RU147049U1

RU147049U1 - VICHREACOUSTIC FLOW CONVERTER

Info

Publication number: RU147049U1
Application number: RU2014134572/28U
Authority: RU
Inventors: Илья Алексеевич Кочергин; Рафаил Магданович Ахияров; Евгений Викторович Челядинов
Original assignee: Федеральное государственное унитарное предприятие "Завод "Прибор"
Priority date: 2014-08-22
Filing date: 2014-08-22
Publication date: 2014-10-27

Abstract

Вихреакустический преобразователь расхода, содержащий проточную часть, тело обтекания, акустический тракт, включающий установленные в проточную часть излучатель и приемник ультразвуковых волн, и электронный блок, излучатель и приемник ультразвуковых волн имеют корпус с донышком, внутри которого расположен пьезоэлемент, отличающийся тем, что корпуса излучателя и приемника ультразвуковых волн выполнены состоящими из нижней и верхней частей, нижняя часть корпуса с донышком и расположенным в ней пьезоэлементом выполнена из пластической массы, акустическое сопротивление которой меньше акустического сопротивления материала пьезоэлемента и больше акустического сопротивления измеряемой среды, верхняя часть корпуса представляет собой полую металлическую обойму, электроизолированную от пьезоэлемента, а наружная поверхность донышка выполнена плоской.A vortex-acoustic flow transducer comprising a flow part, a flow body, an acoustic path including an emitter and a receiver of ultrasonic waves installed in the flow part, and an electronic unit, a radiator and a receiver of ultrasonic waves have a body with a bottom inside which a piezoelectric element is located, characterized in that the body of the emitter and the receiver of ultrasonic waves are made up of lower and upper parts, the lower part of the body with the bottom and the piezoelectric element located in it is made of plastic mass, the acoustic resistance of which is less than the acoustic resistance of the material of the piezoelectric element and more than the acoustic resistance of the measured medium, the upper part of the body is a hollow metal cage, electrically insulated from the piezoelectric element, and the outer surface of the bottom is made flat.

Description

Полезная модель относится к средствам измерения объема жидкости или газа путем пропускания их через измерительные устройства непрерывным потоком, в частности, через расходомеры вихревого типа, и может быть использовано в расходометрии жидких и газообразных сред.The utility model relates to means for measuring the volume of a liquid or gas by passing them through measuring devices in a continuous stream, in particular through vortex-type flow meters, and can be used in flow metering of liquid and gaseous media.

