ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПРИЕМОПЕРЕДАТЧИК Российский патент 2023 года по МПК G01N29/22 H04R17/00 G01F1/66 

Изобретение относится к ультразвуковым измерительным приборам, в частности к пьезоэлектрическим датчикам для газовых расходомеров, а более конкретно для расходомеров отработанных горячих газов, выбрасываемых в атмосферу промышленными предприятиями.

Известен высокотемпературный ультразвуковой приемопередатчик (П112-W5E https://constanta-us.com/catalog/preobrazovateli_dlya_tolshchinomera_bulat_3/p112_w5e/), содержащий приемоизлучающий узел, включающий мембрану и цилиндрический корпус мембраны, соединенные механически, чувствительный пьезоэлектрический узел в цилиндрическом корпусе чувствительного узла, включающий, по крайней мере, один осесимметричный пьезоэлемент с приемоизлучающей поверхностью, направленной в сторону мембраны, и переходной элемент, соединяющий механически чувствительный осесимметричный пьезоэлемент с мембраной. В этом техническом решении на цилиндрический корпус установлена теплоотводящая оснастка, помогающая защитить руки оператора от контакта с поверхностью контроля.

Такое техническое решение имеет недостатки: невысокая рабочая температура ультразвукового приемопередатчика (составляет лишь 250°С, а при кратковременном касании 500 градусов). При длительной работе приемопередатчика при высоких температурах (выше 250°С) пьезоэлемент в чувствительном пьезоэлектрическом узле выйдет из строя вследствие располяризации пьезоэлемента.

Известен также высокотемпературный ультразвуковой приемопередатчик (BGV https://avek.ru/production/nerazrushayushiy_kontrol/ul_trazvukovoy_kontrol/preobrazovateli/vysokotemperaturnye_datchiki.html), содержащий приемоизлучающий узел, включающий мембрану и цилиндрический корпус мембраны, соединенные механически, чувствительный пьезоэлектрический узел в цилиндрическом корпусе чувствительного узла, включающий, по крайней мере, один осесимметричный пьезоэлемент с приемоизлучающей поверхностью, направленной в сторону мембраны, и переходной элемент, соединяющий механически чувствительный осесимметричный пьезоэлемент с мембраной.

Недостатком данного технического решения является то, что максимальная рабочая температура не превышает 350°С. Температурное ограничение связано с вероятностью разрушения пьезоэлемента при повышенных температурах.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является высокотемпературный ультразвуковой приемопередатчик (Flowsic100 https://www.sick.com/ru/ru/flow-measurement-technology/gas-flow-measuring-instruments/flowsic100/flowsic100/p/p349355), содержащий приемоизлучающий узел, включающий мембрану и цилиндрический корпус мембраны, соединенные механически, чувствительный пьезоэлектрический узел в цилиндрическом корпусе чувствительного узла, включающий, по крайней мере, один осесимметричный пьезоэлемент с приемоизлучающей поверхностью, направленной в сторону мембраны, и переходной элемент, соединяющий механически чувствительный осесимметричный пьезоэлемент с мембраной. В этом техническом решении для повышения рабочей температуры (до 450°С) предусмотрено воздушное охлаждение чувствительного пьезоэлектрического узла.

Данное техническое решение также не лишено недостатка, связанного с ограничением рабочей для температуры свыше 450°С. Это обусловлено выходом из строя (располяризацией) пьезокерамического элемента при повышенных температурах.

Другим недостатком данного технического решения является сложность конструкции, определяемая необходимостью применения воздушного охлаждения для достижения режима работы при максимальных температурах (до 450°С).

Еще одним недостатком данного технического решения является необходимость установки пары приемопередатчиков соосно напротив друг друга в стенке выводящей тубы и под заданным углом к направлению движения газового потока.

Техническая проблема заключается в разработке конструктивно простого приемопередатчика для ультразвуковых измерителей расхода отработанных газов, способного работать при повышенных рабочих температурах протекающих потоков газа и имеющего возможность установки дополнительных чувствительных элементов для измерения вспомогательных характеристик газового потока, позволяющего установку нормально к стенке выводящей трубы при обеспечении заданного наклона направления ультразвукового пучка относительно направления газового потока, а также позволяющего установку пары таких приемопередатчиков через единое окно в стенке выводящей трубы.

