Регулировка частоты приемопередающего блока без прекращения потока текучей среды через расходометр

Авторы патента:


Регулировка частоты приемопередающего блока без прекращения потока текучей среды через расходометр
Регулировка частоты приемопередающего блока без прекращения потока текучей среды через расходометр
Регулировка частоты приемопередающего блока без прекращения потока текучей среды через расходометр
Регулировка частоты приемопередающего блока без прекращения потока текучей среды через расходометр
Регулировка частоты приемопередающего блока без прекращения потока текучей среды через расходометр
Регулировка частоты приемопередающего блока без прекращения потока текучей среды через расходометр
Регулировка частоты приемопередающего блока без прекращения потока текучей среды через расходометр
Регулировка частоты приемопередающего блока без прекращения потока текучей среды через расходометр
Регулировка частоты приемопередающего блока без прекращения потока текучей среды через расходометр
Регулировка частоты приемопередающего блока без прекращения потока текучей среды через расходометр
Регулировка частоты приемопередающего блока без прекращения потока текучей среды через расходометр
Регулировка частоты приемопередающего блока без прекращения потока текучей среды через расходометр
Регулировка частоты приемопередающего блока без прекращения потока текучей среды через расходометр
Регулировка частоты приемопередающего блока без прекращения потока текучей среды через расходометр
Регулировка частоты приемопередающего блока без прекращения потока текучей среды через расходометр
Регулировка частоты приемопередающего блока без прекращения потока текучей среды через расходометр

 


Владельцы патента RU 2530482:

ДЭНИЭЛ МЕЖЕМЕНТ ЭНД КОНТРОЛ, ИНК. (US)

Изобретения относятся к технике измерения расхода жидкости или газа. Способ включает этапы, выполняемые без прекращения потока текучей среды через расходомер, передачу ультразвукового сигнала первой частоты через указанную текучую среду; регулировку частоты с изменением первой частоты на вторую частоту и передачу другого ультразвукового сигнала второй частоты через указанную текучую среду, причем способ дополнительно включает использование одного общего акустического согласующего слоя для указанных ультразвукового сигнала и другого ультразвукового сигнала. Система содержит пьезоэлектрический элемент, выполненный с возможностью резонировать более чем на одной частоте; акустический согласующий слой, соединенный с пьезоэлектрическим элементом и выполненный с возможностью обеспечения согласования импеданса на каждой из указанной более чем одной частоты; возбуждающее устройство для одновременного возбуждения указанной более чем одной частоты с обеспечением одновременной выработки указанным элементом более чем одного сигнала; оценивающее устройство для оценки качества указанного более чем одного сигнала и выбирающее устройство для выбора, с использованием указанной оценки, одной частоты из указанной более чем одной частоты для ее возбуждения. Расходомер, содержащий пьезоэлектрический элемент, выполненный с возможностью резонировать на различных частотах; акустический согласующий слой, сопряженный с указанным элементом и выполненный с возможностью обеспечения согласования акустического импеданса на указанных различных частотах, причем пьезоэлектрический элемент испускает первый сигнал через текучую среду, проходящую через расходомер, и испускает другой сигнал вместо первого сигнала на основании оценки качества указанного первого сигнала, а указанные первый и другой сигналы имеют различные частоты. Технический результат заключается в повышении точности измерения расхода. 3 н. и 14 з.п. ф-лы, 16 ил., 1 табл.

 

[0001] Неприменимо.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] После извлечения углеводородов из земли поток текучей среды, например неочищенного или природного газа, транспортируют из одного места в другое по трубопроводам. Ультразвуковые расходомеры, которые присоединены к этим трубопроводам, могут использовать для определения различных характеристик потока текучей среды (например, количества или скорости текучей среды, текущей в потоке). В ультразвуковом расходомере ультразвуковые сигналы направляют в одну и другую сторону поперек потока исследуемой текучей среды, и на основании различных характеристик ультразвуковых сигналов может быть определен расход текучей среды.

