УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОГЛАСОВАНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ СИГНАЛОВ
ULTRASONIC SIGNAL COUPLER

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0001] Настоящее изобретение в целом относится к измерению ультразвукового потока, а более конкретно к узлу для согласования ультразвуковых сигналов (далее - согласующему узлу), применяемому при измерении потока.
[0002] Измерители ультразвукового потока используются для определения скорости потока различных текучих сред (например, жидкостей, газов и т.д.) и комбинаций различных текучих сред, протекающих через трубы различных размеров и форм. В измерителе ультразвукового потока одного типа используется способ, основанный на времени распространения. В этом способе используют одну или несколько пар ультразвуковых преобразователей, прикрепленных к наружной поверхности стенки трубы и расположенных выше и ниже по потоку друг от друга. Каждый из преобразователей при подаче на него питания передает ультразвуковой сигнал через протекающую текучую среду, который детектируется другим ультразвуковым преобразователем указанной пары. Скорость текучей среды, протекающей в трубе, может быть вычислена как функция дифференциального времени распространения ультразвуковых сигналов между (1) ультразвуковым сигналом, проходящим вверх против направления потока текучей среды от расположенного ниже по потоку ультразвукового преобразователя к расположенному выше по потоку ультразвуковому преобразователю, и (2) сигналом, проходящим вниз с направлением потока текучей среды от расположенного выше по потоку ультразвукового преобразователя к расположенному ниже по потоку ультразвуковому преобразователю.
[0003] Пара(ы) преобразователей может(гут) быть установлена(ы) на трубе в различных относительных местах, например пары преобразователей могут быть расположены на противоположных сторонах трубы, т.е. диаметрально противоположно, так что прямая линия, соединяющая преобразователи, проходит через ось трубы, или они могут быть расположены рядом друг с другом на одной и той же стороне трубы. В диаметральном примере ультразвуковой сигнал, передаваемый от одного из преобразователей пары преобразователей, не отражается от внутренней поверхности трубы, прежде чем он детектируется другим преобразователем пары. В последнем примере соседних преобразователей ультразвуковой сигнал, передаваемый от одного из преобразователей пары, отражается от внутренней поверхности трубы, прежде чем он детектируется другим преобразователем пары.
[0004] В некоторых применениях трубы, к которым присоединены ультразвуковые расходомеры, переносят текучие среды так, что стенки труб достигают относительно высоких температур, или трубы могут переносить текучие среды так, что стенки труб достигают относительно низких температур. Ультразвуковой преобразователь, постоянно подверженный воздействию экстремальных или изменяющихся температур, испытывает тепловые напряжения, снижающие срок службы преобразователя. Согласующее устройство, расположенное между преобразователем и трубой, помогает предотвратить повреждения пьезоэлектрического материала экстремальными температурами. Качество сигнала может снижаться из-за плохой акустической связи между согласующим устройством и стенкой трубы, вызванной, например, использованием ручных способов временного крепления, или старением пьезоэлектрического материала в преобразователе, вызванным воздействием неблагоприятных условий, таких как экстремальные температуры. Измерения скоростей потока текучей среды через трубы включают измерение толщины трубы, скорости ультразвуковых сигналов, проходящих через трубу, внутреннего диаметра трубы и скорости ультразвуковых сигналов, проходящих через текучие среды в трубе. Поскольку скорости ультразвуковых сигналов, проходящих через эти материалы (трубу и текучую среду), различны, результаты таких измерений могут быть поставлены под сомнение, если труба подвержена коррозии, которая уменьшает толщину трубы. Измерения прохождения ультразвукового сигнала во времени по такой трубе могут быть ошибочно отнесены к времени прохождения через трубу, когда, по сути, это следует отнести к времени прохождения через текучую среду, и поэтому могут искажать вычисления скорости потока текучей среды.
[0005] Обсуждение выше приведено лишь для общей информации и не предназначено для использования в качестве помощи в определении объема заявленного объекта изобретения.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0006] Описан узел для согласования ультразвуковых сигналов или согласующий узел, содержащий ультразвуковые преобразователи, прикрепленные к одному или нескольким устройствам для согласования ультразвуковых сигналов (далее - согласующим устройствам), выполненным с возможностью соединения к наружной поверхности трубы. Высота согласующего устройства или устройств больше толщины трубы примерно в пять раз или более, а длина согласующего устройства или устройств больше высоты согласующего устройства или устройств. Преимущества некоторых раскрытых вариантов выполнения согласующего узла, которые могут быть реализованы на практике, включают эффективное утолщение стенки трубы таким образом, что коррозионное истончение стенки трубы не уменьшает точность измерения скорости потока, изоляцию ультразвуковых преобразователей от экстремальных температур и упрощение совмещения и установки согласующего устройства в хордальных местах на трубе.