В выводящих трубах большого диаметра (от 3 до 15 м) температуры отработанных газов могут значительно превышать максимальные рабочие температуры существующих ультразвуковых датчиков и достигать значений 600-700°С. Кроме того, измерительные датчики в соответствии с требованиями регламентирующих документов, должны устанавливаться в верхней половине газовыводящих труб на высоте в несколько десятков метров, что значительно усложняет монтаж и подводку систем охлаждения приемопередающих датчиков. Еще одной сложностью является обеспечение установки пары приемопередатчиков напротив друг друга соосно на противоположных стенках трубы под наклоном к направлению газового потока, что вызывает дополнительные трудности технической реализации такой наклонной установки в толстостенной выводящей трубе. При этом наклонные каналы на противоположных сторонах трубы должны находиться на разных высотах для обеспечения соосности наклонно расположенных приемопередатчиков, что является еще одной сложностью выполнения таких высотных монтажных работ. Еще одной проблемой при решении задачи измерения количества выводимых газов является необходимость измерения вспомогательных характеристик газового потока, таких, как давление, температура, компонентный состав газового потока, для чего требуется установка дополнительных чувствительных элементов, таких как датчики температуры, давления, оптические волноводы для спектрального измерения компонентного состава и др.

Технический результат заключается в реализации возможности измерения количества протекающего газа при повышенной рабочей температуры (>700°C) измеряемого газового потока за счет изменения конструкции приемопередатчика таким образом, что переходной элемент представляет собой осесимметричный акустический волновод, чувствительный пьезоэлектрический узел в цилиндрическом корпусе вынесен за пределы корпуса мембраны посредством переходного элемента на расстояние между приемоизлучающей поверхностью пьезоэлемента и мембраной, кратное четверти длины ультразвуковой волны в материале переходного элемента на рабочей частоте приемопередатчика, а цилиндрический корпус чувствительного пьезоэлектрического узла соединен механически с переходным элементом, по крайней мере, в одном соединительном узле.

Дополнительные технические результаты заключаются:

- в возможности установки дополнительных чувствительных элементов для измерения вспомогательных характеристик газового потока;

- в возможности установки приемопередатчиков нормально стенке выводящей трубы при обеспечении наклона направления ультразвукового пучка относительно направления газового потока;

- в возможности установки пары приемопередатчиков на одной штанге (ферме) в одном технологическом отверстии стенки трубы.

Технический результат заявляемого решения достигается тем, что в высокотемпературном ультразвуковом приемопередатчике, содержащем приемоизлучающий узел, включающий мембрану и цилиндрический корпус мембраны, соединенные механически, чувствительный пьезоэлектрический узел в цилиндрическом корпусе чувствительного узла, включающий, по крайней мере, один осесимметричный пьезоэлемент с приемоизлучающей поверхностью, направленной в сторону мембраны, и переходной элемент, соединяющий механически чувствительный осесимметричный пьезоэлемент с мембраной, согласно изобретению переходной элемент представляет собой осесимметричный акустический волновод, чувствительный пьезоэлектрический узел в цилиндрическом корпусе вынесен за пределы корпуса мембраны посредством переходного элемента на расстояние между приемоизлучающей поверхностью пьезоэлемента и мембраной, кратное четверти длины ультразвуковой волны в материале переходного элемента на рабочей частоте приемопередатчика, а цилиндрический корпус чувствительного пьезоэлектрического узла соединен механически с переходным элементом, по крайней мере, в одном соединительном узле.

Переходной элемент представляет собой полую трубку, позволяющую вводить в конструкцию дополнительные чувствительные элементы.

Переходной элемент имеет плавный изгиб на некоторый заданный угол между осью чувствительного пьезоэлектрического узла и осью приемоизлучающего узла, что позволяет устанавливать приемопередатчики нормально стенке выводящей трубы при наклонном распространении ультразвукового пучка, а также позволяет вводить пару приемопередатчиков через единое наклонное окно в газовыводящей трубе.

Изобретение поясняется чертежами, где:

На фиг. 1 показана общая конструкция заявляемого устройства.

На фиг. 2 показан вариант конструкции заявляемого устройства с двумя осесимметричными пьезоэлементами.