Известен преобразователь расхода жидкости вихревого типа Инженерно-производственной фирмы «СИБНЕФТЕАВТОМАТИКА», содержащий чувствительный элемент и тело обтекания трапецеидальной формы, чувствительный элемент выполнен в виде двух пьезоэлементов, расположенных по потоку измеряемой среды за телом обтекания симметрично относительно него. Набегающий поток измеряемой среды на теле обтекания разделяется и образует вихри, которые распространяются попеременно вдоль и сзади каждой стороны тела обтекания. Частота образования вихрей за телом пропорциональна скорости потока. При прохождении вихря изменяется давление на пьезоэлементах чувствительного элемента. Сигнал напряжения переменного тока, выработанный пьезоэлементом, передается через токопроводящий проводник на электронный блок для обработки (Руководство по эксплуатации 311.01.00.000 РЭ «Датчик расхода газа ДРГ.М», стр. 1, 16, 19, г. Тюмень). Вибростойкость такого преобразователя не удовлетворяет предъявляемым к нему требованиям. Вибрация деформирует пьезоэлементы, которые вырабатывают шумовой сигнал. Шумовой сигнал заглушает полезный сигнал при значениях виброускорения более 0,2-0,4 g.A known vortex type fluid flow converter of the Engineering and Production Company "SIBNEFTEAVTOMATIKA" containing a sensing element and a trapezoidal flow around body, the sensitive element is made in the form of two piezoelectric elements located in the flow of the measured medium behind the flow around the flow body symmetrically relative to it. The incident flow of the measured medium on the body of the streamline is divided and forms vortices, which propagate alternately along and behind each side of the body of the streamline. The frequency of vortex formation behind the body is proportional to the flow velocity. With the passage of the vortex, the pressure on the piezoelectric elements of the sensing element changes. The ac voltage signal generated by the piezoelectric element is transmitted through the conductive conductor to the electronic unit for processing (Operating Instructions 311.01.00.000 RE “Gas flow sensor DRG.M”, p. 1, 16, 19, Tyumen). The vibration resistance of such a converter does not satisfy the requirements for it. Vibration deforms the piezoelectric elements that produce a noise signal. The noise signal drowns out the useful signal when the values of vibration acceleration are more than 0.2-0.4 g.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является вихреакустический преобразователь расхода жидкости МЕТРАН-300ПР, содержащий проточную часть, тело обтекания, акустический тракт, включающий установленные в проточную часть излучатель и приемник ультразвуковых волн и электронный блок, имеющий генератор, фазовый детектор, электронный фильтр, вычислитель. Излучатель и приемник ультразвуковых волн имеют корпуса, выполненные в виде стального стакана со сферической наружной поверхностью донышка. Стаканы вварены в проточную часть. Внутри стакана расположен круглый, в виде таблетки с напыленными на нее электродами, пьезоэлемент, взаимодействующий с подпружиненным прижимом, и электроизолирующая втулка. При этом излучатель и приемник ультразвуковых волн электрически связаны с проточной частью (МЕТРАН, Руководство по эксплуатации СПГК.407131.026 РЭ, стр. 1, 22-25).The closest in technical essence to the claimed solution is a vortex-acoustic liquid flow transducer METRAN-300PR containing a flow part, a flow body, an acoustic path including an emitter and a receiver of ultrasonic waves installed in the flow part and an electronic unit having a generator, a phase detector, an electronic filter, calculator. The emitter and receiver of ultrasonic waves have a housing made in the form of a steel cup with a spherical outer surface of the bottom. Glasses are welded into the flow part. Inside the glass there is a round, in the form of a tablet with electrodes deposited on it, piezoelectric element interacting with a spring-loaded clip, and an electrically insulating sleeve. In this case, the emitter and receiver of ultrasonic waves are electrically connected to the flow part (METRAN, Operation Manual SPGK.407131.026 RE, p. 1, 22-25).

В известном устройстве шумовые сигналы создаются вибрацией в частотном диапазоне 5-400 Гц, а полезный сигнал имеет частоту 1 МГц. В результате прибор не чувствует вибрацию и является абсолютно виброустойчивым. Наиболее проблемными элементами вихреакустического преобразователя расхода являются излучатель и приемник ультразвуковых волн. Донышко стакана излучателя для обеспечения наибольшей амплитуды колебаний его внешней поверхности должно иметь ту же резонансную частоту, что и пьезоэлемент. Если резонансные частоты пьезоэлемента и донышка излучателя не совпадают, то чем больше разница между этими частотами, тем меньше амплитуда и интенсивность излучаемой донышком ультразвуковой волны.In the known device, noise signals are generated by vibration in the frequency range of 5-400 Hz, and the useful signal has a frequency of 1 MHz. As a result, the device does not feel vibration and is absolutely vibration resistant. The most problematic elements of the vortex-acoustic flow transducer are the emitter and receiver of ultrasonic waves. The bottom of the emitter cup to ensure the largest amplitude of oscillations of its outer surface should have the same resonant frequency as the piezoelectric element. If the resonant frequencies of the piezoelectric element and the bottom of the emitter do not match, then the greater the difference between these frequencies, the smaller the amplitude and intensity of the ultrasonic wave emitted from the bottom.

Осевая резонансная частота f (Гц), как пьезоэлемента, так и донышка, определяется нечетным количеством четвертей волны, укладывающихся в толщину пьезоэлемента или донышка.The axial resonance frequency f (Hz) of both the piezoelectric element and the bottom is determined by the odd number of quarters of the wave that fit into the thickness of the piezoelectric element or the bottom.

Длина волны λ определяется формулой:The wavelength λ is determined by the formula:

Здесь с - скорость звука в материале, (м/с).Here c is the speed of sound in the material, (m / s).

