ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ ПОТОКА ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ, ТЕКУЩЕЙ В ТРУБОПРОВОДЕ
MEASURING DEVICE AND METHOD FOR DETERMINING THE SPEED OF A FLOW OF A FLUID ENVIRONMENT THROUGH THE PIPELINE

Изобретение относится к измерительному устройству и способу определения скорости потока текучей среды, текущей в трубопроводе, в соответствии с ограничительной частью п.п. 1 и 12 формулы изобретения.
Известны различные принципы измерения для определения скорости потока или расхода на основе ультразвука. В способе с использованием эффекта Доплера оценивается зависящее от скорости потока смещение частоты ультразвукового сигнала, отраженного от текущей текучей среды. В способе, основанном на разности времен прохождения, на внешнем периметре трубопровода устанавливается пара ультразвуковых преобразователей с взаимным смещением в продольном направлении, которые поочередно испускают и регистрируют ультразвуковые сигналы поперек потока вдоль измерительного пути, определенного между ультразвуковыми преобразователями. Ультразвуковые сигналы, проходящие через текучую среду, замедляются или ускоряются потоком в зависимости от направления прохождения. Результирующая разность времени прохождения используется с учетом геометрических размеров для расчета средней скорости потока текучей среды. С учетом площади поперечного сечения из нее следует объемный расход или расход. Для более точных измерений также могут использоваться несколько измерительных путей соответственно с парой ультразвуковых преобразователей, чтобы регистрировать поперечное сечение потока в более чем одной точке.
Ультразвуковые преобразователи, применяемые для создания ультразвука, имеют колебательный элемент, часто керамический элемент. С его помощью электрический сигнал преобразуется в ультразвук и наоборот, например, на основе пьезоэлектрического эффекта. В зависимости от применения ультразвуковой преобразователь действует в качестве звукового генератора, звукового детектора или обоих устройств. При этом должна быть обеспечена связь между текучей средой и ультразвуковым преобразователем. Распространенное решение заключается в том, чтобы вставить в трубопровод ультразвуковой преобразователь в прямом контакте с текучей средой. Такие интрузивные датчики могут затруднить точные измерения вследствие возмущения потока. И наоборот, погружные ультразвуковые преобразователи подвергаются воздействию текучей среды, ее давления и температуры, вследствие чего они могут быть повреждены или потерять свою работоспособность из-за наличия отложений.
По существу также известны способы, в которых внутренняя стенка остается полностью закрытой. В качестве примера можно упомянуть так называемую накладную установку, например, согласно US 4467659, с помощью которой ультразвуковые преобразователи закрепляются на трубопроводе снаружи. Однако при этом могут быть реализованы только диаметральные измерительные пути через ось трубы, в результате чего в случае не аксиально-симметричных профилей потока генерируются дополнительные ошибки.
В документе EP 1378272 В1 предлагается размещать элементы генерации ультразвука на внешней стороне стенки. В отличие от способа с накладыванием ультразвуковой преобразователь встраивают при этом, так сказать, в стенку. В области ультразвуковых преобразователей выполняют карман с существенно меньшей толщиной стенки, чем остальная стенка, при этом остающаяся толщина стенки образует мембрану ультразвукового преобразователя. Эта установка, которая также называется врезной, в некоторой степени представляет собой промежуточную форму между жесткой установкой во внутреннем пространстве трубопровода и накладной установкой. Однако для этого применяется относительно сложная составная конструкция преобразователя. При этом излучательная поверхность для широкого излучения при более высоких частотах остается слишком большой.
В документе JP 2000337940 А раскрывается еще одно устройство измерения расхода, в котором пьезоэлектрические элементы контактируют со стенкой трубопровода в нижней части отверстия в трубопроводе. Однако при этом также не решаются проблемы достаточно широкого излучения и простой конструкции преобразователя.
В документе DE 10248542 A1 предлагается устанавливать ультразвуковой преобразователь непосредственно на рабочей поверхности, контактирующей со средой. Посредством скосов рабочих поверхностей и, тем самым, трубопровода обеспечивается ориентация пути с компонентой в направлении потока. Это препятствует, таким образом, получению ровной непрерывной внутренней стенки трубы.
Таким образом, техническая проблема настоящего изобретения состоит в создании усовершенствованной концепции преобразователя для измерения скоростей потока с помощью ультразвука.
