УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И/ИЛИ КОНТРОЛЯ ПРОТОЧНОГО РАСХОДА ОБЪЕМА И/ИЛИ МАССЫ ИЗМЕРЯЕМОЙ СРЕДЫ
DEVICE FOR DEFINING AND/OR CONTROL OF VOLUME AND/OR WEIGHT FLOW RATE FOR MEASURED MEDIUM

Изобретение относится к устройству для определения и/или контроля проточного расхода объема и/или массы измеряемой среды, которая протекает через трубопровод с заданным с внутренним диаметром в заданном направлении потока, по меньшей мере, с двумя ультразвуковыми преобразователями, которые посылают и/или принимают ультразвуковые измерительные сигналы вдоль определенной звуковой дорожки, и с блоком регулировки и оценки результатов, который определяет проточный расход объема и/или массы измеряемой среды в резервуаре на основании ультразвуковых измерительных сигналов, согласно принципу разности времени распространения. Под измеряемой средой может впрочем пониматься газообразная или текучая измеряемой среда. Под прибором измерения проточного расхода понимается либо прибор измерения проточного расхода Clamp-On, либо прибор измерения проточного расхода Inline, который встроен в трубопровод.
Ультразвуковые приборы измерения проточного расхода описанного ранее типа, которые определяют проточный расход объема посредством так называемого метода разности времени распространения, широко используются в рабочей и автоматизированной технике. В частности, приборы измерения проточного расхода Clamp-On имеют в качестве преимущества то обстоятельство, что позволяют определять проточный расход объема в резервуаре, к примеру в трубопроводе, без соприкосновения и без контакта со средой. Приборы измерения проточного расхода Clamp-On описаны, к примеру, в ЕР 0686255 B1, US-PS 4.484.478, DE 4335369 C1, DE 29803911 U1, DE 4336370 C1 или в US-PS 4598593.
В обоих типах ультразвуковых приборов измерения проточного расхода ультразвуковые измерительные сигналы испускаются под заданным углом в резервуар, в котором находится среда, или из резервуара. У ультразвуковых приборов измерения проточного расхода соответствующая позиция ультразвукового преобразователя на измерительной трубе (Inline) или на трубопроводе (Clamp-On) зависит от внутреннего диаметра измерительной трубы и от скорости звука измеряемой среды.
У прибора измерения проточного расхода Clamp-On должны дополнительно учитываться параметры применения: толщина стенки трубопровода и скорость звука материала трубопровода.
Существенным компонентом ультразвукового преобразователя является обычно пьезоэлектрический элемент. Производимые или принимаемые пьезоэлектрическим элементом ультразвуковые измерительные сигналы вводятся через соединительный клин или головной корпус, а в случае прибора измерения проточного расхода Clamp-On - через стенку трубы внутрь трубопровода или измерительной трубы.
Обычно у обоих типов приборов измерения проточного расхода оба ультразвуковых преобразователя расположены таким образом, что проходящие звуковые дорожки проведены через центральную зону трубопровода или измерительной трубы. Определяемое значение проточного расхода отображает, таким образом, средний проточной расход измеряемой среды в трубопроводе или в измерительной трубе. Во многих случаях, в частности, при измерениях проточного расхода в трубопроводах с большими номинальными внутренними диаметрами, это усреднение является, все же, слишком неточным. Поэтому и у приборов измерения проточного расхода Inline стало правилом предусматривать несколько пар датчиков, распределенных по периферии измерительной трубы, благодаря чему в распоряжение может быть предоставлена информация о проточном расходе из различных сегментированных угловых зон измерительной трубы. Само собой разумеется, что данное решение ввиду большого количества пар датчиков естественно является относительно дорогостоящим.
Соответствующие, имеющие много дорожек, или многоканальные устройства для сегментированного определения проточного расхода у приборов измерения проточного расхода Clamp-On до сих пор не известны. Более того, у приборов измерения проточного расхода Clamp-On звуковые дорожки проходят всегда через центральную зону трубопровода, посредством чего проточный расход подается полностью через все зоны трубопровода. Чтобы, тем не менее, точно определять профиль потока необходимо провести звуковые дорожки через заданные сегменты трубопровода или измерительной трубы. Если имеет место агрессивная измеряемая среда или нет возможности использовать прибор измерения проточного расхода Inline, то нужно прибегнуть к другим принципам измерения, так как известные приборы измерения проточного расхода Clamp-On имеют относительно небольшую точность измерения.
