УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПРОТОЧНЫЙ ДАТЧИК ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В ТЕКУЧЕЙ СРЕДЕ
ULTRASONIC FLOW-TYPE SENSOR FOR FLUID MEDIUM

Уровень техники
Из уровня техники известно множество проточных датчиков для регистрации характеристик течения текучей среды. Подобного рода ультразвуковые проточные датчики регистрируют, например, массовый расход, объемный расход или скорость движения текучей среды, например, в проточной трубе. При этом обычно используют два или более ультразвуковых преобразователя, разнесенных вдоль потока текучей среды, расположенных в потоке и способных посылать друг другу ультразвуковые сигналы. В этом случае по разности времен прохождения ультразвуковых сигналов с составляющей скорости, направленной по потоку, и составляющей скорости, направленной против потока, можно судить о скорости потока и/или других характеризующих течение величинах.
Пример подобного рода ультразвукового проточного датчика, который также может быть усовершенствован в соответствии с изобретением, описан в публикации DE 3941544 A1. В этой публикации раскрыт ультразвуковой расходомер с отражением ультразвуковых сигналов между ультразвуковыми преобразователями. Многократное отражение ультразвуковых сигналов обусловливает W-образную форму пути их распространения в измерительной трубе, что дает преимущество более длинного пути распространения звука и позволяет монтировать преобразователи в стенке заподлицо с ее поверхностью.
Однако таким известным отражательным устройствам присущ тот недостаток, что отражательные поверхности, которых в публикации DE 3941544 A1 должно быть несколько, могут снижать надежность системы. В частности, отражательные поверхности, которые в описанной конструкции требуются в количестве трех, чувствительны к тряске, могут влиять на условия течения, подвержены отложению загрязнений и связанным с этим изменениям отражательной способности и подвержены тепловому короблению.
Раскрытие изобретения
Соответственно этому предлагается ультразвуковой проточный датчик, который устраняет, по меньшей мере в значительной степени, недостатки известных ультразвуковых проточных датчиков. Устройство предлагаемого в изобретении ультразвукового проточного датчика основано на принципе отражения, но обеспечивает однозначно заданный путь передачи ультразвуковых сигналов. Ультразвуковой проточный датчик выполнен с расчетом на его применение в текучей среде. Например, такая текучая среда может двигаться по проточной трубе, составной частью которой может быть, например, измерительная труба, которая помещается в проточную трубу и/или представляет собой составную часть проточной трубы. Ультразвуковой проточный датчик может применяться, в частности, в автомобилестроении, например в автомобильных двигателях внутреннего сгорания, в частности в тракте свежего воздуха, особенно за турбонагнетателем, в частности в конструкции коммерческих транспортных средств (грузовиков, автобусов и т.п.). К другим областям применения изобретения относятся, например, датчики для газов или жидкостей, в частности датчики, используемые в технологических процессах, например в системах управления технологическими процессами, датчики расстояния, датчики уровня, проточные датчики в химической и фармацевтической отраслях, датчики в медицинской технике, например в системах контроля подачи дыхательных смесей, или применения датчиков в энергетике, например в качестве промышленных тепломеров на электростанциях или в бытовых системах.
Ультразвуковой проточный датчик содержит по меньшей мере два ультразвуковых преобразователя, расположенных в проточной трубе, вмещающей поток текучей среды, и разнесенных вдоль потока текучей среды. Например, ультразвуковые преобразователи могут быть полностью или частично вмонтированы в стенку измерительной трубы в составе проточной трубы, т.е., например, в стенку отрезка проточной трубы или в стенку измерительной трубы, отдельно встроенной в проточную трубу. Ультразвуковые преобразователи также могут быть размещены в корпусной детали, которая в качестве присоединяемого или вставного датчика прикреплена к собственно проточной трубе или измерительной трубе или вставлена в нее. В этом случае стенка корпусной детали также может рассматриваться как часть проточной трубы или измерительной трубы. При этом под расположением ультразвуковых преобразователей с их разнесением вдоль потока понимается расположение ультразвуковых преобразователей, при котором один из них расположен выше по потоку относительно другого, т.е. перед ним по потоку текучей среды, причем ультразвуковые преобразователи могут быть расположены точно друг за другом в направлении потока или же, как это поясняется ниже, могут одновременно располагаться со смещением относительно друг друга поперек направления потока.
Под ультразвуковым преобразователем в рамках настоящего изобретения в общем смысле понимается устройство, способное преобразовывать электрические сигналы в ультразвуковые сигналы и/или наоборот. Например, ультразвуковой преобразователь может содержать по меньшей мере один сердечник, в котором расположен по меньшей мере один электроакустический преобразующий элемент. Примером подобного рода электроакустического преобразующего элемента является пьезоэлемент. Вместе с тем, могут применяться и другие электроакустические преобразующие элементы. В отношении возможных форм выполнения ультразвуковых преобразователей можно сослаться, например, на вышеназванную публикацию или на источники, описывающие другие известные ультразвуковые преобразователи.
