УЛЬТРАЗВУКОВОЙ РАСХОДОМЕР-СЧЕТЧИК ОБЪЕМНОГО РАСХОДА И ОБЪЕМА ПОТОКОВ ТЕКУЧИХ СРЕД Российский патент 2024 года по МПК G01F1/66 

Изобретение относится к ультразвуковым расходомерам, которые могут быть использованы для измерения объемного расхода жидкостей, газов, газожидкостных смесей и жидкостей, содержащих нерастворенные твердые частицы.

Известны ультразвуковые расходомеры-счетчики объемного расхода и объема текучих сред, имеющие различные конструктивные исполнения.

В частности:

Известен ультразвуковой расходомер-счетчик (см. Свидетельство на полезную модель РФ № 32268) содержащий измерительную камеру и передающие и приемные ультразвуковые преобразователи с цилиндрическим пьезоэлементом в осесимметричном корпусе. Пьезоэлектрические преобразователи в этом техническом решении установлены в проточной полости измерительной камеры. Такое размещение ультразвуковых преобразователей приводит к возникновению вихревых потоков при движении потока, что вносит погрешности в величину измеряемого расхода, а также снижает возможный динамический диапазон измеряемого расхода жидкости или газа. Другим недостатком является усложнение конструкции расходомера-счетчика.

Известен также ультразвуковой расходомер-счетчик объемного расхода и объема текучих сред (Свидетельство на полезную модель РФ № 27218), содержащий измерительную камеру и передающие и приемные ультразвуковые преобразователи с цилиндрическим пьезоэлементом в осесимметричном корпусе. Ультразвуковые преобразователи в этом техническом решении размещены в полостях, открытых в измерительную камеру. Такое размещение пьезоэлектрических преобразователей приводит к возникновению вихревых потоков при движении жидкости, или газа, что вносит погрешности в величину измеряемого расхода, а также снижает возможный динамический диапазон измеряемого расхода. Еще одним недостатком является усложнение конструкции расходомера-счетчика необходимостью выполнять сложные механические узлы, требующие специализированного дорогостоящего оборудования.

Известен также ультразвуковой способ измерения расхода жидких и/или газообразных сред и устройство - ультразвуковой расходомер-счетчик для его осуществления (см. Патент РФ № 2264602), содержащий измерительную камеру и передающие и приемные ультразвуковые преобразователи с цилиндрическим пьезоэлементом в осесимметричном корпусе. Каждый из ультразвуковых преобразователей имеет диаграмму направленности с углом раствора не менее 60° в разных плоскостях сечения и расположен на измерительном участке трубопровода таким образом, что ось диаграммы направленности перпендикулярна к продольной оси трубопровода. Внешняя излучающая поверхность каждого ультразвукового преобразователя совмещена с внутренней поверхностью трубопровода.

Способ измерения расхода с применением данного технического решения заключается в определении разности времени прохождения под углом к оси трубопровода по потоку и против него ультразвуковых волн, излучаемых как минимум двумя ультразвуковыми преобразователями, прошедших напрямую от преобразователя к преобразователю и через однократное или многократное отражение от внутренней поверхности трубопровода.

Такое техническое решение имеет существенные недостатки: 1) Для увеличения расходимости, как правило, уменьшают поперечный размер излучателя (приемника) в ультразвуковом преобразователе, что приводит к уменьшению суммарной интенсивности излучения (чувствительности приема) ультразвуковых волн; 2) При широком угловом спектре диаграммы направленности излучателя лишь малая часть ультразвуковой энергии попадает на приемник, тогда как основная её часть бесполезно рассеивается в разных направлениях; 3) Еще один существенный недостаток состоит в том, что при многократном отражении от внутренней поверхности трубопровода длина пути ультразвуковой волны между двумя преобразователями значительно отличается от длины ультразвукового пути при однократном отражении, что вносит существенные погрешности в измеряемое время и, соответственно, расхода таким способом, а также ограничивает динамический диапазон измеряемых расходов.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является известный ультразвуковой расходомер-счетчик объемного расхода и объема текучих сред (Патент на изобретение РФ № 2498229), содержащий измерительную камеру (трубопровод) и передающие и приемные ультразвуковые преобразователи, каждый из которых состоит, по крайней мере, из двух одинаковых приемно-излучающих блоков. Пьезоэлектрические преобразователи в этом техническом решении смещены относительно друг друга вдоль оси, нормальной к излучающей (принимающей) поверхности каждого из блоков, причем излучающие (принимающие) поверхности блоков параллельны друг другу. Способ определения объемного расхода газа (жидкости) в патенте RU № 2498229 заключается в измерении разности времен прохождения ультразвукового сигнала в направлении по потоку и против потока.

