ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО РАСХОДОМЕРА
TRANSDUCER FOR AN ULTRASONIC FLOWMETER

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
[0001] Изобретение испрашивает приоритет по патентной заявке США №14/220,294 с названием на «Transducer for Ultrasonic Meter», поданной 20 марта 2014 года и настоящим указанием полностью включенной в данный документ посредством ссылки.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Текучие среды, такие как природный газ, транспортируют от одного места к другому месту посредством трубопроводов. Предпочтительно точно знать количество текучей среды, протекающей в трубопроводе, в частности, при переходе текучей среды к другому ответственному лицу или ее «передаче другому владельцу». Однако точность измерений необходима и в других ситуациях, в которых не происходит передачи текучей среды другому владельцу и в которых обычно используют ультразвуковые расходомеры.
[0003] Ультразвуковые расходомеры представляют собой такой тип расходомера, который может быть использован для измерения количества текучей среды, протекающей в трубопроводе. Ультразвуковые расходомеры имеют точность, достаточную для их использования при передаче текучей среды другому владельцу. В ультразвуковом расходомере акустические сигналы отправляют в одну сторону и обратную сторону через поток измеряемой текучей среды. На основании параметров принятых акустических сигналов определяют скорость потока текучей среды в расходомере. Объем текучей среды, протекающей через расходомер, может быть определен на основании вычисленных скоростей потока и известной площади сечения расходомера. Ультразвуковой расходомер содержит преобразователи, которые генерируют и регистрируют акустические сигналы.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0004] В настоящем документе раскрыт ультразвуковой преобразователь, подходящий для использования при измерении ультразвуковым расходомером расхода текучей среды в средах с экстремальной температурой. В одном из вариантов реализации ультразвуковой расходомер содержит центральный проход для протекания потока измеряемой текучей среды и множество пар ультразвуковых преобразователей. Каждая пара преобразователей выполнена с возможностью формирования между ними хордальной траектории, проходящей через проход. Каждый преобразователь содержит пьезоэлектрический кристалл, эпоксидную смолу низкой плотности, заключающую в оболочку пьезоэлектрический кристалл, и цилиндрический усиливающий стакан, вделанный в эпоксидную смолу низкой плотности. Стакан содержит сетку из волокон и окружает пьезоэлектрический кристалл.
[0005] Еще в одном варианте реализации ультразвуковой преобразователь содержит пьезоэлектрический кристалл, эпоксидную смолу низкой плотности, заключающую в оболочку пьезоэлектрический кристалл, и цилиндрический усиливающий стакан, вделанный в эпоксидную смолу низкой плотности. Усиливающий стакан содержит сетку из волокон и окружает пьезоэлектрический кристалл.
[0006] Еще в одном варианте реализации ультразвуковой преобразователь содержит электрический/акустический преобразователь, эпоксидную смолу низкой плотности, заключающую в оболочку кристалл электрического/акустического преобразователя, и усиливающий стакан из плетеных стекловолокон. Эпоксидная смола низкой плотности содержит вкрапления в виде стеклянных шариков. Усиливающий стакан из плетеных стекловолокон вделан в эпоксидную смолу низкой плотности и окружает электрический/акустический преобразователь.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0007] Для подробного описания иллюстративных вариантов реализации настоящего изобретения далее приведены ссылки на прилагаемые чертежи.
[0008] На фиг. 1 показан ультразвуковой расходомер в соответствии с принципами, раскрытыми в настоящем документе.
[0009] На фиг. 2 показан вид сверху в разрезе ультразвукового расходомера в соответствии с принципами, раскрытыми в настоящем документе.
[0010] На фиг. 3 показан вид в вертикальном разрезе ультразвукового расходомера в соответствии с принципами, раскрытыми в настоящем документе.
[0011] На фиг. 4 показано расположение пар преобразователей ультразвукового расходомера в соответствии с принципами, раскрытыми в настоящем документе.
[0012] На фиг. 5А и 5В показаны виды ультразвукового преобразователя в соответствии с принципами, раскрытыми в настоящем документе.
[0013] На фиг. 6А и 6В показан усиливающий стакан, который содержит продольный выступ в соответствии с принципами, раскрытыми в настоящем документе.