Ультразвуковой проточный датчик содержит также отражательную поверхность. Под отражательной поверхностью понимается поверхность, выполненная таким образом, чтобы полностью или частично отражать ультразвуковые сигналы. Например, эта отражательная поверхность может быть частью проточной трубы, например частью измерительной трубы, или же может быть отдельно помещена в измерительную трубу, например, в качестве отражательной поверхности, расположенной в потоке текучей среды. Отражательная поверхность также может быть прикреплена к корпусной детали, в которой расположены также ультразвуковые преобразователи и которая в качестве присоединяемого или вставного датчика прикреплена к собственно проточной трубе или измерительной трубе или вставлена в нее. Ультразвуковые преобразователи установлены таким образом, чтобы посылать друг другу ультразвуковые сигналы посредством их однократного отражения на отражательной поверхности. Иначе говоря, это означает, что, в противоположность W-образной форме пути прохождения сигналов, используемой в конструктивной схеме, представленной в публикации DE 3941544 А1, в рамках настоящего изобретения в качестве преимущественного пути распространения ультразвуковых сигналов предусмотрена V-образная форма пути их прохождения между ультразвуковыми преобразователями. При этом ультразвуковые преобразователи также могут быть встроены таким образом, чтобы они были слегка повернуты по сравнению с идеальной ориентацией, обеспечивающей V-образный путь прохождения сигналов, чем достигается, например, упреждение на рассеяние лучей по потоку текучей среды и/или уменьшение многократных отражений между чувствительными поверхностями преобразователей.
Кроме того, между ультразвуковыми преобразователями предусмотрено отклоняющее устройство. Как подробнее поясняется ниже, это отклоняющее устройство может быть, например, составной частью измерительной трубы и/или стенки измерительной трубы, в которую вставлены ультразвуковые преобразователи. Вместе с тем, в принципе возможны и другие формы выполнения отклоняющего устройства. Отклоняющее устройство выполнено таким образом, чтобы в основном подавлять паразитные ультразвуковые сигналы, отражаемые отражательной поверхностью и падающие на отклоняющее устройство, путем их отклонения в сторону от ультразвуковых преобразователей. Иначе говоря, отклоняющее устройство выполнено таким образом, чтобы подавлять сигналы, распространяющиеся, например, по W- образному пути или другим путям прохождения сигналов с их многократным отражением, в которое вовлечена поверхность измерительной трубы, расположенная между ультразвуковыми преобразователями. При этом выражение "в основном подавлять" следует понимать в смысле подавления сигналов, при котором звуковая энергия паразитных ультразвуковых сигналов гасится, по сравнению с конструктивной схемой без отклоняющего устройства, т.е. по сравнению, например, с гладкой поверхностью измерительной трубы между ультразвуковыми преобразователями, по меньшей мере на 30%, предпочтительно по меньшей мере на 50% и особенно предпочтительно по меньшей мере на 80% или даже по меньшей мере на 90%.
В соответствии с изобретением отклоняющее устройство расположено по меньшей мере на средней трети соединительного отрезка между ультразвуковыми преобразователями. Особенно предпочтителен вариант осуществления изобретения, в котором отклоняющее устройство расположено в основном симметрично по отношению к ультразвуковым преобразователям, что обеспечивает, в частности, подавление сигналов, распространяющихся по W-образному пути.
При этом предпочтительно, чтобы отклоняющее устройство было выполнено в макроскопическом масштабе. Это означает, что отклоняющее устройство в точке своего наибольшего возвышения и/или углубления относительно поверхности измерительной трубы предпочтительно выступает внутрь измерительной трубы и/или выдается из нее наружу на величину, превышающую длину волны ультразвуковых сигналов, т.е., например, более чем на 0,1 мм, в частности более чем на 0,5 мм, предпочтительно более чем на 1,0 мм, особенно предпочтительно более чем на 2,0 мм или даже более чем на 4,0 мм. Вместе с тем, в качестве альтернативы рассмотренным выше вариантам осуществления изобретения или в дополнение к ним, отклоняющее устройство также может включать в себя одну или несколько структур, выполненных в масштабе, меньшем по сравнению с вышеупомянутым макроскопическим масштабом. Так, отклоняющее устройство может включать в себя, вместо макроскопических структур, или предпочтительно в дополнение к ним, неровности.
В принципе, можно проводить различие между двумя размерными градациями, а именно между структурами отклоняющего устройства, которые по размерной шкале находятся в макроскопической области согласно данному выше определению и которые в дальнейшем также называются крупными структурами, и структурами, которые по описанной выше размерной шкале находятся в микроскопической области, т.е., например, при высоте выступов менее 1,0 мм, в частности, в масштабе размера неровностей (шероховатости) поверхности. Подобного рода структуры в дальнейшем также называются мелкими структурами.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения отклоняющее устройство также имеет крупные структуры. Они могут относиться, например, к размерной градации, составляющей чуть меньше длины ультразвуковой волны в текучей среде. При скорости звука в воздухе, составляющей 340 м/с, при комнатной температуре и частоте 340 кГц длина ультразвуковой волны составляет, например, 1 мм.
