SU1673845A1

SU1673845A1 - Acoustic converter of flow rate

Info

Publication number: SU1673845A1
Application number: SU884616648A
Authority: SU
Inventors: Николай Семенович Марьин
Original assignee: Куйбышевское Специальное Конструкторское Бюро Научно-Производственного Объединения "Нефтехиматоматика"
Priority date: 1988-12-06
Filing date: 1988-12-06
Publication date: 1991-08-30

Abstract

Изобретение относитс к измерительной технике и может быть использовано в различных отрасл х народного хоз йства дл измерени расходов. Целью изобретени вл етс уменьшение погрешности измерени за счет снижени уровн 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 измер емый расход. Радиальные колебани , вл ющиес источниками помех, затухают за счет выполнени втулок с кольцевыми проточками на внутренней поверхности, шаг которых удовлетвор ет соотношению H = N ^. λ_в, где N = 1, 2, 3 ...The invention relates to a measurement technique and can be used in various parts of the national economy to measure costs. The aim of the invention is to reduce the measurement error by reducing the noise level in the acoustic transducer. The liquid enters through pipe 6, passes through pipeline 1 past receiving-emitting heads 3 and 4, installed at the pipe ends with the help of composite bushings, and leaves through pipe 7. The time shift between reception pulses characterizes the measured flow rate. Radial vibration, is propelling noise sources are attenuated by making the sleeves with annular recesses on the inner surface, which step satisfies the relationship H = ^N. λ _in , where N = 1, 2, 3 ...

λ_в - длина волны в материале втулки, при этом длина части втулки от излучающей поверхности пьезоэлемента до торца трубопровода выбираетс равной L_ф = R ₀ / λ, где R - радиус пьезоэлемента, а длина части втулки, расположенной за тыльной стороной пьезоэлемента, составл ет не менее 0,5 λ на резонансной частоте преобразовател . 1 ил.λ _in is the wavelength in the sleeve material, the length of the part of the sleeve from the radiating surface of the piezoelectric element to the pipe end is equal to L _f = R ₀ / λ, where R is the radius of the piezoelectric element and the length of the part of the sleeve located behind the back side of the piezoelectric element not less than 0.5 λ at the resonant frequency of the converter. 1 il.

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства при измерении расходов.The invention relates to measuring equipment and can be used in various sectors of the economy when measuring costs.

Цель изобретения - уменьшение по- 5 грешности измерения за счет снижения уровня шумов в акустическом преобразователе.The purpose of the invention is to reduce the measurement error 5 by reducing the noise level in the acoustic transducer.

На чертеже представлено сечение акустического преобразователя расхода. 10The drawing shows a cross section of an acoustic flow transducer. 10

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 пьезоэлементыThe acoustic flow transducer contains a straight segment of the pipeline 1, at the ends of which, with the help of bushings 2 made of composite material, receiving-emitting heads 3 and 4 containing piezoelectric elements are installed

5. К трубопроводу подсоединены патрубки 6 и 7 для ввода и вывода контролируемой жидкости.5. Pipes 6 and 7 are connected to the pipeline for input and output of the controlled fluid.

Устройство работает следующим обра- 20 зом.The device operates as follows.

Жидкость входит через патрубок 6 и, проходя по трубопроводу 1, выходит из него через второй патрубок 7. Электрические сигналы, поступающие с электронного бло- 25 ка (не показан) на приемоизлучающие головки 3 и 4, преобразуются последними в ультразвуковые зондирующие сигналы. Импульсы проходят через жидкость по трубопроводу в противоположных направлениях, 30 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 35 движении от приемоизлучающей головки 4 к приемоизлучающей головке 3 меньше, чем в противоположном направлении. Сдвиг по времени между импульсами приема определяется по формуле: ’ 40The liquid enters through the nozzle 6 and, passing through the pipe 1, leaves it through the second nozzle 7. The electric signals coming from the electronic unit 25 (not shown) to the receiving-emitting heads 3 and 4 are converted by the latter into ultrasonic probing signals. The pulses pass through the liquid through the pipeline in opposite directions, 30 arrive at the heads 4 and 3, respectively, and are converted by them into electrical reception signals. Due to the movement of the liquid through the pipeline, the delay of the ultrasonic pulse in the liquid during 35 movement from the receiving-emitting head 4 to the receiving-emitting head 3 is less than in the opposite direction. The time shift between the reception pulses is determined by the formula: ’40

Аг=-Ц°π D^z · с где Q - контролируемый расходAr = -C ° π D ^z · s where Q is the controlled flow

L - длина участка трубопровода между приемоизлучающими головками, на котором имеется движение контролируемой среды;L is the length of the pipeline section between the receiving-emitting heads, on which there is movement of a controlled medium;

D - диаметр трубопровода;D is the diameter of the pipeline;

с - скорость звука в контролируемой жидкости. 50C is the speed of sound in a controlled fluid. fifty