ОБОЗНАЧЕНИЯ И ТЕРМИНОЛОГИЯ
[0014] Во всем приведенном далее описании и в формуле изобретения в отношении конкретных компонентов системы использованы определенные термины. Для специалиста в данной области очевидно, что в данном документе авторы могут по-разному называть некоторый компонент. Данный документ не предназначен для проведения различий между компонентами, которые отличаются друг от друга названием, а не функциональным назначением. Термины «включающий» и «содержащий» используют в настоящем документе и формуле изобретения неограничивающим образом и, таким образом, их значение следует интерпретировать как «включающий, но без ограничения». Кроме того, термин «соединяется» или «соединен» означает непрямое или прямое электрическое соединение. Таким образом, если первое устройство соединено со вторым устройством, то это соединение может быть реализовано посредством прямого электрического соединения или непрямого электрического соединения через другие устройства и соединения. Фраза «основан на» означает «по меньшей мере частично основан на». Таким образом, если X основано на Y, то X может быть основано на Y и любом количестве других факторов.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0015] Приведенное далее описание направлено на различные варианты реализации настоящего изобретения. Чертежи не обязательно выполнены в масштабе. Конкретные признаки вариантов реализации могут быть показаны в увеличенном масштабе или в некоторой схематической форме, а некоторые сведения об обычных элементах могут и не быть показаны в интересах ясности и краткости. Раскрытые варианты реализации не следует интерпретировать или другим образом использовать для ограничения объема настоящего изобретения, включая формулу изобретения. Кроме того, специалисту в области техники будет понятно, что приведенное далее описание имеет широкое применение, а описание любого варианта реализации предназначено только для иллюстрации этого варианта реализации, а не для указания на то, что объем настоящего изобретения, включая формулу изобретения, ограничен этим вариантом реализации. Следует понимать, что различные идеи описанных далее различных вариантов реализации могут быть использованы по отдельности или в любой подходящей комбинации для обеспечения необходимых результатов. Кроме того, различные варианты реализации были разработаны в контексте измерения расхода углеводородов (например, сырой нефти, природного газа), а описание следует из связанного с разработкой контекста, однако описанные системы и способы в равной мере применимы и для измерения расхода любой текучей среды.
[0016] При измерении расхода текучей среды в средах с экстремальной температурой возникают многочисленные проблемы. Преобразователи в ультразвуковых расходомерах могут быть подвержены воздействию потока текучей среды. Экстремальные температуры могут физически повреждать и/или разрушать преобразователи. Варианты реализации преобразователя, раскрытые в настоящем документе, содержат конструктивные средства усиления, которые обеспечивают отказоустойчивую работу преобразователей в средах с экстремальной температурой. В итоге, ультразвуковые расходомеры, использующие варианты реализации преобразователя, могут быть использованы для достоверного измерения расхода текучих сред, например расхода криогенных текучих сред, в средах с высокими температурами.
[0017] На фиг. 1 показан ультразвуковой расходомер 100 в соответствии с принципами, раскрытыми в настоящем документе. Ультразвуковой расходомер 100 содержит основную часть или патрубок 102, который определяет центральный проход или отверстие 104. Патрубок 102 выполнен и изготовлен для его соединения с трубопроводом или другой конструкцией (не показана), переносящей текучие среды (например, природный газ), таким образом, что эти текучие среды, протекающие в указанном трубопроводе, совершают перемещение через центральное отверстие 104. Несмотря на то что текучие среды проходят через центральное отверстие 104, ультразвуковой расходомер 100 измеряет расход (следовательно, текучая среда может называться измеряемой текучей средой). Патрубок 102 содержит фланцы 106, которые облегчают соединение патрубка 102 с другой конструкцией. В других вариантах реализации может быть использована любая эквивалентная система, подходящая для соединения (например, для соединения сваркой) патрубка 102 с некоторой конструкцией.
[0018] Для измерения расхода текучей среды в патрубке 102 ультразвуковой расходомер 100 содержит множество блоков преобразователей. На виде, показанном на фиг. 1, пять таких блоков 108, 110, 112, 116 и 120 преобразователей показаны полностью или частично. Блоки преобразователей расположены попарно (например, блоки 108 и 110 преобразователей), что будет описано далее. Кроме того, каждый блок преобразователей электрически соединен с блоком 124 управляющих электронных устройств. В частности, каждый блок преобразователей электрически соединен с блоком 124 управляющих электронных устройств посредством соответствующего кабеля 126 или эквивалентного блока для проведения сигналов.
[0019] На фиг. 2 показан вид сверху ультразвукового расходомера 100 в разрезе, выполненном по существу вдоль линии 2-2, показанной на фиг. 1. Патрубок 102 имеет предварительно определенный размер и определяет центральное отверстие 104, через которое протекает измеряемая текучая среда. Иллюстративная пара блоков 112 и 114 преобразователей расположена вдоль длины патрубка 102. Блоки 112 и 114 преобразователей содержат акустические приемопередатчики, в частности содержат ультразвуковые преобразователи 222, работающие в альтернативном варианте в качестве передатчика и приемника. Ультразвуковые преобразователи 222 генерируют и принимают акустические сигналы с частотами выше приблизительно 20 килогерц.