Видно, что с изменением толщины донышка вдоль оси будет укладываться нечетное количество четвертей волны, которая имеет другую длину, т.е. резонансная частота определяется толщиной донышка. В конструкции стакана резонансная частота соответствует толщине (3/4)·λ.It can be seen that with a change in the thickness of the bottom along the axis an odd number of quarters of a wave will be stacked, which has a different length, i.e. the resonant frequency is determined by the thickness of the bottom. In the design of the glass, the resonant frequency corresponds to a thickness of (3/4) · λ.

Однако донышко со сферической наружной поверхностью имеет разную толщину по всей поверхности. Его можно представить в виде набора вставленных друг в друга кольцевых фрагментов, толщина которых уменьшается от середины к периферии. Такая конструкция обусловлена тем, что металл, из которого изготовлено донышко, имеет очень низкие потери на внутреннее трение. В связи с этим у него очень узкая резонансная полоса с шириной несколько десятков Гц. Если бы донышко изготавливалось плоским, то пришлось бы с точностью до долей микрона изготавливать толщину донышка, чтобы одна из частот, составляющих ширину его резонансной полосы, совпала с резонансной частотой пьезоэлемента. Поскольку скорости звука в металлах различных плавок не совпадают из-за несовпадения их химсостава в пределах гостированного допуска, то для расчета толщины донышка пришлось бы каждый раз определять скорость звука.However, the bottom with a spherical outer surface has a different thickness over the entire surface. It can be represented as a set of ring fragments inserted into each other, the thickness of which decreases from the middle to the periphery. This design is due to the fact that the metal from which the bottom is made has very low internal friction losses. In this regard, he has a very narrow resonant band with a width of several tens of Hz. If the bottom were made flat, then it would be necessary to produce the thickness of the bottom to within a fraction of a micron, so that one of the frequencies making up the width of its resonance band coincides with the resonant frequency of the piezoelectric element. Since the speed of sound in the metals of different melts does not coincide due to the mismatch of their chemical composition within the guest tolerance, for calculating the thickness of the bottom, it would be necessary to determine the speed of sound each time.

Материал пьезоэлемента имеет более высокие потери на внутреннее трение и рабочая ширина резонансной полосы частот пьезоэлемента составляет порядка 4-6 кГц. Толщина кольцевых фрагментов донышка по мере удаления от центра уменьшается, поэтому увеличивается их резонансная частота. Такая конструкция при правильном выборе толщины донышка и радиуса его наружной сферы позволяет фрагментам донышка, составляющим кольцо, реагировать на все частоты, составляющие ширину резонансной полосы пьезоэлемента и обеспечить рабочую ширину резонансной полосы излучателя 4-6 кГц. Однако, на излучение и прием сигнала работает только кольцевой фрагмент, имеющий нужную резонансную частоту. Поскольку площадь фрагмента много меньше площади всего донышка, то амплитуда и интенсивность ультразвуковой волны, излучаемой от сферического донышка, много меньше чем от плоского. Ультразвуковая волна, в свою очередь, возбуждает колебания донышка стакана приемника. Как и для излучателя, чем ближе резонансная частота фрагмента донышка приемника к частоте ультразвуковой волны, тем больше амплитуда его колебаний. Донышко с частотой ультразвуковой волны механически воздействует на пьезоэлемент приемника, создающего синусоидальное изменение разности напряжений на электродах и на выходе с акустического тракта.The material of the piezoelectric element has higher internal friction losses and the working width of the resonant frequency band of the piezoelectric element is about 4-6 kHz. The thickness of the ring fragments of the bottom decreases with distance from the center; therefore, their resonance frequency increases. This design, with the right choice of the thickness of the bottom and the radius of its outer sphere, allows the fragments of the bottom that make up the ring to respond to all frequencies that make up the width of the resonant band of the piezoelectric element and ensure the working width of the resonant band of the emitter is 4-6 kHz. However, only a ring fragment having the desired resonant frequency works for radiation and signal reception. Since the area of the fragment is much smaller than the area of the entire bottom, the amplitude and intensity of the ultrasonic wave emitted from the spherical bottom is much smaller than from the plane. The ultrasonic wave, in turn, excites vibrations of the bottom of the receiver glass. As for the emitter, the closer the resonant frequency of the fragment of the bottom of the receiver to the frequency of the ultrasonic wave, the greater the amplitude of its oscillations. The bottom with the frequency of the ultrasonic wave mechanically acts on the piezoelectric element of the receiver, which creates a sinusoidal change in the voltage difference between the electrodes and the output from the acoustic path.