В процессе возбуждения пьезоэлементом 5 продольных упругих колебаний, используемых для контроля движущейся жидкости, одновременно с ними возбуждаются поперечные и другие волны, являющи- 55 еся источниками помех. Поперечные и изгибные волны о точно создаются радиальными колебаниями пьезоэлемента 5, которые передаются в элементы конструкции приемоизлучающих головок 3 и 4. звукопро вод (протектор), боковую поверхность пье зоэлемента и в демпфирующую часть Источниками возбуждения радиальных ко лебаний являются боковые лепестки диаг раммы направленности, уровень которых уменьшается после зоны Френеля. Так как при радиальных колебаниях частицы среды колеблются перпендикулярно направлению продольной волны, то попадая на границу приемоизлучающая головка-втулка, выполненная из композитного материала, обладающего большим коэффициентом затухания, часть упругой колебательной энергии из-за 15 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 тыльной стороной пьезоэлемента, также гасятся во втулке. Практически длину части втулки, расположенной за тыльной стороной пьезоэлемента,достаточно выполнить равной не менее λ/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 λ . где А- 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.In the process of piezoelectric element excitation, 5 longitudinal elastic vibrations used to control a moving fluid, simultaneously transverse and other waves are excited, which are 55 sources of interference. Transverse and bending waves are precisely created by the radial vibrations of the piezoelectric element 5, which are transmitted to the structural elements of the receiving-emitting heads 3 and 4. sound duct (protector), the side surface of the piezo element and to the damping part. The sources of excitation of radial vibrations are the side lobes of the radiation pattern, level which decreases after the Fresnel zone. Since during radial vibrations the particles of the medium oscillate perpendicular to the direction of the longitudinal wave, when the receiving-emitting head-sleeve is made of a composite material having a large attenuation coefficient, a part of the elastic vibrational energy decays due to 15 dissipative losses (the transition of vibrational energy into heat) attenuates . Another part of the vibrational energy is attenuated due to the transformation of the incident and reflected waves (4). The transverse waves arising behind the back of the piezoelectric element are also quenched in the sleeve. In practice, the length of the part of the sleeve located behind the back of the piezoelectric element is sufficient to be equal to at least λ / 2, i.e. equal to the thickness of the piezoelectric element, since then parasitic waves are attenuated in the damper of the receiving-emitting head, and a sufficient degree of attenuation in the sleeve is achieved with a wall thickness of about 2.5 λ. where A is the wavelength at the resonant frequency of the transducer. Thanks to the introduction of bushings made of composite material into the device, the signal-to-noise signal for metal was significantly reduced. In addition to attenuation of spurious waves in the material itself due to dissipative losses, the vibrational energy caused by radial vibrations is scattered on the annular grooves due to the transformation of the vibration along the thickness of the sleeve wall.

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.The receiving signal in the device is a radio pulse with three periods of the resonant frequency of the receiving head, in which the second half-wave has a maximum amplitude, which allows recording the moment of receipt of the receiving pulse without fear of distortions of the recording radio pulse that occur when reverberation interference from the side surfaces of the piezoelectric element and from the walls of the pipeline, overlapping the receiving useful signal, shift the timing to a specific half-wave and lead to noticeable measurement errors.

Для повышения коэффициента поглощения паразитных ультразвуковых колебаний втулку выполняют из композитного материала следующего состава смолы ЭД в качестве связующего в количестве 100 в.ч. пластификатора типа МГФ 9 в количестве 10 в.ч.. порошка пьезокерамического типа ЦТС-19. ЦТС- 26 и т.д, в количестве 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 Z = 4,3 10 ⁶кг/ (м² с), а коэффициент затухания на частоте 1.5 МГц равен 240 нП/сTo increase the absorption coefficient of parasitic ultrasonic vibrations, the sleeve is made of composite material of the following composition of the resin ED as a binder in an amount of 100 parts by weight a plasticizer type MGF 9 in an amount of 10 parts by weight of a piezoceramic powder type TsTS-19. TsTS-26, etc., in the amount of 80 parts by weight and synthetic rubber powder in an amount of 10 parts by weight. used as fillers, hardener type polyethyleneamine in the amount of 13 parts by weight The cured composition is mechanically processed to the specific geometric dimensions of the receiving-emitting heads and mounting sockets of the measuring pipeline. The acoustic resistance of the obtained composite sleeve material is Z = 4.3 × 10 ⁶ kg / (m ² s), and the attenuation coefficient at a frequency of 1.5 MHz is 240 nP / s

Кроме того, колебательная энергия, вызванная радиальными колебаниями за счет диссипативных потерь рассеивается на кольцевых проточках путем преобразова ния 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 выбраны из соотношения d - λ /2 =- c/2f_o где d - толщина пьезоэлемента:In addition, the vibrational energy caused by radial vibrations due to dissipative losses is dissipated in the annular grooves by converting the vibrations through the thickness of the sleeve wall. In practice, the width of the grooves and the distribution: the angle between them should be chosen in multiples of the wavelength in the material of the sleeve. The dimensions of the annular grooves in the transducer are selected from the ratio d - λ / 2 = - c / 2f _o where d is the thickness of the piezoelectric element:

λ длина волны в пьезоэлементе;λ wavelength in the piezoelectric element;

с - скорость волны в материале втулки: fo - резонансная частота в пьезоэлементе.c is the wave velocity in the sleeve material: fo is the resonant frequency in the piezoelectric element.

