Измерительная головка для ультразвукового расходомера

Изобретение относится к области измерительной техники. В частично открытом корпусе головки с помощью не полностью заполняющей его заливочной массы зафиксирован выполненный из пластика элемент ультразвуковой передачи с пьезоэлементом и присоединительным блоком. Заливочная масса имеет коэффициент теплопроводности, по меньшей мере, 1 Вт/мК. Расстояние между внутренней стенкой корпуса и элементом ультразвуковой передачи в зоне контактной поверхности головки, прилегающей к наружной стенке трубопровода, составляет 1 мм, чтобы компенсировать возможные производственные допуски. В варианте выполнения на корпусе предусмотрены пазы, заполняемые заливочной массой. Изобретение повышает точность измерения за счет снижения температурных градиентов в измерительной головке, простое и экономичное в изготовлении. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к измерительной головке для ультразвукового расходомера.

Ультразвуковые расходомеры часто используются в технике производства и автоматизации. Они позволяют простым образом бесконтактно определять объемный расход в трубопроводе.

Известные ультразвуковые расходомеры работают либо по доплеровскому принципу, либо по принципу разности времени прохождения ультразвуковых импульсов.

При применении принципа разности времени прохождения ультразвуковых импульсов измеряют разное время прохождения ультразвуковых импульсов относительно направления потока жидкости.

Для этого ультразвуковые импульсы посылают как в направлении потока, так и против него. По разности времени прохождения можно определить скорость течения и, тем самым, при известном диаметре отрезка трубопровода - объемный расход.

При применении доплеровского принципа ультразвуковые волны с определенной частотой вводят в жидкость и измеряют отраженные от жидкости ультразвуковые волны. По сдвигу частоты между введенными и отраженными волнами также можно определить скорость течения жидкости.

Отражения в жидкости возникают, однако, только тогда, когда в ней имеются воздушные пузырьки или загрязнения, так что этот принцип находит применение, главным образом, в загрязненных жидкостях.

Ультразвуковые волны вырабатывают или принимают в измерительной головке. Соответствующая измерительная головка прочно установлена на стенке данного отрезка трубопровода. С недавнего времени имеются также ультразвуковые измерительные системы "Clamp-on" (с использованием зажимов). У этих систем измерительную головку прижимают к стенке трубы только с помощью зажимного замка. Подобные системы описаны, например, в ЕР-В-686255, US-A 4484478 или US-A 4598593.

Другой ультразвуковой расходомер, работающий по принципу разности времени прохождения ультразвуковых импульсов, описан в US-A 5052230. Время прохождения измеряют здесь посредством коротких ультразвуковых импульсов.

Важными элементами измерительной головки являются корпус, пьезоэлемент с присоединительным блоком и элемент ультразвуковой передачи из пластика. В пьезоэлементе вырабатывают ультразвуковые волны, направляют их посредством элемента ультразвуковой передачи к стенке трубы и вводят оттуда в жидкость.

У известной измерительной головки элемент ультразвуковой передачи немного отстоит от корпуса измерительной головки, так что только ультразвуковой элемент имеет контакт с измеряемой трубой.

Из-за небольшой теплопроводности элемента ультразвуковой передачи возможна лишь небольшая теплопередача от стенки трубы к измерительной головке. За счет этого в измерительной головке могут возникнуть температурные градиенты, негативно сказывающиеся на точности измерений.

Другой недостаток известных измерительных головок в том, что корпус измерительной головки и элемент ультразвуковой передачи склеены. Это требует очень малых допусков при изготовлении корпуса измерительной головки.

Отливки, имеющие большие допуски, приходится поэтому подвергать сложной последующей обработке.

В основе изобретения лежит задача создания измерительной головки для ультразвукового расходомера, которая не имела бы указанных недостатков, обеспечивала бы, в частности, быстрое однородное распределение температуры в измерительной головке и компенсацию производственных допусков при изготовлении корпуса измерительной головки, а также была бы простой и экономичной в изготовлении.

Эта задача решается посредством измерительной головки для ультразвукового расходомера с частично открытым корпусом измерительной головки, в котором фиксирован элемент ультразвуковой передачи с пьезоэлементом и присоединительным блоком. Благодаря этому элемент ультразвуковой передачи и корпус измерительной головки залиты и вместе с заливочной массой образуют контактную поверхность, причем расстояние между корпусом измерительной головки и элементом ультразвуковой передачи в зоне контактной поверхности составляет, по меньшей мере, 1 мм.

Важная идея изобретения состоит в том, что за счет заливки можно компенсировать производственные допуски на корпус измерительной головки, и одновременно при надевании измерительной головки на измеряемую трубу эффективная тепловая компенсация возможна по всей контактной поверхности.

Предпочтительно контактная поверхность выполнена плоской.

В одном из вариантов изобретения корпус измерительной головки по экономическим соображениям заполнен заливочной массой не полностью.

Для надежной фиксации элемента ультразвуковой передачи в корпусе измерительной головки посредством заливочной массы на корпусе измерительной головки предусмотрены фиксирующие элементы (например, выступы или пазы).

Предпочтительным образом заливочная масса имеет коэффициент теплопроводности > 1 Вт/мК, с тем чтобы обеспечить быструю тепловую компенсацию.

