ВОЛНОВОДНЫЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ РАСХОДОМЕРА Российский патент 2015 года по МПК G01N29/00 

Предлагаемое устройство относится к ультразвуковой контрольно-измерительной технике и может быть использовано в приборах контроля расхода высокотемпературных жидких и газовых потоков.

Устройство может применяться, например, в расходомерах для энергетических и химико-технологических установок, системах контроля и диагностики атомных электростанций и других отраслях хозяйственной деятельности.

Для проведения измерений при помощи ультразвука преобразователь должен находиться в акустическом (механическом) контакте с измеряемой средой. Сравнительно просто создать преобразователь, работающий в неагрессивной среде и при температуре, близкой к нормальной. Однако при повышении температуры возникают значительные технические трудности для обеспечения работоспособности такого преобразователя, поскольку высокие температуры неблагоприятно воздействуют на большинство материалов.

Устойчивость преобразователя может обеспечить применение металлического акустического волновода как промежуточного связующего звена между нагретой поверхностью объекта с измеряемой средой и собственно преобразователем.

Основными проблемами, возникающими при использовании волноводов, являются дисперсия сигнала и потеря энергии. Дисперсия сигнала проявляется в виде затягивания импульсных сигналов, появления паразитных сигналов с различной скоростью распространения и, как результат, происходит существенное ослабление полезного сигнала. Потеря энергии возникает в основном на границах: преобразователь - волновод и волновод - поверхность объекта, например, это поверхность трубы с измеряемой средой. Указанные нежелательные эффекты могут полностью нарушить работу преобразователя.

Для уменьшения дисперсии акустического сигнала применяют волноводы в виде набора тонких стержней, свернутую в спираль фольгу, цилиндрические волноводы с поглощающим покрытием, а также волноводы в виде пластин [1-5]. Для снижения потерь на границе волновод - поверхность трубы применяют волноводы в виде пластины, прижимаемой к трубе по образующей.

Наиболее совершенными являются преобразователи, способные проводить измерение расхода потока через стенку трубопровода без непосредственного контакта с измеряемой средой, так называемые накладные преобразователи. При этом они должны обеспечивать ввод акустического луча в среду под некоторым углом к стенке трубопровода (не перпендикулярно поверхности трубы).

Наиболее близким по совокупности признаков и достигаемому техническому результату к заявляемому устройству является «Устройство для присоединения ультразвукового преобразователя к стенке трубы» патент США 7343821.

Известное устройство состоит из тонкой соединительной пластины (волновода), расположенной между стенкой трубы вдоль ее поверхности и преобразователем, преобразователя и элементов прижима волновода к трубе и преобразователю. Отличительной особенностью устройства является форма волновода в виде двух смещенных относительно друг другу прямоугольных областей, обеспечивающих, по утверждению заявителя, формирование изотерм температурного поля, параллельных поверхности трубопровода, а в области, примыкающей к преобразователю - перпендикулярных пути акустического луча, что приводит к минимизации погрешности измерений. Вследствие малой толщины волноводной пластины и применения металла с относительно низкой теплопроводностью происходит эффективное охлаждение волновода окружающим воздухом за счет конвекции.

Работает устройство следующим образом. Преобразователь генерирует сдвиговые волны ультразвуковой частоты, которые по волноводу достигают стенки трубы, формируя в ней направленные вдоль стенки волны сдвиговых напряжений. Эти волны создают колебания внутренней поверхности трубы (поверхностные волны), формирующие в измеряемой жидкости продольные волны, направленные под углом около 60° к оси трубы. Прием сигналов, прошедших через поток жидкости, осуществляется вторым таким же преобразователем, расположенным на противоположной стенке трубы. Таким образом, измеряя время пробега сигнала от излучателя к приемнику, можно определять скорость движения жидкости, например, времяпролетным методом.

Несмотря на удовлетворительные эксплуатационные характеристики, известное устройство имеет ряд недостатков. Во-первых, сравнительно массивный волновод не обеспечивает достаточно быстрой передачи тепла окружающему воздуху, что приводит к необходимости увеличения его площади. Во-вторых, указанное в заявке распределение температурного поля на практике не выполняется из-за влияния свободных угловых поверхностей, находящихся в разных температурных и конвекционных условиях. Поэтому перед разработчиком стоит задача улучшить эксплуатационные характеристики устройства, а именно снизить количество тепла, поступающего по волноводу к преобразователю, а также выровнять температурное поле в волноводной пластине. Выполнение этих задач позволяет увеличить расстояние от трубопровода до преобразователя при снижении площади волноводной пластины (понизив таким образом его температуру) и повысить точность измерения расхода.