[0007] В одном варианте выполнения согласующий узел содержит первое согласующее устройство, выполненное с возможностью соединения с наружной поверхностью трубы в первом месте. Согласующее устройство имеет первый размер, который больше толщины труб по меньшей мере в пять раз, и второй размер, поперечный первому размеру, который больше, чем первый размер. Первый ультразвуковой преобразователь прикреплен к первому согласующему устройству. Второе согласующее устройство выполнено с возможностью присоединения к наружной поверхности трубы во втором месте. Второе согласующее устройство имеет первый размер, который больше толщины трубы приблизительно в пять раз или больше, и второй размер, поперечный первому размеру, который больше, чем первый размер. Второй ультразвуковой преобразователь прикреплен к второму согласующему устройству.
[0008] В другом варианте выполнения согласующий узел содержит согласующее устройство, имеющее верхнюю сторону и нижнюю сторону. Нижняя сторона выполнена с возможностью присоединения к наружной поверхности трубы. Верхняя сторона имеет по меньшей мере один присоединенный к ней ультразвуковой преобразователь. Первый размер согласующего устройства больше толщины трубы по меньшей мере в пять раз, а длина нижней стороны больше, чем первый размер.
[0009] В другом варианте выполнения система для согласования ультразвуковых сигналов содержит несколько пар согласующих устройств. Первая сторона каждого согласующего устройства выполнена с возможностью присоединения к наружной поверхности трубы. К второй стороне согласующего устройства присоединено несколько ультразвуковых преобразователей. Ультразвуковые преобразователи, которые соединены с парными согласующими устройствами, выполнены с возможностью излучения и приема ультразвуковых сигналов друг от друга. Расстояние между первой и второй сторонами согласующего устройства меньше длины первой стороны.
[0010] Это краткое описание изобретения предназначено только для предоставления краткого обзора изобретения, раскрытого в настоящем документе, в соответствии с одним или несколькими иллюстративными вариантами выполнения и не служит в качестве руководства для интерпретации формулы изобретения, или определения, или ограничения объема изобретения, который определяется только прилагаемой формулой изобретения. Сущность изобретения приведена для введения иллюстративного выбора концепций в упрощенной форме, которые дополнительно описаны ниже в подробном описании. Эта сущность изобретения не предназначена ни для определения ключевых или существенных признаков заявленного объекта изобретения, ни для использования в качестве помощи в определении объема заявленного предмета изобретения. Заявленное изобретение не ограничивается реализациями, которые решают любые или все недостатки, отмеченные в разделе «Предпосылки Создания Изобретения».
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0011] Для того чтобы обеспечить понимание признаков изобретения, подробное описание изобретения может быть приведено со ссылкой на некоторые варианты выполнения, некоторые из которых проиллюстрированы на прилагаемых чертежах. Следует отметить, однако, что чертежи иллюстрируют только конкретные варианты выполнения изобретения и поэтому не должны рассматриваться как ограничивающие его объем, причем объем изобретения охватывает другие в равной степени эффективные варианты выполнения. Чертежи не обязательно выполнены в масштабе, при этом акцент, как правило, делается на иллюстрацию признаков конкретных вариантах выполнения настоящего изобретения. На чертежах одинаковые номера позиций используются для обозначения аналогичных частей на различных видах. Таким образом, для дальнейшего понимания изобретения ссылка может быть сделана на последующее подробное описание, которое следует читать совместно с чертежами, на которых:
[0012] Фиг. 1 представляет собой вид спереди иллюстративной системы для согласования ультразвуковых сигналов;
[0013] Фиг. 2 представляет собой вид сбоку иллюстративной системы для согласования ультразвуковых сигналов, показанной на Фиг. 1.
[0014] Фиг. 3 представляет собой вид спереди иллюстративной диаметральной системы для согласования ультразвуковых сигналов.
[0015] Фиг. 4 представляет собой вид сбоку иллюстративной диаметральной системы для согласования ультразвуковых сигналов, показанной на Фиг. 3.
[0016] Фиг. 5 представляет собой вид спереди иллюстративной хордальной системы для согласования ультразвуковых сигналов.
[0017] Фиг. 6 представляет собой вид сбоку иллюстративной хордальной системы для согласования ультразвуковых сигналов, показанной на Фиг. 5 и
[0018] Фиг. 7 представляет собой вид сбоку иллюстративной комплексной хордальной системы для согласования ультразвуковых сигналов.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0019] Фиг. 1 и Фиг. 2 иллюстрируют соответственно, вид спереди и вид сбоку одного варианта выполнения согласующего узла 100, в котором ультразвуковые преобразователи 101, 103 прикреплены к согласующему устройству 102, которое, в свою очередь, прикреплено к трубе 120, переносящей текучую среду, протекающую слева направо в направлении 121, показанном на виде спереди на Фиг. 1. Каждый ультразвуковой преобразователь 101, 103 передает ультразвуковые сигналы, которые проходят вдоль соответствующего сегмента 151, 152, 153, 154 пути ультразвукового сигнала от каждого из ультразвуковых преобразователей 101, 103 к другому.
