УЛЬТРАЗВУКОВОЙ РАСХОДОМЕР С КОМБИНАЦИЕЙ ЛИНЗ
ULTRASONIC FLOW METER WITH LENS COMBINATION

Область изобретения
Описанные варианты осуществления относятся к ультразвуковым расходомерам.
Предпосылки создания изобретения
Ультразвуковые измерители (USM), также известные как ультразвуковые расходомеры (UFM), все чаще используют для измерения расхода текучих сред благодаря их способности измерять различные расходы в широком диапазоне значений, создавать лишь минимальные перепады давления, а также благодаря наличию в их составе неподвижных частей, и, таким образом, обеспечивают меньший объем работ по техническому обслуживанию механических узлов и повышенную надежность. Основным аппаратным компонентом в USM является пьезоэлектрический элемент, который представляет собой пьезоэлектрический кристалл или пьезоэлектрический керамический элемент. Как известно специалистам в области физики, пьезоэлектрический эффект представляет собой способность определенных материалов генерировать электрический заряд в ответ на приложенное механическое напряжение.
В устройствах для измерения расхода два или более преобразователя на основе пьезоэлектрических элементов через полностью или частично герметизированный корпус передают ультразвуковые сигналы к текучим средам, протекающим по трубке, и принимают сигналы от этих текучих сред. В таких отраслях, как нефтяная и газовая промышленность, до сих пор сложно обеспечить высококачественные и надежные ультразвуковые сигналы. В промышленных областях применения в потоках используют высокое давление (в терминах избыточного давления), которое может достигать 200 бар или более, тогда как в коммерческих областях применения применяют низкое и среднее давление, которое обычно составляет от 0,1 до 40 бар, например от 1 до 20 бар.
Частая проблема в коммерческих и/или городских газораспределительных сетях - ухудшение эксплуатационных показателей при использовании традиционных расходомеров USM при низких и средних значениях давления, поскольку чем ниже давление, тем ниже плотность газа и тем сильнее ослабление ультразвуковых сигналов. В результате при работе расходомеров USM в условиях относительно низкого давления наблюдается более низкое отношение сигнал/шум (SNR) и пониженные обнаружительная способность, надежность и/или стабильность USM. В настоящее время наилучшей ближайшей альтернативой (NBA) для расходомеров USM являются турбинные расходомеры, однако из-за механических движущихся частей в них и уменьшенного отношения максимального расхода к минимальному или меньшего диапазона измерений затрудняется применение турбинных расходомеров на рынках коммерческих газораспределительных сетей, преимущественно из-за возможных высоких перепадов расходов между высокими пиками и низкими спадами потребления газа для коммерческих организаций, таких как городские рестораны и отели, в которых скорость газа (VoG) обычно изменяется между 0,1 м/с и 25 м/с. Таким образом, существует высокий спрос на расходомеры USM для городских или коммерческих газораспределительных сетей.
Изложение сущности изобретения
В данном изложении сущности изобретения предложен краткий выбор описанных концепций в упрощенной форме, которые дополнительно описаны ниже в предложенном подробном описании со ссылкой на прилагаемые чертежи. Настоящее изложение сущности изобретения не имеет цели ограничить объем заявленного объекта изобретения.
В описанных аспектах учитывается, что в целом качество сигнала USM может ухудшаться из-за множества различных факторов. Эти факторы, способствующие ухудшению сигнала USM, включают в себя режимы работы пьезоэлектрического элемента, окружающий корпус (камеру), создающий эффекты вибрации с большой амплитудой и продолжительным действием, которые могут отрицательно сказываться на обнаруживаемости полезного сигнала и чувствительности системы. За счет продолжительного эффекта вибрации увеличивается минимальный диапазон измерений (слепая зона), что, как известно, является недостатком при измерениях на близком расстоянии, особенно для USM небольшого размера, тогда как механизмы согласованной и несогласованной обработки приводят к потере сигнала и множественным отражениям. При неправильном выборе материалов для заполнения и основы может возникать обратная связь, из-за чего повышается уровень шума и, соответственно, снижается отношение сигнал/шум. При низком или среднем давлении текучей среды могут возникнуть эффекты сильного ослабления амплитуды сигнала, а из-за загрязнения пьезоэлектрического преобразователя пылью и грязью может уменьшаться отношение сигнал/шум из-за повышения уровня шума, и сильные нежелательные сигналы могут насыщать малошумящий усилитель (LNA) приемника, используемый для усиления в общем случае слабых принятых ультразвуковых сигналов.
Описанные расходомеры USM имеют особенности, которые, как правило, могут относиться ко всем описанным выше факторам снижения качества сигнала USM в одной конструкции, при этом следует отметить, что они выполнены с возможностью применения в относительно более сложных условиях для определения расхода текучей среды при низком и среднем давлении, которое, как отмечалось выше, обычно составляет от 0,1 до 40 бар, поскольку области применения, в которых используют высокое давление, могут быть и менее сложными из-за повышения качества принятого сигнала при меньшем эффекте ослабления/затухания. В результате преобразователи высокого давления с традиционными конструкциями, как правило, не подходят для применения в таких условиях низкого и среднего давления с точки зрения качества сигнала, особенно для сжимаемых текучих сред, таких как природный газ, из-за которого возможно значительное ослабление/затухание проходящих через него сигналов, в результате чего поступление сигнала к преобразователю не будет осуществляться должным образом, и, таким образом, качество сигнала снизится или USM не сможет измерять расход.