Такое размещение пьезоэлектрических преобразователей приводит к снижению уровня вихревых потоков при движении газа, однако не исключает полностью их возникновения за счет того, что излучающая поверхность преобразователей представляет собой ступенчатую структуру, что вносит погрешности в величину измеряемого расхода газа, а также снижает возможный динамический диапазон измеряемого расхода газа.

Другим недостатком такого технического решения и способа определения объемного расхода и объема текучих сред, является существенное усложнение конструкции устройства, объясняемое необходимостью изготавливать отдельные приемно-излучающие блоки, настраиваемые на рабочую резонансную частоту, а затем осуществлять сложную сборку со смещением одного блока относительно другого на заданную величину.

Технической проблемой заявляемого решения является необходимость создания высокоточного компактного ультразвукового расходомера-счетчика и способа определения на его основе объемного расхода и объема текучих сред.

Техническим результатом является снижение погрешности, увеличение динамического диапазона, а также уменьшение размеров устройства и упрощение конструкции и технологии его изготовления за счет нового конструктивного решения и способа определения на основе этого устройства объёмного расхода и объема жидких, или газообразных сред.

Сущность предложенного изобретения по п. 1 заключается в том, что ультразвуковой расходомер-счетчик содержит, по крайней мере один передающий и два приемных ультразвуковых преобразователя, каждый ультразвуковой преобразователь содержит периодическую структуру, соседние элементы которой имеют акустический, или электрический сдвиг фазы, расположенную между цилиндрическим пьезоэлементом и плоскостью излучения (приема), элементы периодической структуры передающего ультразвукового преобразователя параллельны элементам периодической структуры приемных ультразвуковых преобразователей, а передающие и приемные ультразвуковые преобразователи расположены нормально к оси трубопровода со смещением каждого приемного ультразвукового преобразователя относительно передающего ультразвукового преобразователя вдоль оси трубопровода, причем угол α между осями симметрии корпусов передающего и приемных ультразвуковых преобразователей и линией, соединяющей центры излучающей (приемной) плоскости передающего и приемных ультразвуковых преобразователей составляет величину, определяемую, периодом периодической структуры элементов, скоростью ультразвуковой волны в измеряемом потоке и рабочей частотой ультразвуковых преобразователей, при этом два приемных ультразвуковых преобразователя расположены на противоположной от передающего ультразвукового преобразователя стенке измерительной камеры со смещением одного приемного ультразвукового преобразователя в направлении потока, а другого - со смещением в направлении, противоположном потоку на величину, определяемую внутренним диаметром трубопровода и углом α.

Сущность предложенного изобретения по п. 2 заключается в том, что разность времён прохождения ультразвуковых волн по потоку и против потока определяется измерением разности фаз между ультразвуковыми волнами, принимаемыми двумя соседними приемными ультразвуковыми преобразователями, расположенными по разные сторонам (по потоку и против потока) относительно передающего ультразвукового преобразователя.

Сущность предложенного изобретения по п. 3 заключается в том, что приемные ультразвуковые преобразователи смещены относительно передающего ультразвукового преобразователя по окружности трубопровода измерительной камеры в противоположных направлениях на определенный угол β, не превышающий угол α, при этом периодическая структура элементов передающего и каждого из приемных преобразователей повернута на угол, при котором плоскости симметрии передающего и каждого из приемных ультразвуковых преобразователей, расположенные нормально к периодической структуре элементов, совпадают.