[0020] Каждый из преобразователей 101, 103 выполнен с возможностью излучения ультразвуковых сигналов и детектирования ультразвуковых сигналов. Например, когда преобразователь 101 излучает ультразвуковой сигнал, последний проходит вдоль соответствующего сегмента 151 пути ультразвукового сигнала через согласующее устройство 102 и трубу 120, затем преломляется вдоль соответствующего сегмента 152 пути ультразвукового сигнала текучей средой, проходящей через трубу 120, затем преломляется от внутренней поверхности 122 трубы 120 вдоль соответствующего сегмента 153 пути ультразвукового сигнала, затем преломляется трубой 120 вдоль соответствующего сегмента 154 пути ультразвукового сигнала через трубу 120 и согласующее устройство 102, в результате чего ультразвуковой сигнал, излученный преобразователем 101, детектируется преобразователем 103.
[0021] Аналогично, когда ультразвуковой преобразователь 103 излучает ультразвуковой сигнал, он проходит вдоль соответствующего сегмента 154 пути ультразвукового сигнала через согласующее устройство 102 и трубу 120, затем преломляется вдоль соответствующего сегмента 153 пути ультразвукового сигнала текучей средой, проходящей через трубу 120, затем отражается от внутренней поверхности 122 трубы 120 вдоль соответствующего сегмента 152 пути ультразвукового сигнала, затем преломляется трубой 120 вдоль соответствующего сегмента 151 пути ультразвукового сигнала через трубу 120 и согласующее устройство 102, в результате чего ультразвуковой сигнал, излучаемый преобразователем 103, детектируется преобразователем 101. В одном варианте выполнения согласующее устройство 102 приваривают для обеспечения акустического контакта высокого качества между согласующим устройством 102 и трубой 120. В другом варианте выполнения согласующее устройство 102 устанавливают на трубе 120 с помощью зажимов. В любом из этих вариантов выполнения согласующее устройство 102 может быть изготовлено из того же самого материала, что и труба 120, или из другого материала. Согласующее устройство 102 может быть выполнено с трубой 120 как одно целое с использованием того же самого материала, что и труба 120, в процессе изготовления на основе экструзии, или оно может быть отформовано в трубу 120, используя тот же самый материал, что и труба, в процессе изготовления отливкой в форму.
[0022] В варианте выполнения, показанном на Фиг. 1 и Фиг. 2, согласующее устройство 102 прямоугольной формы имеет верхнюю поверхность 142 и нижнюю поверхность 144 и высоту 105, измеряемую по линии, перпендикулярной верхней поверхности 142 и нижней поверхности 144 согласующего устройства 102. Согласующее устройство 102 не ограничивается прямоугольной формой, как показано на Фиг. 1-2, а также может иметь ромбовидную или трапециевидную форму. В одном варианте выполнения, описанном в настоящем документе, верхняя поверхность 142 и нижняя поверхность 144 параллельны. Ультразвуковые преобразователи 101, 103 установлены на верхней поверхности 142 согласующего устройства 102. Согласующее устройство 102 также имеет длину 135 и ширину 115. Согласующее устройство 102 выровнено на наружной поверхности 140 трубы 120 вдоль своей длины 135, то есть длинная сторона его прямоугольной формы параллельна оси 123 трубы 120. В одном варианте выполнения нижняя поверхность 144 согласующего устройства 102, находящаяся в контакте с трубой 120, имеет форму, соответствующую кривизне трубы 120. В варианте выполнения, показанном на Фиг. 1 и Фиг. 2, ультразвуковые преобразователи 101, 103 расположены в соседней, одной и той же боковой конфигурации на одном согласующем устройстве 102. В одном варианте выполнения согласующее устройство 102 изготовлено из того же самого материала, что и труба 120, такого как углеродистая сталь, нержавеющая сталь или титан. Ультразвуковые преобразователи 101, 103 могут содержать ультразвуковые преобразователи продольных волн и ультразвуковые преобразователи поперечных волн. В варианте выполнения с поперечными волнами ультразвуковые преобразователи 101, 103 могут содержать ультразвуковые преобразователи, установленные на клине для создания преломления поперечной волны между материалом клина и согласующим устройством 102. В любом случае соответствующие сегменты 151 и 154 пути ультразвукового сигнала иллюстрируют ультразвуковые сигналы, излучаемые либо ультразвуковым преобразователем продольных волн, либо ультразвуковым преобразователем поперечных волн.
[0023] В одном варианте выполнения согласующее устройство 102 находится в контакте с трубой 120 по всей длине 135 согласующего устройства 102 для обеспечения акустического контакта высокого качества между согласующим устройством 102 и трубой 120. Увеличенная площадь контакта согласующего устройства 102 и трубы 120 повышает точность измерений скорости потока текучей среды. Толщина 125 трубы 120, как правило, находится в диапазоне от приблизительно 3 мм до 10 мм, а ширина 115 согласующего устройства 102 может варьироваться от приблизительно 6 мм до 13 мм. Каждый из ультразвуковых преобразователей 101, 103 электронными средствами соединен с системой обработки ультразвуковых сигналов (не показана), которая управляет ультразвуковыми сигналами, излучаемыми ультразвуковыми преобразователями 101, 103, и обрабатывает ультразвуковые сигналы, принимаемые ультразвуковыми преобразователями 101, 103. Временной интервал между излучением ультразвуковым преобразователем 101, излучающим ультразвуковой сигнал, и детектированием ультразвуковым преобразователем 103 ультразвукового сигнала, и наоборот, измеряется с помощью системы обработки ультразвуковых сигналов и упоминается в данном документе как измерение времени пролета.
