Акустический преобразователь расхода

(5)5 6 01 ) 1/6 ИЯОСУДАРСТВЕ ННЫЙ КОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯРИ ГКНТ СССР ПИСАНИЕ ИЗОБРЕ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Куйбышевское специальное конструкторское бюро Научно-производственногообъединения "Нефтехимавтоматика"(56) Ультразвуковые преобраэователи длянераэрушающего контроля / Под ред,И,Н.Ермолова, М., Машиностроение, 1986,с,260.Авторское свидетельство СССРМ 966495, кл, С 01 Р 1/66, 1982,(54) АКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ 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 5 О.1 б 73845 А 1 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 П = ие, где и = 1, 2, 3; М длина волны в материале втулки, при этом длина части втулки от излучающей поверхности пьезоэлемента до торца тру- ф бопровода выбирается равной 1 ф = г 20(Х, где г - радиус пьезоэлемента, а длина части втулки. расположенной за тыльной стороной пьезоэлемента, составляет не менее 0,5 А на резонансной частоте преобразо- Я вателя, 1 ил.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 1 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:81 0Лт -лО сгде 0 - контролируемый расход- длина участка трубопровода между приемоизлучающими головками, на котором имеется движение контролируемой среды;О - 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 10 15 20 25 30 35 40 45 50 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 ЭД 167384520 в качестве связующего в количестве 100в,ч. пластификатора типа МГФ 9 в количестве 10 в ч, порошка пьеэокерамическоготипа ЦТС, ЦТС и т д в количестве 80в.ч, и порошка синтетической резины в количестве 1 О в.ч., используемых в качественаполнителей, отвердителя типа полиэтиленамина в количестве 13 в.ч. Отвержденнуюкомпозицию механически обрабатываютпод определенные геометрические размеры приемоизлучающих головок и посадочных гнезд измерительного трубопровода.Акустическое сопротивление полученногокомпозитного материала втулки составляет7 = 4,3 10 кг/ (м с), а коэффициент затухания на частоте 1,5 МГц равен 240 нП/сКроме того, колебательная энергия, вызванная радиальными колебаниями за счедиссипативных потерь рассеиваешься накольцевых проточках пугем преобразования колебаний по толщине стенки втулки,На практике ширину проточек и расс,ояниемежду ними следует выбирать кратнымидлине волны в материале втулки. Размерыкольцевых проточек в преобразователе еь: -браны из соотношенияг 1 1, /2с/21где г 1 . толщина пьезоэлемента;длина волны в пьезоэлементе;с . скорость волны в материале втулки;- резонансная частота в пьезоэлементе.Известно, что функция пьезоэлемента вформе 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 запределами основного лепестка диаграммынаправленности располагается ряд боковых лепестков, создающих в твердом телерадиальные колебания. вызывающие поперечные и другие виды волны,Образование максимумов и минимумов в ближней зоне преобразователя(пьезоэлемента) объясняется различиемрасстояний от разных точек преобразователя до точки наблюдения и связаннуюс этим разность фаэ интерферирующихизлучаемых сигналов, Паразитные сигналы, отраженные от сред, резко отличающихся по своим акустическим свойствам,влияют на выходную характеристику преобразователя, так как границы разделасред являются генераторами многочисленных помех, имеющих амплитуду,и соизмеримые с амплитудой полезногосигнала,Уровень бокового излучения сосредоточен в ближней зоне преобразователя. Радиальные колебания особенно велики при малом отношении радиуса пьезоэлемента, г 5 к толщине О, т,е, (гl б20) Экспериментальным путем установлено, что акустические шумы минимальны в том случае, когда лицевая сторона (от излу 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), притяженностькоторой зависит от размеров пьезоэлемента в его частоты Б преобразователе этоРрасстояние равно 1 ф = - , Для достижения2хорошей механоакустической связи, а также герметизации узла трубопровод - втулка - приемоизлучающая головка, соединение элементов узла выполнено неразьемным, а именно. элементы узла соединены с по мощью клеевой композиции того же состава, что и материал втулки.Для уменьшения помех, возникающихза 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 демпфером. 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 щ и й с я тем, что, с целью уменьшения погрешности измерения за счет снижения уровня акустических шумов. приемоизлучающие головки закреплены на торцах трубопровода с помощью соосноЗаказ 2909 Тираж 401 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035. Москва, Ж, 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 Ьп = п 4, где и - 1, 2, 3, ", 4 - длина волны, в материале втулки, при этом, длина части втулки от излучающей поверхности пьезоэлемента до торца трубопровода выбирается рваной 1 ф = г 3,/А, где г - радиус пьезоэлемента; А - длина волны излучения, в длина части ее, расположенной за тыльной стороной пьезоэлемента контакт. но к боковой поверхности приемоизлучающей головки, составляет не менее 0,5 А на резонансной частоте преобразователя,