Технический результат заявляемого технического решения достигается тем, что ультразвуковой расходомер-счетчик содержит, по крайней мере один передающий и два приемных ультразвуковых преобразователя, каждый ультразвуковой преобразователь содержит периодическую структуру, соседние элементы которой имеют акустический, или электрический сдвиг фазы, расположенную, расположенных между цилиндрическим пьезоэлементом и плоскостью излучения (приема), элементы периодической структуры передающего ультразвукового преобразователя параллельны элементам периодической структуры приемных ультразвуковых преобразователей, а передающие и приемные ультразвуковые преобразователи расположены нормально к оси трубопровода со смещением каждого приемного ультразвукового преобразователя относительно передающего ультразвукового преобразователя вдоль оси трубопровода, причем угол α между осями симметрии корпусов передающего и приемных ультразвуковых преобразователей и линией, соединяющей центры излучающей (приемной) плоскости передающего и приемных ультразвуковых преобразователей составляет величину, определяемую, периодом периодической структуры элементов, скоростью ультразвуковой волны в измеряемом потоке и рабочей частотой ультразвуковых преобразователей, при этом два приемных ультразвуковых преобразователя расположены на противоположной от передающего ультразвукового преобразователя стенке измерительной камеры со смещением одного приемного ультразвукового преобразователя в направлении потока, а другого - со смещением в направлении, противоположном потоку на величину, определяемую внутренним диаметром трубопровода и углом α.

Технический результат по п. 2 формулы изобретения достигается тем, что разность времён прохождения ультразвуковых волн по потоку и против потока определяется измерением разности фаз между ультразвуковыми волнами, принимаемыми двумя соседними приемными ультразвуковыми преобразователями, расположенными по разные сторонам (по потоку и против потока) относительно передающего ультразвукового преобразователя.

Технический результат по п. 3 формулы изобретения достигается тем, что приемные ультразвуковые преобразователи смещены относительно передающего ультразвукового преобразователя по окружности трубопровода измерительной камеры в противоположных направлениях на определенный угол β, не превышающий угол α, при этом периодическая структура элементов передающего и каждого из приемных преобразователей повернута на угол, при котором плоскости симметрии передающего и каждого из приемных ультразвуковых преобразователей, расположенные нормально к периодической структуре элементов, совпадают.

Изобретение поясняется чертежами, где:

- на Фиг.1 показана измерительная камера (трубопровод) в разрезе с передающим ультразвуковым преобразователем и двумя приемными ультразвуковыми преобразователями. Также на фигуре 1 показаны: диаграмма направленности ультразвукового преобразователя; расстояние между ультразвуковыми преобразователями L в направлении, параллельном направлению потока; угол α наклона рабочего лепестка диаграммы направленности; период d системы элементов; внутренний диаметр D трубопровода в измерительной камере.

- на Фиг. 2 показана разность фаз ΔΦ между сигналами, снимаемыми с двух соседних приемных ультразвуковых преобразователей; а также измерительная камера в разрезе с передающим и двумя приемными ультразвуковыми преобразователями, а также рабочие лепестки диаграммы направленности ультразвуковых преобразователей и направление жидкого (или газообразного) потока.

- на Фиг. 3 приведена аксонометрическая проекция измерительной камеры с ультразвуковыми передающим и двумя приемными ультразвуковыми преобразователями в случае, когда приемные ультразвуковые преобразователи смещены относительно передающего ультразвукового преобразователя по окружности трубопровода измерительной камеры в противоположных направлениях на определенный угол β. При такой геометрии ультразвуковые пучки лежат в плоскости (показана оранжевым на фигуре 3), отсекающей хорду во внутреннем диаметре трубопровода измерительной камеры.

- На Фиг. 4 приведена фотография установки, с подключенными ультразвуковыми преобразователями, имеющими периодическую структуру элементов и диаграмму направленности с наклонными боковыми лепестками. Ультразвуковые преобразователи расположены на плоской нарисованной модели трубопровода (измерительной камеры) диаметром 200 мм нормально к оси этого трубопровода. На дисплее компьютера виден импульс, передаваемый передающим и принимаемый одним из приемных ультразвуковых преобразователей, смещенных между собой по потоку так, что направление между центрами приемоизлучающих поверхностей приемного и передающего ультразвукового преобразователей составляет угол α с нормалью к оси измеряемого потока (к оси трубопровода).