[0003] Механизмы, которые повышают качество ультразвуковых сигналов, направляемых в текучую среду, могут повысить точность измерений. Кроме того, ультразвуковые расходомеры могут устанавливаться в агрессивных средах, и поэтому необходим механизм для уменьшения продолжительности технического обслуживания и, если возможно, улучшения рабочих характеристик.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0004] Далее приведено более подробное описание вариантов осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи, из которых

[0005] Фиг.1А - вид в вертикальном разрезе ультразвукового расходомера;

[0006] Фиг.1В - вид сбоку измерительной муфты, который иллюстрирует хордовые линии М, N, О и Р;

[0007] Фиг.1С - вид сверху измерительной муфты, содержащей пару приемопередающих блоков;

[0008] Фиг.2 иллюстрирует предлагаемое устройство согласно варианту осуществления;

[0009] Фиг.3 иллюстрирует перспективный вид в вертикальном разрезе корпуса приемопередающего блока согласно варианту осуществления;

[0010] Фиг.4 иллюстрирует вид сбоку в вертикальном разрезе корпуса приемопередающего блока согласно варианту осуществления;

[0011] Фиг.5 иллюстрирует собранный приемопередающий узел согласно варианту осуществления;

[0012] Фиг.6 иллюстрирует перспективный вид в вертикальном разрезе собранного приемопередающего узла согласно варианту осуществления;

[0013] Фиг.7А иллюстрирует перспективный вид передней поверхности пьезоэлектрического элемента согласно варианту осуществления;

[0014] Фиг.7В иллюстрирует перспективный вид задней поверхности пьезоэлектрического элемента согласно варианту осуществления;

[0015] Фиг.8 - блок-схема, иллюстрирующая способы замены приемопередающего узла согласно варианту осуществления;

[0016] Фиг.9А-9С содержат последовательность изображений, иллюстрирующих замену приемопередающего узла, когда текучая среда течет через расходомер, согласно варианту осуществления;

[0017] Фиг.9D схематично показывает приемопередающий узел, соединенный с электронной логикой, согласно варианту осуществления и

[0018] Фиг.10 показывает блок-схему, иллюстрирующую способ регулировки частоты сигнала, когда текучая среда течет через расходомер, согласно варианту осуществления.

ВЫРАЖЕНИЯ И ТЕРМИНЫ

[0019] Определенные термины используются в приведенных ниже описании и формуле изобретения для обозначения определенных компонентов системы. При этом может отсутствовать единство терминологии для названия компонентов, имеющих одинаковую функцию.

[0020] В приведенных ниже описании и формуле изобретения термины «включающий» и «содержащий» используются в расширительном смысле и поэтому должны истолковываться следующим образом: «включающий, без ограничения». Далее, термины «соединять» или «соединен» могут означать как прямое, так и непрямое соединение. Поэтому, если сказано, что первое устройство соединено со вторым устройством, то соединение может представлять собой либо прямое соединение, либо непрямое соединение через другие устройства и соединительные приспособления.

[0021] Под текучей средой понимается жидкость (например, неочищенная нефть или газолин) либо газ (например, метан).

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

[0022] Фиг.1А - вид в вертикальном разрезе примера ультразвукового расходомера 101. Измерительная муфта 100, подходящая для помещения между секциями трубопровода, служит корпусом расходомера 101. Измерительная муфта 100 имеет внутреннее пространство, которое служит каналом для течения исследуемой текучей среды и имеет предварительно определенный размер, который определяет измерительное сечение внутри расходомера. Текучая среда может течь в направлении 150 с распределением 152 скоростей. Векторы 153-158 скорости показывают, что скорость текучей среды в измерительной муфте 100 увеличивается по мере приближения к оси муфты.

[0023] Пара приемопередающих блоков 120 и 130 расположена на окружной поверхности измерительной муфты 100. Приемопередающие блоки 120 и 130 размещены в патрубках 125 и 135 соответственно. Положение приемопередающих блоков 120 и 130 может быть определено углом Θ, первой длиной L между приемопередающими блоками 120 и 130, второй длиной X, представляющей собой осевое расстояние между точками 140 и 145, и третьей длиной D, представляющей собой диаметр трубы. В большинстве случаев расстояния D, X и L точно определяют во время изготовления расходомера. Далее, приемопередающие блоки, такие как блоки 120 и 130, могут быть помещены на определенном расстоянии от точек 140 и 145, соответственно, независимо от размера расходомера (т.е. размера отрезка трубы). Хотя приемопередающие блоки изображены немного заглубленными, в альтернативных вариантах осуществления приемопередающие блоки проходят внутрь измерительной муфты.

