CC BY
121
ЭЛЕКТРОНИКА, РАДИОТЕХНИКА И ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
УДК 538.911
В.Б. Байбурин, Г.А. Деревягин, Б.М. Кац
ДАТЧИК ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА
ХИМИЧЕСКИ АГРЕССИВНЫХ ГАЗОВ
Рассматривается проблема обеспечения надёжной работы датчиков в ультразвуковой измерительной системе расхода химически агрессивных газовых сред. Предложен датчик мембранного типа, надежно работающий в агрессивных средах.
Ультразвуковой датчик, агрессивная среда, газ.
V.B. Bayburin, G.A. Derevyagin, B.M. Kats
SENSOR FOR ULTRASONIC METERING OF CHEMICALLY AGGRESSIVE GAS FLOW RATE
Problem of providing reliable transducer procession in ultrasonic flow metering system for chemically aggressive gases is discussed. Reliable diaphragm transducer for aggressive gases is suggested.
Ultrasonic sensor, aggressive environment, gas.
Одной из важнейших технических задач ультразвуковой расходометрии природного газа является создание надёжного и эффективного пьезоэлектрического преобразователя (датчика) [1].
Сложность создания датчика для газовых сред обусловлена большим различием акустического импеданса газовой среды zi и импеданса колеблющейся поверхности пьезоэлемента z2.
Во многих современных преобразователях применяется технология согласующего слоя между колеблющимся пьезоэлементом и газом. Материал согласующего слоя подбирается таким образом, чтобы его акустический импеданс z был промежуточным между импедансом колеблющегося пьезоэлемента и газовой средой [2]. Правильный подбор импеданса согласующего слоя позволяет увеличить мощность излучаемой энергии.
Вместе с тем, применение датчиков, использующих согласующий слой, нецелесообразно в случае химически агрессивных газов, воздействие которых существенно сокращает срок службы датчиков [3].
В настоящей работе предложен датчик мембранного типа, не требующий применения согласующего слоя и обеспечивающий надёжную работу измерительной системы в среде химически агрессивных газов. Внешний вид датчика представлен на рис. 1.
Конструкция датчика представлена на рис. 2 а, где 1 - излучатель, 2 - корпус датчика. В существующей измерительной системе излучатель является резонансным би-морфным пьезопреобразователем мембранного типа (рис. 2 б). Такой преобразователь обеспечивает эффективное излучение и приём ультразвука на резонансной частоте за счёт преобразования радиальных колебаний диска пьезокерамики в изгибные колебания металлической мембраны достаточно большой амплитуды [1]. Излучатель и корпус датчика изготовлены из стали и являются устойчивыми к воздействию химически агрессивных сред.
Рис. 1. Внешний вид датчиков
уУУ^гУ^-
г
в
Рис. 2. Конструкция датчика: а - общий вид датчика; б - конструкция излучателя
1
3
4
б
а
Пьезокерамика 3 находится во внутренней полости датчика и защищена мембраной от воздействия внешней среды (рис. 2 б). Излучающая мембрана совмещена с внутренней поверхностью трубопровода. Это позволяет свести к минимуму взаимодействие измерительной системы и потока газовой среды.
Для обеспечения прочности датчика при эксплуатации в зонах высокого давления применена компенсационная конструкция датчика. Для этого в конструкции датчика применен компенсационный канал, обеспечивающий условие, при котором внутренняя полость датчика находится под тем же давлением, что и внешняя. Для защиты от воздействия агрессивной среды пьезокерамический диск покрывается лаком.
Для устранения паразитных волн, возникающих в корпусе датчика при колебании мембраны и влияющих на его динамические характеристики, разработана акустическая развязка 4 излучателя с остальной частью датчика (рис. 2 а). Конструктивно развязка представляет гофрированную трубку, заполненную звукопоглощающим материалом. Для улучшения акустической развязки излучатель соединён с корпусом посредством двух резиновых колец, амортизирующих колебания излучателя в рабочем режиме.
Одним из важнейших свойств датчика в системе ультразвукового измерения расхода газа является способность формировать достаточно короткий акустический сигнал.
Недостатком предложенного датчика является высокая добротность, обеспечивающая сравнительно длинный «хвост» послеимпульсных свободных колебаний, затрудняющий их использование в системе измерения расхода газа. В связи с этим был предложен способ формирования акустического сигнала, заключающийся в формировании электрического сигнала на входе датчика, который после инициации колебаний излучающей мембраны в течение заданного времени гасит свободные колебания мембраны за счёт изменения фазы на 180°.
На рис. 3 а представлен сигнал, снимаемый с датчика после подачи единичного импульсного сигнала. Видно, что сигнал имеет достаточно длинный «хвост» свободных колебаний длительностью т1. На рис. 3 б представлен сигнал на датчике, сформированный с помощью описанного выше электрического сигнала, меняющего свою фазу на 180°. Видно, что свободные колебания затухают значительно быстрее (т2 << т1).
а б
Рис. 3. Сигнал на датчике: а - без гашения свободных колебаний; б - с гашением
Таким образом, предложенный тип датчика формирует достаточно короткий акустический сигнал и обеспечивает надёжную работу измерительной системы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Шарапов В.М. Пьезоэлектрические датчики / В.М. Шарапов, М.П. Мусиенко, Е.В. Шарапова. М.: Техносфера, 2006. 628 с.
2. Shiraishi S. Acoustic matching member, ultrasonic transducer, ultrasonic flowmeter and method manufacturing the same / S. Shiraishi, N. Takahara, M. Suzuki // Patent no EP 1 363 269 A2, G10K 11/02.
3. Dietz T. Impact of regulator noise on ultrasonic flow meters in natural gas / T. Dietz, V. Herrmann // 7th International South East Asia hydrocarbon flow measurement workshop. Malaysia, Kuala LumPur, 2008. 17 с. www.flowsic600.ru/documents/conferencepapers.
Байбурин Вил Бариевич - Bayburin Vil Bariyevich -
доктор физико-математических наук, Doctor of Sciences in Physisc and Mathematics,
профессор, заведующий кафедрой Professor, Head of the Department
«Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем» Саратовского государственного технического университета
Деревягин Глеб Александрович -
аспирант кафедры «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем»
Саратовского государственного технического университета
of «Software for Computing Engineering and Automated Systems» of Saratov State Technical University
Derevyagin Gleb Aleksandrovich -
Post-graduate Student of the Department of «Software for Computing Engineering and Automated Systems» of Saratov State Technical University
Kats Boris Markovich -
Кац Борис Маркович -
кандидат технических наук, старший научный Candidate of Technical Sciences, сотрудник, ведущий инженер Senior Research Officer, Senior Engineer
ООО НПФ «Вымпел», г. Саратов of NPF «Vympel», LLC, Saratov
Статья поступила в редакцию 16.12.09, принята к опубликованию 27.01.10