Описанные аспекты включают в себя ультразвуковой расходомер, который включает корпус, включающий верхнюю часть корпуса и нижнюю часть корпуса для прикрепления к трубке для текучей среды. Пьезоэлектрический элемент, связанный с передатчиком и приемником, выполнен с возможностью излучения ультразвуковых волн в осевом направлении, перпендикулярном горизонтальной плоскости, образованной пьезоэлектрическим элементом. В нижней части корпуса содержится комбинация линз, которая включает перефокусирующую линзу, расположенную снаружи в радиальном направлении относительно первого кольцеобразного пьезоэлектрического элемента, которая выполнена с возможностью перенаправления принятых радиальных ультразвуковых волн для их перемещения в осевом направлении и имеет профиль толщины, выполненный с возможностью функционирования в качестве согласующего слоя для уменьшения множественных отражений внутри нижней части корпуса. Вторую линзу в форме плоского диска располагают ниже перефокусирующей линзы, и она включает в себя наружную часть, расположенную снаружи в радиальном направлении первого пьезоэлектрического элемента, и при этом выполнена с возможностью перенаправления радиальных ультразвуковых волн для их перемещения в осевом направлении.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1A представлена блок-схема примера расходомера USM, установленного для измерения расхода текучей среды, протекающей по трубке, причем USM включает в себя первый и второй пьезоэлектрические элементы, которые обеспечивают измерение с использованием непрямого пути (отражательного пути) в соответствии с примером осуществления.
На фиг. 1B представлен пример расположения описанной перефокусирующей линзы и второй линзы относительно пьезоэлектрического элемента внутри нижней части корпуса.
На фиг. 2A представлена конфигурация с использованием прямого пути, реализованная в виде первого USM с первым пьезоэлектрическим элементом и второго USM со вторым пьезоэлектрическим элементом, причем соответствующие расходомеры USM размещают на противоположных сторонах трубки и при этом направляют лицевые поверхности соответствующих пьезоэлектрических элементов друг к другу.
На фиг. 2B представлена конфигурация с использованием непрямого пути, имеющая первый USM с первым пьезоэлектрическим элементом и второй USM со вторым пьезоэлектрическим элементом, причем соответствующие расходомеры USM размещают на одной и той же стороне трубки.
На фиг. 3 представлен вид в частичном разрезе примера USM с перефокусирующей линзой и полуволновой линзой в соответствии с примером осуществления.
На фиг. 4 представлен вид в частичном разрезе примера USM с перефокусирующей линзой и полуволновой линзой с вариантом внешнего корпуса в соответствии с примером осуществления. Показанный расходомер USM имеет большое внутреннее пространство, заполненное демпфирующим материалом.
На фиг. 5 представлен вид в частичном разрезе примера USM с перефокусирующей линзой и второй линзой, иллюстрирующий еще один вариант внешнего корпуса в соответствии с примером осуществления.
Подробное описание
Описанные варианты осуществления описаны со ссылкой на прилагаемые фигуры, причем на всех фигурах одинаковые номера позиций используются для обозначения аналогичных или эквивалентных элементов. Фигуры представлены не в масштабе и предназначены только для иллюстрации аспектов, описанных в настоящем документе. Некоторые описанные аспекты описаны ниже со ссылкой на примеры применения для иллюстрации. Следует понимать, что множество конкретных деталей, взаимосвязей и способов приведено для обеспечения полного понимания вариантов осуществления, описанных в настоящем документе.
Однако специалисту в соответствующей области будет понятно, что описанные варианты осуществления можно реализовать на практике без одной или более конкретных деталей или с применением других способов. В других случаях хорошо известные конструкции или операции не представлены подробно, чтобы избежать затруднений при понимании аспектов, описанных в настоящем документе. Описанные варианты осуществления не ограничены представленным порядком действий или событий, поскольку некоторые действия могут происходить в другом порядке и/или одновременно с другими действиями или событиями. Более того, для реализации способа в соответствии с настоящим описанием требуются не все представленные действия или события.
Кроме того, термины «связанный с» или «подключенный к» (и т.п.), используемые в настоящем документе, в отсутствие дополнительных уточнений предназначены для описания непрямого либо прямого электрического соединения. Таким образом, если указывается, что первое устройство «соединено» со вторым устройством, такое соединение можно осуществлять посредством прямого электрического соединения, при котором на пути имеются только паразитные элементы, или посредством непрямого электрического соединения через промежуточные элементы, включающие в себя другие устройства и соединения. При непрямом соединении промежуточный элемент, как правило, не изменяет информацию в сигнале, но может изменять его текущий уровень, уровень напряжения и/или уровень мощности.
1
2
На фиг. 1A показана блок-схема расходомера USM 100, включающего в себя по меньшей мере описанную комбинацию линз, содержащую перефокусирующую линзу 130 и вторую линзу 140, и, как правило, также включает в себя множество других описанных выше признаков для устранения факторов, способствующих снижению качества сигнала USM, которые установлены внутри корпуса ультразвукового измерительного прибора, предназначенного для измерений расхода текучей среды, протекающей по трубке 160. Показано, что расходомер USM 100 включает внешний корпус 108, также называемый камерой, обеспечивающий корпус измерительного прибора, с показанной в нем парой пьезоэлектрических элементов, содержащей первый пьезоэлектрический элемент, обозначенный Т, и второй пьезоэлектрический элемент, обозначенный Т, на одной и той же стороне трубки 160, которые расположены на некотором расстоянии друг от друга, обозначенном d, таким образом, чтобы реализовать конфигурацию измерения с использованием непрямого пути (отражательного пути). Описанные расходомеры USM могут также содержать только один пьезоэлектрический элемент, например, как показано на фиг. 2A, описанной ниже. В составе корпуса 108 может содержаться латунь, титан или алюминиевый сплав, такой как Aluminum 6061, который в качестве основных элементов сплава включает в себя магний и кремний.
