Акустический преобразователь расхода

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства для измерения расходов. Целью изобретения является уменьшение погрешности измерения за счет снижения уровня шумов в акустическом преобразователе. Жидкость входит через патрубок 6, проходит по трубопроводу 1 мимо приемоизлучающих головок 3 и 4, установленных на торцах трубопровода с помощью втулок из композитного материала, и выходит через патрубок 7. Сдвиг во времени между импульсами приема характеризует измеряемый расход. Радиальные колебания, являющиеся источниками помех, затухают за счет выполнения втулок с кольцевыми проточками на внутренней поверхности, шаг которых удовлетворяет соотношению H = N <SP POS="POST">.</SP> λ<SB POS="POST">в</SB>, где N = 1, 2, 3 ...

λ<SB POS="POST">в</SB> - длина волны в материале втулки, при этом длина части втулки от излучающей поверхности пьезоэлемента до торца трубопровода выбирается равной L<SB POS="POST">ф</SB> = R <SB POS="POST">0</SB> / λ, где R - радиус пьезоэлемента, а длина части втулки, расположенной за тыльной стороной пьезоэлемента, составляет не менее 0,5 λ на резонансной частоте преобразователя. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕ1СКИХ

СОЦИАЛИС И ГЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

IsI1s G 01 F 1/66

ГОСУДАРСТВЕН.1ЫИ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И О1КРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ !

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4616648/10 (22) 06.12.88 (46) 30,08.91, Бюл. N 32 (71) Куйбышевское специальное конструкторское бюро Научно-производственного объединения "Нефтехимавтоматика" (72) Н,С,Марьин (53) 681.121(088.8) (56) Ультразвуковые преобразователи для нераэрушающего контроля / Под ред.

И,Н.Ермолова, М., Машиностроение, 1986, с.260.

Авторское свидетельство СССР

М 966495, кл. G 01 F 1/66, 1982. (54) АКУСТИЧ Е СКИЙ ПРЕО6 РАЗО ВАТЕЛ Ь

РАСХОДА (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства для измерения расходов, Целью изобретения является уменьшение погрешности измерения эа счет снижения уровня шумов в

ЬЫ» 1673845 А1 акустическом преобразователе. Жидкость входит через патрубок 6, проходит по трубопроводу 1 мимо приемоизлучающих головок 3 и 4, установленных на торцах трубопровода с.помощью втулок иэ компоэитного материала, и выходит через натрубок 7. Сдвиг во времени между импульсами приема характеризует измеряемый расход.

Радиальные колебания, являющиеся источниками помех, затухают за счет выполнения втулок с кольцевыми проточками на внутренней поверхности, шаг которых удовлетворяет соотношению h = и ле, где lI = 1, 2, 3„..; 4 длина волны в материале втулки, при этом длина части втулки от излучающей поверхности пьезоэлемента до торца трубопровода выбирается равной !ф = г20Л, где r — радиус пьезоэлемента, а длина части втулки. расположенной за тыльной стороной пьезоэлемента, составляет не менее

0,5 А на резонансной частоте преобразователя. 1 ил.

1673845

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства при измерении расходов.

Цель изобретения — уменьшение погрешности измерения эа счет снижения уровня шумов в акустическом преобразователе.

На чертеже представлено сечение акустического преобразователя расхода.

Акустический преобразователь расхода содержит прямолинейный отрезок трубопровода 1, на торцах которого с помощью втулок 2, выполненных из композитного материала, установлены приемоизлучающие головки 3 и 4, содержащие пьезоэлементы

5. К трубопроводу подсоединены патрубки

6 и 7 для ввода и вывода контролируемой жидкости.

Устройство работает следующим образом.