В основе изобретения лежит задача - предложить ультразвуковой прибор измерения проточного расхода, который предоставляет сегментированную, зависимую от внутреннего диаметра трубопровода или измерительной трубы, норму проточного расхода.
Задача решается посредством того, что во внутреннем пространстве трубопровода предусмотрен, по меньшей мере, один отражающий элемент, что отражающий элемент находится на определенном расстоянии от внутренней стенки трубопровода и, что отражающий элемент расположен в проходящей через трубопровод звуковой дорожке ультразвуковых измерительных сигналов. Отражающий элемент выполнен или расположен таким образом, что он прерывает звуковую дорожку в интересных с точки зрения измерения местах и изменяет направление ультразвуковых измерительных сигналов. Таким образом, ультразвуковой измерительный сигнал несет только лишь информацию из проходимой им пространственной зоны измерительной трубы или трубопровода.
У приборов измерения проточного расхода Inline посредством решения в соответствии с изобретением предлагается абсолютно новое направление при сегментированном учете профиля потока измеряемой среды в измерительной трубе. Если до сих пор звуковые дорожки в различных сегментах измерительной трубы, к примеру в центральной зоне и в различных краевых зонах, определялись посредством того, что несколько пар датчиков располагались под различными углами по периферии измерительной трубы, то в соответствии с изобретением звуковые дорожки реализуются посредством подходящего и согласованного с определенным случаем применения расположения отражающих элементов в измерительной трубе. В принципе, при решении в соответствии с изобретением можно обойтись одной парой датчиков для предоставления информации о профиле потока измеряемой среды в измерительной трубе. Впервые, посредством решения в соответствии с изобретением, имеется возможность реализовать многоканальный прибор измерения проточного расхода Clamp-On.
В соответствии с изобретением отражающий элемент или отражающие элементы могут быть выполнены абсолютно произвольно. Согласно одному варианту осуществления изобретения, по меньшей мере, один отражающий элемент может быть выполнен как элемент, имеющий форму трубы. Предпочтительно элемент, имеющий форму трубы, или элементы, имеющие форму трубы, расположены в трубопроводе концентрично.
Предпочтительный вариант осуществления устройства в соответствии с изобретением предусматривает, что элемент, имеющий форму трубы, или элементы, имеющие форму трубы, закреплен/закреплены посредством перемычек на внутренней стенке трубопровода или внутренней стенке измерительной трубы. Посредством данного варианта осуществления изобретения возможно исключить отдельные краевые зоны из измерения проточного расхода. Перемычка функционирует при данном варианте осуществления изобретения как звуковая лестница. Снова в местах, интересных с точки зрения измерения, звуковая лестница прерывается. Таким путем возможно, к примеру, измерение проточного расхода лишь в центральной или «сердцевинной» зоне трубопровода или измерительной трубы.
В соответствии с альтернативным вариантом осуществления изобретения отражающий элемент или отражающие элементы выполнены дискообразными. Отражающий элемент или отражающие элементы также закреплены посредством одной или нескольких перемычек на внутренней стенке трубопровода или измерительной трубы. В данном случае отражающий элемент и перемычка/перемычки выполнены, в основном, Т-образными. Предпочтительный вариант осуществления устройства в соответствии с изобретением предусматривает снова, что ультразвуковые преобразователи и перемычки расположены по отношению друг к другу таким образом, что ультразвуковые измерительные сигналы через перемычки могут попадать во внутреннюю зону элемента, имеющего форму трубы, или могут выходить из внутренней зоны элемента, имеющего форму трубы. Посредством данного варианта осуществления изобретения можно определять проточный поток в желаемом сегменте, так как соответственно зона, в которой находятся перемычки, диафрагмируется от измерения проточного расхода.
Альтернативно варианту осуществления в форме трубы с круглым поперечным сечением, элемент, имеющий форму трубы, может иметь также поперечное сечение с количеством углов n, причем n является натуральным числом и n>3. Предпочтительно элемент, имеющий форму трубы, с n-количеством углов, выполнен таким образом, что его наружный диаметр, в основном, соответствует внутреннему диаметру трубопровода и что элемент, имеющий форму трубы, в угловых зонах соединен с трубопроводом.