Указанная техническая проблема решена с помощью измерительного устройства и способа определения скорости потока текучей среды, текущей в трубопроводе, в соответствии с п.п. 1 и 12 формулы изобретения. Основой является описанный выше принцип врезывания. Ультразвуковой преобразователь размещается, таким образом, снаружи на стенке трубопровода, при этом его колебательный элемент соединяется с участком стенки трубопровода. Участок колебательного элемента, например, пьезоэлектрического элемента, используют при этом этот в качестве мембраны. При этом основная идея изобретения заключается в расположении соединительного элемента между мембраной и колебательным элементом. Этот соединительный элемент тоньше, при фактическом применении значительно тоньше, колебательного элемента. Колебательный элемент расположен, таким образом, подобно печати с соединительным элементом на стенке трубопровода, при этом соединительный элемент передает ультразвук между мембраной и колебательным элементом. Это может происходить в обоих направлениях в зависимости от того, выполняет ли ультразвуковой преобразователь функцию передатчика или приемника. Благодаря этой конструкции размер излучательной поверхности ограничивается размерами соединительного элемента, а не размерами колебательного элемента. Посредством этого одновременно обеспечивается возможность использования маленькой пластины стенки или рабочей мембраны и большого колебательного элемента.
Изобретение обладает прежде всего всеми преимуществами способа врезывания, а именно высокой степенью точности аналогично интрузивному способу, однако вместе с тем внутреннее пространство остается при этом полностью невозмущенным для потока. Ультразвуковой преобразователь, встроенный в стенку трубопровода, обеспечивает возможность очень широкой характеристики излучения и применения не диаметральных измерительных путей. При этом ультразвуковой преобразователь имеет простую конструкцию из небольшого количества деталей и может изготавливаться серийно с малыми затратами и небольшими допусками.
Колебательный элемент предпочтительно выполнен с возможностью колебания в продольном и поперечном направлении. Колебательный элемент использует, таким образом, дополнительные степени свободы, которые обеспечиваются ему посредством расположения на тонком соединительном элементе. Поскольку это колебательное движение напоминает встряхивание подушки, колебательный элемент также называется подушкообразным вибратором. Такое колебание совершенно невозможно в случае традиционного расположения с соединением по всей поверхности нижней стороны колебательного элемента с трубопроводом.
Соединительный элемент предпочтительно выполнен за одно целое со стенкой трубопровода. Соединительный элемент представляет собой составную часть стенки трубопровода. Соответственно отсутствуют какие-либо промежуточные слои и какие-либо проблемы с механической устойчивостью соединения, при этом обеспечивается оптимальная передача звука.
Измерительное устройство предпочтительно имеет карман, размещенный снаружи в трубопроводе, нижняя часть которого образует мембрану, при этом на этой нижней части расположен соединительный элемент. С помощью кармана обеспечивается, что образующий мембрану участок стенки трубопровода выполнен существенно тоньше остальной стенки трубопровода. Поперечное сечение соединительного элемента мало как по отношению к колебательному элементу, так и к нижней части кармана. Предпочтительно соединительный элемент является частью стенки трубопровода и при изготовлении кармана он остается в стоячем положении.
Колебательный элемент предпочтительно по меньшей мере частично расположен в кармане. Еще более предпочтительно колебательный элемент размещен полностью внутри кармана. Благодаря этому соединительный элемент может быть сравнительно коротким, при этом элементы ультразвукового преобразователя встроены в стенку трубопровода.
Карман предпочтительно закрыт снаружи посредством держателя преобразователя. Держатель преобразователя представляет собой, таким образом, своего рода крышку зоны ультразвукового преобразователя. При этом остается возможным доступ через эту крышку для соединительных линий или линий передачи данных.
Колебательный элемент предпочтительно упруго соединен с держателем преобразователя. Таким образом, колебательный элемент устойчиво удерживается без ограничения колебательного движения. Для этой цели могут применять, например, слой из эластомера.
Предпочтительно карман имеет часть, выполненную цилиндрической или в виде усеченного конуса. Он может иметь в целом форму цилиндра или усеченного конуса, однако его форма может представлять собой комбинацию обеих этих форм. Кроме того возможно наличия ступенек, иными словами скачкообразное изменение диаметра на одном или более участков по высоте кармана.