На чертежах Фиг. 1 – Фиг. 4 позициями обозначено:

1 - измерительная камера, представляющая собой отрезок трубопровода;

2 - передающий ультразвуковой преобразователь;

3,4 - приемные ультразвуковые преобразователи;

5 - цилиндрический пьезоэлемент;

6 - осесимметричный корпус:

7 - периодическая структура элементов;

8 - плоскость излучения (приема);

9 - лепестки диаграммы направленности ультразвуковых преобразователей;

10 - хорда, лежащая в плоскости распространения ультразвуковой волны от передающего ультразвукового преобразователя 2 к приемному ультразвуковому преобразователю 3 при реализации п. 3 формулы;

11 - хорда, лежащая в плоскости распространения ультразвуковой волны от передающего ультразвукового преобразователя 2 к приемному ультразвуковому преобразователю 4 при реализации п. 3 формулы.

Ультразвуковой расходомер-счетчик объемного расхода и объема потоков текучих сред (Фиг. 1-4), содержит измерительную камеру (трубопровод) (1) и передающие (2) и приемные (3, 4) ультразвуковые преобразователи с цилиндрическим пьезоэлементом (5) в осесимметричном корпусе (6), ультразвуковой расходомер-счетчик содержит, по крайней мере один передающий (2) и два приемных (3,4) ультразвуковых преобразователя, каждый ультразвуковой преобразователь (2, 3, 4) содержит периодическую структуру (7), соседние элементы которой имеют акустический, или электрический сдвиг фазы, расположенную между цилиндрическим пьезоэлементом (5) и плоскостью излучения (приема) (8), элементы периодической структуры (7) передающего ультразвукового преобразователя (2) параллельны элементам периодической структуры (7) приемных ультразвуковых преобразователей (3, 4), а передающие (2) и приемные (3, 4) ультразвуковые преобразователи расположены нормально к оси трубопровода со смещением каждого приемного ультразвукового преобразователя (2) относительно передающего ультразвукового преобразователя (3, 4) вдоль оси трубопровода, причем угол α между осями симметрии корпусов (6) передающего (2) и приемных (3, 4) ультразвуковых преобразователей (2,3,4) и линией, соединяющей центры излучающей (приемной) плоскости (8) передающего (2) и приемных (3, 4) ультразвуковых преобразователей составляет величину, определяемую, периодом периодической структуры элементов (7), скоростью ультразвуковой волны в измеряемом потоке и рабочей частотой ультразвуковых преобразователей, при этом два приемных ультразвуковых преобразователя (3, 4) расположены на противоположной от передающего ультразвукового преобразователя (2) стенке измерительной камеры (1) со смещением одного приемного ультразвукового преобразователя (3) в направлении потока, а другого (4) - со смещением в направлении, противоположном потоку на величину, определяемую внутренним диаметром трубопровода (1) и углом α.

Способ ультразвукового определения объемного расхода и объема потоков текучих сред в трубопроводе (1) по п.2 Формулы с помощью ультразвукового расходомера-счетчика по п.1, включает определение скорости потока по разности времени прохождения ультразвуковых волн под углом к оси трубопровода в направлениях по потоку и против потока, разность времён прохождения ультразвуковых волн по потоку и против потока определяется измерением разности фаз между ультразвуковыми волнами, принимаемыми двумя соседними приемными ультразвуковыми преобразователями (3, 4), расположенными по разным сторонам (по потоку и против потока) относительно передающего ультразвукового преобразователя (2).

В ультразвуковом расходомере-счетчике объемного расхода и объема потоков текучих сред по п.1 приемные ультразвуковые преобразователи (3, 4) смещены относительно передающего ультразвукового преобразователя (2) по окружности трубопровода измерительной камеры (1) в противоположных направлениях на определенный угол β, не превышающий угол α, при этом периодическая структура элементов (7) передающего (2) и каждого из приемных преобразователей (3, 4) повернута на угол, при котором плоскости симметрии передающего (2) и каждого из приемных ультразвуковых преобразователей (3, 4), расположенные нормально к периодической структуре элементов (7), совпадают.