Хотя USM 100 показан в конфигурации с использованием отражательного пути, также может быть реализована конфигурация с использованием прямого пути, показанная на фиг. 2A, в которой имеется первый USM 100a с первым пьезоэлектрическим элементом и второй USM 100b со вторым пьезоэлектрическим элементом, причем соответствующие расходомеры USM располагают не на одной и той же, а на противоположных сторонах трубки 160, и при этом направляют лицевые поверхности соответствующих пьезоэлектрических элементов 128 друг к другу. Как известно специалистам в данной области, пьезоэлектрические элементы 128 по существу имеют форму диска, т.е. представляют собой плоские тонкие объекты круглой формы, которые из-за из малой толщины можно рассматривать как обеспечивающие горизонтальную плоскость, которая в USM ориентирована в радиальном направлении и перпендикулярна фактическому направлению, в котором USM испускает ультразвуковые волны. На фиг. 2B представлена конфигурация с использованием отражательного (непрямого) пути, содержащая первый USM 100c с первым пьезоэлектрическим элементом 128 и второй USM 100d со вторым пьезоэлектрическим элементом 128, причем соответствующие расходомеры USM в данном случае располагают на и той же одной стороне трубки 160.
1
2
USM 100 прикрепляют к трубке 160, причем его обычно либо вставляют в трубку 160 с помощью газонепроницаемого и устойчивого к высокому давлению механизма, либо выполняют в виде зажимного устройства, устанавливаемого с наружной стороны трубки 160. Хотя это и не показано на фиг. 1A, каждый из пьезоэлектрических элементов Т и Т может иметь свою отдельную герметизирующую камеру (см. описанную ниже внутреннюю герметизирующую (изолированную) камеру 129, показанную на фиг. 3, которая герметизирует пьезоэлектрический элемент и, как показано, также герметизирует перефокусирующую линзу 130).
1
2
В пьезоэлектрических элементах Т и Т используют пьезоэлектрические кристаллы или пьезоэлектрические керамические элементы, которые при приложении импульсного сигнала напряжения (полученного от передатчика) к соответствующему пьезоэлектрическому элементу приходят в колебательное движение и генерируют при этом ультразвуковые волны. В процессе работы ультразвуковые импульсы попеременно передаются одним из пьезоэлектрических элементов пары и принимаются другим пьезоэлектрическим элементом пары, используемой для измерения расхода.
1
2
2
1
2
1
На фиг. 1A пунктирной линией показан путь прохождения сигнала внутри трубки 160, проходящий под углом к осевому направлению. Как известно специалистам в данной области, USM может включать в себя более 2 пьезоэлектрических элементов Т и Т, показанных на фиг. 1A, обычно от двух до 16 пьезоэлектрических элементов. USM 100 включает в себя передатчик (Tx) 111 и приемник (Rx) 112 или в альтернативном варианте осуществления вместо отдельных Tx и Rx, как показано на фигуре, может содержать один приемопередатчик, соединенный с Т и Т соответственно посредством мультиплексора 115 с цифровым управлением (MUX), который позволяет пьезоэлектрическим элементам Т и Т обмениваться функциями (чередовать) передачи и приема таким образом, чтобы в один момент времени был включен Tx 111, а в другой момент времени — Rx 112. В процессе эксплуатации трубка 160 содержит текучую среду, представляющую собой жидкость или газ, например природный газ. Текучая среда может находиться под низким или средним давлением, которое обычно составляет от 0,1 до 40 бар, например от 1 до 20 бар.
USM 100 обычно также включает в себя контроллер 120, обычно содержащий микропроцессор, процессор цифровой обработки сигналов (DSP) или блок микроконтроллера (MCU), который имеет связанное запоминающее устройство, обозначенное как ЗУ 124, в котором может храниться код алгоритмов, включая алгоритмы для реализации описанных способов измерения скорости текучей среды. Контроллер 120 соединен с Tx 111 и Rx 112, а также подключен с возможностью управления MUX 115. Контроллер 120 также выполнен с возможностью переключения функций Tx и Rx через заданные интервалы времени.
Однако, как известно специалистам в данной области, алгоритмы, запускаемые контроллером 120, могут быть реализованы с помощью аппаратных средств и/или могут быть реализованы с помощью программного обеспечения. Что касается реализации с помощью аппаратных средств, уравнения алгоритмов могут быть преобразованы в цифровую логическую схему затвора, например, на языке описания аппаратных средств (VHDL), который впоследствии может быть реализован с использованием программируемого устройства, такого как программируемая пользователем матрица логических элементов (FPGA), или сложная программируемая логическая интегральная схема (CPLD), или специализированная интегральная схема прикладного назначения (ASIC) для реализации логической схемы затвора. Что касается реализаций с помощью программного обеспечения, код алгоритма обычно хранится в запоминающем устройстве, таком как запоминающее устройство 124, которое может быть реализовано посредством контроллера 120.
