Давач акустичного витратоміра

Давач акустичного витратоміра рідини прямоточного типу з трубоподібним корпусом і трьома двійками п'єзоелектричних елементів, що відповідають трьом векторам розповсюдження акустичних сигналів, розташованих під кутом по осі давача, який відрізняється тим, що він обладнаний трьома двійками виступів з п'єзоелектричними елементами усередині, які розташовані рівномірно по колу з кроком 120° при довжині давача 1,6...2,0 діаметрів внутрішнього отвору, робочі поверхні виступів мають форму конусів із спільними основами і спільною віссю, яка співпадає з віссю корпуса акустичного давача, твірні цих конусних поверхонь у кожній з площин, які визначаються відпові A (54) ДАВАЧ АКУСТИЧНОГО ВИТРАТОМІРУ 37127 Рейнольдса Re£1,3x 104) з'я вляється зона великої і неоднозначної похибки (до 3...5%); б) кармани або отвори у корпусі давача для доступу до мембран п'єзоелектричних елементів створюють умови для накопичення повітряних бульбашок та іншого бруду, що призводить до порушень акустичного зв'язку між п'єзоелектричними елементами. Задачею цього винаходу є підвищення точності і надійності вимірювання швидкості рідини в трубопроводі шляхом: а) створення умов для переходу з ламінарного до турбулентного режиму руху рідини і назад, до ламінарного, при значно меншій швидкості руху рідини; б) повної ліквідації карманів та інших порожнин, які могли б стати місцем накопичення повітря. Задача винаходу вирішується шляхом створення в трубоподібному корпусі давача акустичного витратоміру трьох пар виступів з п'єзоелектричними елементами усередині, які відповідають трьом векторам розповсюдження акустичних сигналів і розташовані рівномірно по колу з кроком 120°. Довжина давача акустичного витратоміру складає 1,6...2,0 діаметрів внутрішнього отвору. Робочі поверхні виступів повинні мати форму конусів зі спільними основами і спільною віссю, яка співпадає з віссю корпусу давача акустичного витратоміру. Створюючи цих конусних поверхонь у кожній з площин, які визначаються відповідним вектором розповсюдження акустичного сигналу і віссю корпусу давача акустичного витратоміру, повинні бути перпендикулярними до вектора розповсюдження акустичного сигналу. Кут на хилу створюючих робочих поверхонь до вісі корпусу давача акустичного витратоміру повинен складати 45...60°. Зворотні поверхні виступів повинні мати форму конусів з основами, що співпадають з вхідним і вихідним отворами акустичного давача і спільну вісь, яка співпадає з віссю корпусу давача акустичного витратоміру. Кут на хилу створюючих зворотних поверхонь до вісі корпусу давача акустичного витратоміру повинен бути таким, щоб коло, утворене пересіченням конусних поверхонь робочих і зворотних поверхонь мало діаметр 0,70±0,05 від діаметру внутрішнього отвору, але цей кут не повинен бути більшим за доповнення до 90º кута нахилу створюючих робочих поверхонь. Виступи з п'єзоелектричними елементами усередині відокремлені один від одного фрагментами циліндричної поверхні, створюючі якої паралельні до вісі корпусу давача акустичного витратоміру, таким чином, щоб загальна площа трьох виступів у спільній площині, яка перпендикулярна до вісі корпусу акустичного давача, не перевищувала б 20%. Гострі грані у робочому просторі давача акустичного витратоміру перпендикулярні до напрямку потоку повинні бути закруглені з радіусом не меншим за 0,5 мм. Ефект підвищення точності та надійності може бути досягнений для потоку через давач акустичного витратоміру, для якого число Рейнольдса знаходиться в межах від 4,65х103 до 2,32х106. Як відомо, число Рейнольдса розраховується за формулою: де Vcp - середня швидкість рідини; D - внутрішній діаметр труби, яка є корпусом давача акустичного витратоміру, тобто діаметр внутрішнього отвору; η - в'язкість рідини. Наприклад, для давача акустичного витратоміру з діаметром внутрішнього отвору 50 мм швидкість води може бути 0,03...15,0 м/с, що відповідає діапазону вимірюваних витрат від 0,2м 3/год до 100 м 3/год. Для такого потоку через акустичний давач витратоміру запропонованої конфігурації забезпечується перехід з режиму ламінарної течії до турбулентної поблизу нижньої границі діапазону витрат, а також гарантовано відсутність кавітаційних ефектів. Ефект підвищення надійності здобувається завдяки повній відсутності у конструкції акустичного давача витратоміру карманів і порожнин, де могли б накопичуватись повітряні бульбашки та тверді відкладини, котрі звичайно стають перешкодою для розповсюдження робочих акустичних сигналів і призводять до виходу з ладу звичайних витратомірів. Таким чином досягнуто новий те хнічний результат, який полягає у тому, що новий давач акустичного витратоміру поєднує у собі три позитивні якості: а) три вектори розповсюдження акустичних сигналів дають об'єктивну інформацію для пошуку середньої швидкості рідини в несиметричному (через турбулентність або місцеві перешкоди в трубопроводі) потоці, що дає змогу зменшити довжину прямих відрізків на вході й виході давача або