Изобретение может быть осуществлено следующим образом:

Ультразвуковой расходомер-счетчик объемного расхода и объема потоков текучих сред может иметь одну или несколько групп передающего (2) и приемных (3, 4) ультразвуковых преобразователей. В случает одной группы (один передающий (2) и два приемных (3, 4)) ультразвуковых преобразователей расходомер-счетчик имеет два канала измерений: (от передающего (2) к одному (3) и другому (4) приемным датчикам. А в случае с несколькими группами ультразвуковых преобразователей (2, 3, 4) ультразвуковой расходомер-счетчик может иметь большее количество измерительных каналов для дополнительного повышения точности измерений. При этом ультразвуковые пучки (лучи) могут располагаться, как в диаметральной плоскости измерительной камеры (1), как показано на рисунках (Фиг. 1, 2), так и в плоскостях, отсекаемых хордами окружности, образующей трубопровод измерительной камеры (1), как показано на рисунке (Фиг. 3), п. 3 формулы.

Передающий (2) и приемные (3,4) ультразвуковые преобразователи могут быть изготовлены одинаковыми, так, что каждый ультразвуковой преобразователь (2, 3, 4) может выполнять функцию, как передающего, так и приемного преобразователя. Элементы периодической структуры (7) в каждом ультразвуковом преобразователе (2, 3, 4) могут иметь электрический, или акустический сдвиг фазы δφ между соседними элементами от 0 до 180 градусов. При этом в случае сдвига фазы δφ, равного 0 градусов, угловой спектр излучения (приема) имеет трехлепестковую диаграмму направленности, в которой амплитуда излучения (чувствительность приема) в нулевом лепестке (имеющем направление перпендикулярно плоскости (8) излучения (приема)), примерно в два раза выше амплитуды излучения (чувствительности приема) в каждом (плюс первом и минус первом) из боковых лепестков, расположенных в плоскости, перпендикулярной элементам периодической структуры (7) и наклоненных симметрично относительно направления нулевого лепестка на угол α, определяемый периодом d периодической структуры (7), скоростью ультразвука V в измеряемой среде и рабочей частотой ƒ ультразвуковых преобразователей (2, 3, 4) и генератора, формирующего возбуждающий сигнал для ультразвуковых преобразователей. В случает сдвига фазы δφ между соседними элементами периодической структуры (7), равном δφ=180 градусам, угловой спектр имеет двухлепестковую диаграмму направленности, боковые лепестки которой расположены симметрично относительно оси симметрии цилиндрического корпуса (6) ультразвукового датчика (2, 3, 4) и наклонены на угол α относительно этой оси, а центральный лепесток отсутствует.

Наклон боковых лепестков ультразвуковых преобразователей (2, 3, 4) на угол α позволяет использовать эти лепестки, как отдельные ультразвуковые каналы (лучи) для измерения скорости потока. Известно, что скорость ультразвуковой волны в движущейся среде определяется как векторная сумма скорости ультразвуковой волны в неподвижной среде и скорости потока. Из этого соотношения может быть найдена скорость потока измеряемой среды.

Зная скорость потока и геометрические параметры измерительной камеры, вычисляется объем и объемный расход измеряемой среды.

Скорость потока определяется посредством измерения разности времен прохождения ультразвуковой волны по одному из каналов в направлении, проекция которого на направление движущегося потока измеряемой среды совпадает с направлением потока и по другому каналу в направлении, проекция которого на направление движущегося потока измеряемой среды противоположна направлению потока. После чего, зная точное расстояние между передающим и приемным(и) ультразвуковыми преобразователями, вычисляется скорость ультразвука в движущейся среде, а затем из векторной суммы может быть вычислена скорость потока, а также скорость ультразвуковой волны в неподвижной среде.