[0024] Линия 110, иногда называемая хордой, проходит между приемопередающими блоками 120 и 130 под углом Θ к оси 105. Длина L хорды 110 - это расстояние между поверхностью приемопередающего блока 120 и поверхностью приемопередающего блока 130. Точки 140 и 145 определяют места, где акустические сигналы, генерируемые приемопередающими блоками 120 и 130, входят в текучую среду и выходят из текучей среды, которая течет через трубную секцию 100 (т.е. места входа во внутреннюю полость измерительной муфты).

[0025] Предпочтительно, приемопередающие блоки 120 и 130 представляют собой ультразвуковые приемопередающие блоки, т.е. они генерируют и принимают ультразвуковые сигналы. Термин «ультразвуковой сигнал» в данном контексте относится к акустическим сигналам, частота которых превышает приблизительно 20 кГц. Для генерации ультразвукового сигнала электрически воздействуют на пьезоэлектрический элемент, который отвечает на это воздействие вибрацией. Вибрация пьезоэлектрического элемента генерирует ультразвуковой сигнал, который проходит через текучую среду внутри измерительной муфты в соответствующий приемопередающий блок пары приемопередающих блоков. Аналогичным образом, под действием ультразвукового сигнала принимающий пьезоэлектрический элемент колеблется и генерирует электрический сигнал, который принимается, оцифровывается и анализируется электронной аппаратурой, связанной с расходомером. Сначала расположенный ниже по течению приемопередающий блок 120 генерирует ультразвуковой сигнал, который затем принимается расположенным выше по течению приемопередающим блоком 130. Некоторое время спустя расположенный выше по течению приемопередающий блок 130 генерирует обратный ультразвуковой сигнал, который затем принимается расположенным ниже по течению приемопередающим блоком 120. Таким образом, приемопередающие блоки 120 и 130 «обмениваются» ультразвуковыми сигналами 115 вдоль хордовой линии 110. При работе расходомера эта последовательность может выполняться тысячи раз в минуту.

[0026] Время прохождения ультразвукового сигнала 115 между приемопередающими блоками 120 и 130 зависит, в частности, от направления распространения ультразвукового сигнала 115 вверх или вниз по течению потока текучей среды. Время прохождения ультразвукового сигнала вниз по течению (т.е. в том же направлении, что и поток) меньше, чем время его прохождения вверх по течению (т.е. против потока). Время прохождения вверх по течению и время прохождения вниз по течению могут быть использованы для вычисления средней скорости потока вдоль пути сигнала и могут также быть использованы для вычисления скорости звука в текучей среде. Зная площадь поперечного сечения расходомера, несущего текучую среду, и предположительное распределение скоростей, можно использовать среднюю скорость потока через расходомер для нахождения объема текучей среды, текущей через расходомер 101.

[0027] Ультразвуковые расходомеры могут иметь одну или более пару приемопередающих блоков, соответствующих одной или более линиям. Фиг.1В показывает вид сбоку измерительной муфты, имеющей диаметр D. В этом варианте осуществления измерительная муфта 100 содержит четыре хордовые линии М, N, О и Р, которые проходят на разных уровнях через поток текучей среды. Каждая хордовая линия М-Р соответствует двум приемопередающим блокам, выступающим попеременно передатчиком и приемником. Также показана управляющая электроника 160, которая получает и обрабатывает данные, соответствующие четырем линиям М-Р. Четыре пары приемопередающих блоков, соответствующие линиям М-Р на фиг.1В, не видны.