На фиг. 1A также показан человеко-машинный интерфейс (ЧМИ) 126, соединенный с контроллером 120, который при необходимости может включать в себя клавиатуру и дисплей. Оператор может использовать ЧМИ 126 для изменения рабочих параметров USM.
USM 100 также включает в себя описанную конструкцию линзы, которая лучше показана на фиг. 1B, описанном ниже, на которой пьезоэлектрический элемент в данном случае показан под номером 128. На фиг. 1B представлен вид в частичном разрезе, на котором показан пример конфигурации нижней части 108b корпуса, на котором показана описанная перефокусирующая линза 130 и описанная вторая линза 140, которая обычно содержит нижнюю секцию нижней части 108b корпуса, а также их расположение относительно друг друга и относительно пьезоэлектрического элемента 128. Показаны как осевое направление, так и радиальное направление. Радиальное направление представляет собой то же направление, лежащее в горизонтальной плоскости, определяемой пьезоэлектрическим элементом 128, в которой пьезоэлектрический элемент 128, как указано выше, имеет по существу форму диска.
На фиг. 1B также показаны заполняющие и поглощающие материалы 135, помещенные поверх поглощающего и изолирующего слоя 168, согласующего и теплоизоляционного слоя 155, расположенного под пьезоэлектрическим элементом 128 и с каждой его стороны, и бокового поглощающего слоя 172, помещенного между нижней частью корпуса и согласующим и теплоизоляционным слоем 155 и поглощающим и изолирующим слоем 168.
Конструкция линзы содержит перефокусирующую линзу 130 и вторую линзу 140, причем каждая из них расположена в нижней части 108b корпуса, при этом перефокусирующая линза 130 расположена снаружи в радиальном направлении относительно первого пьезоэлектрического элемента 128, а наружная часть второй линзы 140 проходит снаружи в радиальном направлении относительно первого пьезоэлектрического элемента 128. Вторая линза 140 имеет по существу дискообразную форму, по существу представляющую собой сплошной диск, и расположена под перефокусирующей линзой 130, в которой ультразвуковой сигнал передается (например, испускается и необязательно также принимается) через внутреннюю часть второй линзы 140.
Как известно специалистам в данной области, во время работы USM 100, когда пьезоэлектрический элемент 128 вибрирует, образуются p-волна и s-волна с углом отклонения, в том числе в радиальном направлении. Перефокусирующая линза 130 выполнена с возможностью перенаправления радиальных ультразвуковых волн от первого пьезоэлектрического элемента 128 для обеспечения дифракции или отклонения для изменения направления этих радиальных ультразвуковых волн в осевом направлении и тем самым уменьшения потерь сигнала.
Как известно в области акустики, толщина согласующего слоя обычно равна одной четверти от длины волны звука (λ/4), чтобы сводить к минимуму отражение от передней поверхности согласующего слоя в пользу пропускаемых волн. После определения оптимального значения импеданса следующей задачей по определению является поиск материала, обладающего этим конкретным импедансом. Можно использовать известную модель Мейсона, которая представляет собой алгоритм теоретического моделирования согласующего слоя. Можно также найти наиболее подходящую толщину с помощью компьютерного численного моделирования или сравнительного анализа.
Вторая линза 140 также предназначена для перенаправления принятых ей радиальных ультразвуковых волн и осуществления тем самым более направленного перемещения в осевом направлении. Номинальный диаметр центральной части второй линзы 140, как правило, составляет λ/2, т.е. обычно может быть ±20%, а номинальную толщину второй линзы 140, как и в случае с перефокусирующей линзой 130, обычно определяют с учетом согласования акустического импеданса для обеспечения согласующего слоя. Вторая линза 140 может иметь номинальную толщину λ/20, которая обычно может составлять ±20% для обеспечения слоя согласования импеданса и которая была определена как толщина наилучшего акустического согласования в соответствии с результатами сравнительного испытания, выполненного авторами изобретения для конкретного набора рабочих условий.
Если диаметр второй линзы 140, которая представляет собой поверхность диска и которая использует самую нижнюю часть корпуса, по существу указан равным около λ/2, а ее толщина равна около λ/20, при этих двух определенных геометрических параметрах самая нижняя часть корпуса выступает в качестве линзы, которая перенаправляет акустические волны, принятые USM, например при чередовании одних и тех же пьезоэлектрических элементов в паре функции передатчика или приемника. Таким образом, самая нижняя плоская поверхность корпуса обеспечивает дополнительную новую функцию акустической линзы.
Как известно специалистам в данной области, во время работы, когда пьезоэлектрический элемент 128 подвергают вибрации, формируются p-волна (также известная как продольные волны) и s-волна (также известная как поперечные волны) с углом отклонения в том числе в радиальном направлении, в котором могут возникать резонансы, когда расстояние в радиальном направлении (от наружного диаметра пьезоэлектрического элемента 128 до внутренней стенки нижней части 108b корпуса) слишком мало для образования стоячих волн.