Далее, в соответствии с изобретением отклоняющее устройство имеет по меньшей мере одну отклоняющую поверхность, предпочтительно - по меньшей мере две или более отклоняющих поверхностей. При этом под отклоняющей поверхностью понимается поверхность, имеющая в отношении ультразвуковых сигналов по меньшей мере частично отражающие и/или поглощающие свойства и выполненная таким образом, чтобы в соответствии с функцией отклоняющего устройства обеспечивать отклонение ультразвуковых волн (в сторону от ультразвуковых преобразователей). Отклоняющее устройство может иметь и большее число отклоняющих поверхностей, например четыре отклоняющие поверхности, как в случае призменной или пирамидальной формы отклоняющего устройства. Отклоняющие устройства могут выполняться с плоскими или же искривленными поверхностями. Различные примеры выполнения отклоняющих устройств подробнее рассматриваются ниже.
В частности, по меньшей мере одна отклоняющая поверхность может быть расположена наклонно относительно отражательной поверхности. В качестве альтернативы рассмотренным выше вариантам осуществления изобретения или в дополнение к ним, по меньшей мере одна отклоняющая поверхность может включать в себя, в частности, по меньшей мере одну отклоняющую поверхность, расположенную наклонно относительно соединительной линии, проходящей между ультразвуковыми преобразователями. В предпочтительном исполнении отклоняющего устройства по меньшей мере одна отклоняющая поверхность выполнена таким образом, что базовая линия этой отклоняющей поверхности, по которой отклоняющая поверхность пересекает плоскость, определяемую направлением потока текучей среды и соединительной линией между ультразвуковыми преобразователями, расположена под углом к соединительной линии между ультразвуковыми преобразователями, отличным от 90°, например, под углом от 0° до 70° и/или под углом от 110° до 180°. В качестве альтернативы рассмотренным выше вариантам осуществления изобретения или в дополнение к ним, по меньшей мере одна отклоняющая поверхность может иметь нормальный вектор, не являющийся параллельным или антипараллельным плоскости, которая перпендикулярна отражательной поверхности и в которой лежит соединительная линия, проходящая между ультразвуковыми преобразователями. Этим гарантируется, например, отражение ультразвуковых сигналов в сторону от плоскости, которая перпендикулярна отражательной поверхности и в которой лежит соединительная линия, проходящая между ультразвуковыми преобразователями.
Также в соответствии с изобретением нормали к отклоняющей поверхности образуют с нормалью к отражательной поверхности угол, среднее значение которого больше 10°, предпочтительно больше 15°, особенно предпочтительно больше 20°. Отклоняющее устройство может быть образовано, в частности частично, находящейся между ультразвуковыми преобразователями поверхностью измерительной трубы. Например, поверхность измерительной трубы между ультразвуковыми преобразователями может делиться в направлении соединительной линии, проходящей между ультразвуковыми преобразователями, на три участка. При этом протяженность каждого из этих трех участков вдоль и поперек вышеупомянутой соединительной линии может составлять примерно одну треть длины соединительной линии. При этом угол, полученный путем осреднения значений углов между нормалью к отражательной поверхности и нормалями к поверхности измерительной трубы на среднем из этих трех участков, может быть выбран превышающим 10°, в частности превышающим 15°, и в особенно предпочтительном случае - превышающим 20°.
Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается в повышении точности измерений за счет существенного подавления паразитных ультразвуковых импульсов.
Отклоняющее устройство может иметь, в частности, по меньшей мере одну из следующих форм: форма крыши; форма пирамиды; форма крыши с искривленными поверхностями скатов, используемыми в качестве отклоняющих поверхностей; форма пирамиды с искривленными боковыми гранями, используемыми в качестве отклоняющих поверхностей; форма пирамиды с выпуклыми или вогнутыми цилиндрическими боковыми гранями, используемыми в качестве отклоняющих поверхностей; выступающая в поток вершина; форма зуба пилы; форма волны; форма шишки; форма впадины; форма выпуклости; форма уступов; форма ребер; форма, обратная по меньшей мере одной из вышеназванных форм, полученная, например, негативным отображением этих форм. Также могут быть предусмотрены сочетания указанных выше и/или иных форм. Кроме того, несколько таких форм могут располагаться в ряд или комбинироваться. Так, например, можно использовать несколько расположенных в ряд форм пирамид, образующих, например, вафельный рисунок. Если несколько форм пирамид расположены в ряд в одном или двух направлениях, то особенно предпочтительным является такое выполнение отклоняющего устройства, в котором базовые линии (линии оснований) этих пирамид проходят под углом, отличным от 0° и 90°, к соединительной линии между ультразвуковыми преобразователями. Например, эти базовые линии могут проходить под углом от 20° до 70° и/или под углом от 110° до 160° к соединительной линии. В принципе же возможны и другие формы выполнения отклоняющего устройства. Вышеназванные формы могут быть выполнены, в частности, в виде крупной структуры, в смысле данного выше определения. В качестве альтернативы рассмотренным выше вариантам осуществления изобретения или в дополнение к ним, одна или несколько из вышеназванных формы также могут быть выполнены в виде мелкой структуры, расположенной, например, на отклоняющей поверхности. Так, например, крупные структуры и мелкие структуры также можно комбинировать друг с другом, например путем субструктурирования одной или нескольких поверхностей крупной структуры, например одной или нескольких отклоняющих поверхностей, одной или несколькими мелкими структурами.