Отличие в работе излучателя и приемника состоит в том, что излучатель при колебаниях преодолевает сопротивление среды. Вследствие инерционности к донышку излучателя «прилипает» некоторый объем среды. Этот объем колеблется в одной фазе с поверхностью донышка. Объем имеет массу, которую принято называть соколеблющейся массой. Соколеблющаяся масса снижает резонансные частоты фрагментов донышка излучателя. Величина соколеблющейся массы зависит от плотности и вязкости среды, зависящих от ее температуры. Поэтому происходит смещение резонансной полосы излучателя при нагреве, что должно быть учтено при настройке системы. В случае приемника соколеблющаяся масса отсутствует. Из этого следует, что донышко излучателя должно быть тоньше донышка приемника для компенсации влияния соколеблющейся массы на резонансную частоту. В результате изготовление и сборка излучателей и приемников технологически значительно усложняется, что увеличивает стоимость прибора.The difference in the operation of the emitter and receiver is that the oscillator overcomes the resistance of the medium during oscillations. Due to inertia, a certain volume of the medium “sticks” to the bottom of the emitter. This volume fluctuates in one phase with the surface of the bottom. The volume has a mass, which is usually called a hovering mass. The oscillating mass reduces the resonant frequencies of the fragments of the bottom of the emitter. The magnitude of the shaky mass depends on the density and viscosity of the medium, depending on its temperature. Therefore, the resonant band of the radiator is shifted during heating, which should be taken into account when setting up the system. In the case of the receiver, there is no oscillating mass. It follows that the bottom of the emitter should be thinner than the bottom of the receiver to compensate for the influence of the oscillating mass on the resonant frequency. As a result, the manufacture and assembly of emitters and receivers is technologically significantly complicated, which increases the cost of the device.

В случае, когда диаметр проточной части превышает 200 мм, вихреакустический преобразователь расхода имеет проблемы из-за ослабления сигнала. Причинами ослабления сигнала являются несовпадения акустических сопротивлений жидкости и металла, а также сферическая форма донышек излучателя и приемника. Акустическое сопротивления металла превышает акустическое сопротивление жидкости примерно в 40 раз (акустическое сопротивление определяется выражением ρ·c, где ρ - плотность среды в кг/м³, c - скорость звука в м/с) Такая разница приводит к ослаблению сигнала как при излучении, так и при приеме ультразвуковой волны. При сферической форме донышка излучение происходит в полусферу. Интенсивность (Вт/м2) акустической волны уменьшается примерно пропорционально квадрату расстояния между излучателем и приемником.In the case where the diameter of the flow part exceeds 200 mm, the vortex-acoustic flow transducer has problems due to signal attenuation. The reasons for the attenuation of the signal are the mismatch of the acoustic impedances of the liquid and metal, as well as the spherical shape of the bottoms of the emitter and receiver. The acoustic resistance of the metal exceeds the acoustic resistance of the liquid by about 40 times (the acoustic resistance is determined by the expression ρ · c, where ρ is the density of the medium in kg / m ³ , c is the speed of sound in m / s) This difference leads to a weakening of the signal as in radiation, so when receiving an ultrasonic wave. With a spherical shape of the bottom, radiation occurs in the hemisphere. The intensity (W / m2) of an acoustic wave decreases approximately in proportion to the square of the distance between the emitter and receiver.

Наконец, этот преобразователь не может измерять расход газообразных сред, поскольку акустическое сопротивление металла значительно превышает акустическое сопротивление газа. Так, например, превышение для воздуха составляет более, чем в сто тысяч раз, и интенсивность излучаемой ультразвуковой волны настолько мала, что приемник ее не чувствует.Finally, this transducer cannot measure the flow rate of gaseous media, since the acoustic resistance of the metal significantly exceeds the acoustic resistance of the gas. So, for example, the excess for air is more than a hundred thousand times, and the intensity of the emitted ultrasonic wave is so small that the receiver does not feel it.