[0028] Точное расположение четырех пар приемопередающих блоков можно лучше понять с помощью фиг.1С. В некоторых вариантах осуществления четыре пары патрубков для приемопередающих блоков установлены на измерительной муфте 100. Каждая пара патрубков для приемопередающих блоков соответствует одной хордовой линии из фиг.1В. Первая пара патрубков 125 и 135 для приемопередающих блоков вмещает приемопередающие блоки 120 и 130 (фиг.1А). Приемопередающие блоки установлены под углом Θ, отличным от 90°, к оси 105 измерительной муфты 100. Еще одна пара патрубков 165 и 175 (видны лишь частично) для приемопередающих блоков вмещает соответствующие приемопередающие блоки, так что соответствующая им хордовая линия образует перекрещивание наподобие буквы «X» с хордовой линией, соответствующей патрубкам 125 и 135 для приемопередающих блоков. Аналогичным образом, патрубки 185 и 195 для приемопередающих блоков могут быть помещены параллельно патрубкам 165 и 175 для приемопередающих блоков, но на другом «уровне» (т.е. на другой высоте в измерительной муфте). На фиг.1С явным образом не показана четвертая пара приемопередающих блоков и патрубков для приемопередающих блоков. Если рассматривать фиг.1В и 1С вместе, то понятно, что пары приемопередающих блоков расположены таким образом, что верхние две пары приемопередающих блоков соответствуют хордам М и N, а нижние две пары приемопередающих блоков соответствуют хордам О и Р. Скорость потока текучей среды может быть определена для каждой хорды М-Р для получения скоростей потока по хордам, а скорости потока по хордам могут быть совместно использованы для определения средней скорости потока во всей трубе. Хотя показаны четыре пары приемопередающих блоков, линии которых перекрещиваются наподобие буквы «X», может иметься больше или меньше четырех пар. Приемопередающие блоки также могут быть расположены в одной и той же плоскости или в какой-либо иной конфигурации.

[0029] Фиг.2 иллюстрирует узел 200, который соединяется с и/или устанавливается внутрь патрубков для приемопередающих блоков (например, патрубков 165, 175 из фигуры 1С). В частности, узел 200 содержит жгут 202 проводов, имеющий соединительный элемент 204 на его дальнем конце 205. Жгут 202 проводов и, в частности, соединительный элемент 204 соединяется с патрубком (не показано на фиг.2) для приемопередающего блока через контргайку 206 и корпус 208 приемопередающего блока. Приемопередающий узел 210 электрически соединяется с соединительным элементом 204 жгута 202 проводов, а следовательно, с электронной аппаратурой расходомера, через отверстие в контргайке 206. Приемопередающий узел 210 телескопически вкладывается в корпус 208 приемопередающего блока и удерживается, по меньшей мере частично, контргайкой 206. Когда приемопередающий узел 210 и корпус 208 приемопередающего блока соединены, пьезоэлектрический элемент 214 приемопередающего узла 210 акустически соединен с акустическим согласующим слоем 212. Корпус 208 приемопередающего блока и приемопередающий узел 210 будут описаны ниже по очереди.

[0030] Фиг.3 показывает перспективный вид в вертикальном разрезе корпуса 208 приемопередающего блока согласно раскрываемому варианту осуществления. Корпус 208 содержит ближний конец 318, дальний конец 302 и внутреннюю полость 310. Дальний конец 302 по меньшей мере частично закрыт акустическим согласующим слоем 212. Акустический согласующий слой 212 герметично закрывает дальний конец 302, а наружная сторона 314 акустического согласующего слоя 212 соприкасается с текучей средой, текущей через измерительную муфту/расходомер (фиг.1А-С). Резьба 306 на наружной поверхности корпуса 208 приемопередающего блока позволяет соединить корпус 208 с измерительной муфтой (фиг.1А-С), а уплотнительные кольца 308 плотно соединяют корпус 208 с патрубком для приемопередающего блока (фиг.1А-С). В альтернативных вариантах осуществления корпус 208 приемопередающего блока приваривается к патрубку для приемопередающего блока (фиг.1А-С) измерительной муфты.

[0031] В некоторых вариантах осуществления корпус 208 приемопередающего блока выполнен из металла, такого как низкоуглеродистая нержавеющая сталь. В альтернативных вариантах осуществления может также быть использован любой материал, способный выдерживать давление текучей среды внутри расходомера, такой как пластмассы высокой плотности или композитные материалы. В некоторых вариантах осуществления толщина стенки корпуса 208 приемопередающего блока выбрана таким образом, чтобы эта стенка немного сжималась под действием разности давлений между текучей средой в расходомере и внутренней полостью 310. Сжатие стенок корпуса 208 приемопередающего блока в этих вариантах осуществления способствует удержанию акустического согласующего слоя 212. Например, стенка позади акустического согласующего слоя немного отклоняется внутрь, и меньший внутренний диаметр обеспечивает поддержку акустического согласующего слоя для предотвращения его продольного перемещения, вызванного усилиями давления текучей среды внутри расходомера. Кроме того, во время процесса соединения акустического согласующего слоя 212 с корпусом 208 приемопередающего блока этот корпус 208 растягивают (в пределах упругости материала стенки) для введения акустического согласующего слоя 212.