[0024] Как описано выше, измеренное время пролета для ультразвукового сигнала, проходящего от ультразвукового преобразователя 101 к ультразвуковому преобразователю 103, будет меньше, чем измеренное время пролета для ультразвукового сигнала, проходящего от ультразвукового преобразователя 103 к ультразвуковому преобразователю 101, до тех пор, пока во время измерения времени пролета текучая среда перемещается по трубе 120 в направлении 121. Это происходит потому, что текучая среда, проходящая через трубу 120, представляет собой переносящую ультразвук среду. Таким образом, ультразвуковые сигналы, проходящие через текучую среду в направлении вниз по потоку, например от преобразователя 101 к преобразователю 103, проходят быстрее, чем ультразвуковые сигналы, проходящие через текучую среду в направлении вверх по потоку, например от преобразователя 103 к преобразователю 101. Система обработки ультразвуковых сигналов определяет это дифференциальное измеренное время пролета для определения скорости потока текучей среды через трубу 120 в направлении 121. Чем быстрее текучая среда протекает через трубу 120, тем детектируется большая временная разница. Между скоростью потока и величиной дифференциального измеренного времени пролета определяется точное соответствие и используется системой обработки ультразвуковых сигналов для определения скорости потока. Некоторые из факторов, которые влияют на измерение времени пролета, включают материалы, используемые для трубы 120 и согласующего устройства 102, физические размеры трубы 120 и согласующего устройства 102, и тип текучей среды, проходящей через трубу 120. В такой конфигурации, как показано на Фиг. 1 и Фиг. 2, преобразователи 101, 103 могут быть заменены путем демонтажа старого ультразвукового преобразователя и установки нового без необходимости отключения систем подачи текучей среды, которые используют трубу 120.
[0025] Толщина 125 трубы 120 может деградировать с течением времени из-за, например, коррозии внутренней поверхности 122. Такое утоньшение трубы 120 может повлиять на чувствительность ультразвуковых измерений скорости потока текучей среды, поскольку ультразвуковые сигналы движутся с разными скоростями через материал трубы и через текучую среду в трубе, как описано выше. Например, эффект толщины 125 трубы на время прохождения пропорционален толщине 125 трубы, поделенной на высоту 105 согласующего устройства 102. Таким образом, соотношение толщины 125 трубы и высоты 105 согласующего устройства должно быть сведено к минимуму до такой степени, чтобы изменения в толщине 125 трубы не влияли существенно на измерения скорости потока. Таким образом, высота 105 согласующего устройства 102 предусмотрительно выполнена большей, чем толщина трубы 125, чтобы свести к минимуму влияние коррозии трубы на измерения времени прохождения ультразвукового сигнала, проходящего между преобразователями 101, 103. Высота 105 согласующего устройства может быть предварительно выбрана такой, чтобы быть больше толщины 125 трубы, например от приблизительно 5 до приблизительно 15 раз. Это позволяет уменьшить влияние коррозии в трубе 120 на измерение скорости потока в такой же пропорции (от приблизительно 5 до приблизительно 15 раз) по сравнению с конфигурацией измерения скорости потока без согласующего устройства 102. Основным преимуществом согласующего устройства 102 является возможность приваривания его к трубе 120 для увеличения эффективной толщины трубы 120 в отношении измерений ультразвуковой скорости потока.
[0026] Фиг. 3 и Фиг. 4 иллюстрируют соответственно вид спереди и вид сбоку одного варианта выполнения согласующего узла 200, в котором каждый ультразвуковой преобразователь 201, 203 прикреплен к отдельному согласующему устройству, соответственно 202, 204, который, в свою очередь, прикреплен к трубе 220, переносящей текучую среду в направлении 221, показанную как проходящую слева направо на виде спереди, изображенном на Фиг. 3. Каждый преобразователь 201, 203 передает ультразвуковые сигналы, которые проходят вдоль соответствующего пути ультразвукового сигнала, содержащего сегменты 251, 252, 254, от каждого из преобразователей 201, 203 к другому. Каждый преобразователь 201, 203 выполнен с возможностью излучения ультразвуковых сигналов и детектирования ультразвуковых сигналов.