На фиг. 3 показана конструкция заявляемого устройства по п.2 формулы;

На фиг. 4 и фиг. 5. показаны варианты конструкции заявляемого устройства по п.3 формулы.

На фиг. 6 показан вариант установки приемопередатчиков по п.1 формулы в газовыводящую трубу.

На фиг. 7 показан вариант расположения приемопередатчиков нормально к поверхности трубы в реализации конструкции по п.3 формулы.

На фиг. 8 показан вариант введения пары приемопередатчиков в единое наклонное отверстие в газовыводящей трубе, реализованный согласно п.3 формулы изобретения.

На фиг. 9 а) и б) приведены фотографии установки (в двух ракурсах - а) и б)), демонстрирующей работу заявляемого технического решения. На экране компьютера отображен импульс, генерируемый одним и принимаемый вторым из пары приемопередатчиков. Приемоизлучающий узел соединен механически с чувствительным пьезоэлектрическим узлом посредством переходного элемента, выполняющего роль акустического волновода. В соответствии с п.2 формулы в данном исполнении переходной элемент выполнен в виде трубки, позволяющей разместить внутри нее дополнительный чувствительный элемент, например термопару для определения температуры газа в измеряемой области, или оптический волоконный волновод для определения компонентного состава газа (например, спектральными методами).

На фиг. 10 приведена фотография реализованного исполнения заявляемого технического решения в соответствии с п. 3 формулы, когда переходной элемент имеет плавный изгиб на заданный угол (в данном исполнении 180°), позволяющий расположить пару приемопередатчиков в общем узле (на общей штанге или ферме), чтобы вводить его в газовыводящую трубу через единое отверстие под заданным углом к направлению газового потока.

На чертежах (фиг.1 – фиг.8) позициями обозначено:

1 – приемоизлучающий узел;

2 – мембрана;

3 – цилиндрический корпус мембраны;

4 – чувствительный пьезоэлектрический узел;

5 – цилиндрический корпус чувствительного узла;

6 – осесимметричный пьезоэлемент;

7 – приемоизлучающая поверхность;

8 – переходной элемент;

9 – соединительные узлы;

10 – полая трубка (осевое отверстие в переходном элементе).

Высокотемпературный ультразвуковой приемопередатчик (фиг.1-5), содержит приемоизлучающий узел (1), изготовленный из высокотемпературного материала, например металла, включающий мембрану (2) и цилиндрический корпус мембраны (3), соединенные механически, также изготовленные из высокотемпературных материалов, чувствительный пьезоэлектрический узел (4) в цилиндрическом корпусе (5) чувствительного узла (4), включающий, по крайней мере, один осесимметричный пьезокерамический элемент (6) с приемоизлучающей поверхностью (7), направленной в сторону мембраны (2), и переходной элемент (8), соединяющий механически чувствительный осесимметричный пьезоэлемент (6) с мембраной (2), переходной элемент (8) представляет собой осесимметричный акустический волновод и может быть выполнен из высокотемпературного материала, например из нержавеющей стали, чувствительный пьезоэлектрический узел (4) в цилиндрическом корпусе (5) чувствительного узла (4) вынесен за пределы корпуса (3) мембраны (2) посредством переходного элемента (8) на расстояние между приемоизлучающей поверхностью (7) осесимметричного пьезоэлемента (6) и мембраной (2), кратное четверти длины ультразвуковой волны в материале переходного элемента (6) на рабочей частоте приемопередатчика, а цилиндрический корпус (5) чувствительного пьезоэлектрического узла (4) соединен механически с переходным элементом (8), по крайней мере, в одном соединительном узле (9).

В высокотемпературном ультразвуковом приемопередатчике переходной элемент (8) представляет собой полую трубку (10), в которую могут быть введены дополнительные чувствительные элементы, например датчик температуры.

В высокотемпературном ультразвуковом приемопередатчике (фиг 4, 5) переходной элемент (8) имеет плавный изгиб на некоторый заданный угол α между осью чувствительного пьезоэлектрического узла (4) и осью приемоизлучающего узла (1). Такой изгиб может составлять заданный угол между осью, перпендикулярной приемоизлучающим поверхностям пары приемопередатчиков и направлением газового потока, чтобы обеспечить наклонное пронизывание газового потока ультразвуковым пучком.

