УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ГАЗОВЫЙ РАСХОДОМЕР Российский патент 2022 года по МПК G01F1/66 H04R17/00 

Изобретение относится к ультразвуковым расходомерам (счетчикам) для измерения расхода газа.

Известен ультразвуковой газовый расходомер (см. Свидетельство на полезную модель РФ №32268), содержащий измерительную камеру, представляющую собой отрезок газовой трубы, одну пару пьезоэлектрических приемопередатчиков. Пьезоэлектрические приемопередатчики в этом техническом решении установлены в проточной полости измерительной камеры. Такое размещение пьезоэлектрических приемопередатчиков приводит к возникновению вихревых потоков при движении газа, что вносит погрешности в величину измеряемого расхода газа, а также снижает возможный динамический диапазон измеряемого расхода газа. Другими недостатками такого решения являются: конструктивная сложность, а также ограниченная возможность применения такого решения для реализации многолучевых расходомеров.

Известен также ультразвуковой газовый расходомер (Свидетельство на полезную модель РФ №37826), содержащий измерительную камеру, представляющую собой отрезок газовой трубы, одну пару пьезоэлектрических приемопередатчиков. В этом расходомере пьезоэлектрические приемопередатчики расположены в стаканах, которые, в свою очередь, установлены непосредственно в измеряемом потоке газа. Такое размещение пьезоэлектрических приемопередатчиков также приводит к возникновению вихревых потоков в движущемся газовом потоке, что снижает точность измерений и уменьшает динамический диапазон измеряемого расхода газа. Другими недостатками такого решения также являются: конструктивная сложность и ограниченная возможность применения такого решения для реализации многолучевых расходомеров.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является известный ультразвуковой газовый расходомер (Свидетельство на изобретение РФ № RU 2623833 C1), содержащий измерительную камеру, представляющую собой отрезок газовой трубы с отверстиями либо патрубками для установки ультразвуковых приемопередатчиков и, по меньшей мере, четыре пары ультразвуковых пьезоэлектрических приемопередатчиков, расположенных под углом к направлению потока, с возможностью образования, по меньшей мере, четырех измерительных лучей. Расположение ультразвуковых пьезоэлектрических приемопередатчиков под углом к направлению газового потока существенно усложняет конструкцию измерительной камеры, а также технологию изготовления измерительной камеры. Такая технология требует наличия специального сложного и дорогостоящего оборудования для выполнения наклонных соосных отверстий для каждой пары ультразвуковых приемопередатчиков. Кроме того такое решение ограничивает для ультразвуковых пучков (лучей) базовое расстояние пространственных составляющих, параллельных направлению газового потока, что, в свою очередь, ограничивает точность измерения расхода протекающего газа.

Сущность изобретения выражается в том, что каждый из пьезоэлектрических приемопередатчиков состоит из двух блоков - посадочного и приемоизлучающего, соединенных между собой так, что ось симметрии приемоизлучающего блока наклонена к оси симметрии посадочного блока на некоторый угол, определяемый заданным направлением ультразвукового пучка, причем габаритные размеры приемоизлучающего блока в плоскости, перпендикулярной оси симметрии посадочного блока, совпадающей с осью симметрии патрубка для установки пьезоэлектрического приемопередатчика, не превышают внутренних размеров патрубка для установки пьезоэлектрического приемопередатчика, а ось симметрии патрубков для установки пьезоэлектрических приемопередатчиков перпендикулярна оси симметрии измерительной камеры.

Сущность изобретения по п. 2 выражается в том, что приемоизлучающие поверхности приемоизлучающих блоков каждой пары пьезоэлектрических приемопередатчиков расположены в измерительной камере друг напротив друга и их оси симметрии совпадают.

Сущность изобретения по п. 3 выражается в том, что внутри измерительной камеры вблизи ее поверхности установлено плоское зеркало для ультразвуковых пучков, а угловые положения приемоизлучающих поверхностей приемоизлучающих блоков каждой из пар приемопередатчиков сориентированы так, что оси симметрии приемоизлучающих блоков в каждой паре лежат в одной плоскости, перпендикулярной плоскости зеркала, пересекаются на поверхности зеркала и имеют углы относительно перпендикуляра к поверхности зеркала с совпадающими значениями и с противоположными знаками.

