УЛЬТРАЗВУКОВОЙ РАСХОДОМЕР
ULTRASONIC FLOW METER

Изобретение относится к устройству для измерения скорости потока и/или расхода текучей среды.
В процессе измерения расхода для измерения расхода применяют, среди прочего, ультразвуковые счетчики. По существу, эти счетчики состоят из измерительного преобразователя, содержащего отрезок трубы с приваренными соединительным фланцами, ультразвуковых преобразователей, называемых также ультразвуковыми зондами, которые вставлены в отрезок трубы (среднюю часть) измерительного преобразователя, и блока обработки сигналов для управления ультразвуковыми зондами и обработки сигналов, выданных этими зондами.
Принцип измерения заключается в выявлении разности времени распространения двух ультразвуковых сигналов, которые излучают или принимают в направлении, имеющем один компонент в направлении потока и один компонент против направления потока. Для этого сигналы необходимо излучать или принимать под определенным отличным от 90° углом к оси потока. Ультразвуковой расходомер, работающий по этому принципу, известен из ЕР 1 293 759 В1.
Для расчета энергосодержания по измеренному значению расхода необходимо точно определить давление и температуру текучей среды. Поэтому необходимо регулярно калибровать датчик давления и температурный датчик. В наши дни это осуществляют путем присоединения внешних трубопроводов и запорных элементов, что требует больших расходов и увеличенного пространства. Такая конструкция показана, например, в US 2014/0109686 А1. Кроме того, существует опасность, что эти внешние присоединенные элементы будут повреждены при транспортировке. Кроме того, на внешние присоединенные элементы влияют условия окружающей среды, поэтому они должны удовлетворять повышенным требованиям к герметичности (степень защиты проникновения IP) и коррозионной стойкости. Кроме того, к блоку обработки данных проводят доступные снаружи электрические провода датчиков. Для защиты этих проводов от влияний окружающей среды необходимо предусмотреть дополнительные меры.
Из DE 20 2015 006 553 U1 известен расходомер питьевой воды, который содержит датчик давления, но не может быть откалиброван.
С учетом вышеприведенного уровня техники, задача изобретения состоит в создании усовершенствованного измерительного прибора, позволяющего избавиться от вышеназванных недостатков, в частности, путем создания простых, компактных и экономичных средств калибровки датчика давления.
Данная задача решена в ультразвуковом расходомере с признаками пункта 1 формулы изобретения.
Согласно изобретению, ультразвуковой расходомер для измерения скорости потока и/или расхода текучей среды содержит:
- измерительный преобразователь, имеющий соединительные фланцы для присоединения трубопроводов текучей среды и среднюю часть, выполненную с возможностью пропускания текучей среды, по меньшей мере два помещенных в среднюю часть ультразвуковых преобразователя, которые образуют пару ультразвуковых преобразователей и между которыми установлена измерительная цепь, проходящая через поток,
-датчик давления, удерживаемый в средней части в гнезде датчика давления и имеющий сообщение по текучей среде с внутренностью средней части через гнездо поршня,
- калибровочный вывод, удерживаемый в средней части в гнезде калибровочного вывода и имеющий сообщение по текучей среде с внутренностью средней части через гнездо поршня,
- причем поршень в гнезде поршня выполнен с возможностью приведения в два положения, при этом в первом положении датчик давления имеет сообщение по текучей среде с внутренностью средней части,
- а во втором положении датчик давления через гнездо поршня имеет сообщение по текучей среде с калибровочным выводом.
При помощи предлагаемого измерительного прибора становится возможной простая калибровка датчика давления. Для этого необходимо лишь установить поршень в его второе положение, за счет чего датчик давления отсоединяется от потока текучей среды и одновременно соединяется с калибровочным выводом. После этого при помощи прибора, подключенного к калибровочному выводу, можно осуществить непосредственную калибровку. После калибровки поршень можно снова установить в первое положение, за счет чего датчик давления отсоединяется от калибровочного вывода и снова соединяется с потоком текучей среды. В этом варианте осуществления гнезда предпочтительно выполнить в средней части. Эти механические части, а также датчик давления и калибровочный вывод утоплены в средней части первичного измерительного преобразователя и их можно закрыть крышкой. Тем самым достигается защита рассматриваемого устройства от влияния окружающей среды и механического повреждения.
По тем же самым причинам в усовершенствованном варианте электрические соединительные линии, идущие к блоку обработки данных, установленному в средней части, проведены через соответствующие отверстия в стенке средней части и не видны снаружи.