Согласно предпочтительному варианту осуществления устройства в соответствии с изобретением, под отражающим элементом или отражающими элементами понимаются одна или несколько дискообразных пластинок, которые выполнены и/или расположены таким образом, что являют собой для текучей среды сопротивление потоку, которым нельзя пренебречь. Для учета проточного потока внутри различных сегментов трубопровода или измерительной трубы, к примеру, расположено несколько пластинок в форме пространственно смещенных друг относительно друга ступенек лестницы.
В качестве альтернативы возможно расположить пластинки на завитке. В связи с этим предпочтительный вариант осуществления устройства в соответствии с изобретением предусматривает устройство управления, посредством которого дискообразная отражающая пластинка или дискообразные отражающие пластинки могут вдвигаться в звуковую дорожку и выдвигаться из звуковой дорожки. Как уже говорилось, пластинки либо расположены по спирали, либо соответствуют ступенькам смещенной лестничной структуры.
Для учета ультразвуковых измерительных сигналов из различных пространственных зон обычно необходимо использовать соответствующее количество ультразвуковых преобразователей, расположенных со смещением относительно друг друга. В качестве альтернативы, по меньшей мере, два, необходимых для оценки посредством метода разности времени распространения, ультразвуковых преобразователя могут быть выполнены таким образом, что они посылают и/или принимают ультразвуковые измерительные сигналы или звуковые поля через заданную пространственную зону. Когда ультразвуковые сигналы посылаются или принимаются под согласованным с соответствующим вариантом применения углом раскрытия, то обычно достаточно одной пары датчиков, чтобы в соответствии с изобретением предоставить информацию по проточному расходу из различных сегментов трубопровода или измерительной трубы. В соответствии с альтернативным вариантом осуществления изобретения предусмотрено, что ультразвуковой преобразователь имеет несколько пьезоэлектрических элементов в качестве передающих и принимающих элементов, причем передающие и/или принимающие элементы расположены в матрице. Посредством соответствующей настройки передающих и принимающих элементов возможно образовывать различные углы излучения и приема и, при этом, звуковые дорожки с различными направлениями углов.
Изобретение более подробно разъясняется на основании последующих чертежей, которые демонстрируют:
Фиг.1 - продольное сечение первого варианта осуществления устройства в соответствии с изобретением с тремя ультразвуковыми датчиками и одним вводом/выводом через перемычки,
Фиг.1а - поперечное сечение представленного на Фиг.1 варианта осуществления устройства в соответствии с изобретением,
Фиг.2 - продольное сечение второго варианта осуществления устройства в соответствии с изобретением с двумя ультразвуковыми датчиками и одним вводом/выводом через перемычки,
Фиг.2а - поперечное сечение представленного на Фиг.2 варианта осуществления устройства в соответствии с изобретением,
Фиг.3 - продольное сечение третьего варианта осуществления устройства в соответствии с изобретением с двумя ультразвуковыми датчиками и одним, имеющим форму трубы, отражателем с круглым поперечным сечением,
Фиг.3а - поперечное сечение представленного на Фиг.3 варианта осуществления устройства в соответствии с изобретением,
Фиг.4 - продольное сечение четвертого варианта осуществления устройства в соответствии с изобретением с тремя ультразвуковыми датчиками и одним, имеющим форму трубы, отражателем с круглым поперечным сечением,
Фиг.4а - поперечное сечение представленного на Фиг.4 варианта осуществления устройства в соответствии с изобретением,
Фиг.5 - продольное сечение пятого варианта осуществления устройства в соответствии с изобретением с тремя ультразвуковыми датчиками и одним, имеющим форму трубы, отражателем с треугольным поперечным сечением,
Фиг.5а - поперечное сечение представленного на Фиг.5 варианта осуществления устройства в соответствии с изобретением,
Фиг.6 - продольное сечение шестого варианта осуществления устройства в соответствии с изобретением с двумя ультразвуковыми датчиками и одним вводом/выводом через перемычку Т-образного отражателя,
Фиг.6а - поперечное сечение представленного на Фиг.6 варианта осуществления устройства в соответствии с изобретением,
Фиг.7 продольное сечение седьмого варианта осуществления устройства в соответствии с изобретением с четырьмя ультразвуковыми датчиками и одним вводом/выводом через перемычку Т-образного отражателя,
Фиг.7а поперечное сечение представленного на Фиг.7 варианта осуществления устройства в соответствии с изобретением,
Фиг.8 продольное сечение восьмого варианта осуществления устройства в соответствии с изобретением с неподвижным и передвижным ультразвуковым датчиком и с отражающими пластинками,
Фиг.8а поперечное сечение представленного на Фиг.8 варианта осуществления устройства в соответствии с изобретением,
Фиг.9 продольное сечение девятого варианта осуществления устройства в соответствии с изобретением с двумя ультразвуковыми датчиками и с отражающими пластинками, которые могут позиционироваться в звуковой дорожке,
Фиг.9а поперечное сечение представленного на Фиг.9 варианта осуществления устройства в соответствии с изобретением,
Фиг.1 представляет продольное сечение первого варианта осуществления устройства 1 в соответствии с изобретением с тремя ультразвуковыми датчиками 14а, 14b, 14с. Настройка ультразвуковых преобразователей 14а, 14b, 14с, а также оценка ультразвуковых измерительных сигналов по методу разности времени распространения производится в блоке 4 регулировки и оценки результатов.