Технический результат, который достигается данным техническим решением, заключается в уменьшении габаритных размеров расходомера, упрощении конструкции расходомера и существенном упрощении технологии изготовления измерительной камеры, а также в повышении точности измерения расхода газа.

Технический результат заявляемого решения достигается тем, что каждый из пьезоэлектрических приемопередатчиков состоит из двух блоков - посадочного и приемоизлучающего, соединенных между собой так, что ось симметрии приемоизлучающего блока наклонена к оси симметрии посадочного блока на некоторый угол, определяемый заданным направлением ультразвукового пучка, причем габаритные размеры приемоизлучающего блока в плоскости, перпендикулярной оси симметрии посадочного блока, совпадающей с осью симметрии патрубка для установки пьезоэлектрического приемопередатчика, не превышают внутренних размеров патрубка для установки пьезоэлектрического приемопередатчика, а ось симметрии патрубков для установки пьезоэлектрических приемопередатчиков перпендикулярна Оси симметрии измерительной камеры.

Технический результат по п. 2 формулы изобретения достигается тем, что приемоизлучающие поверхности приемоизлучающих блоков каждой пары пьезоэлектрических приемопередатчиков расположены в измерительной камере друг напротив друга и их оси симметрии совпадают.

Технический результат по п. 3 формулы изобретения достигается тем, внутри измерительной камеры вблизи ее поверхности установлено плоское зеркало для ультразвуковых пучков, а угловые положения приемоизлучающих поверхностей приемоизлучающих блоков каждой из пар приемопередатчиков сориентированы так, что оси симметрии приемоизлучающих блоков в каждой паре лежат в одной плоскости, перпендикулярной плоскости зеркала, пересекаются на поверхности зеркала и имеют углы относительно перпендикуляра к поверхности зеркала с совпадающими значениями и с противоположными знаками.

Изобретение поясняется чертежами, где:

- на фиг. 1 показана конструкция заявляемого устройства в однолучевом исполнении, когда приемоизлучающие поверхности приемопередатчиков расположены напротив друг друга;

- на фиг. 2 показана конструкция заявляемого устройства в однолучевом исполнении с зеркалом, отражающем ультразвуковые пучки;

- на фиг. 3 показана конструкция заявляемого устройства в многолучевом (трехлучевом) исполнении, когда приемоизлучающие поверхности приемопередатчиков расположены напротив друг друга, а) - вид сверху, перпендикулярно осевой секущей плоскости центральной пары приемопередатчиков, б) - вид сбоку, в) вид в плоскости, перпендикулярной оси газового трубопровода;

- на фиг. 4 приведена конструкция заявляемого устройства в многолучевом (трехлучевом) исполнении с зеркалом, отражающем ультразвуковые пучки, а) - вид сбоку относительно секущей плоскости, проходящей через оси симметрии центральной пары приемопередатчиков, б) - вид сверху, в) - вид в плоскости, перпендикулярной оси трубопровода;

- на фиг. 5 приведена фотография экспериментальных образцов приемопередатчиков, выполненных согласно заявляемому техническому решению в однолучевом исполнении. Приемопередатчики расположены по схеме реализации заявляемого устройства, когда приемоизлучающие поверхности приемоизлучающих блоков приемопередатчиков расположены напротив друг друга;

- на фиг. 6 приведена фотография экспериментальных образцов приемопередатчиков, выполненных согласно однолучевому исполнению заявляемого технического решения. Приемопередатчики расположены по схеме реализации заявляемого устройства с зеркалом;

- на фиг. 7 приведена фотография макетного образца измерительной камеры с установленными приемопередатчиками по схеме с зеркалом, отражающим ультразвуковые пучки;

- на фиг. 8 приведена фотография макетного образца измерительной камеры расходомера в исполнении с зеркалом с установленными приемопередатчиками, один из которых подключен к импульсному генератору, а другой - к приемнику. На экране компьютера отображен импульс, задержанный на время распространения ультразвука от генератору -к приемнику.

На чертежах 1-4 позициями обозначено:

1 - измерительная камера, представляющая собой отрезок газового трубопровода,

2 - патрубок для установки пьезоэлектрического приемопередатчика,

3 - пьезоэлектрический приемопередатчик,

4 - посадочный блок приемопередатчика,

5 - приемоилучающий блок приемопередатчика,

6 - ультразвуковой пучок,

7 - приемоизлучающая поверхность приемоизлучающего блока приемопередатчика,

8 - зеркало, отражающее ультразвуковые пучки,

9 - отражающая поверхность зеркала.