Предлагаемая полезная модель решает задачи повышения надежности вихреакустического преобразователя расхода, увеличения амплитуды полезного сигнала, расширения функциональных возможностей прибора при уменьшении его стоимости.The proposed utility model solves the problem of increasing the reliability of the vortex-acoustic flow transducer, increasing the amplitude of the useful signal, expanding the functionality of the device while reducing its cost.

Для достижения указанного технического результата в вихреакустическом преобразователе расхода, содержащем проточную часть, тело обтекания, акустический тракт, включающий установленные в проточную часть излучатель и приемник ультразвуковых волн, и электронный блок, излучатель и приемник ультразвуковых волн имеют корпус с донышком, внутри которого расположен пьезоэлемент, корпуса излучателя и приемника ультразвуковых волн выполнены состоящими из нижней и верхней частей, нижняя часть корпуса с донышком и расположенным в ней пьезоэлементом выполнена из пластической массы, акустическое сопротивление которой меньше акустического сопротивления материала пьезоэлемента и больше акустического сопротивления измеряемой среды, верхняя часть корпуса представляет собой полую металлическую обойму, электроизолированную от пьезоэлемента, а наружная поверхность донышка выполнена плоской.To achieve the specified technical result in a vortex-acoustic flow transducer containing a flow part, a flow body, an acoustic path including an emitter and a receiver of ultrasonic waves installed in the flow part, and an electronic unit, a radiator and a receiver of ultrasonic waves have a body with a bottom inside which the piezoelectric element is located, the case of the emitter and receiver of ultrasonic waves are made up of lower and upper parts, the lower part of the body with a bottom and a piezoelectric element located in it ntom made of a plastic mass, which is less than the acoustic impedance of the acoustic resistance material and more piezoelement acoustic impedance of the medium, the upper housing portion is a hollow metal cage, electrically isolated from the piezoelectric element and the outer surface is flat bottoms.

Отличительными признаками предлагаемого устройства по сравнению с прототипом являются выполнение корпуса излучателя и приемника ультразвуковых волн состоящими из нижней и верхней частей, нижняя часть корпуса с донышком и расположенным в ней пьезоэлементом выполнена из пластической массы, акустическое сопротивление которой меньше акустического сопротивления материала пьезоэлемента и больше акустического сопротивления измеряемой среды, верхняя часть корпуса представляет собой полую металлическую обойму, электроизолированную от пьезоэлемента, а наружная поверхность донышка выполнена плоской.Distinctive features of the proposed device in comparison with the prototype are the implementation of the body of the emitter and receiver of ultrasonic waves consisting of lower and upper parts, the lower part of the body with a bottom and a piezoelectric element located in it is made of plastic mass, the acoustic resistance of which is less than the acoustic resistance of the material of the piezoelectric element and more acoustic resistance medium, the upper part of the body is a hollow metal cage, electrically insulated from element, and the outer surface of the bottom is made flat.

Благодаря наличию этих признаков излучатель и приемник ультразвуковых волн электрически не связаны с проточной частью. Это уменьшает помехообразование, увеличивает соотношение сигнал/шум и приводит к снижению стоимости электронной части вихреакустического преобразователя расхода при повышении помехоустойчивости и надежности работы прибора. Использование пластической массы в конструкции нижней части корпуса и плоского донышка приводят к увеличению амплитуды сигнала. Заявляемое устройство дает возможность увеличения диаметра проточной части с увеличением значений измеряемых расходов при снижении стоимости механической части преобразователя. Появляется возможность измерения расхода газообразных сред наряду с измерением расхода жидких сред.Due to the presence of these signs, the emitter and receiver of ultrasonic waves are not electrically connected to the flow part. This reduces noise generation, increases the signal-to-noise ratio and leads to a decrease in the cost of the electronic part of the vortex-acoustic flow transducer while increasing the noise immunity and reliability of the device. The use of plastic mass in the design of the lower part of the body and the flat bottom lead to an increase in the signal amplitude. The inventive device makes it possible to increase the diameter of the flowing part with increasing values of the measured costs while reducing the cost of the mechanical part of the Converter. It becomes possible to measure the flow rate of gaseous media along with measuring the flow rate of liquid media.