зовсім відмовитися від них; б) точність вимірювання малих витрат підвищується завдяки провокуванню раннього переходу до турбулентного режиму течії; в) підвищення надійності через відсутність карманів і порожнин. На фіг. 1 наведено приклад виконання давача акустичного витратоміру, тобто вимірювача швидкості рідини в трубопроводі фіксованого діаметру. Давач акустичного витратоміру має трубоподібний корпус 1, в котрому створені шість виступів, згрупованих у три двійки: 1а – 1б, 2а – 2б, 3а – 3б, - відповідно до трьох векторів розповсюдження акустичних сигналів. Усередині кожного з виступів за металевою мембраною 4 розміщено п'єзоелектричні елементи 5. Виступи 1a, 2а, 3а і виступи 1б, 2б, 3б розташовані відповідно в двох площинах, перпендикулярних до вісі давача акустичного витратоміру, з рівномірним кроком 120 із зміщенням групи а відносно групи б на 180°, щоб забезпечити контроль внутрішнього середовища трьох векторів розповсюдження акустичних сигналів з рівномірним кроком 120°. Довжина корпусу давача акустичного витратоміру складає 1,6...2,0 діаметрів внутрішнього отвору. Робочі поверхні виступів мають форму однакових конусів зі спільними основами і спільною віссю, яка співпадає з віссю корпусу давача акустичного витратоміру. Створюючі цих конусних поверхонь у кожній з площин, які визначаються відповідним вектором розповсюдження акустичного сигналу і віссю корпусу давача акустичного витратоміру, виявляються перпендикулярними до вектора розповсюдження акустичного сигналу. Кут Re=Vcpx D/η, 2 37127 нахилу створюючих робочих поверхонь до вісі корпусу давача акустичного витратоміру у даному випадку складає 45º, але може бути і більшим - до 60°. Таким чином досягають того, що робочі мембрани 4 і відповідні п'єзоелектричні елементи 5 виявляються розташованими строго паралельно одна одній у кожній з пар виступів, перпендикулярними до вектору розповсюдження акустичного сигналу і розташованими своїми центрами на вісі цього вектора. Це необхідно для найменшого ослаблення акустичного сигналу підчас розповсюдження від одного п'єзоелектричного елемента до іншого, тобто збільшення відношення сигнал/шум. Зворотні поверхні виступів мають форму конусів з основами, що співпадають з вхідним і вихідним отворами давача акустичного витратоміру і спільну вісь, яка співпадає з віссю корпусу давача акустичного витратоміру. Кут на хилу створюючих зворотних поверхонь до вісі корпусу давача акустичного витратоміру складає 20º, щоб коло, утворене пересіченням конусних поверхонь робочих і зворотних поверхонь мало діаметр 0,70±0,05 від діаметру внутрішнього отвору. Цей кут може дещо змінюватись відповідно до зміни кута нахилу створюючих робочих поверхонь, але він не повинен бути більшим за доповнення до 90° кута нахилу створюючих робочих поверхонь. Гострі грані у робочому просторі давача акустичного витратоміру перпендикулярні до напрямку потоку повинні бути закруглені з радіусом не меншим за 0,5 мм. Ці умови є компромісним рішенням, щоб з одного боку викликати турбулізацію потоку при малих швидкостях руху рідини, а з іншого - щоб запобігти кавітаційного ефекту при великих витрата х. Виступи з п'єзоелектричними елементами усередині відокремлені один від одного фрагментами циліндричної поверхні, створюючі якої паралельні до вісі корпусу давача акустичного витратоміру, таким чином, щоб загальна площа трьох виступів у спільній площині, яка перпендикулярна до вісі корпусу акустичного давача, не перевищувала б 20%. Ця умова викликана необхідністю обмежити гідравлічний опір давача акустичного витратоміру величиною до 10 кПа (0,1 атм.) навіть при максимальній вимірюваній витраті. На фіг. 2 наведено приклад конструкції закріплення акустичного давача витратоміру на трубопроводі б за допомогою наварних фланців 7, стяжних болтів 8 і герметизуючих прокладок 9. Таким чином, можна стверджувати, що новий давач акустичного витратоміру дійсно дозволяє точно вимірювати середню швидкість руху рідини навіть в несиметричному (через турбулентність або місцеві перешкоди в трубопроводі) потоці за допомогою трьох незалежних векторів розповсюдження акустичних сигналів, підвищує точність вимірювання малих витрат завдяки провокуванню раннього переходу до турбулентного режиму течії і підвищує надійність роботи з рідиною, яка забруднена бульбашками газу чи твердими частинками, тому що не має карманів і порожнин, де вони могли б накопичуватись. Джерела інформації. 1. Макс Ж. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях. В 2-х т. - М.: Мир. 1983. - T. 1. - С. 234 - 235. Измерения в промышленности. / Под редакцией П. Профоса. - М.: Металургія, 1980. - С. 355 - 357. 2. Измерения в промышленности. Под редакцией П. Профоса. - М.: Металургія, 1980. - С. 355 357. 3. Фаес Ив (Faes Ives), Каль Карно (Qual Camot). Способ и установка для измерения расхода жидкости при помощи ультразвука. Заявка на получение патента ЕПВ № 0162987 от 4 декабря 1984 г. 3 37127 Фіг. 1 Фіг. 2 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 4