Изобретение более подробно поясняется с помощью прилагаемых чертежей, на которых:

фиг.1 схематично изображает ультразвуковой расходомер с двумя измерительными головками;

фиг.2 - измерительную головку по фиг.1 в разрезе.

На фиг.1 схематично изображен ультразвуковой расходомер с двумя измерительными головками 2, 3, расположенными с осепараллельным смещением на наружной стенке трубопровода 1. Жидкость F в трубопроводе 1 течет в направлении стрелки.

Пара измерительных головок 2, 3 может работать по-разному. Либо измерительная головка 2 действует как передатчик, а измерительная головка 3 - как приемник, либо измерительная головка 3 - как передатчик, а измерительная головка 2 - как приемник, благодаря чему измерение производят попеременно в направлении потока или против него.

Обе измерительные головки 2, 3 соединены проводами 23, 33 с измерительной схемой 100. По этим соединительным проводам 23, 33 подают электрические импульсы. Подобные измерительные схемы 100 известны и не являются объектом изобретения.

На фиг.2 приблизительно в масштабе измерительная головка по фиг.1 изображена в разрезе. Важными элементами измерительной головки 2, 3 являются корпус 10, пьезоэлемент 20 с присоединительным блоком 30 и элемент 40 ультразвуковой передачи из пластика (PEEK, PI, PEI), а также заливочная масса 50. Присоединительный блок 30 состоит из кабельной пары 32 и штепселя 34 для соединительных проводов 23 или 33.

Корпус 10 измерительной головки имеет отверстие 14, во внутреннем пространстве 12 которого фиксирован элемент 40 ультразвуковой передачи.

Элемент 40 ультразвуковой передачи, корпус 10 измерительной головки и заливочная масса 50 образуют в зоне отверстия 14 контактную поверхность Е.

В зоне контактной поверхности Е расстояние «а» между элементом 40 ультразвуковой передачи и внутренней стенкой 16 корпуса 10 измерительной головки составляет, по меньшей мере, 1 мм.

Для дополнительной фиксации на корпусе 10 измерительной головки предусмотрены фиксирующие элементы 80. Показан паз; возможны, однако, выступы и т.д.

Измерительная головка 2 или 3 пригодна для интервала температур от -20 до +80°С.

Ниже более подробно описан принцип действия измерительной головки согласно изобретению для ультразвукового расходомера.

При установке измерительной головки 2 или 3 она прилегает всей контактной поверхностью Е к наружной стенке трубопровода 1. Изменение температуры измеряемой жидкости приводит к изменению температуры наружной стенки трубопровода 1. Это изменение температуры передается на измерительную головку 2 или 3. За счет того что теплопереход от трубопровода 1 происходит по всей контактной поверхности Е, возможна быстрая компенсация температуры. Теплопереход происходит не только от трубопровода 1 к элементу 40 ультразвуковой передачи, но и от трубопровода 1 к заливочной массе 50 и корпусу 10 измерительной головки. За счет высокой теплопроводности заливочной массы 50 и изготовленного обычно из металла корпуса 10 измерительной головки быстро компенсируются температурные градиенты внутри измерительной головки 2 или 3. Благодаря этому возможно надежное измерение.

За счет того что элемент 40 ультразвуковой передачи и корпус 10 измерительной головки залиты, могут быть простым образом компенсированы производственные допуски при изготовлении корпуса 10 измерительной головки. Только эта компенсация обеспечивает контактную поверхность Е. Оказалось, что расстояния в 1 мм между корпусом 10 измерительной головки и элементом 40 ультразвуковой передачи в зоне контактной поверхности Е достаточно, чтобы компенсировать возможные производственные допуски.

Целесообразно, по экономическим соображениям заливочной массой 50 заполнено не все внутреннее пространство 12. Также частичная заливка обеспечивает надежную фиксацию элемента 40 ультразвуковой передачи.

При заливке заливочная масса 50 проникает в фиксирующий элемент 80, выполненный в виде паза, препятствуя, таким образом, после застывания извлечению элемента 40 ультразвуковой передачи из корпуса 10 измерительной головки.

Высокий коэффициент теплопроводности заливочной массы 50 способствует улучшению тепловой компенсации.

1. Измерительная головка для ультразвукового расходомера с частично открытым корпусом (10) измерительной головки, в котором фиксирован элемент (40) ультразвуковой передачи с пьезоэлементом (20) и присоединительным блоком (30), отличающаяся тем, что элемент (40) ультразвуковой передачи и корпус (10) измерительной головки залиты и вместе с заливочной массой (50) образуют контактную поверхность Е, причем расстояние а между корпусом (10) измерительной головки и элементом (40) ультразвуковой передачи в зоне контактной поверхности Е составляет, по меньшей мере, 1 мм, при этом заливочная масса (50) имеет коэффициент теплопроводности, по меньшей мере, 1 Вт/мК.

2. Головка по п.1, отличающаяся тем, что контактная поверхность Е плоская.

3. Головка по п.1, отличающаяся тем, что корпус (10) измерительной головки не полностью заполнен заливочной массой (50).

4. Головка по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что на корпусе (10) измерительной головки предусмотрены фиксирующие элементы (80).

5. Головка по п.4, отличающаяся тем, что в качестве фиксирующего элемента (80) предусмотрен паз.

6. Головка по п.4, отличающаяся тем, что в качестве фиксирующего элемента (80) предусмотрен выступ.