В частности, как было указано выше, отклоняющее устройство может иметь по меньшей мере одну отклоняющую поверхность, предпочтительно по меньшей мере две или более отклоняющие поверхности. Эти отклоняющие поверхности могут иметь, в частности, субструктуру и/или мелкую структуру. При этом под мелкой структурой понимается структура, подпадающая под описанную выше размерную градацию, например субструктура по меньшей мере одной отклоняющей поверхности. Отклоняющая поверхность как таковая на всем своем протяжении может определять крупную структуру или может быть составной частью крупной структуры, причем в этом случае по меньшей мере одна отклоняющая поверхность предпочтительно разделена мелкой структурой или субструктурой иного рода, например по меньшей мере одной крупной структурой меньшего размера, на несколько участков. Эта субструктура, например мелкая структура или крупная структура меньшего размера, может, в частности, иметь глубину, находящуюся в области значений, меньшей пяти длин ультразвуковой волны в текучей среде, предпочтительно в области значений, меньшей двух длин волны и особенно предпочтительно менее одной длины волны, например, в районе четверти длины волны. Субструктура может иметь, в частности, одну или несколько из следующих структур: множество ребер; множество желобков; решетка; субструктура с множеством поверхностей; субструктура с множеством форм вышеназванного рода.
Как было указано выше, ультразвуковые преобразователи, дополнительно к тому, что они разнесены вдоль направления потока, также могут быть разнесены друг от друга поперек потока текучей среды. Таким образом можно воспрепятствовать, например, влиянию возмущений потока, создаваемых одним ультразвуковым преобразователем, на ультразвуковой преобразователь, расположенный ниже по потоку.
Кроме того, при расположении ультразвуковых преобразователей, в частности, разнесенными, т.е. со смещением относительно друг друга, поперек потока текучей среды, но также при иных вариантах взаимного положения ультразвуковых преобразователей, отклоняющее устройство может содержать по меньшей мере один отражательный барьер. При этом под отражательным барьером понимается барьер, или заграждение, который сравнительно резко выступает от поверхности измерительной трубы в поток текучей среды. Такой отражательный барьер может быть выполнен, например, в виде пластины. Например, отражательный барьер может пересекать соединительную линию, проходящую между ультразвуковыми преобразователями, в ее средней трети, предпочтительно - рассекать эту линию пополам.
В частности, отражательный барьер может быть выполнен таким образом, что он содержит пластину, обладающую следующими свойствами: пластина имеет, во-первых, главное направление протяженности с неисчезающей векторной компонентой, проходящей поперек прямой соединительной линии между ультразвуковыми преобразователями, вследствие чего звуковые волны, исходящие от одного ультразвукового преобразователя, после их первого отражения на отражательной поверхности, не попадают в значительной мере на другой преобразователь посредством одного или нескольких отражений на отклоняющем устройстве и второго отражения на отражательной поверхности, а отражаются главным образом обратно или вбок. При этом ввиду разнесения ультразвуковых преобразователей поперек направления потока пластина, в качестве альтернативы или дополнительно, может быть расположена параллельно или практически параллельно направлению потока, таким образом не мешая движению потока текучей среды. Благодаря такому расположению главной структуры отклоняющего устройства в направлении потока соответствующую глубину структуры можно выбрать соответственно большей, не внося возмущений в движение потока, что позволяет реализовать улучшающий качество регулирования барьер для ультразвуковых сигналов, распространяющихся по W-образному пути.
Как было указано выше, отклоняющее устройство может иметь, в частности, по меньшей мере две отклоняющие поверхности. Эти отклоняющие поверхности могут, например, как было указано выше, пересекаться в одной линии с образованием формы крыши. Такая линия пересечения может быть расположена, в частности, под отличным от 90° углом к соединительной линии, проходящей между ультразвуковыми преобразователями, в результате чего за счет наклона отклоняющих поверхностей подобно скатам крыши достигается не только уменьшение или устранение распространения звука по W-образному пути, но и отражение звука в сторону от плоскости, расположенной перпендикулярно отражательной поверхности и параллельно соединительной линии, проходящей между ультразвуковыми преобразователями. Эта плоскость, как правило, совпадает с плоскостью, определяемой распространением главных компонент полезных сигналов, или же распространением W-образных компонент при отсутствии отклоняющего устройства. Наличие отличного от 90° угла между линией пересечения отклоняющих поверхностей и соединительной линией, проходящей между ультразвуковыми преобразователями, в дальнейшем следует рассматривать как равнозначное тому свойству изобретения, что нормальные векторы отклоняющих поверхностей непараллельны плоскости, определяемой распространением главных компонент полезных сигналов. За счет соответствующего отклонения падающих на отклоняющую поверхность компонент звука в сторону от вышеупомянутой плоскости предотвращается обратное отражение в значительной мере отклоненных компонент звука посредством отражательной поверхности на излучающий ультразвуковой преобразователь, что также рассматривается как паразитный путь распространения звука (например, для противоположного направления измерений). Например, вышеупомянутый угол может быть выбран меньшим 80°, в частности меньшим 70°. Сами отклоняющие поверхности могут сходиться друг с другом, например, под отличным от 90° углом, например под углом, составляющим более 90°, например, под углом более 100° и, в частности, под углом более 110°. Вместе с тем, возможны другие формы выполнения отклоняющих поверхностей.