[0020] Акустические сигналы могут быть сгенерированы и приняты пьезоэлектрическим элементом в каждом преобразователе. Для генерации ультразвукового сигнала пьезоэлектрический элемент возбуждают электрическим образом посредством сигнала (например, синусоидального сигнала), а элемент отвечает вибрацией. Вибрация пьезоэлектрического элемента генерирует акустический сигнал, который проходит через измеряемую текучую среду в соответствующий блок преобразователей из пары. Аналогичным образом, после того как на принимающий пьезоэлектрический элемент попадает акустический сигнал, этот принимающий пьезоэлектрический элемент вибрирует и генерирует электрический сигнал (например, синусоидальный сигнал), который регистрируют, оцифровывают и анализируют электронными устройствами (например, управляющими электронными устройствами 124), связанными с расходомером 100.
[0021] Траектория 200, также называемая «хордой», проходит между иллюстративными блоками 112 и 114 преобразователей под углом θ к центральной линии 202 центрального отверстия. Длина хорды 200 представляет собой расстояние между лицевой стороной блока 112 преобразователя и лицевой стороной блока 114 преобразователя. Точки 204 и 206 задают положения, в которых акустические сигналы, сгенерированные блоками 112 и 114 преобразователей, входят в текучую среду, протекающую через патрубок 102, и выходят из нее. Положение блоков 112 и 114 преобразователей может быть задано посредством угла θ, посредством первой длины L, измеренной между лицевыми сторонами блоков 112 и 114 преобразователей, второй длины X, соответствующей осевому расстоянию между точками 204 и 206, и третьей длины d, соответствующей внутреннему диаметру трубы. В большинстве случаев расстояния d, Х и L точно определяют во время изготовления расходомера. Измеряемая текучая среда, такая как природный газ, протекает в направлении 208 с профилем 210 скорости. Векторы 212, 214, 216 и 218 скорости иллюстрируют то, что скорость газа через патрубок 102 увеличивается по направлению к центральной линии 202 патрубка 102.
[0022] Сначала находящийся ниже по ходу потока блок 112 преобразователя генерирует ультразвуковой сигнал, который попадает на находящийся выше по ходу потока блок 114 преобразователя и, таким образом, регистрируется им. Через некоторое время находящийся выше по ходу потока блок 114 преобразователя генерирует ответный ультразвуковой сигнал, который по существу попадает на находящийся ниже по ходу потока блок 112 преобразователя и регистрируется им. Таким образом, блоки преобразователей обмениваются ультразвуковыми сигналами 220 вдоль хордальной траектории 200 или играют с ними в «бросать и поймать». Во время работы данная последовательность может возникать тысячи раз в минуту.
[0023] Время прохождения ультразвукового сигнала 220 между иллюстративными блоками 112 и 114 преобразователей зависит от того, проходит ли ультразвуковой сигнал 220 вверх или вниз по ходу потока текучей среды. Время прохождения ультразвукового сигнала вниз по ходу потока (то есть в том же самом направлении, что и направление потока текучей среды) меньше времени прохождения этого сигнала вверх по ходу потока (то есть против потока текучей среды). Время прохождения вверх по ходу потоку и время прохождения вниз по ходу потока могут быть использованы для расчета средней скорости вдоль траектории сигнала, а также скорости звука в измеряемой текучей среде. Принимая во внимание результаты поперечных измерений расходомера 101, переносящего текучую среду, отношение средней скорости к площади центрального отверстия 104 может быть использовано для нахождения объема текучей среды, протекающей через патрубок 102.
[0024] Ультразвуковые расходомеры могут иметь одну или более хорд. На фиг. 3 показан вид ультразвукового расходомера 100 в вертикальном разрезе. В частности, иллюстративный ультразвуковой расходомер 100 содержит четыре хордальные траектории А, В, С и D, находящиеся на разных уровнях в патрубке 102. Каждая хордальная траектория A-D соответствует паре преобразователей, работающих в альтернативном варианте в качестве передатчика и приемника. Блоки 108 и 110 преобразователей (видны только частично) формируют хордальную траекторию А. Блоки 112 и 114 преобразователей (видны только частично) формируют хордальную траекторию В. Блоки 116 и 118 преобразователей (видны только частично) формируют хордальную траекторию С. В итоге, блоки 120 и 122 преобразователей (видны только частично) формируют хордальную траекторию D.