Жидкость входит через па рубок 6 и, проходя по трубопроводу 1, выходит из него через второй патрубок 7. Электрические сигналы, поступающие с электронного блока (не показан) на приемоизлучающие головки 3 и 4, преобразуются последними в ультразвуковые зондирующие сигналы. Импульсы проходят через жидкость по трубопроводу в противоположных направлениях, поступают на головки 4 и 3 соответственно и преобразуются ими в электрические сигналы приема. Благодаря движению жидкости по трубопроводу задержка ультразвукового импульса в жидкости при движении от приемоизлучающей головки 4 к приемоизлучающей головке 3 меньше, чем в противоположном направлении. Сдвиг по времени между импульсами приема определяется по формуле:

8L0

Ar— л0 с где Q — контролируемый расход

L — длина участка трубопровода между приемоизлучающими головками, на котором имеется движение контролируемой среды;

0 — диаметр трубопровода; с — скорость звука в контролируемой жидкости, В процессе возбуждения пьезоэлементом 5 продольных упругих колебаний, используемых для контроля движущейся жидкости, одновременно с ними возбуждаются поперечные и другие волны, являющиеся источниками помех, Поперечные и иэгибные волны о очно создаются радиальными колебаниями пьезоэлемента 5, которые передаются в элементы конструкции

55 приемоизлучающих головок 3 и 4: звукопровод (протектор), боковую поверхность пьезоэлемента и в демпфирующую часть.

Источниками возбуждения радиальных колебаний являются боковые лепестки диаграммы направленности, уровень которых уменьшается после зоны Френеля. Так как при радиальных колебаниях частицы среды колеблются перпендикул; рно направлению продольной волны, то попадая на границу приемоизлучающая головка-втулка, выполненная из композитного материала, обладающего большим коэффициентом затухания, часть упругой колебательной энергии из-за диссипативных потерь (переход колебательной энергии в тепловую) затухает, Другая часть колебательной энергии ослабляется за счет трансформации падающей и отраженной волны (4). Поперечные волны, возникающие за тыльнои стороной пьезоэлемента, также гасятся во втулке.

Практически длину части втулки, расположенной за тыльной стороной пьезоэлемента,достаточно выполнить равной не менее

Л 2, т.е. равной толщине пьезоэлемента, так как далее паразитные волны ослабляются в самом демпфере приемоизлучающей головки, а достаточная степень затухания во втулке достигается при толщине ее стенки около 2,5 Л . где Л- длина волны на резонансной частоте преобразователя. Благодаря введению в устройство втулок из композитного материала значительно снизился сигнал-помеха по металлу. Кроме затухания паразитных волн в самом материале за счет диссипативных потерь, колебательная энергия, вызванная радиальными колебаниями, рассеивается на кольцевых проточках за счет преобразования колебания по толщине стенки втулки.

Приемный сигнал в устройстве представляет собой радиоимпульс с тремя периодами резонансной частоты приемозадающей головки, в которой вторая полуволна имеет максимальную амплитуду, что позволяет производить регистрацию момента поступления приемного импульса, не опасаясь "перекосов" регистрирующего радиоимпульса, которые возникают, когда реверберационные помехи от боковых поверхностей пьезоэлемента и от стенок трубопровода, накладываясь на приемный полезный сигнал, смещают временную привязку к конкретной полуволне и приводят к заметным погрешностям измерения.

Для повышения коэффициента поглощения паразитных ультразвуковых колебаний втулку выполняют иэ композитного материала следующего состава смолы ЭД1673845

20 в качестве связующего в количестве 100 в.ч. пластификатора типа МГФ 9 в количестве 10 в.ч., порошка пьеэокерамического типа ЦТС-19, l(ТС--26 и т д. в количесгве 80 в.ч. и порошка синтетической резины в количестве 10 в.ч., используемых в качестве наполнителей, отвердителя типа полиэтиленамина в количестве 13 в.ч. Отвержденную композицию механически обрабатывают под определенные геометрические размеры приемоизлучающих головок и посадочных гнезд измерительного трубопровода.

Акустическое сопротивление полученного композитного материала втулки составляет

2 = 4,3 10 кг/ (м c), а коэффициент затухания на частоте 1.5 МГц равен 240 нП/с

Кроме того, колебательная энергия, вызванная радиальными колебаниями за сче диссипативных потерь рассеивае ся на кольцевых проточках пугем преобразования колебаний по толщине стенки втулки.