Перефокусирующая линза 130 имеет по существу кольцевую форму с поперечным сечением в форме прямоугольного треугольника (см. фиг. 1B, описанную ниже) и выполнена с возможностью перенаправления принятых ультразвуковых волн в осевом направлении, которое, как описано выше, перпендикулярно горизонтальной плоскости пьезоэлектрического элемента 128 так, что предотвращается образование стоячих акустических волн. В частности, угол отклонения и дифракция/отклонение принятых радиальных ультразвуковых волн, обеспечиваемые перефокусирующей линзой 130, предназначены для компенсации нарушения согласования акустического импеданса между корпусом, который обычно состоит из металла или металлического сплава, и газом, таким как воздух, природный газ или азот, импеданс которого сильно отличается от импеданса теплоизоляционного слоя 155, который, как показано, расположен между пьезоэлектрическим элементом 128 и перефокусирующей линзой 130 и второй линзой 140.
1
2
1
2
2
1
AB
BA
Что касается измерения скорости потока, акустические импульсы, испускаемые пьезоэлектрическими элементами Т и Т, пересекают трубку 160 подобно тому, как паромщик пересекает реку. Когда текучая среда не протекает по трубке 160, акустические импульсы распространяются в обоих направлениях с одинаковой скоростью. Если скорость потока текучей среды в трубке 160 отлична от нуля, акустические импульсы, проходящие вниз по потоку (от T к T) по направлению потока текучей среды, будут перемещаться быстрее, а импульсы, проходящие вверх по потоку (от T к T) по направлению против потока текучей среды, будут медленнее. Таким образом, времена прохождения t вниз по потоку будут короче, а времена прохождения t вверх по потоку будут длиннее по сравнению с условиями, когда текучая среда не перемещается. Для определения времени прохождения также могут быть использованы время распространения (TOF), которое в настоящем документе относится к непосредственному измерению времени перемещения сигнала, или способы косвенного измерения, такие как взаимная корреляция системы на основе передаваемого (Tx) сигнала или взаимная корреляция на основе последующей обработки. Приведенные ниже уравнения иллюстрируют принцип вычисления, представляющий время прохождения, и скорость текучей среды, и скорость звука в текучей среде как функцию от длины пути и угла пути относительно трубки 160.
… (1),
… (2),
… (3),
… (4),
ABn
1
2
где: t представляет собой время прохождения вниз по потоку по пути n между пьезоэлектрическим элементом Т, обозначенным в уравнениях как A, и пьезоэлектрическим элементом Т, обозначенным в уравнениях как B;
BAn
t - время прохождения вверх по потоку по пути n между пьезоэлектрическими элементами А и B;
n
1
2
L - длина прямой акустического пути n между двумя пьезоэлектрическими элементами Т(A) и Т(B);
n
ϕ - угол пути n по отношению к трубке;
n
v - нескорректированная исходная скорость текучей среды, измеренная пьезоэлектрическими элементами пути n;
n
c - скорость звука в текучей среде, измеренная пьезоэлектрическими элементами пути n.
На фиг. 3 представлен вид в частичном разрезе примера USM 300 с описанными в настоящем документе перефокусирующей линзой 130 и второй линзой 140 в соответствии с примером осуществления. Рабочая длина волны для USM по существу находится в диапазоне от 10 мм до 30 мм. Внешний корпус 108 по фиг. 1A, показанный на фиг. 3, имеет верхнюю часть 108a корпуса, прикрепленную к нижней части 108b корпуса. Соединительные витки 117 резьбы камеры, показанные на фиг. 3, соединяют верхнюю часть 108a корпуса с нижней частью 108b корпуса. Конструкция корпуса 108, выполненного в виде отдельных верхней части 108a корпуса и нижней части 108b корпуса, способствует уменьшению количества пузырьков, вводимых при добавлении, как правило в жидкой форме, заполняющих материалов, таких как поглощающий слой 165, поглощающий и изолирующий слой 168, а также заполняющий и поглощающий материал 135, внутрь корпуса 108 с помощью традиционной длинной трубки, затрудняет заполнение внутренней части корпуса 108 при производстве и дополнительно дает возможность регулировать соединение в воздушном пространстве (воздушной среде) между верхней частью 108а корпуса и нижней частью 108b корпуса для уменьшения нежелательной обратной связи по сигналам от передней части к задней части USM 300, а затем снова к передней части.
Корпус 108 может содержать металлический материал или неметаллический материал. Верхняя часть 108a корпуса имеет крепежный элемент, показанный в виде монтажных соединительных витков 109 резьбы, для прикрепления к трубке, содержащей в себе текучую среду. Что касается терминологии, верхняя часть USM 300 представляет собой боковую поверхность USM с витками 109 резьбы, как показано на фиг. 3, с уплотнительным кольцом 113 круглого сечения, расположенным под витками 109 резьбы на противоположной стороне относительно пьезоэлектрического элемента 128, в то время как нижняя часть USM 300 представляет собой торцевую часть пьезоэлектрического элемента 128, которая является акустическим активным фильтром для желательного направления передачи и приема акустических сигналов, при этом нижняя часть USM 300 (фильтр) выполнена с возможностью размещения с заглублением в трубке корпуса измерительного прибора, как показано на фиг. 2A и 2B. Пьезоэлектрический элемент 128 показан в нижней части 108b корпуса. Однако пьезоэлектрический элемент 128 может также находиться в граничной области между верхней частью 108a корпуса и нижней частью 108b корпуса. Пьезоэлектрический элемент 128 соединен с приемопередатчиком (Tx 111 / Rx 112), как показано на фиг. 1, который может находиться внутри корпуса электронных компонентов (не показан) вместе с контроллером 120.