Поставленная задача решается благодаря тому, что волноводный ультразвуковой преобразователь расходомера, содержащий пьезоэлектрический преобразователь, волноводную пластину, имеющую поверхности для контактирования с пьезоэлектрическим преобразователем и поверхностью трубы с контролируемой средой, и устройства прижима волноводной пластины к трубе и преобразователю, отличается тем, что волноводная пластина выполнена в форме удлиненного параллелограмма, один конец которого прижимается к поверхности трубы, а на втором установлен преобразователь сдвиговых волн, при этом угол острого угла параллелограмма выбирается преимущественно в диапазоне 20-50°.

Преобразователь также отличается тем, что на концах волноводной пластины сформированы приливы в форме петель для фиксации устройств крепления, при этом одна из поверхностей каждого прилива параллельна поверхностям коротких сторон параллелограмма волноводной пластины.

Преобразователь также отличается тем, что ширина волноводной пластины преимущественно вдвое шире луча изгибных волн, генерируемых преобразователем.

Преобразователь также отличается тем, что толщина волноводной пластины существенно меньше ее ширины.

Преобразователь также отличается тем, что устройство прижима волноводной пластины к трубе выполнено на основе цепи с возможностью ее натяжения резьбовым элементом.

Отличительные признаки заявляемого устройства в совокупности с известными признаками обеспечивают решение поставленной задачи - улучшить эксплуатационные характеристики устройства, а именно снизить количество тепла, поступающего по волноводу к преобразователю, а также выровнять температурное поле в волноводной пластине.

В предлагаемом устройстве поставленная задача решается за счет выбора особой формы волноводной пластины, а именно удлиненного параллелограмма, одна из коротких сторон которого прижимается к стенке трубопровода, а на втором установлен преобразователь.

Угол острого угла параллелограмма выбирается преимущественно в диапазоне 20-50° и определяется согласно углу излучения (приема) сдвиговых волн преобразователем.

Конструкция волноводного ультразвукового преобразователя расходомера поясняется рисунком (Фиг. 1). Она включает волноводную пластину в форме удлиненного параллелограмма 1, пьезопреобразователь 2, устройство прижима 3 волноводной пластины к трубе с контролируемым потоком жидкости 4, а также устройство прижима преобразователя к волноводной пластине 5. Волноводная пластина снабжена приливами в форме петель: 6 для крепления устройства прижима ее к трубе и 7 для крепления устройства прижима 5 пьезоэлектрического преобразователя 2.

Выбранная форма приливов в форме петель минимизирует утечку тепла, выравнивая тем самым температурное поле в волноводной пластине, одновременно обеспечивает возможность ее надежного крепления к трубе и крепление преобразователя. Устройство крепления волноводной пластины к трубе на основе цепи 11 обеспечивает его теплостойкость и долговременную стойкость в условиях высоких температур без опасности растяжения и деформации. Кроме того, позволяет легко варьировать длину охвата для различных по диаметру труб.

Выбор ширины волноводной пластины преимущественно вдвое более широкой луча изгибных волн, генерируемых преобразователем, позволяет избежать формирования отраженных сигналов от боковой границы волновода.

Выбор толщины волноводной пластины существенно меньше ее ширины позволяет, во-первых, уменьшить передачу тепла по волноводу и, во-вторых, упростить решение задачи создания акустического контакта между волноводом и трубой.

Работает волноводный ультразвуковой преобразователь расходомера следующим образом. При подаче на пьезопреобразователь 2 электрических импульсов генерируются акустические импульсы ультразвуковой частоты, которые через контактную поверхность 8 поступают в волновод 1. Пройдя по волноводу, импульсы через контактную поверхность 9 попадают на внешнюю поверхность и затем внутрь стенки трубы 4. Распространяясь в стенке, акустические импульсы переизлучаются в поток контролируемой среды 10, формируя в ней волну ультразвука, направленную под углом к оси трубы. Прием ультразвуковых импульсов осуществляется при помощи аналогичного преобразователя, расположенного на противоположной стенке трубы. Скорость движения потока, а, следовательно, и расход производится, например, путем измерения времени пробега ультразвуковых импульсов по и против потока.

Физическая (волновая) картина распространения акустического сигнала в волноводном ультразвуковом преобразователе поясняется на рисунке фиг. 2.