Предлагаемый вихреакустический преобразователь расхода иллюстрируется чертежами: на фиг. 1 представлен вихреакустический преобразователь расхода; на фиг. 2 - блок-схема вихреакустического преобразователя расхода; на фиг. 3 - увеличенное изображение I на фиг. 1.The proposed eddy-acoustic flow transducer is illustrated by the drawings: in FIG. 1 shows a vortex-acoustic flow transducer; in FIG. 2 is a block diagram of a vortex-acoustic flow transducer; in FIG. 3 is an enlarged image of I in FIG. one.

Вихреакустический преобразователь расхода содержит проточную часть 1 тело обтекания 2 трапецеидальной формы и акустический тракт, который представляет собой установленные в проточную часть излучатель 3 и приемник 4 ультразвуковых волн. Электронный блок имеет генератор 5, фазовый детектор 6, электронный фильтр 7 и вычислитель 8. Корпуса излучателя 3 и приемника 4 ультразвуковых волн выполнены из двух частей: нижней 9 и верхней 10. Нижняя часть корпуса с донышком 11 и расположенным в ней пьезоэлементом 12 выполнена из пластической массы, акустическое сопротивление которой меньше акустического сопротивления материала пьезоэлемента 12 и больше акустического сопротивления измеряемой среды. Донышко 11 выполнено толщиной (3/4)·λ, где λ - длина ультразвуковой волны в пластмассе на частоте 1 МГц. Наружная поверхность донышка 11 выполнена плоской. Верхняя часть корпуса представляет собой полую металлическую обойму 13, электроизолированную от пьезоэлемента прокладкой 14 и пластической массой. Выводы 15 от пьезоэлемента электроизолированы от обоймы 13 пластической массой.The eddy-acoustic flow transducer contains a flow part 1 of a trapezoidal flow around 2 and an acoustic path, which is an emitter 3 and an ultrasonic wave receiver 4 installed in the flow part. The electronic unit has a generator 5, a phase detector 6, an electronic filter 7 and a calculator 8. The cases of the emitter 3 and the receiver 4 of ultrasonic waves are made of two parts: the lower 9 and the upper 10. The lower part of the housing with the bottom 11 and the piezoelectric element 12 located therein is made of plastic mass, the acoustic resistance of which is less than the acoustic resistance of the material of the piezoelectric element 12 and more than the acoustic resistance of the measured medium. The bottom 11 is made with a thickness of (3/4) · λ, where λ is the ultrasonic wavelength in the plastic at a frequency of 1 MHz. The outer surface of the bottom 11 is made flat. The upper part of the body is a hollow metal sleeve 13, electrically insulated from the piezoelectric element by a gasket 14 and a plastic mass. Conclusions 15 from the piezoelectric element are insulated from the clip 13 by plastic mass.

