ДАТЧИК АКУСТИЧЕСКИЙ, ЭМИССИОННЫЙ РЕЗОНАНСНОГО ТИПА Российский патент 2009 года по МПК G01N29/14 

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано, например, в газовой и нефтедобывающей промышленности для обнаружения твердой фазы в газожидкостном потоке в трубопроводе.

Для определения концентрации твердой фазы в многофазном потоке применяются датчики акустической эмиссии [патент на изобретение RU 2105302, кл. G01N 29/14, 1998].

Известны пьезоэлектрические датчики акустической эмиссии, содержащие корпус, пьезоэлемент с электродами и приемник акустических колебаний [патенты на изобретения RU 2110792, кл. G01N 29/14, 1998; US 6923063, кл. 73-587 (кл. G01N 29/14), 2005].

Недостатком известных датчиков является их низкая чувствительность к сигналам акустической эмиссии, излучаемым твердыми частицами при их соударении с трубопроводом.

Известен датчик акустический, эмиссионный резонансного типа, содержащий корпус, пьезоэлемент с электродами, приемник и крепежное устройство, при этом приемник контактирует с пьезоэлементом [Проспект фирмы «Брюль и Кьер». Резонансные датчики 8313 и 8314].

Последнее техническое решение принято за прототип заявляемого датчика.

Недостатком прототипа является недостаточно высокая чувствительность изготовляемых фирмой изготовителем акустических, эмиссионных, резонансных датчиков. Хотя использование резонансных частот позволяет повысить чувствительность прототипа по сравнению с упомянутыми выше аналогами.

Техническим результатом, получаемым от использования изобретения, является повышение чувствительности резонансного, акустического, эмиссионного датчика.

Данный технический результат достигается за счет того, что известный датчик акустический (ДА), эмиссионный резонансного типа, содержащий корпус, пьезоэлемент с электродами, приемник, контактирующий с пьезоэлементом, и крепежное устройство, дополнительно содержит юстировочное устройство, установленное со свободной стороны пьезоэлемента, и пружину, установленную за юстировочным устройством, а крепежное устройство выполнено в виде двух прижимных гаек, причем приемник выполнен раздельным с корпусом в виде цилиндра с плоской и выпуклой торцевыми поверхностями, а юстировочное устройство - в виде плавающей пары, включающей последовательно расположенные плосковыпуклую металлическую линзу и контактирующую с ней коническую втулку со сферической боковой поверхностью, при этом плоская поверхность металлической линзы контактирует с пьезоэлементом, а ее выпуклая поверхность, выполненная сферической, контактирует с конической поверхностью втулки, при этом первая прижимная гайка установлена со стороны выпуклой торцевой поверхности цилиндрического приемника, а вторая - со стороны пружины.

Датчик дополнительно содержит две электроизолирующие прокладки, расположенные с двух сторон пьезоэлемента, причем приемник контактирует с пьезоэлементом через первую электроизолирующую прокладку, а плоская поверхность металлической линзы контактирует с пьезоэлементом через вторую электроизолирующую прокладку.

Приемник ДА выполнен акустически развязанным с корпусом, с выступом, расположенным на середине его цилиндрической поверхности, а первая прижимная гайка контактирует с наружной поверхностью выступа.

Между плоской поверхностью цилиндрического приемника и пьезоэлементом установлена прокладка из золотой фольги.

Между пружиной и второй прижимной гайкой, а также между корпусом и второй прижимной гайкой установлены регулировочные прокладки.

Пьезоэлемент выполнен составным из нескольких пьезопластин.

ДА содержит электродную панель, установленную на торцевой поверхности второй прижимной гайки и закрепленную с помощью винтов. А также имеет контактирующий с электродами на электродной панели выводной кабель и экранирующий колпак с выводным отверстием для кабеля, закрепленный на корпусе с помощью резьбового соединения.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена конструктивная схема ДА; на фиг.2 - структурная схема испытаний ДА с различными приемниками на калибровочном стенде; на фиг.3а и фиг.3б - частотные диаграммы, поясняющие принцип работы ДА.