[0032] Чтобы способствовать соединению акустического согласующего слоя 212 с корпусом 208 приемопередающего блока, в некоторых вариантах осуществления акустический согласующий слой 212 имеет мениск 304 вдоль края на внутренней стороне 312. Фигура 4 иллюстрирует вид сбоку в вертикальном разрезе корпуса 208 приемопередающего блока, где более наглядно показан мениск 304 согласно варианту осуществления. В частности, мениск 304 акустического согласующего слоя 212 увеличивает область контакта между стенкой корпуса приемопередающего блока и акустическим согласующим слоем 212, но, предпочтительно, оставляет достаточную область поверхности на внутренней стороне 312 акустического согласующего слоя 212 для возможности акустического соединения с пьезоэлектрическим элементом приемопередающего узла (не показан на фигуре 4). Иными словами, приемопередающий узел 210 обеспечивает пространство для мениска 304, так что мениск 304 гарантированно не мешает соединению пьезоэлектрического элемента с акустическим согласующим слоем 212.

[0033] Материалом акустического согласующего слоя 212 является один или более материал из следующей группы: стекло; керамика; пластик; стеклонаполненный пластик; наполненный углеродным волокном пластик. В то время как в некоторых вариантах осуществления в качестве акустического согласующего слоя используется 100% стекло, в альтернативных вариантах осуществления используется пластик с содержанием стекла 30% или меньше. Вне зависимости от материала акустического согласующего слоя, акустический согласующий слой 212 обеспечивает акустическое соединение между пьезоэлектрическим элементом 214 и текучей средой в расходомере. Согласно некоторым вариантам осуществления, раскрываемым в настоящем документе, акустический согласующий слой обладает акустическим импедансом, величина которого находится между акустическим импедансом пьезоэлектрического элемента 214 и акустическим импедансом текучей среды внутри расходомера. Когда величина акустического импеданса акустического согласующего слоя находится между акустическим импедансом пьезоэлектрического элемента и акустическим импедансом текучей среды в расходомере, качество ультразвукового сигнала повышается (например, увеличивается амплитуда и уменьшается время нарастания сигнала). Стекло является предпочтительным материалом для акустического согласующего слоя, поскольку оно имеет требуемый акустический импеданс для обеспечения хорошего акустического соединения и при этом является достаточно прочным для выдерживания давления текучей среды, находящейся внутри расходомера, так что пьезоэлектрический элемент может быть изолирован от текучей среды, находящейся внутри расходомера. Для сравнения, акустический импеданс акустического согласующего слоя, состоящего, по существу, из нержавеющей стали, больше, чем акустический импеданс пьезоэлектрического элемента, и поэтому обеспечивает худшее акустическое соединение. В некоторых вариантах осуществления акустический импеданс акустического согласующего слоя 212 находится в диапазоне между приблизительно 1 мегарейл и приблизительно 30 мегарейл или, альтернативно, между приблизительно 10 мегарейл и приблизительно 15 мегарейл.

[0034] Когда приемопередающий узел 210 введен в корпус 208 приемопередающего блока, пьезоэлектрический элемент 214 (фиг.2) приемопередающего узла 210 соединен с внутренней стороной 312 акустического согласующего слоя 212. Для обеспечения хорошего акустического соединения внутренняя сторона 312 и наружная сторона 314 акустического согласующего слоя 212 являются, по существу, плоскими и, по существу, параллельными друг другу. В некоторых вариантах осуществления эти поверхности являются плоскими с отклонением от плоскости 0,001 дюйма (0,025 мм) или менее и параллельными с отклонением от параллельности 0,003 дюйма (0,075 мм) или менее. Кроме того, приемопередающий узел 210 расположен таким образом, что пьезоэлектрический элемент 214 расположен по центру акустического согласующего слоя 212. Корпусы 208 приемопередающих блоков с акустическими согласующими слоями, описываемые в настоящем документе, могут быть приобретены у производящей их компании Dash Connector Technology of Spokane Washington.