Над пьезоэлектрическим элементом 128 расположен поглощающий слой 165, который по существу содержит материал низкой плотности, такой как пористый пеноматериал или полимер, и поглощающий и изолирующий слой 168, который также обычно содержит материал низкой плотности, такой как пористый пеноматериал или полимер. Толщина поглощающего слоя 165 обычно составляет около λ/2 в осевом направлении, т.е. обратном направлении к верхней части 108a корпуса. Пьезоэлектрический элемент 128 окружен согласующим и теплоизоляционным слоем 155, который обычно содержит композитный материал с низкой теплопроводностью, такой как стеклотекстолит на основе эпоксидной смолы или термопластичный композиционный пеноматериал. Кроме того, имеется также боковой поглощающий слой 172, расположенный вне поглощающего и изолирующего слоя 168 и поверх части согласующего и теплоизоляционного слоя 155 над пьезоэлектрическим элементом 128 и поглощающим слоем 165.
Перефокусирующая линза 130 выполнена в соответствии с вибрационным режимом пьезоэлектрического элемента 128, а также расположением пьезоэлектрического элемента 128 в корпусе (нижней части 108b корпуса). Перефокусирующая линза 130 показана в треугольном пространстве между согласующим и теплоизоляционным слоем 155 и нижней частью 108b корпуса и может содержать адгезивную эпоксидную смолу, смешанную с отвердителем, для заполнения зазора между металлической нижней частью 108b корпуса и согласующим и теплоизоляционным слоем 155. Заполняющий материал с использованием адгезивного состава не только связывает два различных материала без пустот, но и герметизирует зазор определенной формы таким образом, чтобы в этом зазоре можно было сформировать перефокусирующую линзу 130.
Перефокусирующая линза 130, которая, как отмечалось выше, может иметь форму прямоугольного треугольника, может обеспечивать угол при гипотенузе, который обычно равен 20 градусам или более и образован зазором, присутствующим в структуре, а ширина (толщина) центральной части составляет около 1/50 длины волны, что представляет собой относительно небольшую толщину и обычно составляет меньше 1 мм. В результате большинство ультразвуковых сигналов, утекающих в направлении боковой стенки USM 300 между перефокусирующей линзой 130 и стенкой толщиной λ/8 нижней части 108b корпуса, будут отражены перефокусирующей линзой 130 и стенкой корпуса толщиной λ/8 так, чтобы не создавать помехи сигналу, направленному к нижней части USM 300, которая является его акустическим активным фильтром.
На фиг. 3 также показана внутренняя герметизирующая камера 129, герметизирующая пьезоэлектрический элемент 128 и герметизирующая также перефокусирующую линзу 130, согласно иллюстрации. Вторая линза 140, как правило, представляет собой часть (нижнюю часть) корпуса, расположенную снаружи герметизирующей камеры 129.
Ориентация перефокусирующей линзы 130 имеет по существу кольцевую форму, и она расположена снаружи в радиальном направлении относительно пьезоэлектрического элемента 128, но ниже в нижней части 108b корпуса относительно пьезоэлектрического элемента 128, тогда как вторая линза 140 обычно располагается под перефокусирующей линзой 140. Как отмечалось выше, вторая линза 140 по существу представляет собой зону нижней части 108b корпуса и не является отдельным компонентом. Эта зона корпуса для обеспечения второй линзы 140 может иметь дискообразную форму с номинальным диаметром центральной части λ/2 и толщиной около λ/20. Таким образом, перефокусирующие линзы 130 и вторая линза 140 выполнены с возможностью направления и перенаправления отраженных и преломленных ультразвуковых волн, испускаемых собственной акустической системой, в осевом направлении к текучей среде, находящейся в трубке, где так называемое нарушение согласования акустического импеданса между различными средами, как известно, вызывает нежелательное обратное отражение на пьезоэлектрический элемент 128.
Таким образом, при угле 45 градусов (заданном стенкой корпуса над второй линзой 140, как показано на фиг. 3), не создаются помехи сигналу, передаваемому пьезоэлектрическим элементом 128 от нижней части 108b корпуса, являющейся акустическим активным фильтром расходомера USM 300, благодаря перенаправлению боковых волн на акустический активный фильтр, что позволяет избежать множественных отражений внутри относительно небольшого пространства и устранить стоячие резонансные волны. Перефокусирующая линза 130 выполнена с возможностью устранения утечки ультразвуковых волн, достигающих стенки корпуса, и по существу содержит металл, причем неоднородность импеданса более выражена на внешней поверхности нижней части корпуса. Такое нарушение согласования может дополнительно создавать множественные отражения (стоячую волну) между областью пьезоэлектрического элемента 128 и перефокусирующей линзой 130. Соответственно, толщина стенки корпуса λ/8 призвана подавлять стоячие волны в этом пространстве, усиливая тем самым осевые ультразвуковые волны, испускаемые пьезоэлектрическим элементом 128.
Как отмечалось выше, вторая линза 140 может иметь диаметр центральной части ее дискообразной формы, равный λ/2 ± 20%, причем, как отмечалось выше, λ представляет собой длину волны ультразвукового сигнала, используемого для измерения, например от 10 мм до 30 мм. Материал для второй линзы 140, по существу представляющей собой участок нижней части корпуса, может содержать металл или неметалл, но его по существу получают из металла, такого как нержавеющая сталь или титан, который, по общему признанию, можно использовать в качестве материала корпуса, поскольку он хорошо приспособлен для жестких условий окружающей среды. Внешняя зона второй линзы 140, показанная на фиг. 1B, уменьшает радиальное распространение ультразвуковых волн (т.е. устраняет их с переворотом фазы) перпендикулярно осевому направлению и подавляет боковые составляющие, в результате чего происходит более направленное распространение ультразвуковой волны в осевом направлении.