ДА содержит корпус 1 (фиг.1) и последовательно расположенные в нем цилиндрический приемник 2, электроизолирующую прокладку 3, пьезоэлемент 4 с электродами, выполненный, например, составным из двух пьезопластин, электроизолирующую прокладку 5, юстировочное устройство, выполненное в виде плавающей пары (плосковыпуклой металлической линзы 6 и конической втулки 7 со сферической боковой поверхностью), пружину 8.

При этом приемник выполнен с выступом 9, расположенным на середине его цилиндрической поверхности. Наружная торцевая поверхность приемника 2 выполнена выпуклой, а внутренняя плоской.

ДА также содержит крепежное устройство, выполненное в виде прижимных гаек 10, 11.

Между плоским основанием приемника 2 и электроизолирующей прокладкой 3 установлена прокладка 12 из фольги пластичного некорродирующего металла (например, золота).

Между пружиной 8 и прижимной гайкой 11 установлена регулировочная прокладка 13.

Между корпусом 1 и прижимной гайкой 11 установлена регулировочная прокладка 14.

Имеется также электродная панель 15, установленная на торцевой поверхности прижимной гайки 11 и закрепленная на ней с помощью винтов 16. При этом электроды пьезоэлемента 4 выведены на электроды 17 электродной панели 15 с помощью изолированных проводников 18.

ДА также включает в себя экранирующий колпак 19, закрепленный на корпусе 1 с помощью резьбового соединения, и выводной кабель 20, контактирующий с электродами 17 на электродной панели.

Электроизолирующие прокладки 3, 5 выполнены из плавленного кварца.

Корпус 1 имеет выступ 21 и резьбу 22 для фиксации и закрепления ДА на контролируемом объекте.

ДА изготавливают и настраивают следующим образом.

Собирают изготовленные ранее элементы датчика по схеме, изображенной на фиг.1. На калибровочном стенде, схема которого представлена без оцифровки блоков на фиг.2, получают частотную зависимость чувствительности ДА. В случае, если частоты резонансных радиальных f_r.п. и(или) продольных f_1.п. колебаний приемника не совпадают соответственно с частотами резонансных радиальных f_r.э. и(или) продольных f_1.э. колебаний пьезоэлемента (фиг.3а), добиваются их совпадения посредством изменения диаметра и(или) длины приемника, что и приводит к увеличению чувствительности ДА на этих частотах (фиг.3б).

Юстировка равномерности поджатия пьезоэлемента 4 по плоскости приемника 2 осуществляется автоматически в процессе сборки ДА юстировочным устройством в виде плавающей пары - плосковыпуклой металлической линзы 6 и конической втулки 7 со сферической боковой поверхностью, которая позволяет ей свободно вращаться в корпусе 1.

Сила поджатия пружиной 8 пьезоэлемента 4 к приемнику 2 регулируется прокладками 13 и 14.

Для удобства сборки ДА корпус 1 выполняют из двух частей, скрепляемых резьбовым соединением (на фиг.1 не оцифровано).

ДА работает следующим образом.

Устанавливают датчик на контролируемом объекте, например трубопроводе, таким образом, чтобы приемник 2 (через акустическую связку) был прижат к поверхности объекта. Сигналы акустической эмиссии, возникающие, например, в стенке трубопровода при воздействии на него частиц твердой фазы многофазного потока вызывают в приемнике 2 акустический сигнал, который преобразуется пьезоэлементом 4 в соответствующий по частоте, амплитуде и коэффициенту преобразования электрический сигнал, передаваемый по кабелю 20 на обрабатывающую и регистрирующую аппаратуру (на чертежах не представлена).

Чувствительность ДА, определяющаяся его коэффициентом преобразования, в полосах частот, совпадающих с частотами собственных резонансных колебаний пьезоэлемента 4 и приемника 2 (например, частотами их радиальных и(или) продольных резонансных колебаний), увеличивается пропорционально добротности этих колебаний.