При подаче на обкладки пьезопластины 1 электрических импульсов генерируются акустические волны с частотой, определяемой толщиной пьезопластины. Возникающие в призме 2 продольные волны 3 под углом α падают на границу: нижняя грань призмы - волновод 4. В качестве материала призмы 2, как правило, используются пластики, важным свойством которых является значительно более низкая скорость звука в них по сравнению со многими металлами, в частности в стали. Вследствие различия скоростей звука в пластике призмы и стали волновода на границе преобразователь - волновод происходит расщепление продольной волны в призме на продольную 5 и сдвиговую 6 волны в волноводе, а также их преломление. При этом преломление волн происходит в соответствии с законом синусов:

где β - угол прохождения сдвиговых волн в металл;

c₁ - скорость звука продольных волн в полимере преобразователя (обычно около 2700 м/с);

с₂ - скорость звука сдвиговых волн в металле волновода (в стали, примерно, 3300 м/с).

Поскольку скорость продольных волн значительно больше сдвиговых (в стали скорость продольных волн, примерно, 6200 м/с), при правильном выборе угла наклона пьезопластины к границе полимер - металл угол прохождения продольных волн становится закритическим (sinγ>1) и они вырождаются (исчезают). В результате в волноводе 4 остаются и распространяются дальше только сдвиговые волны 6.

По вышеуказанной причине физически могут быть реализованы устройства, в которых угол острого угла параллелограмма должен выбираться преимущественно в диапазоне 20-50°.

Характерной особенностью сдвиговых волн является их низкая дисперсия в частотном диапазоне 1-5 МГц при толщине волноводной пластины 2-4 мм.

Далее сдвиговые волны достигают поверхности трубопровода 7 и распространяются в его стенке. Эти сдвиговые волны с поляризацией перпендикулярно оси трубы возбуждают поверхностные волны 8 на внутренней поверхности стенки трубы, которые эффективно излучаются под углом φ в поток жидкости внутри трубы, образуя направленный поток ультразвука в контролируемой среде 9.

Нами были изготовлены и испытаны опытные образцы преобразователей. В них волноводная пластина была изготовлена из аустенитной стали марки 12Х18Н10Т толщиной 2 мм. В качестве пьезопластины использовалась пьезокерамика марки ЦТС-19 толщиной 2 мм, призма изготовлена из оргстекла. Преобразователи устанавливались на трубопроводах диаметром до 260 мм и использовались в составе расходомеров для контроля среды при температуре около 300°C.

Показана устойчивая и надежная работа устройств в течение нескольких месяцев.

Источники информации:

1. Евразийский патент №018762

2. Патент США №5962790

3. Патент США №6400648

4. Патент США №5828274

5. Патент США №6047602

6. Патент США №7343821

Предлагаемое устройство относится к ультразвуковой контрольно-измерительной технике и может быть использовано в приборах контроля расхода высокотемпературных жидких и газовых потоков. Волноводный ультразвуковой преобразователь расходомера содержит пьезоэлектрический преобразователь, волноводную пластину, имеющую поверхности для контактирования с пьезоэлектрическим преобразователем и поверхностью трубы с контролируемой средой, и устройства прижима волноводной пластины к трубе и преобразователю. В нем волноводная пластина выполнена в форме удлиненного параллелограмма, один конец которого прижимается к поверхности трубы, а на втором установлен преобразователь сдвиговых волн, при этом угол острого угла параллелограмма выбирается преимущественно в диапазоне 20-50°. Технический результат − улучшение эксплуатационных характеристик устройства, а именно снижение количества тепла, поступающего по волноводу к преобразователю, а также возможность выровнять температурное поле в волноводной пластине. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Волноводный ультразвуковой преобразователь расходомера, содержащий пьезоэлектрический преобразователь, волноводную пластину, имеющую поверхности для контактирования с пьезоэлектрическим преобразователем и поверхностью трубы с контролируемой средой, и устройства прижима волноводной пластины к трубе и преобразователю, отличающийся тем, что волноводная пластина выполнена в форме удлиненного параллелограмма, один конец которого прижимается к поверхности трубы, а на втором установлен преобразователь сдвиговых волн, при этом угол острого угла параллелограмма выбирается преимущественно в диапазоне 20-50°.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что на концах волноводной пластины сформированы приливы в форме петель для фиксации устройств крепления, при этом одна из поверхностей каждого прилива параллельна поверхностям коротких сторон параллелограмма волноводной пластины.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что ширина волноводной пластины преимущественно вдвое шире луча изгибных волн, генерируемых преобразователем.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что толщина волноводной пластины существенно меньше ее ширины.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что устройство прижима волноводной пластины к трубе выполнено на основе цепи с возможностью ее натяжения резьбовым элементом.