Перефокусирующая линза 130 и вторая линза 140 по существу частично концентричны друг другу, причем вторая линза 140 проходит снаружи в радиальном направлении относительно перефокусирующей линзы и по меньшей мере частично находится под перефокусирующей линзой 130, которая по существу показана полностью расположенной под перефокусирующей линзой 130. Как указано выше, пьезоэлектрический элемент 128, как правило, имеет дискообразную форму, а перефокусирующая линза 130 представляет собой по существу кольцо в форме прямоугольного треугольника, проходящее снаружи в радиальном направлении пьезоэлектрического элемента 128, и, как описано выше, вторая линза 140 по существу представляет собой секцию нижней части 108b корпуса, которая обычно имеет дискообразную форму и расположена ниже пьезоэлектрического элемента 128 относительно передней поверхности 128a пьезоэлектрического элемента 128.
Материалы линзы для перефокусирующей линзы 130 и второй линзы 140 обычно выбирают таким образом, чтобы их можно было применять в условиях низкого и среднего давления, которое, как отмечалось выше, составляет до 40 бар, поэтому они не должны быть слишком мягкими, чтобы выдерживать условия давления. Например, можно использовать титан, сталь SS304, 316, алюминиевые сплавы или неметаллический материал, такой как пластмассы, в зависимости от требований к условиям измерения текучей среды, например коррозионной или запыленной среды. По этой причине согласующий слой толщиной ¼ λ, показанный как согласующий и теплоизоляционный слой 155, и перефокусирующая линза 130 выполнены с возможностью перенаправления боковых составляющих ультразвуковых волн к передней поверхности расходомера USM 300 и подавления множественных отражений, которые могут присутствовать внутри по существу металлического жесткого корпуса 108a, 108b.
Таким образом, перефокусирующая линза 130 и вторая линза 140 предназначены для перенаправления принятых радиальных ультразвуковых волн и предотвращения множественных отражений внутри стенок нижней части 108b корпуса. Перефокусирующая линза 130 и вторая линза 140 будут перенаправлять принятые радиальные ультразвуковые волны в осевом направлении к противоположному пьезоэлектрическому элементу в паре пьезоэлектрических элементов. На фиг. 4 представлен вид в частичном разрезе примера USM 400 с внешним корпусом, имеющим перефокусирующую линзу 130 и вторую линзу 140. Область, показанная под обозначением 179, представляет собой соединитель, например прочное резиновое кольцо.
На фиг. 5 представлен вид в частичном разрезе примера USM 500 с перефокусирующей линзой 130 и второй линзой 140 и с вариантом внешнего корпуса в соответствии с примером осуществления. Вариант осуществления показанного внешнего корпуса устраняет необходимость во внешней ступеньке, как показано на фиг. 3 и 4, а также, как показано на фиг. 5, корпус представляет собой прямой цилиндр, а внутренняя задняя часть, содержащая заполняющие и поглощающие материалы 135 и 136, может содержать эпоксидную смолу или резину, вулканизирующуюся при комнатной температуре (RTV). Заполняющий и поглощающий материал 136 между заполняющим и поглощающим материалом 135 и поглощающим и изолирующим слоем 168 используют для лучшего заполнения заполняющим и поглощающим материалом 135 и уменьшения обратной связи по сигналам. Область 136 заполняющих и поглощающих материалов может быть сформирована предварительно, например, в составе может быть резина.
Таким образом, представлены следующие основные признаки описанных расходомеров USM, предназначенных для подавления факторов, способствующих снижению качества сигнала USM.
1. Комбинация линз, включающая перефокусирующую линзу 130 вместе со второй линзой 140 в нижней части 108b корпуса, причем обе из них расположены снаружи в радиальном направлении относительно пьезоэлектрического элемента, перенаправляет радиальные ультразвуковые волны с углом отклонения и дифракцией/отклонением в осевом направлении для компенсации нарушения согласования по существу металла, составляющего нижнюю часть 108b корпуса, и текучей среды в трубке, которая может иметь значительную разницу в импедансе. Акустический импеданс представляет собой произведение плотности материала на скорость звука. Традиционно используют так называемый согласующий слой толщиной 1/4λ так, что для описанного расходомера USM перефокусирующую линзу 130 и вторую линзу 140 размещают вместе с традиционным согласующим слоем толщиной ¼ λ, показанным как согласующий и теплоизоляционный слой 155 на фиг. 3–5, а отношение импедансов согласующего слоя составляет , причем Zc - акустический импеданс пьезоэлектрического элемента 128, Zp - акустический импеданс текучей среды. Например, если Zc = 35 МПа∙с/м и Zp = 0,0004 МПа∙с/м (значение Zp для воздуха), для обеспечения хорошего согласования импеданса по воздуху Zm должно быть равно около 0,11 МПа∙с/м (импеданс природного газа приблизительно в 1,3 раза больше импеданса воздуха при тех же значениях давления и плотности), но для твердых и жестких материалов сложно добиться такого отношения импедансов. С помощью описанной перефокусирующей линзы 130 вместе с описанной второй линзой 140 можно решить эту проблему.