Рассмотрим работу вихреакустического преобразователя расхода. Набегающий поток жидкости на теле обтекания 2 разделяется и образует вихри, которые распространяются попеременно вдоль и сзади каждой стороны тела обтекания. Частота образования вихрей за телом пропорциональна скорости потока. Генератор 5 подает переменное напряжение ультразвуковых частот с частотой 1 МГц на излучатель 3 ультразвуковых волн. Излучатель преобразует его в механические колебания и создает ультразвуковую волну, которая пересекает поток и попадает на приемник 4 ультразвуковых волн. Последний преобразует механические колебания жидкости в электрические той же частоты и подает на фазовый детектор 6. Затем сигнал поступает на электронный фильтр 7 для очистки от помех и в вычислитель 8. В начальной стадии пересечения вихрем луча между излучателем и приемником скорость звука и скорость частиц среды, двигающихся по окружности вихря, совпадают. Имеет место эффект уменьшения времени прохождения звуковой волны между излучателем и приемником. Наоборот, в конечной стадии пересечения частицы среды движутся против звуковой волны. Соответственно время прохождения волны увеличивается. То есть происходит изменение фазы волны. Изменение фазы волны создает изменение фазы электрического сигнала, вырабатываемого приемником. Электрический сигнал поступает на фазовый детектор 6. На фазовом детекторе определяется разность фаз между сигналами с приемника и генератора 5 На выходе фазового детектора образуется напряжение, частота изменения которого равна частоте образования вихрей. Вычислитель 8 по частоте образования вихрей рассчитывает объемный расход. Пьезоэлемент имеет форму круглой таблетки, спрессованной из окислов металлов. На торцевых плоскостях таблетки напылены два электрода. Он преобразует переменное напряжение, подведенное к электродам, в механические колебания пьезоэлемента вдоль его оси с той же частотой. Амплитуда механических колебаний определяется подводимым к электродам напряжением. И наоборот. При механическом воздействии вдоль оси на электродах пьезоэлемента создается переменное напряжение, частота которого равна частоте механического воздействия. Амплитуда напряжения определяется амплитудой силы воздействия. Пьезоэлемент имеет спектр резонансных частот, определяемый его толщиной. Его толщина 2 мм, что соответствует первой резонансной частоте 1 МГц. При подаче напряжения с частотой, близкой к 1 МГц, амплитуда механических колебаний будет близка к максимальной. И, наоборот, при воздействии гармонической силы вдоль оси пьезоэлемента с частотой 1 МГц, получим наибольшую амплитуду напряжения между электродами пьезоэлемента. Поэтому для получения наибольшего выходного сигнала от акустического тракта необходимо, чтобы все его элементы имели резонансную частоту, близкую к 1 МГц. На электроды пьезоэлемента излучателя подается напряжение 5 В с частотой 1 МГц. Пьезоэлемент начинает пульсировать с той же частотой и возбуждает колебания донышка, создающего ультразвуковую волну.Consider the operation of a vortex-acoustic flow transducer. The incoming liquid flow on the body of the flow around 2 is divided and forms vortices, which propagate alternately along and behind each side of the body of the flow. The frequency of vortex formation behind the body is proportional to the flow velocity. The generator 5 supplies an alternating voltage of ultrasonic frequencies with a frequency of 1 MHz to the emitter 3 of ultrasonic waves. The emitter converts it into mechanical vibrations and creates an ultrasonic wave that crosses the stream and enters the receiver 4 of ultrasonic waves. The latter converts the mechanical vibrations of the liquid into electric waves of the same frequency and feeds it to the phase detector 6. Then the signal is transmitted to the electronic filter 7 to clear the noise and to the computer 8. At the initial stage of the intersection of the beam by the vortex between the emitter and receiver, the speed of sound and the speed of the particles of the medium, moving around the circle of the vortex, coincide. There is an effect of decreasing the propagation time of the sound wave between the emitter and the receiver. On the contrary, in the final stage of intersection, the particles of the medium move against the sound wave. Accordingly, the wave propagation time increases. That is, a phase change of the wave occurs. Changing the phase of the wave creates a phase change of the electrical signal generated by the receiver. An electrical signal is supplied to phase detector 6. At the phase detector, the phase difference between the signals from the receiver and generator 5 is determined. A voltage is generated at the output of the phase detector, the frequency of which is equal to the frequency of vortex formation. Calculator 8 by the frequency of vortex formation calculates the volumetric flow rate. The piezoelectric element has the form of a round tablet pressed from metal oxides. Two electrodes are sprayed on the end planes of the tablet. It converts the alternating voltage supplied to the electrodes into mechanical vibrations of the piezoelectric element along its axis with the same frequency. The amplitude of mechanical vibrations is determined by the voltage supplied to the electrodes. And vice versa. During mechanical action along the axis, an alternating voltage is created on the electrodes of the piezoelectric element, the frequency of which is equal to the frequency of the mechanical action. The amplitude of the voltage is determined by the amplitude of the force of action. The piezoelectric element has a spectrum of resonant frequencies, determined by its thickness. Its thickness is 2 mm, which corresponds to the first resonant frequency of 1 MHz. When applying voltage with a frequency close to 1 MHz, the amplitude of mechanical vibrations will be close to maximum. And, conversely, when a harmonic force is applied along the axis of the piezoelectric element with a frequency of 1 MHz, we obtain the largest voltage amplitude between the electrodes of the piezoelectric element. Therefore, to obtain the largest output signal from the acoustic path, it is necessary that all its elements have a resonant frequency close to 1 MHz. A voltage of 5 V with a frequency of 1 MHz is supplied to the electrodes of the piezoelectric element of the emitter. The piezoelectric element begins to pulsate with the same frequency and excites vibrations of the bottom, which creates an ultrasonic wave.