Ультразвуковой расходомер газа (фиг. 1-8) содержит измерительную камеру (1), представляющую собой отрезок газового трубопровода с патрубками (2) для установки пьезоэлектрических приемопередатчиков (3), по меньшей мере, одну пару пьезоэлектрических приемопередатчиков (3), каждый из пьезоэлектрических приемопередатчиков (3) состоит из двух блоков - посадочного (4) и приемоизлучающего (5), соединенных между собой так, что ось симметрии приемоизлучающего блока (5) наклонена к оси симметрии посадочного блока (4) на некоторый угол (α), определяемый заданным направлением ультразвукового пучка (6), причем габаритные размеры приемоизлучающего блока (5) в плоскости, перпендикулярной оси симметрии посадочного блока (4), совпадающей с осью симметрии патрубка (2) для установки пьезоэлектрического приемопередатчика (3), не превышают внутренних размеров патрубка (2) для установки пьезоэлектрического приемопередатчика (3), а ось симметрии патрубков (2) для установки пьезоэлектрических приемопередатчиков (3) перпендикулярна оси симметрии измерительной камеры (1).

В ультразвуковом расходомере газа по п. 2 формулы изобретения (фиг. 1, 3) приемоизлучающие поверхности (7) приемоизлучающих блоков (5) каждой пары пьезоэлектрических приемопередатчиков (3) расположены в измерительной камере (1) друг напротив друга и их оси симметрии совпадают.

В ультразвуковом газовом расходомере по п. 3, формулы (фиг. 2, 4) внутри измерительной камеры (1) вблизи ее поверхности установлено плоское зеркало (8) для ультразвуковых пучков (6), а угловые положения приемоизлучающих поверхностей (7) приемоизлучающих блоков (5) каждой из пар приемопередатчиков (3) сориентированы так, что оси симметрии приемоизлучающих блоков в каждой паре (5) лежат в одной плоскости, перпендикулярной плоскости зеркала (8), пересекаются на отражающей поверхности (9) зеркала (8) и имеют углы (β) относительно перпендикуляра к поверхности зеркала с совпадающими значениями и с противоположными знаками.

Изобретение может быть осуществлено следующим образом

Ультразвуковой расходомер газа содержит измерительную камеру (1), представляющую собой отрезок газового трубопровода с патрубками (2) для установки пьезоэлектрических приемопередатчиков (3), по меньшей мере, одну пару пьезоэлектрических приемопередатчиков (3), каждый из пьезоэлектрических приемопередатчиков (3) состоит из двух блоков - посадочного (4) и приемоизлучающего (5), соединенных между собой так, что ось симметрии приемоизлучающего блока (5) наклонена к оси симметрии посадочного блока (4) на некоторый угол (α), определяемый заданным направлением ультразвукового пучка (6), причем габаритные размеры приемоизлучающего блока (5) в плоскости, перпендикулярной оси симметрии посадочного блока (4), совпадающей с осью симметрии патрубка (2) для установки пьезоэлектрического приемопередатчика (3), не превышают внутренних размеров патрубка (2) для установки пьезоэлектрического приемопередатчика (3), а ось симметрии патрубков (2) для установки пьезоэлектрических приемопередатчиков (3) перпендикулярна оси симметрии измерительной камеры (1).

Как это предложено в п. 2 формулы изобретения, приемоизлучающие поверхности (7) приемоизлучающих блоков (5) каждой пары пьезоэлектрических приемопередатчиков (3), расположены в измерительной камере (1) друг напротив друга и их оси симметрии совпадают.

Согласно п. 3 формулы изобретения, внутри измерительной камеры (1) вблизи ее поверхности установлено плоское зеркало (8) для ультразвуковых пучков (6), а угловые положения приемоизлучающих поверхностей (7) приемоизлучающих блоков (5) каждой из пар приемопередатчиков (3) сориентированы так, что оси симметрии приемоизлучающих блоков в каждой паре (5) лежат в одной плоскости, перпендикулярной плоскости зеркала (8), пересекаются на отражающей поверхности (9) зеркала (8) и имеют углы (β) относительно перпендикуляра к поверхности зеркала с совпадающими значениями и с противоположными знаками.