Таким образом, за счет того, что приемник ДА имеет геометрию (размеры диаметра и(или) длины), при которой его резонансные частоты (радиальная и(или) продольная) совпадают с соответствующими резонансными частотами пьезоэлемента, обеспечивается повышение чувствительности ДА по сравнению с прототипом.

Использование: для обнаружения твердой фазы в газожидкостном потоке в трубопроводе. Сущность: заключается в том, что датчик акустический, эмиссионный резонансного типа содержит корпус, пьезоэлемент с электродами, приемник и крепежное устройство, причем приемник контактирует с пьезоэлементом, при этом датчик дополнительно содержит юстировочное устройство, установленное со свободной стороны пьезоэлемента, и пружину, установленную за юстировочным устройством, а крепежное устройство выполнено в виде двух прижимных гаек, причем приемник выполнен раздельным с корпусом в виде цилиндра с плоской и выпуклой торцевыми поверхностями, а юстировочное устройство - в виде плавающей пары, включающей последовательно расположенные плосковыпуклую металлическую линзу и контактирующую с ней коническую втулку со сферической боковой поверхностью, при этом плоская поверхность металлической линзы контактирует с пьезоэлементом, а ее выпуклая поверхность, выполненная сферической, контактирует с конической поверхностью втулки, причем первая прижимная гайка установлена со стороны выпуклой торцевой поверхности цилиндрического приемника, а вторая - со стороны пружины. Технический результат: повышение чувствительности датчика. 9 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Датчик акустический, эмиссионный резонансного типа, содержащий корпус, пьезоэлемент с электродами, приемник и крепежное устройство, при этом приемник контактирует с пьезоэлементом, отличающийся тем, что дополнительно содержит юстировочное устройство, установленное со свободной стороны пьезоэлемента, и пружину, установленную за юстировочным устройством, а крепежное устройство выполнено в виде двух прижимных гаек, причем приемник выполнен раздельным с корпусом в виде цилиндра с плоской и выпуклой торцевыми поверхностями, а юстировочное устройство - в виде плавающей пары, включающей последовательно расположенные плоско-выпуклую металлическую линзу и контактирующую с ней коническую втулку со сферической боковой поверхностью, при этом плоская поверхность металлической линзы контактирует с пьезоэлементом, а ее выпуклая поверхность, выполненная сферической, контактирует с конической поверхностью втулки, причем первая прижимная гайка установлена со стороны выпуклой торцевой поверхности цилиндрического приемника, а вторая - со стороны пружины.

2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит две электроизолирующие прокладки, расположенные с двух сторон пьезоэлемента, причем приемник контактирует с пьезоэлементом через первую электроизолирующую прокладку, а плоская поверхность металлической линзы контактирует с пьезоэлементом через вторую электроизолирующую прокладку.

3. Датчик по п.1, отличающийся тем, что приемник выполнен акустически развязанным с корпусом, с выступом, расположенным на середине его цилиндрической поверхности, а первая прижимная гайка контактирует с наружной поверхностью выступа.

4. Датчик по п.1, отличающийся тем, что между плоской поверхностью цилиндрического приемника и пьезоэлементом установлена прокладка из золотой фольги.

5. Датчик по п.1, отличающийся тем, что между пружиной и второй прижимной гайкой установлена первая регулировочная прокладка.

6. Датчик по п.1, отличающийся тем, что между корпусом и второй прижимной гайкой установлена вторая регулировочная прокладка.

7. Датчик по п.1, отличающийся тем, что пьезоэлемент выполнен составным из нескольких пьезопластин.

8. Датчик по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит электродную панель, установленную на торцевой поверхности второй прижимной гайки и закрепленную с помощью винтов.

9. Датчик по п.8, отличающийся тем, что дополнительно содержит выводной кабель, контактирующий с электродами на электродной панели.

10. Датчик по п.9, отличающийся тем, что дополнительно содержит экранирующий колпак с выводным отверстием для кабеля, закрепленный на корпусе с помощью резьбового соединения.