Колебательный элемент предпочтительно выполнен прямоугольным или цилиндрическим. Как упомянуто выше, благодаря соединению через соединительный элемент размеры колебательного элемента не определяются излучательной поверхностью. Колебательный элемент предпочтительно представляет собой не только тонкий керамический элемент, но он имеет по направлению высоты удлинение сходного порядка величины, что и площадь его поперечного сечения. Колебательный элемент может быть также выполнен из нескольких отдельных слоев.
Предпочтительно соединительный элемент имеет часть, выполненную цилиндрической или в виде усеченного конуса. При этом возможные изменения геометрии соответствуют изменениям геометрии кармана.
Текучая среда предпочтительно представляет собой жидкость. С помощью врезного расходомера обычно измеряются скорости потока газов. В случае газов используются ультразвуковые частоты, которые также при обычной конструкции обеспечивают возможность реалистичного технологического применения колебательного элемента и действующего в качестве мембраны участка стенки трубопровода. Требования к конструкции обусловлены тем, что широкая характеристика излучения возможна лишь с излучательными поверхностями меньшими длины волны. Однако для жидкостей требуются более высокие частоты. В этом случае необходимо достичь излучательной поверхности менее 4 мм при остаточной толщине стенки и зазоре не более 500 мкм. Согласно изобретению эта проблема решается с помощью соединительного элемента и достигаемой посредством его независимости размеров колебательного элемента и излучательной поверхности или с помощью специального колебания на соединительном элементе.
Измерительное устройство предпочтительно имеет по меньшей мере два ультразвуковых преобразователя, расположенных напротив друг друга со смещением в направлении потока и с потоком между ними, и вычислительный блок, выполненный с возможностью обеспечивать обмен ультразвуковыми сигналами между ультразвуковыми преобразователями и определять скорость потока на основании разности времен прохождения ультразвука, испускаемого по потоку и против него и принимаемого снова. Таким образом, сначала определяют только один путь ультразвука. Однако с помощью дополнительных ультразвуковых преобразователей можно обеспечить дополнительные пути ультразвука, чтобы более точно регистрировать неоднородный или возмущенный поток. Примером альтернативного принципа измерения является способ с использованием эффекта Доплера.
Способ согласно изобретению может быть дополнительно модифицирован сходным образом и обладать при этом сходными преимуществами. Такие предпочтительные признаки являются иллюстративными, при этом они не ограничены зависимыми пунктами формулы изобретения, зависящими от независимых пунктов.
Изобретение описано более подробно ниже также в отношении его дополнительных признаков и преимуществ посредством примеров с помощью вариантов его осуществления и со ссылками на прилагаемые чертежи. На чертежах показаны:
фиг. 1 - вид в продольном разрезе измерительного устройства для определения скорости потока с ультразвуковыми преобразователями;
фиг. 2 - детальный вид области ультразвукового преобразователя с фиг. 1;
фиг. - 3 схематическое трехмерное изображение колебания колебательного элемента ультразвукового преобразователя;
фиг. - 4 трехмерный внутренний вид кармана для ультразвукового преобразователя в стенке трубы;
фиг. 5 - внешний вид кармана для ультразвукового преобразователя в стенке трубы;
фиг. 6 - детальный вид ультразвукового преобразователя, сходного с фиг. 2, для варианта геометрии кармана.
На фиг. 1 показан упрощенный вид в продольном разрезе измерительного устройства 10 для определения скорости потока или вычисляемого на ее основании расхода текучей среды 12 в трубообразном трубопроводе 14, текущей в направлении, обозначенном стрелкой 16. Определение скорости потока осуществляется, например, с помощью описанного выше способа, основанного на разности времен прохождения, посредством оценки времен прохождения при испускании и получении ультразвуковых сигналов между парой ультразвуковых преобразователей 18а-b по потоку и против него в управляющем и вычислительном блоке. На фиг. 1 сам управляющий и вычислительный блок не показан, а только обозначен с помощью своих выводов 20а-b к ультразвуковому преобразователю 18а-b. В других вариантах осуществления количество ультразвуковых преобразователей 20а-b может варьироваться.
Трубопровод 14 образует измерительный элемент измерительного устройства 10 в области ультразвукового измерения. Изображение выбрано так, что как если бы этот измерительный элемент был интегральной составной частью имеющегося трубопровода 14. Принципиально это возможно, однако на практике измерительное устройство 10 изготавливается со своим собственным измерительным элементом, который после установки заменяет соответствующий участок имеющегося трубопровода и для этого, например, встраивается на обеих сторонах с помощью фланцевых соединений.