На практике ширину проточек и расс,ояние между ними следует выбирать кратными длине волны в материале втулки. Размеры кольцевых проточек в преобразователе вь:— браны из соотношения

d -- 3. /2 - с/21 где d - толщина пьезоэлемента; длина волны в пьезоэлементе; с - скорость волны в материале втулки; — резонансная частота в пьезоэлементе.

Известно, что функция пьезоэлемента в форме диска, применяемого в приемоизлучающих головках, носит колебательный характер. Область, где функция осциллирует, определяют как ближнюю зону (зону Френеля), а область монотонного убывания функции — как дальнюю зону. Известно, что за пределами основного лепестка диаграммы направленности располагается ряд боковых лепестков, создающих в твердом теле радиальные колебания. вызывающие поперечные и другие виды волны.

Образование максимумов и минимумов в ближней зоне преобразователя (пьезоэлемента) объясняется различием расстояний от разных точек преобразователя до точки наблюдения и связанную с этим разность фаэ интерферирующих излучаемых сигналов, Паразитные сигналы, отраженные от сред, резко отличающихся по своим акустическим свойствам, влияют на выходную характеристику преобразователя, так как границы раздела сред являются генераторами многочисленных помех, имеющих амплитуду,и соизмеримые с амплитудой полезного сигнала, Уровень бокового излучения сосредоточен в ближней зоне преобразователя. Радиальные колебания особенно велики при малом отношении радиуса пьезоэлемента, r

5 к толщине d, т.е. (г/d < 20) Экспериментальным путем установлено, что акустические шумы минимальны в том случае, когда лицевая сторона (от излу10 чающей поверхности пьезоэлемента) приемоизлучающей головки, расположенной во втулке, отстоит от торца трубопровода и начала активной области акустического преобразователя расхода на величину зоны

15 Френеля (ближней эоны), притяженность которой зависит от размеров пьезоэлемента в его частоты. Б преобразователе это

Р расстояние равно 1ф = — — . Для достижения

2 хорошей механоакустической связи, а также герметизации узла: трубопровод — втулка— приемоизлучающая головка, соединение элементов узла выполнено неразьемным, а именно. элементы узла соединены с помощью клеевой композиции того же состава, что и материал втулки.

Для уменьшения помех, возникающих за тыльной стороной пьезоэлемента, приемоизлучающей головки. достаточно. чтобы длина части втулки, расположенной за тыльной стороной пьезоэлемента контактно к боковой поверхности и риемоизлучающей головки, была не менее половины длины волны на резонансной частоте преобразователя.

Так как в радиоимпульсном режиме переходные акустические процессы в пьезоэлементе заканчиваются в течение первого полупериода колебании, то наибольший

4 уровень бокового излучения будет на расстоянии 1 /2 от тыльной стороны пьезоэлемента, дальнейшее снижение поперечных колебаний, обеспечивается самим демпфе45 ром. Введение в акустический преобразователь втулок, выполненных из композитного материала, позволяет значительно снизить уровень шумов в нем, что приведет к уменьшению погрешности измерения.

Формула изобретения

Акустический преобразователь расхода, содержащий прямолинейный участок трубопровода, с двумя патрубками, на торцах которого закреплены приемоизлучающие головки с пьезоэлементами, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью уменьшения погрешности измерения за счет снижения уровня акустических шумов. приемоизлучающие головки закреплены на торцах трубопровода с помощью соосно

1673845

Составитель Н. Бурбело

Редактор А. Долинич Техред М.Моргентал Корректор О. Кравцова

Заказ 2909 Тираж 401 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035. Москва. Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101 установленных втулок, с кольцевыми проточками на внутренней поверхности, шаг которых удовлетворяет соотношению

hp = п 4, где n - 1, 2, 3...„4 — длина волны, в материале втулки, при этом, длина части втулки от излучающей поверхности пьезоэлемента до торца трубопровода выбирается равной 1ф = rp/À, где г — радиус пьезоэлемента; l длина волны излучения, а длина части ее, расположенной за тыльной стороной пьезоэлемента контактно к боковой поверхности приемоизлучающей головки, составляет не менее 0,5 А на резонансной частоте преобразователя,