2. За счет использования герметизирующей камеры 129, которая герметизирует пьезоэлектрический элемент 128, максимально возрастает эффективность прямого ультразвукового излучения и при этом сохраняется давление текучей среды. Герметизирующая камера 129 может содержать пеноматериал. Альтернативы пеноматериалу включают полимеры, эпоксидную смолу или по существу любой тип материала с импедансом, близко согласованным с импедансом пьезоэлектрического элемента 128 по отношению к воздуху.
3. Стенка нижней части 108b корпуса может иметь толщину стенки λ/8 ± 15% (показано на фиг. 2–4) для устранения стоячих волн, а также для перенаправления (частичного) отражений под заданным углом (например, рассчитанным углом с допуском (диапазоном)), например 45 градусов ± 5 градусов.
4. Теплоизоляционный слой 155 обычно представляет собой композиционный материал с низкой теплопроводностью для защиты традиционного кристаллического материала пьезоэлектрического элемента (при температурах от -20°C до +60°C), когда пьезоэлектрический элемент 128 содержит пьезоэлектрический кристалл, от сильных колебаний температуры, которые могут возникать на месте эксплуатации, например от -40°C до +85°C.
5. Пьезоэлектрический элемент 128, который, как описано в настоящем документе, по существу имеет форму диска, может содержать керамический материал с относительно большим отношением диаметра к толщине > 10, специально выполненный с возможностью вибрации в радиальном направлении для повышения его эффективности при уменьшении многорежимности. Таким образом обеспечивают высокую чувствительность системы и эффективность сигнала, что позволяет использовать низкое напряжение для более простого удовлетворения требований к искробезопасному исполнению и позволяет использовать батарею в качестве источника питания благодаря обеспечению низкого энергопотребления.
6. Специальная конструкция, прикрепляемая винтами к внутренней или внешней стенке и содержащая какой-либо элемент с контактом для проводного подключения к печатной плате (ПП) схемы возбуждения и приема сигнала. Пьезоэлектрический элемент 128 и схема ПП по существу соединены кабелем с положительным, отрицательным и заземляющим контактом. При добавлении заполняющего материала с тыльной стороны заполняющего и поглощающего материала 135 обычно создается отрицательное давление, что может усложнить продвижение заполняющего и поглощающего материала 135 в корпус, если материал имеет форму пасты или находится в жидкой форме, кроме того, дополнительную сложность могут создавать пузырьки, находящиеся внутри корпуса. Использование корпуса, состоящего из двух частей (верхней и нижней частей, которые обозначены как 108a и 108b на фиг. 1A, 1B и фиг. 3), упрощает процедуру заполнения заполняющим и поглощающим материалом 135 и обеспечивает ее контролируемость и гибкость, и при этом ослабляет возможную обратную связь.
Далее приведен пример последовательности сборки для изготовления описанного USM. На первой стадии пьезоэлектрический элемент 128 можно прикреплять к теплоизоляционному слою 155, расположенному на нижней части 108b корпуса, таким образом располагая над второй линзой 140, причем данная операция представляет собой одну из основных стадий сборки и обычно требует особого внимания к рабочим условиям, таким как температура, предварительная нагрузка, пыль и статическое электричество. На второй стадии поверх пьезоэлектрического элемента 128 можно заливать поглощающий слой 165, пока он находится в жидкой форме. На третьей стадии вышеописанные компоненты можно собирать вместе с боковым поглощающим слоем 172, после чего можно заливать поглощающий и изолирующий слой 168, пока он находится в жидкой форме.
На четвертой стадии вышеуказанные компоненты могут быть собраны внутри нижней части 108b корпуса, что представляет собой одну из основных стадий сборки и требует особого внимания к нижнему и боковому соединению, например, внимания к полной посадке соединения без воздушных зазоров, например использования согласующего и теплоизоляционного слоя 155 для заполнения зазора. Пятая стадия может включать сборку верхней части 108a корпуса с нижней частью 108b корпуса, показанных выше в виде соединительных витков 117 резьбы камеры. На шестой стадии заполняющий и поглощающий материал 135, пока он находится в жидкой форме, может быть залит в корпус, при этом необходимо следить за кабелем в среднем положении и за надежностью скрепления. На шестой стадии жидкий материал превращается в твердое вещество, как описано выше, при этом предотвращается образование пузырьков.
Хотя выше описаны различные варианты осуществления, следует понимать, что они представлены исключительно в качестве примера, а не в целях ограничения. В соответствии с описанием, приведенным в настоящем документе, можно вносить множественные изменения в описанные варианты осуществления без отступления от сущности или объема настоящего описания. Таким образом, охват и объем настоящего описания не ограничиваются каким-либо из вышеописанных примеров осуществления. Напротив, объем настоящего описания следует определять в соответствии с приведенными ниже пунктами формулы изобретения и их эквивалентами.
Хотя описанные варианты осуществления были проиллюстрированы и описаны применительно к одному или более вариантам осуществления, после прочтения настоящего описания с прилагаемыми рисунками и его понимания специалистам в данной области будут очевидны эквивалентные изменения и модификации. Хотя конкретный признак может быть описан только в отношении одного из нескольких вариантов реализации, такой признак может быть скомбинирован с одним или более другими признаками других вариантов реализации, как это может быть желательным и предпочтительным для любого данного или конкретного применения.