[0025] На фиг. 4, иллюстрирующей вид сверху, показан еще один аспект расположения четырех пар блоков преобразователей. Каждая пара блоков преобразователей соответствует одиночной хордальной траектории, показанной на фиг. 3, однако блоки преобразователей установлены не под перпендикулярным углом к центральной линии 202. Например, первая пара блоков 108 и 110 преобразователей установлена не под перпендикулярным углом θ к центральной линии 202 патрубка 102. Еще одна пара блоков 112 и 114 преобразователей установлена таким образом, что хордальная траектория в общих чертах образует букву «X» по отношению к хордальной траектории блоков 108 и 110 преобразователей. Аналогичным образом, блоки 116 и 118 преобразователей размещены параллельно блокам 108 и 110 преобразователей, но находятся на другом «уровне» или другой высоте. На фиг. 4 не очень точно показана четвертая пара блоков преобразователей (то есть блоки 120 и 122 преобразователей). С учетом фиг. 2, 3 и 4 пары блоков преобразователей могут быть расположены таким образом, что верхние две пары блоков преобразователей, соответствующие хордам А и В, образуют букву «X», а нижние две пары блоков преобразователей, соответствующие хордам С и D, также образуют букву »Х». Скорость потока текучей среды может быть определена на каждой хорде A-D для получения хордальных скоростей потока, причем хордальные скорости потока объединяют для определения средней скорости потока во всей трубе. На основании средней скорости потока может быть определено количество текучей среды, протекающей в патрубке и, таким образом, трубопроводе.
[0026] Обычно управляющие электронные устройства (например, блок 124 управляющих электронных устройств) вызывают запуск преобразователей 222, прием ими выходных данных преобразователей, вычисление ими средней скорости потока для каждой хорды, вычисление ими скорости потока для расходомера, вычисления ими объемного расхода в расходомере и выполнение ими диагностики расходомера. Объемный расход, а также возможно и другие измеряемые и вычисляемые значения, такие как скорость потока и скорость звука, в дальнейшем выдают на дополнительные устройства, такие как поточный компьютер, который является внешним по отношению к расходомеру 100.
[0027] На фиг. 5А и 5В показаны виды ультразвукового преобразователя 222 в соответствии с принципами, раскрытыми в настоящем документе. На фиг. 5А показан вид преобразователя 222 в разрезе, а на фиг. 5В показан вид преобразователя 222 в разрезе. Каждый преобразователь ультразвукового расходомера 100 (например, преобразователь 222 из блока 108, 110, 112, 114, 116, 118, 120, 122 преобразователей) может иметь конструкцию, схожую или идентичную преобразователю 222, показанному на фиг. 5А и 5В. Ультразвуковой преобразователь 222 содержит электрический/акустический преобразователь 502, эпоксидную смолу 504 низкой плотности, усиливающий стакан 506, а также внешний кожух или корпус 508. Электрические проводники 510 соединяют электрический/акустический преобразователь 502 через кабель 126 с управляющим блоком 124 электронных устройств, который передает электрические сигналы на электрический/акустический преобразователь 502 и принимает электрические сигналы от электрического/акустического преобразователя 502. Электрический/акустический преобразователь 502 представляет собой активный элемент, который излучает и принимает звуковую энергию. Электрический/акустический преобразователь 502 может содержать пьезоэлектрический материал, такой как цирконат-титанат свинца (PZT), и электроды, расположенные на поверхности пьезоэлектрического материала. Электроды обычно представляют собой тонкий слой из проводящего материала, такого как серебро или никель. Разность напряжений, прикладываемая между концами электродов, индуцирует электрическое поле в пьезоэлектрическом материале, что вызывает изменение формы этого пьезоэлектрического материала и излучение им звуковой энергии. Звуковая энергия, попадающая на пьезоэлектрический материал, вызывает изменение формы этого пьезоэлектрического материала и создание им напряжения между электродами.
[0028] Эпоксидная смола 504 низкой плотности покрывает оболочкой, защищает и удерживает на месте электрический/акустический преобразователь 502. Эпоксидная смола 504 низкой плотности окружает электрический/акустический преобразователь 502 и может по существу заполнять внутренний проход корпуса 508. Электрический/акустический преобразователь 502 имеет относительно высокую плотность, а газ из потока текучей среды, протекающей в центральном проходе 104, имеет относительно низкую плотность. Эпоксидная смола 504 низкой плотности также обеспечивает акустическое согласование между электрическим/акустическим преобразователем 502 и газом из потока текучей среды. Эпоксидная смола содержит вкрапления в виде стеклянных шариков 512, которые уменьшают плотность эпоксидной смолы 504, что обеспечивает уменьшение акустического сопротивления эпоксидной смолы.