Предложенный ультразвуковой проточный датчик имеет ряд преимуществ перед известными ультразвуковыми проточными датчиками. Так, в частности, подавление значительной части паразитных путей распространения ультразвука обеспечивает однозначность пути передачи ультразвуковых сигналов. Ультразвуковой проточный датчик, как было указано выше, может быть выполнен, в частности, с двумя ультразвуковыми преобразователями, разнесенными в направлении измеряемого потока и способными посредством отражательной поверхности посылать друг другу ультразвуковые сигналы. Ориентация отражательной поверхности в зоне отражения может быть задана, в частности, ее главным нормальным вектором Nh. Как было указано выше, поверхность измерительной трубы между ультразвуковыми преобразователями может делиться в направлении проходящей между ультразвуковыми преобразователями соединительной линии на три участка, которые были определены выше и протяженность каждого из которых вдоль и поперек этой соединительной линии по меньшей мере приблизительно составляет одну треть длины L соединительной линии. При этом, например, как было указано выше, осредненный на среднем из этих трех участков М угол между нормалями N к поверхности измерительной трубы и вектором, направленным антипараллельно главному нормальному вектору Nh отражательной поверхности, может быть выбран превышающим 15°. В частности, ультразвуковой проточный датчик может иметь в качестве отклоняющего устройства, расположенного между ультразвуковыми преобразователями, определенную структуру поверхности, в частности структуру поверхности измерительной трубы. Эта структура поверхности может быть сформирована, в частности, таким образом, чтобы обеспечивать значительное подавление паразитного W-образного пути прохождения ультразвуковых сигналов с отражениями на отражательной поверхности, в области между ультразвуковыми преобразователями и еще раз на отражательной поверхности, по сравнению с желательным V-образным путем прохождения полезных ультразвуковых сигналов, лишь однократно проходящим через отражательную поверхность.
В частности, изобретение обеспечивает подавление мешающих сигналов. Без предлагаемого в изобретении решения эти сигналы поступали бы на приемник позже полезных сигналов, например, с примерно удвоенным временем прохождения. Соответственно, нужно было бы дожидаться поступления таких мешающих сигналов, или такие сигналы нужно было бы исключать из анализа с помощью соответственно выбираемого временного окна анализа. Однако тогда в режиме повторяющихся измерений придется дольше ждать, пока можно будет выполнить следующее измерение или измерение в противоположном направлении распространения звука. Изобретение же позволяет, не внося дополнительных ошибок измерений, обеспечить частоту повторения измерений, находящуюся в диапазоне значений, необходимом для достаточно частого зондирования пульсирующих течений, например в каналах всасывания, подачи свежего воздуха или выпуска отработавших газов двигателей внутреннего сгорания. По сравнению с конструктивной схемой, описанной в публикации DE 3941544 А1, преимущество изобретения заключается, в частности, в использовании основного V-образного пути прохождения ультразвуковых сигналов, требующего только одного отражения.
Краткое описание чертежей
Ниже рассматриваются варианты осуществления изобретения, поясняемые чертежами, на которых показано:
на фиг.1 - компоновка известного ультразвукового проточного датчика с одной лишь отражательной поверхностью;
на фиг.2А и 2Б - временной график регистрации ультразвуковых сигналов на ультразвуковых преобразователях;
на фиг.3-5 - компоновки, альтернативные показанной на фиг.1, без подавления паразитных путей распространения ультразвука или с их недостаточным подавлением;
на фиг.6А-7 - первый вариант выполнения предлагаемого в изобретении ультразвукового проточного датчика с отклоняющим устройством;
на фиг.8-16 - альтернативные варианты выполнения предлагаемого в изобретении ультразвукового проточного датчика;
фиг.17-19Е - различные варианты структурирования поверхности отклоняющего устройства; и
на фиг.20А-22Б - другие варианты выполнения предлагаемых в изобретении ультразвуковых проточных датчиков.
Осуществление изобретения
На фиг.1 показан известный ультразвуковой проточный датчик 110, являющийся прототипом предлагаемого в изобретении проточного датчика. Датчик имеет проточную трубу 112, через которую в направлении 114 потока с обозначенной на фиг.1 скоростью v движется текучая среда, например отработавшие газы двигателя внутреннего сгорания и/или масса воздуха во всасывающем тракте двигателя внутреннего сгорания (в том числе масса воздуха после ее сжатия турбонагнетателем). Проточная труба 112 включает в себя измерительную трубу 116, которая, например, может образовывать участок проточной трубы 112 или же может быть образована корпусом, вставленным в проточную трубу 112 в качестве вставного датчика. В поверхности 118 измерительной трубы 116 расположены два ультразвуковых преобразователя 120, 122, разнесенных вдоль направления 114 потока. Эти ультразвуковые преобразователи 120, 122 также обозначены на фиг.1 буквами А и В. Ультразвуковые преобразователи 120, 122 посылают друг другу ультразвуковые волны посредством отражателя 124 с отражательной поверхностью 126. При этом ультразвуковые сигналы проходят по V-образному, желательному пути 128, который на фиг.1 представлен штрихпунктиром. Кроме того, на фиг.1 показан паразитный, представленный пунктиром W-образный путь 130 прохождения ультразвуковых сигналов, обусловленный несколькими отражениями на отражательной поверхности 126 с промежуточным отражением на поверхности 118 измерительной трубы. По времени прохождения звуковых волн от преобразователя А до преобразователя В и наоборот определяют среднюю скорость V потока, а на ее основании - объемный и/или массовый расход текучей среды. В зависимости от характеристики направленности ультразвуковых преобразователей 120, 122 и в зависимости от рассеяния лучей, обусловленного течением среды, помимо желательного V-образного пути 128 прохождения ультразвуковых сигналов, возникает один или несколько нежелательных путей прохождения ультразвуковых сигналов, например представленный на чертеже W-образный или М-образный паразитный путь 130 прохождения ультразвуковых сигналов.