Ультразвуковые преобразователи 18а-b встроены в стенку 22 трубопровода 14. Это в основном соответствует описанной выше врезной установке, однако с использованием концепции преобразователя согласно изобретению, которая подробнее описывается ниже со ссылками на фиг. 2-6. Ультразвуковые преобразователи 18а-b поддерживаются снаружи с помощью держателя 24 преобразователя. В этом иллюстративном варианте осуществления в области измерительного элемента трубопровод 14 или держатель 24 преобразователя окружен полностью снаружи корпусом или облицовочной трубой 26.
Как показано линиями 28 распространения звука, направление излучения или облучения ультразвуковых преобразователей 18а-b перпендикулярно средней линии трубопровода 14. Однако, для получения осевого смещения обоих ультразвуковых преобразователей 18а-b и, таким образом, измерительного эффекта в способе, основанном на разности времен прохождения, необходима широкая характеристика излучения, составляющая, например, более 20°. В случая высокой частоты ультразвука, в частности в килогерцовом диапазоне с большими значениями или даже мегагерцевом диапазоне, это означает применение излучательной плоскости, диаметр которой составляет по порядку величины только один миллиметр.
Вместо двух ультразвуковых преобразователей 18а-b в конструктивной реализации с несколькими путями в измерительном устройстве 10 могут использоваться несколько пар ультразвуковых преобразователей, определяющих между собой множество измерительных путей. В таком счетчике с несколькими путями, имеющем несколько измерительных путей, смещенных относительно друг друга и относительно оси трубы, возможно более точное измерение в случае неравномерного потока или помех. Счетчик с одним путем неявно требует однородного потока, который может быть измерен с помощью единственного пути, или он измеряет с его помощью только первое приближение сложного потока.
На фиг. 2 показан увеличенный вид области ультразвукового преобразователя 18а в стенке 22 трубопровода для более точной иллюстрации улучшения и упрощения принципа преобразователя согласно изобретению. В стенке 22 трубопровода выполнена полость или карман 30, закрытый снаружи с помощью держателя 24 преобразователя. Внутри в области кармана 30 от стенки 22 трубопровода остается тонкостенный участок 32, который в то же время служит в качестве мембраны ультразвукового преобразователя 18а и приводится в колебание колебательным элементом 34, например, пьезоэлектрическим элементом, для излучения ультразвукового сигнала, или, наоборот, он приводится в колебание при попадании ультразвукового сигнала из внутренней части трубопровода 14 на участок 32 колебательного элемента 34. Тонкостенный участок 32 остается достаточно устойчивым, чтобы выдерживать ожидаемое внутреннее давление трубопровода. Стенка 22 трубопровода образует монолитную внутреннюю поверхность без углублений или выступов, которые могли бы возмущать поток или на которых могли бы образовываться отложения.
Колебательный элемент 34 установлен не непосредственно на участке 32, действующем в качестве мембраны. Напротив, между ними расположен соединительный элемент 36, площадь поперечного сечения которого заметно меньше площади участка 32 и колебательного элемента 34. Колебательный элемент 34 может быть выполнен в виде пьезоэлектрического элемента, устанавливаемого непосредственно на соединительный элемент 36. Возможно как непосредственное соединение между колебательным элементом 34 и соединительным элементом 36, так и использование дополнительного соединительного материала. Кроме того, соединение может быть выполнено только посредством сцепления с силовым замыканием, например, посредством защемляющего усилия сверху, а также посредством приклеивания или спаивания.
Соединительный элемент 36, напротив, предпочтительно представляет собой интегральный компонент стенки 22 трубопровода, так что отпадает необходимость в дополнительных контактных участках. Для этого карман 30 и соединительный элемент 36 предпочтительно выполняются вместе в эффективном процессе изготовления, при этом соединительный элемент 36 оставляется по существу в стоячем положении. Однако, вопреки предвидимым недостаткам в отношении передачи звука и механической прочности не следует исключать возможности закрепления соединительного элемента 36 в виде отдельного элемента на нижней части кармана 30 на участке 32. Снаружи колебательный элемент упруго удерживается на держателе 24 стенки, что показано с помощью пружины 38. Пружина 38 может быть заменена на практике, например, слоем эластомера. Усилие пружины 38 также может образовывать или стабилизировать соединение между колебательным элементом 34 и соединительным элементом 36.