В предложенном способе по п.2 формулы измерение разности времен прохождения ультразвуковых волн от передающего (2) к приемным (3 и 4) ультразвуковым преобразователям по потоку и против потока осуществляется одномоментным измерением разности фаз ΔΦ между двумя сигналами, получаемыми от соседних приемных ультразвуковых преобразователей (3 и 4). Такой подход имеет целый ряд дополнительных преимуществ, в частности это позволяет:

1. Повысить точность измерений используя, например, в алгоритме обработки функцию корреляции сигналов от соседних приемных ультразвуковых преобразователей, а форму анализируемого сигнала выбирая в виде видеоимпульса с увеличенным (достаточным) количеством радиочастотных колебаний;

2. Повысить помехозащищенность, так как электронный блок излучения может быть электрически изолирован и экранирован от блока приема;

3. Увеличить скорость обработки данных, так как отсутствует необходимость поочередного переключения ультразвуковых преобразователей - одного в режим излучения, другого в режим приема, а затем наоборот, как это происходит при традиционном методе обработки;

4. Уменьшить энергопотребление электроники за счет уменьшения количества включений излучающих импульсов, по крайней мере вдвое в сравнении с традиционным способом измерений;

Следует заметить, что технические решения, предложенные в п.1 и п.3 формулы позволяют, кроме метода, предложенного в п. 2 формулы, реализовать также стандартный метод измерения разности времен прохождения ультразвукового импульса по потоку и против потока посредством поочередного включения одной пары ультразвуковых преобразователей (2 и 3) в режим передачи и в режим прием (то есть, например, преобразователь (2) работает в режиме передачи, а преобразователь (3) в режиме приема, затем наоборот - преобразователь (3) в режиме передачи, а преобразователь (2) - в режиме приема; в следующий период времени таким же образом работает пара преобразователей (2 и 4)).

Если сдвиг фазы δφ между соседними элементами периодической структуры (7) имеет промежуточное значение от 0 до 180 градусов, то нулевой и боковые (плюс и минус первые) лепестки диаграммы направленности могут иметь различные соотношения амплитуд, в том числе существует значение сдвига фазы δφ между соседними элементами периодической структуры (7), при котором все три лепестка имеют одинаковые амплитуды. Такая ситуация может быть использована (в случае, когда ультразвуковой расходомер-счетчик имеет более одной группы передающего и приемных ультразвуковых датчиков) для создания дополнительного канала, позволяющего дополнительно контролировать скорость ультразвуковой волны в неподвижной среде, что оказывается весьма важным для мониторинга корректности вычислений и измерений скорости ультразвука и вычисления на основе этих измерений плотности среды. В частности, если две группы ультразвуковых преобразователей расположены таким образом, что излучающие преобразователи (2) каждой из групп находятся в диаметральной плоскости напротив друг друга на противоположных стенках измерительной камеры (1), то в определенные моменты времени пара передающих ультразвуковых преобразователей (2) может включаться поочередно: один - в режим излучения, другой - в режим приема. Так как в этом случае ультразвуковые пучки нулевых лепестков между этими преобразователями направлены перпендикулярно движущемуся потоку, то движение измеряемой среды не влияет на скорость ультразвуковой волны, которая оказывается равной скорости ультразвука в неподвижной среде. Действительно в ультразвуковых расходомерах-счетчиках (посредством специальных дополнительных устройств, например выравнивателей потока, или прямолинейных участков) обеспечивается движение потока вдоль трубы в измерительной камере, сводя к практически отсутствию движений среды в направлениях, перпендикулярных оси трубопровода, а колебания среды за счет возможной турбулентности могут нивелироваться усреднением выборки измерений. В таком случае влияние движущегося потока среды приводит лишь к угловому смещению центрального лепестка диаграммы направленности по потоку, а имеющиеся составляющие углового спектра в нулевом лепестке диаграммы направленности излучающего преобразователя, совпадающие по направлению с нормалью приемной плоскости (8) принимающего ультразвукового преобразователя будут характеризовать скорость ультразвука без влияния движения среды, то есть в неподвижной среде.

Это является дополнительным положительным фактором и преимуществом заявляемого технического решения перед существующими.

Пример конкретного исполнения

На Фиг. 4 приведена фотография установки с ультразвуковыми преобразователями (2, 3), изготовленными в соответствии с заявляемым техническим решением. Ультразвуковые преобразователи (2, 3) расположены на плоской нарисованной модели измерительной камеры (1) (трубопровода диаметром 200 мм), нормально к оси этого трубопровода. На дисплее компьютера виден импульс, передаваемый передающим (2) и принимаемый одним из приемных (3) ультразвуковых преобразователей, смещенных между собой по потоку так, что направление между центрами излучения (приема) (8) приемного (3) и передающего (2) ультразвукового преобразователей составляет угол α с нормалью к оси измеряемого потока.