На фиг.2А и 2Б показаны возможные временные графики регистрации сигналов при ультразвуковых измерениях. На этих фигурах показаны зависимости интенсивности I звука на обоих ультразвуковых преобразователях 120, 122 от времени t, разделенные на звуковые волны, излучаемые ультразвуковым преобразователем А (фиг.2А), и звуковые волны, излучаемые ультразвуковым преобразователем В (фиг.2Б). Сначала сигнал отправляет ультразвуковой преобразователь А (кривая, показанная на фиг.2А жирной линией), и затем звук проходит по V-образному пути 128 до ультразвукового преобразователя В (кривая, показанная на фиг.2А тонкой линией). Обычно звук, поступающий на ультразвуковой преобразователь B, полностью не преобразуется в электрический сигнал, а большая часть звуковой энергии отражается от принимающего ультразвукового преобразователя и затем снова падает на ультразвуковой преобразователь А (пунктирная линия на графике), отражается там повторно и попадает на ультразвуковой преобразователь В и т.д. Если ультразвуковой преобразователь B пошлет свой сигнал (кривая, показанная на фиг.2Б жирной линией) именно в тот момент, когда звук, посланный ультразвуковым преобразователем A и отраженный на ультразвуковом преобразователе B, снова вернулся на ультразвуковой преобразователь А, то посланный ультразвуковым преобразователем В звук поступит на ультразвуковой преобразователь А, когда отраженный мешающий звук от последней передачи (ультразвуковой преобразователь А) на него не воздействует, а воздействует только звук от предпоследней передачи (ультразвуковой преобразователь В). К этому времени соответствующий мешающий звуковой сигнал уже четырежды отразился на ультразвуковых преобразователях 120, 122 и соответственно ослабел. Кроме того, за счет повторения измерений с переменной частотой влияние этого четырежды отраженного мешающего звука можно еще более уменьшить, усредняя результаты нескольких измерений, выполняемых со слегка различающимися, например, в пределах размаха вариации период ультразвуковых колебаний, временными промежутками. Это позволяет выбирать частоту повторения измерений относительно высокой, как на фиг.2А и 2Б, без необходимости ожидания момента выполнения отдельного измерения до тех пор, пока не затухнут эхо-сигналы, порожденные предыдущими передачами.
Однако на приведенных фиг.2А и 2Б графиках еще не учтены паразитные W-образные или М-образные пути прохождения ультразвуковых сигналов или другие паразитные пути прохождения ультразвуковых сигналов. Длина этих путей превышает, например, примерно вдвое, длину V-образного пути 128 прохождения ультразвуковых сигналов, вследствие чего при непрерывном выполнении измерений, повторяющихся через короткий временной интервал, как показано на фиг.2А и 2Б, возникают дополнительные мешающие сигналы, вносящие ошибку в результаты измерений. Эти паразитные пути прохождения ультразвуковых сигналов появляются, прежде всего, в случае, если между ультразвуковыми преобразователями 120, 122 имеется отражающая поверхность, например отражающая поверхность 118 измерительной трубы. Этот эффект может возникать не только при геометрии проточного датчика, показанной на фиг.1, но и в других его вариантах, показанных, например, на фиг.3-5. На этих чертежах показаны варианты ультразвукового расходомера 110, аналогичные изображенному на фиг.1 прототипу предлагаемого в изобретении проточного датчика, так что в их отношении можно обратиться к приведенному выше описанию. Общим для представленных вариантов проточного датчика является то, что между ультразвуковыми преобразователями 120, 122, в частности примерно посредине между ними, имеются участки поверхности, направление нормали к которым примерно антипараллельно главному нормальному вектору отражательной поверхности 126. В показанном на фиг.5 варианте проточного датчика между ультразвуковыми преобразователями 120, 122 имеется выпуклость, которая может давать, например, аэродинамические преимущества, а также одновременно слегка рассеивает звук. Однако и в этом случае у такой выпуклости имеется нормальный вектор, антипараллельный нормальному вектору отражательной поверхности 126, в частности расположенный в критической зоне, находящейся примерно посредине между ультразвуковыми преобразователями 120, 122. Как правило, это справедливо, даже если поверхность 118 измерительной трубы между ультразвуковыми преобразователями 120, 122 имеет непрерывную легкую кривизну или выпуклость.