Пластическая масса является диэлектриком. Электрические выводы от пьезоэлемента и сам пьезоэлемент гальванически развязаны с проточной частью. Поэтому будут отсутствовать помехи, поступающие в электронный блок через корпус. Отпадает необходимость фильтрации помех, поступающих через корпус, электронная схема блока упрощается, повышается надежность и снижается стоимость электронного блока.Plastic mass is a dielectric. The electrical leads from the piezoelectric element and the piezoelectric element itself are galvanically isolated from the flow part. Therefore, there will be no interference entering the electronic unit through the housing. There is no need to filter the interference coming through the case, the electronic circuit of the unit is simplified, reliability is increased and the cost of the electronic unit is reduced.

Имеются пластмассы, значение акустического сопротивления которых находится примерно между акустическими сопротивленими жидкости и материала пьезоэлемента. Наибольшая амплитуда сигнала наблюдается, если акустическое сопротивление пластмассы примерно равно среднеквадратичному значению акустических сопротивлений жидкости и материала пьезоэлемента.There are plastics, the acoustic impedance value of which is approximately between the acoustic impedances of the liquid and the piezoelectric material. The largest signal amplitude is observed if the acoustic impedance of the plastic is approximately equal to the rms value of the acoustic impedance of the liquid and the material of the piezoelectric element.

Излучатель с плоским донышком имеет узкий угол излучения. Поэтому интенсивность волны изменяется незначительно с увеличением расстояния между излучателем и приемником. Это позволяет увеличить диаметр проточной части до 1800 мм, а значит расширить диапазон измеряемых расходов в большую сторону.The emitter with a flat bottom has a narrow radiation angle. Therefore, the wave intensity varies slightly with increasing distance between the emitter and the receiver. This allows you to increase the diameter of the flow part up to 1800 mm, which means to expand the range of measured flow rates up.

Пластмасса имеет высокий коэффициент потерь на внутреннее трение. Поэтому излучатель и приемник имеют ширину резонансной полосы около 400 кГц (фиг. 4.). Это позволяет собирать акустический тракт без дополнительной настройки, что существенно упрощает технологию сборки и снижает ее стоимость. Отсутствие необходимости в дополнительной настройке позволяет производить ремонт в полевых условиях в минимально короткое время.Plastic has a high coefficient of internal friction loss. Therefore, the emitter and receiver have a resonant bandwidth of about 400 kHz (Fig. 4.). This allows you to assemble the acoustic path without additional configuration, which greatly simplifies the assembly technology and reduces its cost. The absence of the need for additional adjustment allows you to carry out repairs in the field in a minimally short time.

Наконец, существуют пластические массы с акустическим сопротивлением, приближенным к акустическому сопротивлению газа, например, фторопласт. Если изготовить нижнюю часть корпусов излучателя и приемника из такой пластмассы, то вихреакустический преобразователь будет измерять также и расход газа, а это расширение функциональных возможностей преобразователя расхода.Finally, there are plastic masses with acoustic impedance close to the acoustic impedance of a gas, for example, fluoroplastic. If the lower part of the emitter and receiver cases is made of such plastic, then the vortex-acoustic transducer will also measure gas flow, and this is an extension of the functionality of the flow transducer.

Claims

A vortex-acoustic flow transducer comprising a flow part, a flow body, an acoustic path including an emitter and a receiver of ultrasonic waves installed in the flow part, and an electronic unit, a radiator and a receiver of ultrasonic waves have a body with a bottom inside which a piezoelectric element is located, characterized in that the body of the emitter and the receiver of ultrasonic waves are made up of lower and upper parts, the lower part of the body with the bottom and the piezoelectric element located in it is made of plastic mass, the acoustic resistance of which is less than the acoustic resistance of the material of the piezoelectric element and more than the acoustic resistance of the measured medium, the upper part of the body is a hollow metal cage, electrically insulated from the piezoelectric element, and the outer surface of the bottom is made flat.