Приведенная фотография функционирующей установки с ультразвуковыми преобразователями установленными в геометрии, соответствующей описываемому решению, демонстрирует работоспособность заявляемого технического решения.

Ультразвуковые преобразователи (2, 3, 4), имеют осесимметричный корпус (6), в котором расположен цилиндрический пьезоэлемент (5). Между цилиндрическим пьезоэлементом (5) и плоскостью излучения (приема) (8) расположена периодическая структура элементов (7). Сдвиг фазы между соседними элементами периодической структуры (7) составляет 0 градусов. Такая периодическая структура элементов (7) обеспечивает формирование трехлепестковой диаграммы направленности с боковыми лепестками, наклоненными на угол α относительно нормали к плоскости приема (излучения) (8), а также относительно нормали к оси измерительной камеры (1) и к оси измеряемого потока (к оси трубопровода).

Пример конкретного выполнения заявляемого способа по п.2 формулы

Ультразвуковой преобразователь (2) работает в режиме генерации ультразвуковых импульсов, питаясь от генератора радиочастотных импульсов. В это время приемные ультразвуковые преобразователи (3 и 4) работают в режиме приема. Электрические сигналы, снимаемые с приемных ультразвуковых преобразователей (3,4) поступают через аналоговый усилитель на устройство обработки сигналов, где происходит измерение разности фаз между сигналами, от приемных (3 и 4) ультразвуковых преобразователей. Измеренная разность фаз для конкретной рабочей частоты ультразвуковых преобразователей пересчитывается в разность времен между ультразвуковыми импульсами, проекции которых на ось трубопровода соответствуют направлению по потоку и против потока измеряемой среды. Полученная временная задержка используется затем для вычисления скорости потока и скорости ультразвука в неподвижной среде.

Пример конкретного выполнения заявляемого технического решения по п.3 формулы

По известным значениям рабочей частоты, скорости ультразвуковой волны в измеряемой среде и периоду периодической структуры элементов вычисляется угол α наклона боковых лепестков диаграммы направленности ультразвуковых преобразователей. При этом симметричное расположение элементов периодической структуры относительно оси осесимметричного корпуса датчика обеспечивает симметричную диаграмму направленности (одинаковый наклон α боковых лепестков относительно плоскости симметрии, лежащей на оси симметрии ультразвукового преобразователя). Для обеспечения прохождения ультразвуковых пучков от передающего (2) к приемным (3 и 4) ультразвуковым преобразователям по направлениям, лежащим в плоскостях, параллельных оси трубопровода и отсекаемых в диаметральной окружности трубопровода хордами, приемные ультразвуковые преобразователи (3 и 4) смещаются относительно передающего ультразвукового преобразователя (2) по окружности трубопровода измерительной камеры (1) в противоположных направлениях на определенный угол β, не превышающий угол α, при этом периодическая структура элементов (7) передающего (2) и каждого из приемных преобразователей (3 и 4) повернута на угол, при котором плоскости симметрии передающего и каждого из приемных ультразвуковых преобразователей, расположенные нормально к периодической структуре элементов, совпадают. При такой конфигурации расположения ультразвуковых преобразователей возможна организация дополнительно компактной геометрии дублирующей системы ультразвуковых преобразователей, посредством установки аналогичного комплекта передающего (2) и приемных (3 и 4) ультразвуковых преобразователей, так что передающий ультразвуковой преобразователь второго комплекта будет расположен на противоположной стенке измерительной камеры (1) таким образом, что его ось симметрии будет совпадать с осью симметрии передающего ультразвукового преобразователя (2) первого комплекта. При реализации такого заявляемого технического решения появляется целый ряд дополнительных преимуществ перед существующими решениями, в частности некоторые из них:

1. Появляется возможность дополнительного измерения скорости ультразвуковой волны, соответствующей скорости ультразвуковой волны в неподвижной среде;

2. На основе этой измеренной скорости возможно вычисление плотности среды;

3. Открывается возможность оценивать симметричность профиля скоростей потока по сигналам, снимаемым с приемных ультразвуковых преобразователей, симметрично расположенных относительно диаметральной плоскости трубопровода.