Два ультразвуковых приемопередатчика, установлены напротив друг друга под углом к направлению газового потока. Приемопередатчики в паре работают попеременно «на передачу» и «на прием». В первый момент времени один из приемопередатчиков в паре (например, левый на фигурах 6-8) работает на передачу, генерируя короткий ультразвуковой импульс, который распространяется внутри газовыводящей трубы до второго приемопередатчика (правого на фигурах 6-8). Правый приемопередатчик принимает акустический импульс с некоторой временной задержкой, обусловленной конечной скоростью распространения ультразвука, а также скоростью движения газового потока. В следующий момент времени правый приемопередатчик 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 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 газовой трубе известной геометрии, вычисляется расход и объем протекающего газа.

Пример конкретного исполнения.

На фигурах 9 и 10 приведены фотографии реализованных приемопередатчиков в работающем режиме. На экране компьютера отображен импульс, генерируемый одним и принимаемый вторым из пары приемопередатчиков. Высокотемпературный ультразвуковой приемопередатчик, содержит приемоизлучающий узел, включающий мембрану и цилиндрический корпус мембраны, соединенные механически и выполненные как единый узел методом токарной обработки из дюралюминиевого сплава. Чувствительный пьезоэлектрический узел в цилиндрическом дюралюминиевом корпусе чувствительного узла включает осесимметричный пьезоэлемент из пьезокерамики ЦТС-19 с приемоизлучающей поверхностью, направленной в сторону мембраны. Переходной элемент, выполненный из стали и соединяющий механически чувствительный осесимметричный пьезоэлемент с мембраной, представляет собой осесимметричный акустический волновод. Чувствительный пьезоэлектрический узел в цилиндрическом корпусе вынесен за пределы корпуса мембраны посредством переходного элемента на расстояние между приемоизлучающей поверхностью пьезоэлемента и мембраной, кратное четверти длины ультразвуковой волны в стали на рабочей частоте приемопередатчика. Цилиндрический корпус чувствительного пьезоэлектрического узла соединен механически с переходным элементом в двух соединительных узлах. На фиг.9 приведено исполнение высокотемпературного ультразвукового приемопередатчика, в котором переходной элемент представляет собой полую трубку из нержавеющей стали в соответствии с п.2 формулы. На фиг. 10 приведена фотография пары приемопередатчиков в работающем режиме; при этом у одного из приемопередатчиков в соответствии с п.3 формулы переходной элемент имеет плавный изгиб на угол в 180 градусов, что позволяет объединить пару приемопередатчиков в один узел, закрепив их на фиксирующей штанге или ферме; в этом случае появляется возможность вводить этот узел в единое технологическое отверстие в стенке газовыводящей трубы. Это существенным образом упрощает конструкцию системы и технологию установки датчиков в измерительный тракт. Выбор длины переходного элемента, кратной четверти длины ультразвуковой волны в материале этого переходного элемента на рабочей частоте приемопередатчика обусловлено тем обстоятельством, что переходной элемент, служащий акустическим волноводом, выполняет также функцию согласования акустических импедансов пьезоэлемента с газовой средой. Такое согласование оказывается оптимальным при размере согласующего элемента (в данном случае – при длине переходного элемента), кратном четверти длины ультразвуковой волны в материале согласующего элемента на рабочей частоте приемопередатчика.

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

Таблица 1. Сопоставление технических характеристик.

Характеристика
Приборы Максимальная рабочая температура,
° С Возможность установки дополнительных чувствительных элементов Излучение и прием УЗ сигнала под заданным углом Заявляемое устройство > 700 да да Аналог (П112-W5E) 250, (кратковременно до 500) нет нет Аналог (B GV) 250 (кратковременно доя 300) нет нет Прототип (Flowsik 100) 450 (при принудительном охлаждении) нет нет