Таким образом, в каждом из предложенных вариантов исполнения, ультразвуковые пучки (6) в каждой паре приемопередатчиков (3) направлены при отсутствии газового потока перпендикулярно приемоизлучающим поверхностям (7) в паре приемоизлучающих блоков (5).

Пьезоэлектрические приемопередатчики (3) в каждой паре работают попеременно «на передачу» и «на прием». В первый момент времени один из приемопередатчиков (3) в паре (например, левый на фигурах 1-4) работает на передачу, генерируя короткий ультразвуковой импульс, который распространяется внутри измерительной камеры (1) до второго приемопередатчика (3) (правого на фигурах 1-4). Правый приемопередатчик (3) принимает акустический импульс с некоторой временной задержкой, обусловленной конечной скоростью распространения ультразвука, а также скоростью движения газового потока. В следующий момент времени правый приемопередатчик (3) генерирует ультразвуковой импульс, а левый - принимает сигнал с некоторой задержкой. Суммарная скорость ультразвуковой волны в движущейся газовой среде равна векторной сумме скоростей ультразвуковой волны и газового потока. Измеряя временную задержку в распространении ультразвукового импульса между двумя приемопередатчиками (3) в одном направлении, а затем время распространения импульса между этими же приемопередатчиками в обратном направлении, можно определить скорость ультразвука в неподвижной газовой среде, а также скорость движения газового потока. На основе полученных данных о скорости ультразвука в неподвижной среде делается вывод о свойствах протекающего газа, в том числе о наличии примесей, а на основании полученных данных о скорости движения газового потока в измерительной камере известной геометрии, вычисляется расход газа.

Пример конкретного исполнения

На фиг. 5 приведены фотографии экспериментальных образцов приемопередатчиков (3) с наклонным расположением приемоизлучающего блока (5) относительно посадочного блока (4) на угол α=30°. Корпуса приемопередатчиков (3) выполнены из титана, а приемоизлучающие блоки (5) приварены к посадочным блокам с помощью аргонной микродуговой сварки. Диаметр посадочного блока (4), погружаемого в патрубок (2) составляет 20 мм, а диаметр приемоизлучающей поверхности (7) приемоизлучающего блока (5) приемопередатчика (3) составляет 16 мм. Приемопередатчики (3) схематично расположены так, как они устанавливаются в измерительную камеру при встречном расположении приемоизлучающих поверхностей пары приемопередатчиков.

На фиг. 6 приведена фотография экспериментальных образцов приемопередатчиков (3), расположенных так, как они устанавливаются в исполнении измерительной камеры с зеркалом.

На фиг. 7 приведена фотография экспериментальной измерительной камеры (1) однолучевого расходомера с отражающим зеркалом (8). Внутренний диаметр отрезка трубопровода измерительной камеры (1) составляет 25 мм, а расстояние между осями симметрии патрубков (2) для установки приемопередатчиков (3) равно 60 мм. Общий размер измерительной камеры (1) с фланцами с учетом дополнительной установки датчика давления, составляет 170 мм, что соответствует одному из стандартных размеров промышленно выпускаемых расходомеров вихревого типа, у которых габаритный размер значительно меньше размера ультразвуковых расходомеров, рассчитанных на аналогичные сечения трубопровода и определяется лишь удобством компоновки датчика давления, тела обтекания и датчика изгибающего момента. При определенной технической необходимости заявляемый расходомер может быть выполнен еще более компактным, так как его размер вдоль трубопровода определяется только задаваемым расстоянием между осями приемопередатчиков и внешним диаметром патрубка для установки приемопередатчиков.

На фигуре 8 приведена фотография экспериментальной измерительной камеры (1) однолучевого расходомера с отражающим зеркалом (8). В измерительную камеру установлены приемопередатчики, один из которых подключен к генератору импульсов, а другой к приемнику. На экране отображен импульс, задержанный на величину прохождения ультразвука от передатчика к приемнику.

Достижение технического результата данным техническим решением

В таблице 1 приведено сопоставление характеристик заявляемого технического решения и аналогичных промышленно выпускаемых устройств, присутствующих на рынке.

Технический результат, который достигается данным техническим решением, заключается в уменьшении габаритных размеров расходомера, упрощении конструкции расходомера и существенном упрощении технологии изготовления измерительной камеры, а также в повышении точности измерения расхода газа.