Достижение технического результата данным техническим решением

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

Таблица 1. Сопоставление технических характеристик

Изобретение относится к ультразвуковым расходомерам, которые могут быть использованы для измерения объемного расхода жидкостей, газов, газожидкостных смесей и жидкостей, содержащих нерастворенные твердые частицы. Ультразвуковой расходомер-счетчик объемного расхода и объема потоков текучих сред содержит измерительную камеру и ультразвуковые преобразователи с цилиндрическим пьезоэлементом в осесимметричном корпусе, также содержит, по крайней мере, один передающий и два приемных ультразвуковых преобразователя, каждый ультразвуковой преобразователь содержит периодическую структуру, соседние элементы которой имеют акустический или электрический сдвиг фазы, расположенную между пьезоэлементом и плоскостью излучения или пьезоэлементом и плоскостью приема, элементы периодической структуры передающего ультразвукового преобразователя параллельны элементам периодической структуры приемных ультразвуковых преобразователей, а ультразвуковые преобразователи расположены нормально к оси трубопровода со смещением каждого приемного ультразвукового преобразователя относительно передающего ультразвукового преобразователя вдоль оси трубопровода, причем угол α между осями симметрии корпусов ультразвуковых преобразователей и линией, соединяющей центры излучающей плоскости передающего и приемных плоскостей приемных ультразвуковых преобразователей, составляет величину, определяемую периодом периодической структуры элементов, скоростью ультразвуковой волны в измеряемом потоке и рабочей частотой ультразвуковых преобразователей, при этом два приемных ультразвуковых преобразователя расположены на противоположной от передающего ультразвукового преобразователя стенке измерительной камеры со смещением по потоку и против потока, то есть по разные стороны относительно передающего ультразвукового преобразователя на величину, определяемую внутренним диаметром трубопровода и углом α. Технический результат - снижение погрешности, увеличение динамического диапазона, уменьшение размеров устройства и упрощение конструкции и технологии его изготовления. 1 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. Ультразвуковой расходомер-счетчик объемного расхода и объема потоков текучих сред, содержащий измерительную камеру и ультразвуковые преобразователи с цилиндрическим пьезоэлементом в осесимметричном корпусе, отличающийся тем, что ультразвуковой расходомер-счетчик содержит, по крайней мере, один передающий и два приемных ультразвуковых преобразователя, каждый ультразвуковой преобразователь содержит периодическую структуру, соседние элементы которой имеют акустический или электрический сдвиг фазы, расположенную между пьезоэлементом и плоскостью излучения или пьезоэлементом и плоскостью приема, элементы периодической структуры передающего ультразвукового преобразователя параллельны элементам периодической структуры приемных ультразвуковых преобразователей, а ультразвуковые преобразователи расположены нормально к оси трубопровода со смещением каждого приемного ультразвукового преобразователя относительно передающего ультразвукового преобразователя вдоль оси трубопровода, причем угол α между осями симметрии корпусов ультразвуковых преобразователей и линией, соединяющей центры излучающей плоскости передающего и приемных плоскостей приемных ультразвуковых преобразователей, составляет величину, определяемую периодом периодической структуры элементов, скоростью ультразвуковой волны в измеряемом потоке и рабочей частотой ультразвуковых преобразователей, при этом два приемных ультразвуковых преобразователя расположены на противоположной от передающего ультразвукового преобразователя стенке измерительной камеры со смещением по потоку и против потока, то есть по разные стороны относительно передающего ультразвукового преобразователя на величину, определяемую внутренним диаметром трубопровода и углом α.

2. Ультразвуковой расходомер-счетчик объемного расхода и объема потоков текучих сред по п.1, отличающийся тем, что приемные ультразвуковые преобразователи смещены относительно передающего ультразвукового преобразователя по окружности трубопровода измерительной камеры в противоположных направлениях на определенный угол β, не превышающий угол α, при этом периодическая структура элементов передающего и каждого из приемных преобразователей повернута на угол, при котором плоскости симметрии ультразвуковых преобразователей, расположенные нормально к периодической структуре элементов, совпадают.