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.It is known that the function of a piezoelectric element in the form of a disk used in receiving-emitting heads is oscillatory in nature. The region where the function oscillates is defined as the near zone (Fresnel zone), and the region of monotonous decrease of the function is defined as the far zone. It is known that outside the main lobe of the radiation pattern there are a number of side lobes creating radial vibrations in the solid, causing transverse and other types of waves.

Образование- максимумов и минимумов в ближней зоне преобразователя (пьезоэлементэ) объясняется различием расстояний от разных точек преобразователя до точки наблюдения и связанную с этим разность фаз интерферирующих излучаемых сигналов. Паразитные сигналы. отраженные от сред, резко отличающихся по своим акустическим свойствам, влияют на выходную характеристику преобразователя, так кйк границы раздела сред являются генераторами многочисленных помех, имеющих амплитуду,и соизмеримые с амплитудой полезного сигнала.The formation of maxima and minima in the near zone of the transducer (piezoelement) is explained by the difference in the distances from different points of the transducer to the observation point and the associated phase difference of the interfering emitted signals. Spurious signals. reflected from media that differ sharply in their acoustic properties affect the output characteristic of the transducer, since kyk media interfaces are generators of numerous noise having an amplitude, and comparable with the amplitude of the useful signal.

Уровень бокового излучения сосредоточен в ближней зоне преобразователя. Радиальные колебания особенно велики при малом отношении радиуса пьезоэлемента, г к толщине d. т.е. (r/d < 20)The level of lateral radiation is concentrated in the near zone of the transducer. Radial vibrations are especially large with a small ratio of the radius of the piezoelectric element, g to thickness d. those. (r / d <20)

Экспериментальным путем установлено. что акустические шумы минимальны в том случае, когда лицевая сторона (от излучающей поверхности пьезоэлемента) приемоизлучающей головки, расположенной во втулке, отстоит от торца трубопровода и начала активной области акустического преобразователя расхода на величину зоны Френеля (ближней зоны), притяженность которой зависит от размеров пьезоэлемента в его частоты. В преобразователе это расстояние равно Ιψ = Для достижения хорошей механоакустической связи, а также герметизации узла: трубопровод - втулка приемоизлучающая головка, соединение элементов узла выполнено неразъемным, а именно, элементы узла соединены с помощью клеевой композиции того же состава, что и материал втулки.It is established experimentally. that acoustic noise is minimal when the front side (from the radiating surface of the piezoelectric element) of the receiving-emitting head located in the sleeve is separated from the pipe end and the beginning of the active region of the acoustic flow transducer by the value of the Fresnel zone (near zone), the attraction of which depends on the size of the piezoelectric element in its frequency. In the transducer, this distance is Ιψ = In order to achieve a good mechanoacoustic connection, as well as sealing the assembly: the pipe - sleeve is a receiving-emitting head, the connection of the assembly elements is made inseparable, namely, the assembly elements are connected using an adhesive composition of the same composition as the sleeve material.

Для уменьшения помех, возникающих за тыльной стороной пьезоэлемента, приемоизлучающей головки.достаточно, чтобы длина части втулки, расположенной за тыльной стороной пьезоэлемента контактно к боковой поверхности приемоизлучающей головки, была не менее половины длины волны на резонансной частоте преобразователя.To reduce interference behind the back of the piezoelectric element, the receiving head, it is sufficient that the length of the part of the sleeve located behind the back of the piezoelectric element contacting the side surface of the receiving head is at least half the wavelength at the resonant frequency of the transducer.

Так как в радиоимпульсном режиме переходные акустические процессы в пьезоэлементе заканчиваются в течение первого полупериода колебаний, то наибольший уровень бокового излучения будет на расстоянии λ /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.Since in the radio-pulse mode transient acoustic processes in the piezoelectric element end during the first half-cycle of oscillations, the highest level of lateral radiation will be at a distance of λ / 2 from the back of the piezoelectric element, a further decrease in transverse vibrations is provided by the damper itself. The introduction of bushings made of composite material into the acoustic transducer can significantly reduce the noise level in it, which will lead to a decrease in the measurement error.

Claims

SUMMARY OF THE INVENTION An acoustic flow transducer comprising a straight section of a pipeline with two nozzles, at the ends of which are receiving-emitting heads with piezoelectric elements, characterized in that, in order to reduce the measurement error by reducing the level of acoustic noise, the receiving-emitting heads are fixed at the ends of the pipeline using coaxially installed bushings, with annular grooves on the inner surface, the pitch of which satisfies the relation h _n = η · Ag, where η - 1.2, 3, ...; Αβ is the wavelength in the material of the sleeve, while the length of the part of the sleeve from the radiating surface of the piezoelectric element to the end of the pipeline is chosen equal to Ιφ = g £ / A, where g is the radius of the piezoelectric element; A is the radiation wavelength, and the length of the part located behind the back of the piezoelectric element, contact5 but to the side surface of the receiving-emitting head, is at least 0.5 A at the resonant frequency of the converter,