В следующем варианте осуществления изобретения перевод поршня из одного положения в другое возможен посредством его вращения, что в простейшем случае можно реализовать посредством резьбы, позволяющей ввинчивать и вывинчивать поршень.
В другом варианте осуществления изобретения продольные направления гнезда датчика давления, гнезда калибровочного вывода и гнезда поршня ориентированы под углом друг к другу, так что гнездо датчика давления и гнездо калибровочного вывода выходят в гнездо поршня, а гнездо поршня выходит во внутренность средней части, причем выходы гнезда датчика давления и гнезда калибровочного вывода находятся на разной глубине гнезда поршня, а выход гнезда датчика давления находится ближе к внутренности.
Исходя из этого, предпочтительно, если поршень на своем торцевом конце и конце со стороны внутренности средней части уплотнен относительно гнезда поршня. Это позволяет поршню выполнять несколько функций при перемещении из одного положения в другое. Так, во втором положении поршень может закрывать доступ во внутренность средней части и одновременно открывать соединение между датчиком давления и калибровочным выводом. При перемещении поршня из второго положения в первое положение сначала открывается доступ во внутренность, а затем - соединение с датчиком давления. Затем поршень находится в первом положении, в котором торцевой конец закрывает соединение между датчиком давления и калибровочным выводом.
С конструктивной точки зрения предпочтительно, если поршень ввинчивается внутрь средней части из первого положения во второе положение путем вращения по резьбе.
Кроме того, в средней части, в гнезде температурного датчика может удерживаться температурный датчик для измерения температуры текучей среды, причем гнездо температурного датчика также может быть закрыто крышкой.
Ниже, со ссылками на фигуры чертежей, изобретение более подробно поясняется на основе одного из примеров его осуществления. На чертежах:
- фиг. 1 представляет собой изображение, поясняющее принцип измерения при помощи предлагаемого измерительного прибора;
- фиг. 2 представляет собой вид в перспективе предлагаемого измерительного прибора;
- фиг. 3 представляет собой схематичный разрез вдоль плоскости измерений;
- Фиг. 4 и 5 представляют собой схематичные разрезы в области измерения давления при различных положениях поршня.
Предлагаемый измерительный прибор 10 работает по известному принципу измерения расхода при помощи ультразвука (см. также ЕР 1 293 759 В1). Этот известный принцип измерения представлен на фиг. 1. Расходомер 10 содержит, по меньшей мере, два ультразвуковых преобразователя 12, 14, установленных под углом α, отличным от 90°, относительно направления 20 потока, в стенке трубчатой средней части 16, которая имеет номинальный внутренний диаметр D и в которой в направлении 20 течет текучая среда 18. Ультразвуковые преобразователи 12, 14, управляемые блоком 22 управления и обработки данных, работают попеременно то как передатчик, то как приемник. Ультразвуковые сигналы, распространяющиеся в измерительной цепи 24 через текучую среду 18, в одном направлении (от преобразователя 12 к преобразователю 14) благодаря потоку получают дополнительную составляющую скорости, а при распространении в другом направлении (от преобразователя 14 к преобразователю 12) эта составляющая скорости действует с другим знаком, т.е. оказывает замедляющее действие. Итак, благодаря потоку 20 время распространения ультразвуковых импульсов, распространяющихся в измерительной цепи 24 то в одном, то в другом направлении, отличается. Принимаемые сигналы подаются в блок 22 управления и обработки данных, при необходимости их формируют посредством схемных элементов (не показаны), таких как усилители и аналого-цифровые преобразователи, и, наконец, подвергаются цифровой обработке. С этой целью по получающейся разности времени распространения при помощи формулы
рассчитывают искомую скорость потока или при помощи формулы
рассчитывают объемный расход, причем геометрические соотношения, например, показанные при помощи фиг. 1, описываются следующими переменными:
v: скорость потока текучей среды в трубопроводе
L: длина измерительной цепи между двумя ультразвуковыми преобразователями
α: угол, под которым излучают и принимают ультразвуковые преобразователи
Q: объемный расход
D: диаметр трубопровода
h
t: время прохождения ультразвука по потоку
r
t: время прохождения ультразвука против потока
Разумеется, при помощи этого устройства по следующей формуле также могут определить скорость распространения звука в протекающем газе
На фиг. 2 в перспективном изображении показан вариант осуществления предлагаемого измерительного прибора 10. Измерительный прибор имеет измерительный преобразователь 17, имеющий соединительные фланцы 19 для присоединения трубопроводов для текучей среды и среднюю часть 16, через которую течет текучая среда. Ультразвуковые преобразователи 12 и 14 расположены за крышками 30 в стенках 32 средней части 16. Поскольку обычно поток по всему поперечному сечению не однороден, одиночная измерительная цепь 24 дала бы неточные результаты измерений, поэтому известным способом на поперечном сечении предусмотрена группа измерительных цепей, например, четыре измерительные цепи 24-1, 24-2, 24-3, 24-4, которые расположены друг над другом и которые анализируются совместно, например, посредством формирования среднего значения. Измерительные цепи показаны в разрезе на фиг. 3, которая представляет собой схематичный разрез вдоль плоскости измерений. Поскольку плоскость измерений расположена к направлению потока под углом α, отличным от 90°, при таком разрезе внутренность 34 средней части 16, по существу круглая, кажется овальной.