В варианте осуществления изобретения, представленном на Фиг.1 (продольное сечение) и Фиг.1а (поперечное сечение), имеющий форму трубы отражающий элемент 5 с круглым поперечным сечением концентрично расположен внутри трубопровода/измерительной трубы 3. Имеющий форму трубы отражающий элемент 5 имеет на своей наружной стенке 7 четыре перемычки 8. Посредством перемычек 8 имеющий форму трубы отражающий элемент 5 фиксируется на внутренней стенке 6 трубопровода/измерительной трубы 3.
В представленном варианте осуществления изобретения ультразвуковые датчики 14а, 14b расположены таким образом, что часть ультразвуковых измерительных сигналов вводится или выводится через перемычки 8а, 8с. Посредством данного варианта осуществления изобретения участок внутреннего пространства 15 трубопровода/измерительной трубы 3, определяемый шириной b перемычек 8а, 8с, можно диафрагмировать от измерения проточного расхода. Предпочтительным образом это осуществляется посредством вычитания рассчитываемого на основании известных параметров времени распространения на звуковой дорожке S1 ультразвуковых измерительных сигналов в перемычке 8а из измеренного времени распространения, которое необходимо ультразвуковым измерительным сигналам для прохождения звуковой дорожки S2. Звуковая дорожка S1 проходит между обоими, расположенными на одной линии к продольной оси трубопровода/измерительной трубы 3, ультразвуковыми преобразователями 14а, 14b; звуковая дорожка S2 проходит между обоими, противолежащими друг другу, ультразвуковыми преобразователями 14а, 14с. Посредством этого ранее описанного варианта осуществления изобретения возможно определять проточный расход измеряемой среды 2 в центральной зоне трубопровода/измерительной трубы 3. При такой конструкции значение измеренного проточного расхода относительно среднего проточного расхода измеряемой среды 2 не зависит далее от числа Рейнольдса. Поэтому данный вариант осуществления изобретения очень хорошо подходит для определения числа Рейнольдса или динамической вязкости измеряемой среды 2.
Фиг.2 и Фиг.3 представляют различные сечения второго варианта осуществления устройства 1 в соответствии с изобретением. От варианта осуществления изобретения, представленного на Фиг.1, данный вариант осуществления изобретения отличается посредством того, что используются лишь два ультразвуковых датчика 14а, 14b. Так же, как и у описанного ранее варианта осуществления изобретения, ввод и вывод измерительного ультразвукового сигнала производится через перемычки 8, разумеется, это перемычки 8. Ввиду прерванной звуковой линии, большее применение находят сигналы, лучше поддающиеся дешифровке. Измерение снова ограничивается определением проточного расхода измеряемой среды 2 в центральной зоне 16 трубопровода/измерительной трубы.
В то время как у представленных на Фиг.1, Фиг.1а, Фиг.2, Фиг.2а вариантах осуществления изобретения определенные краевые участки 17 при определении проточного расхода диафрагмируются - это достигается посредством ввода и вывода ультразвуковых измерительных сигналов через перемычки 8 - представленное на Фиг.3 и Фиг.3а решение ограничивается определением проточного расхода в краевой зоне 17. При таком решении посланные от ультразвукового преобразователя 14а, 14b ультразвуковые измерительные сигналы соответственно отражаются на имеющем форму трубы отражающем элементе 5 и принимаются соответственно другим ультразвуковым преобразователем 14b, 14а.