Соединительный элемент 36 обеспечивает возможность применения пластинки преобразователя или излучательной поверхности с малым диаметром при одновременном использовании большего колебательного элемента 34. Посредством соединительного элемента 36 возможные размеры колебательного элемента 34 и излучательной поверхности становятся независимыми друг от друга. Больший колебательный элемент 34 предпочтителен в функциональном отношении как для выбора частот, так и для достижения необходимой чувствительности. Как уже упомянуто выше в нескольких местах, для широкой характеристики излучения как раз при высоких частотах требуется малая излучательная поверхность. Посредством соединительного элемента 36 эти изначально противоречивые требования могут быть удовлетворены одновременно.
На фиг. 3 отдельно показано схематическое трехмерное изображение колебательного элемента 34 для объяснения режима его колебаний. Следует понимать, что как конкретная прямоугольная или кубовидная геометрия колебательного элемента 34, так и конкретная деформация вследствие колебания приведены в качестве примера. Колебательный элемент 34, вследствие крепления на соединительном элементе лишь на малой площади и его геометрического удлинения в направлении высоты и в боковом направлении, выполняет при эксплуатации особое колебание, которое образно называется колебанием подушки, так как оно напоминает усиленно встряхиваемую подушку под голову. Это может трактоваться как объемный резонанс. В то время как колебательный элемент 34 становится короче в продольном рабочем положении - на фиг. 3 в направлении высоты - он утолщается в поперечном направлении по всем сторонам. Вследствие блочной геометрии это особенно выражено на боковых ребрах. Укорочение в продольном направлении также не является равномерным, оно ярко выражено посередине, в то время как углы движутся меньше. Это колебание передается через соединительный элемент 36 на мембрану или участок 32, или наоборот при поступающем ультразвуке мембрана приводит колебательный элемент 34 в колебание через соединительный элемент 36.
Колебательный элемент 34 предпочтительно работает в диапазоне частот от нескольких сотен кГц до нескольких МГц, при этом этот принцип также действует в диапазоне от нескольких кГц до по меньшей мере десяти МГц. Конкретные используемые частоты определяются геометрией и материалом, так что это учитывается при конструктивной реализации колебательного элемента 34. Колебательный элемент 34 предпочтительно приводится в действие на одной из своих резонансных частот, при этом соединительный элемент 36 - на своей резонансной частоте или ниже своей резонансной частоты. Также может избирательно использоваться резонансная частота участка 32.
На фиг. 4 показан трехмерный вид в разрезе кармана 30 с соединительным элементом 36. Карман 30 выполнен в верхней области цилиндрическим и сужается вовнутрь благодаря форме усеченного конуса. Благодаря этому внутренний контур уменьшается в направлении участка 32, имеющего при этом меньшую площадь, чем поперечное сечение в верхней области кармана 30, которая в частности благодаря соединительному элементу 36 также может быть меньше колебательного элемента 34. Соединительный элемент 36 выполнен цилиндрическим в этом варианте осуществления. На фиг. 5 показана фотография стенки 22 трубопровода с подготовленным карманом 30 и соединительным элементом 36.
На фиг. 6 показан вид в продольном разрезе измерительного устройства 10 в области ультразвукового преобразователя 18а, сходного с фиг. 2, но с другой геометрией кармана 30. Тогда как выше карман 30 конусообразно сужается к участку 30, на фиг. 6 показана ступенчатая конфигурация кармана с большим диаметром цилиндра в области колебательного элемента 34 и с меньшим диаметром цилиндра в области соединительного элемента 36. Это всего лишь примеры геометрии кармана. Карман 30 также может быть выполнен цилиндрическим без уменьшения поперечного сечения, с большим количеством ступенек, с другими комбинациями цилиндрических и конусообразных участков, или с другими геометриями. Соответственно это также полностью справедливо для соединительного элемента 36, однако при этом сохраняется требование, чтобы площадь поперечного сечения была заметно меньшей по отношению к колебательному элементу 34. Для колебательного элемента 34 может рассматриваться форма кубика, прямоугольного параллелепипеда или цилиндра.