Однако по существу задача измерений состоит не только в определении расхода, т.е. в определении массового расхода, но и в определении энергосодержания. Для этого необходимо также определить давление и температуру текучей среды.
По существу предметом данного изобретения является установка датчика 36 давления в средней части 16. Датчик 36 удерживается в гнезде 38 датчика давления в стенке 32 средней части 16. В направлении снаружи вовнутрь гнездо 38 датчика давления имеет ступенчато уменьшающийся диаметр. В одну из этих ступеней 40 плотно ввинчен датчик 36 давления.
На своем внутреннем конце гнездо 38 датчика давления соединяется, посредством небольшого канала 39, с гнездом 42 поршня. Для достижения этого посредством простым образом данные гнезда ориентированы под углом друг к другу. В гнезде 42 поршня установлен поршень 44. При помощи канала 45 гнездо 42 поршня соединено с внутренностью 34 средней части 16, поэтому оно сообщается по текучей среде с внутренностью 34. Своим наружным концом поршень 44 по резьбе 46 ввинчен в гнездо поршня, поэтому путем вращения его можно перевести из первого положения с фиг.4 во второе положение с фиг.5 или, наоборот, из второго положения в первое.
На своем торцевом конце 48, направленном к внутренности 34 средней части 16, поршень уплотнен, например, уплотнительным кольцом 50, прилегающим к гнезду 42 поршня.
Кроме того, в стенке 32 средней части 16 имеется гнездо 52 калибровочного вывода, в котором размещен калибровочный вывод 54. Гнездо 52 калибровочного вывода также выполнено ступенчатым, причем калибровочный вывод 54 плотно ввинчен в одну из этих ступеней. Гнездо 52 калибровочного вывода ориентировано под углом к гнезду 42 поршня и выходит в него через канал 55, поэтому имеется сообщение по текучей среде. Выходы гнезда 52 калибровочного вывода и гнезда 38 датчика давления находятся на разной глубине гнезда поршня, причем выход гнезда 52 калибровочного вывода находится дальше к наружной части.
Выходы и поршень 44 или первое и второе положение рассчитаны или расположены так, что в первом положении датчик 36 давления сообщается по текучей среде с внутренностью 34 средней части 16, т.е. выход гнезда 38 датчика давления открыт в направлении внутренности 34, в то время как уплотнительный конец 48 поршня 44 закрывает гнездо поршня в наружном направлении (фиг.4). Во втором положении датчик 36 давления через гнездо 42 поршня имеет сообщение по текучей среде с калибровочным выводом 54. При этом поршень 44 ввинчен в гнездо 42 так, что оно закрыто в направлении внутренности 34 с одновременным открытием соединения между выходом гнезда 38 датчика давления и гнездом 52 калибровочного вывода. Чтобы в это соединение не мог проникнуть окружающий воздух, поршень 46 также уплотнен на своем наружном конце посредством уплотнительного кольца 56.
Три гнезда 38, 42 и 52 могут быть закрыты крышками 60 и 62. Чтобы крышка не препятствовала электрическому соединению датчика 36 давления с блоком 22 обработки данных, через соответствующие отверстия 66 в стенке 32 средней части 16 проведены соединительные провода 64. Еще одним вариантом осуществления изобретения предусмотрены температурные датчики (не показаны) для измерения температуры текучей среды, удерживаемые тем же образом в средней части 16 в гнездах температурных датчиков, например, на стороне, противоположной датчику 36 давления. Гнезда температурных датчиков также могут закрываться крышками, при этом электрические соединения можно провести к блоку 22 обработки данных через стенку 32.