На фиг.6А-8 представлен первый вариант выполнения предлагаемого в изобретении ультразвукового проточного датчика 110. На этих чертежах ребра обозначены номером позиции 140. Такое членение отклоняющих поверхностей 134, 136 посредством ребристой структуры, образованной ребрами 140, которые могут доходить до дна проточной трубы 112 или же могут быть образованы впадинами, углубляющимися в отклоняющие поверхности 134, 136 лишь частично, может, например, улучшать аэродинамические качества ультразвукового проточного датчика 110, а также обеспечивать дополнительное рассеяние звука или частичное гашение звука за счет интерференции звуковых волн, отражающихся или рассеивающихся на отдельных ребрах 140.
На фиг.9А и 9Б изображены альтернативные варианты выполнения контура поверхности между ультразвуковыми преобразователями 120, 122, символически представленные изогипсами (горизонталями). При этом показано, что ультразвуковые преобразователи 120, 122 также могут быть разнесены поперек направления 114 потока, т.е. расположены с боковым смещением относительно друг друга. При этом "отроги" контура отклоняющего устройства 132 могут, по меньшей мере частично, простираться до участков, расположенных сбоку от ультразвуковых преобразователей 120, 122. Также ультразвуковые преобразователи 120, 122 могут быть разнесены поперек направления 114 потока, располагаясь напротив друг друга (фиг.9А), и/или могут быть расположены с боковым смещением своих осей относительно друг друга (прямая ориентация) или с наклоном друг к другу (фиг.9Б). Такие варианты конструкции проточного датчика, с одной стороны, могут обеспечивать уменьшение интенсивности эхо-сигналов, многократно отражаемых между ультразвуковыми преобразователями 120, 122, а с другой стороны, могут препятствовать попаданию вихревого следа, тянущегося за одним ультразвуковым преобразователем 120, на другой ультразвуковой преобразователь 122.
На фиг.10А и 10Б показан еще один вариант выполнения ультразвукового проточного датчика 110, в котором отклоняющее устройство 132 содержит по меньшей мере один отражательный барьер 152. При этом на фиг.10А показан вид сверху на поверхность 118 измерительной трубы, в которой установлены ультразвуковые преобразователи 120, 122, а на фиг.10Б показан местный вид в аксонометрии.
Из этих изображений следует, что отражательный барьер 152 в принципе представляет собой структуру, выдающуюся из поверхности 118 измерительной трубы и имеющую по меньшей мере две отклоняющие поверхности 134, 136, проходящие с очень крутым наклоном относительно поверхности 118 измерительной трубы. Например, эти отклоняющие поверхности 134, 136 могут проходить под углом к поверхности 118 измерительной трубы, составляющим от 70° от 110°, в частности от 80° до 90°. Отражательный барьер 152 может выдаваться в поток текучей среды на высоту Н, составляющую, например, от 1,0 до 20 мм. Кроме того, отражательный барьер 152 может иметь, например, длину 1 в направлении 114 потока, которая может составлять, например, от 1,0 до 50 мм.
Кроме того, отражательный барьер 152 может быть расположен, в частности, по существу параллельно направлению 114 потока, как это показано, в частности, на фиг.10А. При этом под "по существу параллельным расположением" следует понимать также отклонение от параллельности, составляющее не более 20°, предпочтительно не более 10° и особенно предпочтительно не более 5°. Отражательный барьер 152 может быть выполнен в целом очень узким, например с шириной b, измеряемой перпендикулярно направлению 114 потока и составляющей не более 5,0 мм, например от 0,5 до 3,0 мм.
Кроме того, как показано на фиг.10А и 10Б, отражательный барьер 152 может быть расположен, в частности, наискось по отношению к соединительной линии, проходящей между ультразвуковыми преобразователями 120, 122 и обозначенной на фиг.10А и 10Б как L. Например, продольное направление отражательного барьера, обозначенное на фиг.10А и 10Б номером позиции 154, может пересекать соединительную линию L под углом от 5° до 60°, в частности от 20° до 45°.
В случае выбора имеющей вид крыши структуры с ребрами 140, например пластинами, как показано на фиг.8, или же конструкции без пластин, такая "крыша" отклоняющего устройства 132 дополнительно может быть перекошена таким образом, чтобы линия 130 пересечения отклоняющих поверхностей 134, 136, которая может рассматриваться как "линия конька" такой крыши, не была перпендикулярной соединительной линии L между ультразвуковыми преобразователями 120, 122. Такое решение может быть реализовано и в остальных вариантах осуществления настоящего изобретения, например в вариантах, показанных на фиг.11-14. Так, на фиг.11 показано выполнение отклоняющего устройства, подобное представленному на фиг.9Б, причем отклоняющие поверхности 134, 136 дополнительно могут иметь субструктуру 142, например в виде ребер или желобков, например в форме крупной структуры меньшего размера или в форме мелкой структуры. На фиг.12 показана модификация варианта осуществления изобретения, представленного на фиг.11, в которой также предусмотрена субструктура 142, например, в виде уступов (ступеней). На фиг.13 показано выполнение отклоняющего устройства, подобное представленному на фиг.9А, где в качестве опции также предусмотрена субструктура 142, в данном случае, например, опять же образованная уступами. В общем случае субструктура 142, выполненная, например, в виде крупной структуры меньшего масштаба или мелкой структуры, может быть предусмотрена в качестве опции для проработки отклоняющих поверхностей 134, 136 во всех вариантах осуществления настоящего изобретения. Подобного рода субструктура 142 делит крупную структуру, заданную отклоняющими поверхностями 134, 136, на меньшие поверхности, например участки поверхности, углубления, желобки или подобные элементы рельефа. Предпочтительно, чтобы такая субструктура 142 имела глубину порядка длины ультразвуковой волны в текучей среде, например, чтобы глубина субструктуры 142 не превышала пятикратного значения этой длины волны, предпочтительно трехкратного или даже двукратного значения.