[0027] Например, когда преобразователь 201 излучает ультразвуковой сигнал, последний проходит вдоль соответствующего сегмента 251 пути ультразвукового сигнала через согласующее устройство 202 и трубу 220, затем преломляется вдоль соответствующего сегмента 252 пути ультразвукового сигнала текучей средой, проходящей через трубу 220, затем преломляется трубой 220 вдоль соответствующего сегмента 254 пути ультразвукового сигнала через трубу 220 и согласующее устройство 204, в результате чего ультразвуковой сигнал, излучаемый преобразователем 201, детектируется преобразователем 203. Аналогичным образом, когда преобразователь 203 излучает ультразвуковой сигнал, последний проходит вдоль соответствующего сегмента 254 пути ультразвукового сигнала через согласующее устройство 204 и трубу 220, затем преломляется вдоль соответствующего сегмента 252 пути ультразвукового сигнала текучей средой, проходящей через трубу 220, затем преломляется трубой 220 вдоль соответствующего сегмента 251 пути ультразвукового сигнала через трубу 220 и согласующее устройство 202, в результате чего ультразвуковой сигнал, излучаемый преобразователем 203, детектируется преобразователем 201.
[0028] В одном варианте выполнения согласующие устройства 202, 204 приварены для обеспечения высокого качества акустического контакта между согласующими устройствами 202, 204 и трубой 220. Согласующие устройства 202, 204 также могут быть установлены на трубе 220 с помощью зажимов. В любом из этих вариантов выполнения согласующие устройства 202, 204 могут быть изготовлены из того же самого или другого материала, что и труба 220. Согласующие устройства могут быть выполнены в процессе изготовления на основе экструзии как одно целое с трубой 220 или они могут быть отформованы в процессе изготовления в трубу 220 отливкой в форму. В последних двух вариантах выполнения согласующие устройства 202, 204 выполнены из того же самого материала, что и труба 220. В некоторых применениях путь прямого детектирования, т.е. без отраженного пути, по сравнению с отраженным путем, показанным на Фиг. 1 и Фиг. 2, является предпочтительным, поскольку путь сигнала короче. Это предпочтение будет зависеть от диаметра трубы 220, т.е. расстояния, пройденного ультразвуковым сигналом, и от затухания ультразвукового сигнала в процессе прохождения такого пути, а также зависеть и от других факторов, таких как тип текучей среды, проходящей через трубу 220.
[0029] В варианте выполнения, показанном на Фиг. 3 и Фиг. 4, каждое согласующее устройства 202, 204 прямоугольной формы имеет верхнюю поверхность 242, нижнюю поверхность 244 и высоту 205, измеренную по линии, перпендикулярной как верхней поверхности 242, так и нижней поверхности 244 каждого согласующего устройства 202, 204. Согласующие устройства 202, 204 не ограничиваются прямоугольной формой или одинаковым размером, как показано в варианте выполнения на Фиг. 3-4, а также могут иметь ромбовидную или трапециевидную форму или разный размер. В одном варианте выполнения верхние поверхности 242 и нижние поверхности 244 параллельны. Ультразвуковые преобразователи 201, 203 установлены на верхней поверхности 242 согласующих устройств 202, 204. Каждое согласующее устройство 202, 204 также имеет длину 235 и ширину 215. Согласующие устройства 202, 204 находятся в контакте с трубой 220 вдоль всей своей длины 235 и выровнены на наружной поверхности 240 трубы 220 параллельно оси 223 трубы 220. В одном варианте выполнения нижние поверхности 244 согласующих устройств 202, 204, находящиеся в контакте с трубой 220, имеют форму, соответствующую кривизне трубы 220. Это обеспечивает высокое качество акустического контакта между согласующими устройствами 202, 204 и трубой 220. Увеличение площади контакта согласующих устройств 202, 204 и трубы 220 повышает точность измерений скорости потока текучей среды. Толщина 225 трубы 220, как правило, находится в диапазоне от приблизительно 3 мм до 10 мм, а ширина 215 согласующих устройство 202, 204 может варьироваться от приблизительно 6 мм до 13 мм.
[0030] В одном варианте выполнения согласующие устройства 202, 204 выполнены из того же самого материала, что и труба 220, такого как углеродистая сталь, нержавеющая сталь или титан. Ультразвуковые преобразователи 201, 203 могут содержать ультразвуковые преобразователи продольных волн и ультразвуковые преобразователи поперечных волн. Таким образом, преобразователи 201, 203 могут содержать ультразвуковые преобразователи, установленные на клине для индукции преломления поперечной волны между материалом клина и согласующими устройствами 202, 204. В любом случае соответствующие сегменты 251, 254 пути ультразвукового сигнала иллюстрируют передаваемые таким образом ультразвуковые сигналы. В варианте выполнения, показанном на Фиг. 3 и Фиг. 4, согласующие устройства 202, 204 расположены в диаметральной конфигурации с использованием двух согласующих устройств 202, 204. Таким образом, устройства 202, 204 отстоят друг от друга на 180°, как определяется углом, образованным средней точкой места, в котором согласующее устройство 202 контактирует с трубой 220, центральной осью 223 трубы и средней точкой места, в котором согласующее устройство 204 контактирует с трубой 220.