[0029] Корпус 508 в целом имеет цилиндрическую форму и окружает эпоксидную смолу 504 низкой плотности и электрический/акустический преобразователь 502, вделанный в эпоксидную смолу 504. Корпус 508 представляет собой жесткую конструкцию и может быть выполнен из стали, алюминия или другого подходящего материала, предпочтительно из металла.
[0030] Эпоксидная смола 504 низкой плотности и электрический/акустический преобразователь 502 имеют по существу разные коэффициенты теплового расширения. Например, эпоксидная смола 504 может иметь относительно большой коэффициент теплового расширения, а электрический/акустический преобразователь 502 может иметь коэффициент теплового расширения, близкий к нулю, или отрицательный коэффициент теплового расширения.
[0031] Отсутствие согласования между коэффициентами теплового расширения эпоксидной смолы 504 и электрического/акустического преобразователя 502 может создать в этой эпоксидной смоле большое напряжение на растяжение при экстремально холодных температурах (например, при -50° Цельсия). Напряжение на растяжение может вызывать растрескивание эпоксидной смолы 504. Поскольку электрический/акустический преобразователь 502 может иметь относительно хрупкую конструкцию, то при увеличении трещины в эпоксидной смоле 504 и достижении ей электрического/акустического преобразователя 502, этот электрический/акустический преобразователь 502 может растрескаться вместе с эпоксидной смолой 504. Растрескивание электрического/акустического преобразователя 502 в результате приводит к потере электрических/акустических эксплуатационных характеристик, что может сделать преобразователь 222 неработающим.
[0032] Варианты реализации ультразвукового преобразователя 222 уменьшают проблемы, связанные с растрескиванием эпоксидной смолы 504, путем включения усиливающего стакана 506. Усиливающий стакан 506 вделан в эпоксидную смолу 504 и окружает электрический/акустический преобразователь 502, усиливая тем самым конструкцию преобразователя 222 без уменьшения быстродействия преобразователя. Усиливающий стакан 506 может представлять собой цилиндр или трубку, сформированные из сплетенных волокон. Волокна могут быть выполнены из стекла, углерода, поли-пара-фенилентерефталамида или другого подходящего материала. Волокна из стекла могут лучше согласовывать механические свойства электрического/акустического преобразователя 502 по сравнению с другими материалами. В некоторых вариантах реализации преобразователя 222 усиливающий стакан 506 содержит относительно тонкие сплетенные нити стекловолокна, каждая из которых содержит сотни волокон из стекла, причем эти волокна образуют цилиндр. Включение усиливающего стакана 506 значительно улучшает технические характеристики и срок службы преобразователя 222 при экстремальных температурах за счет уменьшения растрескивания в эпоксидной смоле 504 низкой плотности. Усиливающий стакан 506 может и не иметь прямого контакта с электрическим/акустическим преобразователем 502. Например, слой эпоксидной смолы 504 может отделять электрический/акустический преобразователь 502 от усиливающего стакана 506. Лицевая сторона 514 электрического/акустического преобразователя 502 открыта только для эпоксидной смолы 504 низкой плотности, а не для усиливающего стакана 506. Соответственно, акустическая характеристика преобразователя 222 остается неизменной по отношению к преобразователям, у которых отсутствует усиливающий стакан 506.
[0033] В некоторых вариантах реализации усиливающий стакан 506 образован с помощью продольного выступа 602, как показано на фиг. 6А и 6В. Продольный выступ 602 образует проход для проводников 510, которые электрически соединяют электрический/акустический преобразователь 502 с блоком 124 управляющих электронных устройств. На фиг. 6А показан вид с торца на усиливающий стакан 506. На фиг. 6В показан вид с торца на усиливающий стакан 506, позиционированный относительно корпуса 508 и электрического/акустического преобразователя 502 (перед заполнением внутреннего прохода корпуса 508 эпоксидной смолой низкой плотности). Проводник 510 проходит через канал, образованный продольным выступом 602, и электрически соединен с электрическим/акустическим преобразователем 502.
[0034] Приведенное выше описание иллюстрирует принципы и различные варианты реализации настоящего изобретения. После полного понимания описанного выше описания для специалистов в данной области техники станут очевидны многочисленные изменения и модификации. Предполагается, что приведенную далее формулу изобретения следует интерпретировать таким образом, что она охватывает все такие изменения и модификации.