Технический результат, достигаемый заявляемым техническим решением, заключается в реализации возможности измерения количества протекающих газов в выводящих трубах при повышенных температурах (>700°C), что осуществляется за счет того, что чувствительный пьезоэлектрический узел вынесен за пределы высокотемпературной области, в которой находится приемоизлучающий узел, посредством переходного элемента, представляющего собой акустический волновод. Такой переходной элемент в соответствии с п.2 формулы может представлять собой полую трубку. В этом случае появляется возможность установки дополнительных чувствительных элементов, например термопары для определения температуры в области измерения количества протекающего газа, или волоконного световода для определения композиционного состава газовой смеси (например, спектральными методами). Кроме того, в соответствии с п.3 формулы имеется возможность плавно изогнуть переходной элемент на заданный угол, при этом он по-прежнему будет выполнять функцию акустического волновода. В таком исполнении датчики можно устанавливать нормально к стенке трубы, тогда как ультразвуковой пучок будет направлен под заданным углом к газовому потоку. Это решение существенно упрощает технологию установки датчиков на значительной высоте (в верхней половине трубы, имеющей высоту в несколько десятков метров). Кроме того, такой изгиб можно произвести на угол в 180º, что позволит закрепить оба датчика на единой штанге или ферме, заранее настроив и откалибровав режимы их работы. При таком исполнении ферму с двумя датчиками можно ввести в газовыводящую трубу в единое отверстие, задав желаемый угол между ультразвуковыми пучками и направлением газового потока. Это дополнительно упрощает технику монтажа и обслуживания высокотемпературных ультразвуковых приемопередатчиков.

Использование: для измерения расхода отработанных горячих газов. Сущность изобретения заключается в том, что высокотемпературный ультразвуковой приемопередатчик содержит приемоизлучающий узел, включающий мембрану и цилиндрический корпус мембраны, соединенные механически, чувствительный пьезоэлектрический узел в цилиндрическом корпусе чувствительного узла, включающий, по крайней мере, один осесимметричный пьезоэлемент с приемоизлучающей поверхностью, направленной в сторону мембраны, и переходной элемент, соединяющий механически чувствительный осесимметричный пьезоэлемент с мембраной, при этом переходной элемент представляет собой осесимметричный акустический волновод, чувствительный пьезоэлектрический узел в цилиндрическом корпусе вынесен за пределы корпуса мембраны посредством переходного элемента на расстояние между приемоизлучающей поверхностью пьезоэлемента и мембраной, кратное четверти длины ультразвуковой волны в материале переходного элемента на рабочей частоте приемопередатчика, а цилиндрический корпус чувствительного пьезоэлектрического узла соединен механически с переходным элементом, по крайней мере, в одном соединительном узле. Технический результат: обеспечение возможности увеличения рабочей температуры приемоизлучающего узла приемопередатчика; обеспечение возможности введения дополнительных чувствительных элементов; обеспечение возможности установки приемопередатчиков нормально стенке выводящей трубы; обеспечение возможности установки пары приемопередатчиков в одном технологическом отверстии стенки трубы. 2 з.п. ф-лы, 10 ил., 1 табл.

1. Высокотемпературный ультразвуковой приемопередатчик, содержащий приемоизлучающий узел, включающий мембрану и цилиндрический корпус мембраны, соединенные механически, чувствительный пьезоэлектрический узел в цилиндрическом корпусе чувствительного узла, включающий, по крайней мере, один осесимметричный пьезоэлемент с приемоизлучающей поверхностью, направленной в сторону мембраны, и переходной элемент, соединяющий механически чувствительный осесимметричный пьезоэлемент с мембраной, отличающийся тем, что переходной элемент представляет собой осесимметричный акустический волновод, чувствительный пьезоэлектрический узел в цилиндрическом корпусе вынесен за пределы корпуса мембраны посредством переходного элемента на расстояние между приемоизлучающей поверхностью пьезоэлемента и мембраной, кратное четверти длины ультразвуковой волны в материале переходного элемента на рабочей частоте приемопередатчика, а цилиндрический корпус чувствительного пьезоэлектрического узла соединен механически с переходным элементом, по крайней мере, в одном соединительном узле.

2. Высокотемпературный ультразвуковой приемопередатчик по п.1, отличающийся тем, что переходной элемент представляет собой полую трубку.

3. Высокотемпературный ультразвуковой приемопередатчик по п.1, отличающийся тем, что переходной элемент имеет плавный изгиб на некоторый заданный угол между осью чувствительного пьезоэлектрического узла и осью приемоизлучающего узла.