[0031] Каждый из ультразвуковых преобразователей 201, 203 электронными средствами соединен с системой обработки ультразвуковых сигналов (не показана), которая управляет ультразвуковыми сигналами, излучаемыми преобразователями 201, 203, и обрабатывает детектированные ультразвуковые сигналы, принимаемые преобразователями 201, 203. Измерение времени пролета между, например, преобразователем 201, излучающим ультразвуковой сигнал, и преобразователем 203, детектирующим ультразвуковой сигнал, и, наоборот, измеряется с помощью системы обработки ультразвуковых сигналов.
[0032] Как отмечено выше, измеренное время пролета для ультразвукового сигнала, проходящего от преобразователя 201 к преобразователю 203, будет меньше, чем измеренное время пролета для ультразвукового сигнала, проходящего от преобразователя 203 к преобразователю 201, до тех пор, пока во время измерения времени пролета текучая среда перемещается по трубе 220 в направлении 221. Это происходит потому, что текучая среда, проходящая через трубу 220, представляет собой переносящую ультразвук среду. Таким образом, ультразвуковые сигналы, проходящие через текучую среду в направлении вниз по потоку, например от преобразователя 201 к преобразователю 203, проходят быстрее, чем ультразвуковые сигналы, проходящие через текучую среду в направлении вверх по потоку, например от преобразователя 203 к преобразователю 201. Система обработки ультразвуковых сигналов определяет это дифференциальное измеренное время пролета для определения скорости потока текучей среды через трубу 220 в направлении 221. Чем быстрее текучая среда протекает через трубу 220, тем детектируется большая временная разница. Между скоростью потока и величиной дифференциального измеренного времени пролета определяется точное соответствие и используется системой обработки ультразвуковых сигналов для определения скорости потока. Некоторые из факторов, которые влияют на измерение времени пролета, включают используемые материалы и физические размеры трубы 220 и согласующих устройств 202, 204, а также тип текучей среды, проходящей через трубу 220. В конфигурации, показанной на Фиг. 3 и Фиг. 4, преобразователи 201, 203 могут быть заменены путем демонтажа старого ультразвукового преобразователя и установкой нового, без необходимости отключения систем подачи текучей среды, которые используют трубу 220.
[0033] Толщина 225 трубы 220 может деградировать с течением времени из-за, например, коррозии внутренней поверхности 222. Такое утоньшение трубы 220 может повлиять на результаты ультразвуковых измерений скорости потока текучей среды, поскольку ультразвуковые сигналы движутся с разными скоростями через материал трубы и через текучую среду в трубе, как описано выше. Например, эффект толщины 225 трубы на время прохождения пропорционален толщине 225 трубы, поделенной на высоту 205 (225/205) согласующих устройств 202, 204. Таким образом, соотношение толщины 225 трубы и высоты 205 согласующих устройств 202, 204 должно быть сведено к минимуму до такой степени, чтобы изменения в толщине 225 трубы не влияли существенно на измерения скорости потока. Таким образом, высота 205 согласующих устройств 202, 204 предусмотрительно выполнена большей, чем толщина 225 трубы 220, чтобы свести к минимуму влияние коррозии трубы на измерения времени прохождения ультразвукового сигнала, проходящего между ультразвуковыми преобразователями 201, 202. Высота 205 согласующих устройств 202, 204 может быть предварительно выбрана такой, чтобы быть больше толщины 225 трубы, например от приблизительно 5 до приблизительно 15 раз. Это позволяет уменьшить влияние коррозии в трубе 120 на измерение скорости потока в такой же пропорции (от приблизительно 5 до приблизительно 15 раз) по сравнению с конфигурацией измерения скорости потока без согласующих устройств 202, 204. Основным преимуществом согласующих устройств 202, 204 является возможность приваривания их к трубе 220 для увеличения эффективной толщины трубы 220 в отношении измерений ультразвуковой скорости потока.
[0034] Фиг. 5 и Фиг. 6 иллюстрируют соответственно вид спереди и вид сбоку одного варианта выполнения согласующего узла 300, в котором каждый ультразвуковой преобразователь 301, 303 прикреплен к отдельному согласующему устройству, соответственно 302, 304, которое, в свою очередь, прикреплено к трубе 320, переносящей текучую среду слева направо в направлении 321, показанном на виде спереди на Фиг. 5. Каждый ультразвуковой преобразователь 301, 303 передает ультразвуковые сигналы, которые проходят вдоль соответствующего пути ультразвукового сигнала, содержащего сегменты 351, 352, 354, от каждого из ультразвуковых преобразователей 301, 303 к другому. Каждый из ультразвуковых преобразователей 301, 303 выполнен с возможностью излучения ультразвуковых сигналов и детектирования ультразвуковых сигналов. Например, когда ультразвуковой преобразователь 301 излучает ультразвуковой сигнал, последний проходит вдоль соответствующего сегмента 351 пути ультразвукового сигнала через согласующее устройство 302 и трубу 320, затем преломляется вдоль соответствующего сегмента 352 пути ультразвукового сигнала текучей средой, проходящей через трубу 320, затем преломляется трубой 320 вдоль соответствующего сегмента 354 пути ультразвукового сигнала через трубу 320 и согласующее устройство 304, в результате чего ультразвуковой сигнал, излучаемый ультразвуковым преобразователем 301, детектируется ультразвуковым преобразователем 303.