Представленное на Фиг.4, Фиг.4а решение имеет дополнительно к представленному на Фиг.3, Фиг.3а решению еще один дополнительный, противолежащий ультразвуковой преобразователь 14с. Посредством данного решения можно определять проточный расход измеряемой среды 2 в трубопроводе/в измерительной трубе 3 как для краевой зоны 17, так и для центральной зоны 16 независимо друг от друга.
Представленный на Фиг.5 и Фиг.5а вариант осуществления устройства 1 в соответствии с изобретением отличается от описанного ранее варианта осуществления (Фиг.4, Фиг.4а) формой отражающего элемента 9: отражающий элемент 9 имеет треугольное поперечное сечение. Размеры отражающего элемента 9 определены таким образом, что он угловыми зонами зафиксирован на внутренней стенке 6 трубопровода/измерительной трубы 3.
Фиг.6, Фиг.6а, Фиг.7, Фиг.7а представляют различные варианты осуществления устройства 1 в соответствии с изобретением, причем для обоих одинаково то, что отражающие элементы 10 выполнены в данном случае Т-образными. Различия касаются числа и расположения ультразвуковых преобразователей 14.
Интересный вариант устройства 1 в соответствии с изобретением представлен на Фиг.8 и Фиг.8а: здесь множество отражающих пластинок 11 расположено в лестничной структуре. Отдельные отражающие пластинки 11 образуют пространственно смещенные друг относительно друга ступеньки лестницы 12. Чтобы ультразвуковые измерительные сигналы отражались на отражающих пластинках 11-и, таким образом, была доступна информация о разности времени распространения из различных зон трубопровода/измерительной трубы 3 - предусматривают альтернативу соответствующего смещения, по меньшей мере, одного ультразвукового преобразователя 14а, 14b вдоль линии соединения обоих ультразвуковых преобразователей 14а, 14b. В качестве альтернативы может быть также предусмотрено большое количество ультразвуковых преобразователей 14 на отмеченных позициях. Также возможно использовать ультразвуковые преобразователи 14, которые имеют большой угол раскрытия, так что они могут посылать ультразвуковые измерительные сигналы в относительно широкой пространственной зоне и могут принимать отражаемые на отражающих пластинках 11 ультразвуковые измерительные сигналы. Далее ультразвуковые преобразователи 14 могут иметь большое количество пьезоэлектрических элементов в качестве посылающих и/или принимающих элементов, причем посылающие и/или принимающие элементы расположены в матрице. Посредством подходящей настройки посылающих и/или принимающих элементов через блок 4 регулировки и оценки результатов возможно образовывать различные углы излучения или приема и при этом звуковые дорожки с различными ориентациями углов.
Последний вариант осуществления устройства 1 в соответствии с изобретением представлен на Фиг.9 и Фиг.9а. Отражающие пластинки 11 в данном случае таким образом отстоят друг от друга и выстроены в ряд в завитке 13, что соответственно отражающая пластинка 11 посредством вращения завитка 13 вокруг ее продольной оси вкручивается в звуковую дорожку ультразвукового преобразователя 14а, 14b. Вращение завитка может происходить либо прерывисто, либо непрерывно. Посредством данного варианта осуществления изобретения можно достичь значительного распада профиля потока измеряемой среды 2 в трубопроводе/в измерительной трубе 3 при использовании лишь двух ультразвуковых преобразователей 14а, 14b.
СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ
1 - устройство в соответствии с изобретением;
2 - измеряемая среда;
3 - трубопровод/измерительная трубка;
4 - блок регулировки и оценки результатов;
5 - имеющий форму трубы отражающий элемент с круглым поперечным сечением;
6 - внутренняя стенка трубопровода/измерительной трубы;
7 - наружная стенка отражающего элемента, имеющего форму трубы;
8 - перемычка;
9 - имеющий форму трубы отражающий элемент с треугольным поперечным сечением;
10 - Т-образный отражающий элемент;
11 - отражающие пластинки;
12 - лестница с расположенными на расстоянии отражающими пластинками;
13 - расположенные в завитке отражающие пластинки;
14 - ультразвуковой преобразователь;
15 - внутреннее пространство трубопровода/измерительной трубы;
16 - центральная зона;
17 - краевая зона;
18 - продольная ось трубопровода/измерительной трубы.