На фиг.14 еще раз показана основная конструкция отклоняющего устройства 132, выполненного в форме крыши. Как было указано выше, крупная структура, расположенная между ультразвуковыми преобразователями 120, 122 и заданная отклоняющими поверхностями 134, 136 этого отклоняющего устройства 132, может дополнительно иметь желобки 144 в качестве субструктуры 142 поверхности, как это показано в качестве примера на фиг.15. Эти желобки 144 могут образовывать участки 146 поверхности, например участки 146 поверхности на выступах между желобками 144 и участки 146 поверхности между этими выступами. При этом соседние участки 146 поверхности могут примыкать друг к другу практически перпендикулярно, как это, например, по меньшей мере приблизительно реализовано в варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.15, или же могут быть наклонными, примыкая друг к другу косо, как это предусмотрено в варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.16. Косо сходящиеся друг с другом участки поверхности улучшают эффект рассеяния в отношении паразитного звука. Это схематически показано на фиг.17. На фиг.17 представлена одна из отклоняющих поверхностей 134, 136 в поперечном сечении, на котором видны эти участки 146 поверхности. При этом прежде всего целесообразно использовать субструктуры 142, которые имеют размеры по глубине и/или в поперечнике порядка длины звуковой волны в текучей среде, например порядка четверти длины волны (λ/4). Это еще раз демонстрируется на фиг.18, где показано выполнение участков 146 поверхности, альтернативное изображенному на фиг.17. При подобном выборе размеров субструктур отраженные компоненты звука претерпевают фазовые сдвиги, вызывающие по меньшей мере частичное взаимное гашение этих компонентов за счет интерференции. В качестве альтернативы субструктуре, выполненной в виде крыши, изображенной на фиг.17, или субструктуре, изображенной на фиг.18, могут использоваться различные другие варианты субструктур, показанные на фиг.19А-19Е. Помимо субструктур 142, имеющих одно главное направление ориентации, например описанных выше желобчатых структур, возможны также субструктуры 142 с несколькими главными осями ориентации или структуры, распределенные по поверхности приблизительно изотропно, например решетчатые структуры, либо выступы и/или углубления с кажущейся неупорядоченностью их расположения. Независимо от выбора такой субструктуры, согласно фиг.20А (перспективное изображение) и фиг.20Б (вид сверху) между ультразвуковыми преобразователями 120, 122 расположена крупная структура, действующая в качестве отклоняющего устройства 132 и вместо "линии конька" имеющая вершину 148. Эта вершина 148 может венчать, например пирамидальную структуру с тремя, четырьмя или более отклоняющими поверхностями 150. Если такую структуру ориентировать относительно соединительной линии L, проходящей между ультразвуковыми преобразователями 120, 122, как показано на фиг.20А и 20Б, то отклоняемые W-образные паразитные компоненты звука будут иметь не только составляющую, направленную вдоль потока или соединительной линии L между ультразвуковыми преобразователями 120, 122, но и составляющую, направленную поперек потока или соединительной линии.
На фиг.21 показана модификация конструкции, изображенной на фиг.20Б. В этой модификации отклонение паразитных сигналов в поперечном направлении, в частности поперек соединительной линии, происходит только на двух из четырех отклоняющих поверхностей 150, выполненных в виде боковых граней пирамиды, но в большинстве случае эффективность такого отклонения является вполне достаточной. Прямая геометрия в показанном на фиг.21 варианте выполнения отклоняющего устройства дополнительно имеет то преимущество, что она особенно хорошо сочетается с монтажными гнездами для установки в поверхности 118 измерительной трубы ультразвуковых преобразователей 120, 122, которые обычно устанавливаются наклонно. В этом случае пирамидальную структуру можно искривить и/или деформировать так, чтобы она была действительно пирамидальной только у вершины 148. Это поясняется перспективным изображением, приведенным на фиг.22А, а на фиг.22Б приведено изображение поверхности 118 измерительной трубы в поперечном сечении, перпендикулярном соединительной линии L, проходящей между ультразвуковыми преобразователями 120, 122. При этом пирамидальная структура отклоняющего устройства 132 сформирована пересекающимися цилиндрическими участками поверхности 118 измерительной трубы. В качестве альтернативы цилиндрическим поверхностям также могут использоваться конические поверхности или же другие прямые или искривленные поверхности, пересекающиеся друг с другом и тем самым образующие отклоняющее устройство 132, предпочтительно имеющее вершину 148. В показанной на фиг.22А конфигурации каждая из четырех поверхностей "скатов крыши", образующих отклоняющие поверхности 150, также ориентирована таким образом, что направление нормали к соответствующей поверхности, обращенной по потоку и/или против него и/или поперек него, четко отличается от вектора, антипараллельного направлению нормали к отражательной поверхности 126, чем достигается исключение паразитных составляющих звука.