Уменьшение габаритных размеров заявляемого устройства по сравнению с прототипом реализуется вследствие того, что приемопередатчики устанавливаются не наклонно к оси газового трубопровода, а по нормали к нему. Это позволяет выполнить прибор более компактным и удобным при монтаже и эксплуатации.

Отсутствие необходимости выполнения наклонных патрубков для установки приемопередатчиков в измерительной камере заявляемого устройства в отличие от прототипа, упрощает конструкцию и существенным образом упрощает технологию изготовления расходомера, вследствие чего снижается себестоимость, а также время на изготовление прибора.

Повышение точности заявляемого технического решения по сравнению с прототипом обусловлено конструктивной возможностью увеличения базовой длины проекции ультразвукового пучка на направление движения газового потока посредством вариации расстояния между осями приемопередатчиков и угла расположения приемоизлучающего блока относительно оси приемопередатчика. Кроме того, в п. 3 формулы изобретения реализуется дополнительное повышение точности определения расхода газа в заявляемом техническом решении, где за счет переотражения ультразвукового пучка от зеркала на противоположной поверхности трубопровода, удваивается длина пути ультразвукового пучка (при неизменном угле между осями приемопередающего и посадочного блоков) и, соответственно - длина его проекции на направление движения газового потока.

Изобретение относится к ультразвуковым расходомерам газа. Изобретение может быть использовано там, где требуется измерение расхода газа. Ультразвуковой газовый расходомер содержит измерительную камеру, патрубки для установки приемопередатчиков, по меньшей мере, одну пару пьезоэлектрических приемопередатчиков, каждый из которых состоит из двух блоков, соединенных между так, что их оси симметрии наклонены между собой на некоторый угол, а ось симметрии патрубков перпендикулярна оси симметрии измерительной камеры. Приемоизлучающие поверхности приемоизлучающих блоков могут быть расположены в измерительной камере друг напротив друга, и их оси симметрии совпадают, или же внутри измерительной камеры установлено зеркало, а угловые положения приемоизлучающих поверхностей каждой из пар приемопередатчиков сориентированы так, что оси симметрии приемоизлучающих блоков в каждой паре лежат в одной плоскости, перпендикулярной плоскости зеркала, пересекаются на отражающей поверхности зеркала и имеют углы относительно перпендикуляра к поверхности зеркала с совпадающими значениями и с противоположными знаками. Технический результат - уменьшение габаритных размеров, упрощение конструкции и существенное упрощение технологии изготовления измерительной камеры, а также повышение точности измерения расхода газа. 2 з.п. ф-лы, 8 ил.,1 табл.

1. Ультразвуковой газовый расходомер, содержащий измерительную камеру, представляющую собой отрезок газового трубопровода с патрубками для установки пьезоэлектрических приемопередатчиков, по меньшей мере, одну пару пьезоэлектрических приемопередатчиков, отличающийся тем, что каждый из пьезоэлектрических приемопередатчиков состоит из двух блоков – посадочного и приемоизлучающего, соединенных между собой так, что ось симметрии приемоизлучающего блока наклонена к оси симметрии посадочного блока на некоторый угол, определяемый заданным направлением ультразвукового пучка, причем габаритные размеры приемоизлучающего блока в плоскости, перпендикулярной оси симметрии посадочного блока, совпадающей с осью симметрии патрубка для установки пьезоэлектрического приемопередатчика, не превышают внутренних размеров патрубка для установки пьезоэлектрического приемопередатчика, а ось симметрии патрубков для установки пьезоэлектрических приемопередатчиков перпендикулярна оси симметрии измерительной камеры.

2. Ультразвуковой газовый расходомер по п.1, отличающийся тем, что приемоизлучающие поверхности приемоизлучающих блоков каждой пары пьезоэлектрических приёмоизлучателей расположены в измерительной камере друг напротив друга и их оси симметрии совпадают.

3. Ультразвуковой газовый расходомер по п.1, отличающийся тем, что внутри измерительной камеры вблизи её поверхности установлено плоское зеркало для ультразвуковых пучков, а угловые положения приемоизлучающих поверхностей каждой из пар приемоизлучающих блоков сориентированы так, что оси симметрии приемоизлучающих блоков в каждой паре лежат в одной плоскости, перпендикулярной плоскости зеркала, пересекаются на отражающей поверхности зеркала и имеют углы относительно перпендикуляра к поверхности зеркала с совпадающими значениями и с противоположными знаками.