[0035] Аналогичным образом, когда ультразвуковой преобразователь 303 излучает ультразвуковой сигнал, последний проходит вдоль соответствующего сегмента 354 пути ультразвукового сигнала через согласующее устройство 304 и трубу 320, затем преломляется вдоль соответствующего сегмента 352 пути ультразвукового сигнала текучей средой, проходящей через трубу 320, затем преломляется трубой 320 вдоль соответствующего сегмента 351 пути ультразвукового сигнала через трубу 320 и согласующее устройство 302, в результате чего ультразвуковой сигнал, излучаемый ультразвуковым преобразователем 303, детектируется с помощью ультразвукового преобразователя 301. В одном варианте выполнения согласующие устройства 302, 304 приварены для обеспечения высокого качества акустического контакта между согласующими устройствами 302, 304 и трубой 320. В другом варианте выполнения согласующие устройства 302, 304 установлены на трубе 320 с помощью зажимов. В любом из этих вариантов выполнения согласующие устройства 302, 304 могут быть изготовлены из того же самого или другого материала, что и труба 320. Согласующие устройства 302, 304 могут быть выполнены как одно целое с трубой 320 и могут быть изготовлены из того же самого материала, что и труба 320, в процессе изготовления на основе экструзии, или они могут быть отформованы в трубу 320, используя тот же самый материал, что и материал трубы, в процессе изготовления отливкой в форму.
[0036] В варианте выполнения, показанном на Фиг. 5 и Фиг. 6, каждое согласующее устройство 302, 304 прямоугольной формы имеет верхнюю поверхность 342, нижнюю поверхность 344 и высоту 305, измеряемую по линии, перпендикулярной как верхней поверхности 342, так и нижней поверхности 344 согласующих устройств 302, 304. Согласующие устройства 302, 304 не ограничиваются прямоугольной формой или одинаковым размером, как показано в варианте выполнения на Фиг. 5-6, а также могут иметь ромбовидную или трапециевидную форму или разный размер. В одном варианте выполнения верхние поверхности 342 и нижние поверхности 344 параллельны. Ультразвуковые преобразователи 301, 303 установлены на верхней поверхности 342 согласующих устройств 302, 304. Каждое согласующее устройство 302, 304 также имеет длину 335 и ширину 315. Согласующие устройства 302, 304 находятся в контакте с трубой 320 вдоль всей своей длины 335 и выровнены на наружной поверхности 340 трубы 320 параллельно оси 323 трубы 320. В одном варианте выполнения нижние поверхности 344 согласующих устройств 302, 304, находящиеся в контакте с трубой 320, имеют форму, соответствующую кривизне трубы 320. Это обеспечивает высокое качество акустического контакта между согласующими устройствами 302, 304 и трубой 320. Увеличенная площадь контакта согласующих устройство 302, 304 и трубы 320 повышает точность измерений скорости потока текучей среды. Толщина 325 трубы 320, как правило, находится в диапазоне от приблизительно 3 мм до 10 мм, а ширина 315 согласующих устройств 302, 304 может варьироваться от приблизительно 6 мм до 13 мм.
[0037] В одном варианте выполнения согласующие устройства 302, 304 выполнены из того же самого материала, что и труба 320, такого как углеродистая сталь, нержавеющая сталь или титан. Ультразвуковые преобразователи 301, 303 могут содержать ультразвуковые преобразователи продольных волн и ультразвуковые преобразователи поперечных волн. Таким образом, преобразователи 301, 303 могут содержать ультразвуковые преобразователи, установленные на клине для индукции преломления поперечной волны между материалом клина и согласующими устройствами 302, 304. В любом случае, соответствующие сегменты 351, 354 пути ультразвукового сигнала иллюстрируют передаваемые таким образом ультразвуковые сигналы. В варианте выполнения, показанном на Фиг. 5 и Фиг. 6, согласующие устройства 302, 304 расположены в хордальной конфигурации с использованием двух согласующих устройств 302, 304. Таким образом, согласующие устройства 302, 304 отстоят друг от друга менее чем на 180°, как определяется углом, образованным средней точкой места, в котором ультразвуковое согласующее устройство 302 контактирует с трубой 320, центральной осью 323 трубы, и средней точкой места, в котором согласующее устройство 304 контактирует с трубой 320.
[0038] Каждый из преобразователей 301, 303 электронными средствами соединен с системой обработки ультразвуковых сигналов (не показана), которая управляет ультразвуковыми сигналами, излучаемыми преобразователями 301, 303, и обрабатывает детектированные ультразвуковые сигналы, принимаемые преобразователями 301, 303. Измерение времени пролета между, например, преобразователем 301, излучающим ультразвуковой сигнал, и преобразователем 303, детектирующим ультразвуковой сигнал, и наоборот, выполняется с помощью системы обработки ультразвуковых сигналов.
