волна снова дважды преломляется, но приращение углов происходит с обратным знаком.

На внутренней поверхности трубопровода образуется распределенный источник ультразвука, формирующий диаграмму направленности, и ввод акустической волны в измеряемый поток производится под углом 90^°-α к оси трубопровода, а диаграмма направленности излучения оказывается направленной по ходу акустической волны.

Указанные углы a,β и Φ (углы ввода-вывода акустической волны) определяют конструктивную форму исполнения и взаиморасположения звукопровода, пьезоэлемента и демпфера, а также расстояние L между акустическими осями ультразвукового преобразователя, так называемую измерительную базу пьезопреобразователей. Акустическая волна излучается в обоих направлениях поочередно, при этом ультразвуковой преобразователь служит попеременно излучателем и приемником акустического сигнала.

Ультразвуковые преобразователи размещают на трубе относительно друг друга при расчетном расстоянии между ними L. Расстояние между геометрическими центрами пьезоэлементов вдоль оси трубопровода определяется расчетным путем с учетом геометрических размеров и ультразвуковых свойств сопрягаемых материалов трубопровода, звукопровода и жидкости по формуле:
L = 04Д_у+2,82γt+27,5,
где D_у условный проход трубы,
γt толщина стенки трубы.

Константы определены расчетно, исходя из геометрических и ультразвуковых характеристик сопрягаемых материалов и жидкости.

Таким образом достигается тот эффект, что углы ввода и вывода акустической волны обеспечивают встречное направление головных лепестков диаграмм излучения и приема сигнала, а общая ось лепестков диаграммы пересекается с осью трубы. Конструктивно это решается взаиморазмещением ультразвуковых преобразователей на трубопроводе, как описано выше. Тем самым достигается получение достаточно мощного сигнала без применения фокусировки и сохранение мощности сигнала при приеме даже в условиях значительных перепадов температуры теплоносителя.

Более того, размещение пьезоэлемента в углублении звукопровода обеспечивает его надежную фиксацию и предотвращает его смещение.

Расчет расхода теплоносителя для каждой ветви магистрали ведется по формуле:

где Q мгновенный расход теплоносителя, м. куб./ч,
K_x масштабный корректирующий коэффициент,
D_у условный проход (внутренний диаметр) трубопровода,
m гидродинамический коэффициент, учитывающий динамические характеристики потока теплоносителя в трубопроводе,
V усредненное мгновенное значение (по сечению трубопровода) скорости потока теплоносителя с учетом поправок на изменение скорости ультразвука в измеряемой среде в зависимости от ее температуры.

3600 коэффициент, обеспечивающий получение результата с размерностью м. куб./ч.

Учет мгновенного расхода тепла производится по формуле:
Q_т Q₁•K₁•t₁ - Q₂•K₂•t₂,
где Q_т мгновенный расход тепла в ГДж/ч,
Q₁ и Q₂ объемные расходы теплоносителя в подающей и обратной ветвях тепломагистрали, м³/ч,
K₁ и K₂ коэффициенты энтальпии теплоносителя в подающей и обратной ветвях тепломагистралей при соответствующих температурах t₁ и t₂,
t₁ и t₂ мгновенные значения температур теплоносителя в подающей и обратной ветвях тепломагистрали, ^oC.

Накопленные расходы тепла и теплоносителя определяются как сумма мгновенных значений соответствующих расходов за интересующий период времени.

Использование: в системах для измерения звукопроводящих текучих сред для контроля и учета мгновенного и накопленного расходов теплоносителя и тепла в магистралях систем водо- и теплоснабжения. Сущность изобретения: устройство содержит обратимые накладные ультразвуковые преобразователи, каждый из которых состоит из пьезоэлемента, звукопровода и демпфера, при этом звукопровод выполнен из полимерного материала, демпфер-коническим с углом между образующей конуса и основанием в 45^o, в звукопроводе выполнено посадочное отверстие под пьезоэлемент и основание демпфера под углом 90^°-β его продольной образующей к контактной поверхности трубопровода, где β - угол ввода продольной ультразвуковой волны в трубопровод, зависящий от скоростей распространения волны в жидкости, материала трубопровода и звукопровода. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для ультразвукового измерения расхода жидкости, содержащее обратимые накладные ультразвуковые преобразователи, каждый из которых размещен в корпусе и выполнен в виде пьезоэлемента, звуковода и демпфера, и прижимное приспособление для закрепления ультразвукового преобразователя на трубопроводе, отличающееся тем, что в каждом преобразователе звукопровод выполнен из полимерного материала, демпфер коническим с углом между образующей конуса и основанием около 45^o, с противоположной от трубопровода стороны звукопровода выполнено центральное посадочное углубление под углом его продольной образующей к контактной поверхности трубопровода, равным 90^°-β, где β - угол ввода продольной ультразвуковой волны в трубопровод, определяемый по формуле

где С_ж, С_м, С_з в скорости распространения ультразвуковой волны соответственно в жидкости, материалах трубопровода и звукопровода,
причем пьезоэлемент и основание конического демпфера размещены в посадочном углублении, а расстояние между центрами пьезоэлементов ультразвуковых преобразователей вдоль оси трубопровода определяют с учетом геометрических размеров и ультразвуковых характеристик сопрягаемых материалов. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что прижимное приспособление выполнено в виде механизма червячной самотормозящейся передачи, на барабанах двух червячных колес которого закреплены концы стяжных металлических лент одинаковой длины.