[0039] Как отмечено выше, измеренное время пролета для ультразвукового сигнала, проходящего от преобразователя 301 к преобразователю 303, будет меньше, чем измеренное время пролета для ультразвукового сигнала, проходящего от преобразователя 303 к преобразователю 301, до тех пор пока во время измерения времени пролета текучая среда перемещается по трубе 320 в направлении 321. Это происходит потому, что текучая среда, проходящая через трубу 320, представляет собой переносящую ультразвук среду. Таким образом, ультразвуковые сигналы, проходящие через текучую среду в направлении вниз по потоку, например от преобразователя 301 к преобразователю 303, проходят быстрее, чем ультразвуковые сигналы, проходящие через текучую среду в направлении вверх по потоку, например от преобразователя 303 к преобразователю 301. Система обработки ультразвуковых сигналов определяет это дифференциальное измеренное время пролета для определения скорости потока текучей среды через трубу 320 в направлении 321. Чем быстрее текучая среда протекает через трубу 320, тем детектируется большая временная разница. Точное соответствие определяется между скоростью потока и величиной дифференциального измеренного времени пролета, и как используется системой обработки ультразвуковых сигналов для определения скорости потока. Некоторые из факторов, которые влияют на измерение времени пролета, включают используемые материалы и физические размеры трубы 320 и согласующих устройств 302, 304, и тип текучей среды, проходящей через трубу 320. В конфигурации, как показано на Фиг. 5 и Фиг. 6, преобразователи 301, 303 могут быть заменены путем демонтажа старого ультразвукового преобразователя и установкой нового, без необходимости отключения систем подачи текучей среды, которые используют трубу 320.
[0040] Толщина 325 трубы 320 может деградировать с течением времени из-за, например, коррозии внутренней поверхности 322. Такое утоньшение трубы 320 может повлиять на результаты ультразвуковых измерений скорости потока текучей среды, поскольку ультразвуковые сигналы движутся с разными скоростями через материал трубы и через текучую среду в трубе, как описано выше. Например, эффект толщины 325 трубы на время прохождения пропорционален толщине 325 трубы, поделенной на высоту 305 (325/305) согласующих устройств 302, 304. Таким образом, соотношение толщины 325 трубы и высоты 305 согласующих устройств 302, 304 должно быть сведено к минимуму до такой степени, чтобы изменения в толщине 325 трубы не влияли существенно на измерения скорости потока. Таким образом, высота 305 согласующих устройств 302, 304 предусмотрительно выполнена большей, чем толщина 325 трубы 320, чтобы свести к минимуму влияние коррозии трубы на измерения времени прохождения ультразвукового сигнала, проходящего между ультразвуковыми преобразователями 301, 302. Высота 305 согласующих устройств 302, 304 может быть предварительно выбрана такой, чтобы быть больше толщины 325 трубы, например от приблизительно 5 до приблизительно 15 раз. Это позволяет уменьшить величину ошибок, индуцированных при измерении скорости потока, вызванных коррозией, в такой же пропорции (от приблизительно 5 до приблизительно 15 раз), по сравнению с конфигурацией измерения скорости потока без согласующих устройств 302, 304. Одним из преимуществ согласующих устройств 302, 304 является возможность приваривания их к трубе 320 для увеличения эффективной толщины трубы 320 в отношении ультразвукового измерения скорости потока.
[0041] На Фиг. 7 изображен альтернативный вариант выполнения системы 400 ультразвукового измерения потока, в которой четыре пары ультразвуковых преобразователей/согласующих устройств 401 и 403, 405 и 407, 409 и 411, и 413 и 415, акустически соединены с трубой 420, при этом каждая пара преобразователей работает как описано выше со ссылкой на Фиг. 5 и Фиг. 6.
[0042] В свете вышеизложенного варианты выполнения настоящего изобретения служат для удаления ультразвукового преобразователя от неблагоприятных условий, вызванных изменением температуры, и увеличения эффективной толщины трубы, для измерения скорости потока текучей среды. Технический результат заключается в обеспечении неразрушающего контроля и точного измерения скорости потока текучей среды при экстремальных температурах и в коррозионных условиях.
[0043] Это описание для раскрытия изобретения использует примеры, в том числе наилучший режим, а также, чтобы обеспечить любому специалисту в данной области техники возможность использовать изобретение, в том числе создавать и использовать любые устройства или системы, и выполнять любые включенные способы. Патентоспособный объем изобретения определяется формулой изобретения и может включать другие примеры, которые придут на ум специалистам в данной области техники. Такие другие примеры предназначены находиться в пределах объема формулы изобретения, если они имеют конструктивные элементы, которые не отличаются от буквального изложения формулы изобретения, или если они включают эквивалентные конструктивные элементы с несущественными отличиями от буквального изложения формулы изобретения.