[0035] Акустический согласующий слой 212 имеет толщину (вдоль оси, общей с осями остальных частей корпуса 208 приемопередатчика), которая в некоторых вариантах осуществления, по существу, является равной нечетному кратному четверти (1/4, 3/4, 5/4, 7/4 и т.д.) длины волны звука, генерируемого пьезоэлектрическим элементом 214. Например, рассмотрим пьезоэлектрический элемент 214, работающий на частоте 1 МГц, и акустический согласующий слой 212 со скоростью звука 5,000 м/с. Длина волны звука в акустическом согласующем слое равна приблизительно 0,197 дюйма (4,94 мм). В этом варианте осуществления акустический согласующий слой может иметь толщину 0,049, 0,148, 0,246, 0,344 и т.д. дюйма (1,23, 3,71, 6,17, 8,63 мм). Более тонкий акустический согласующий слой имеет лучшие акустические характеристики, но более толстый акустический согласующий слой позволяет корпусу 208 приемопередающего блока выдерживать более высокие давления. Выбор оптимальной толщины акустического согласующего слоя представляет собой выбор самого тонкого акустического согласующего слоя, который может выдерживать давления, ожидаемые внутри расходомера.

[0036] Для уменьшения электрических шумов и дублирования возбуждающего напряжения часто требуется электрически соединять пьезоэлектрический элемент дифференциально (речь об этом пойдет ниже), то есть часть пьезоэлектрического элемента, примыкающая к акустическому согласующему слою, может иметь электропроводящее покрытие. Если акустический согласующий слой является металлическим, то для электрической изоляции необходимо использовать между металлом и пьезоэлектрическим элементом 214 тонкий электрический изолятор. Для устранения этой необходимости в некоторых вариантах осуществления акустический согласующий слой 212 представляет собой электрический изолятор, тем самым уменьшая или устраняя необходимость в дополнительной электрической изоляции.

[0037] Теперь рассмотрим собранный приемопередающий узел 210. Фигура 5 иллюстрирует перспективный вид приемопередающего узла 210. Приемопередающий узел 210 содержит удлиненный наружный корпус 501, имеющий ось 505 (показана как ось X на фигуре 6), проходящую вдоль его длины. В некоторых вариантах осуществления удлиненный наружный корпус 501 содержит первую часть 500 и вторую часть 502, которые имеют общую ось 505. В этих вариантах осуществления вторая часть 502 телескопически соединена с первой частью 500, так что первая часть 500 и вторая часть 502 могут перемещаться относительно друг друга в осевом направлении. Далее, удлиненный наружный корпус 501 может иметь цилиндрическую форму, но могут также использоваться и другие формы.

[0038] В вариантах осуществления, где удлиненный наружный корпус 501 содержит первую часть 500 и вторую часть 502, наружный диаметр второй части 502 на содержащем пьезоэлектрический элемент, или дальнем, конце 518 является, по существу, таким же, что и первой части 500. Однако вторая часть 502 также содержит участок 520 меньшего диаметра, который телескопически сопряжен с внутренним диаметром первой части 500, т.е. имеет наружный диаметр, немного меньший, чем внутренний диаметр первой части 500. В некоторых вариантах осуществления длина сопряжения первой и второй частей 500 и 502 приблизительно равна наружному диаметру, но более длинные и более короткие сопряжения могут тоже быть использованы. Наружный диаметр удлиненного наружного корпуса 501 немного меньше, чем внутренний диаметр корпуса 208 приемопередающего блока, что позволяет гарантировать, что положение пьезоэлектрического элемента точно известно.

[0039] Согласно некоторым вариантам осуществления, вторая часть 502 выполнена из пластика (например, Ultem 1000). В этих вариантах осуществления осевая длина второй части 502 уменьшена (по сравнению с осевой длиной первой части 500, которая, предпочтительно, является металлической), поскольку меньшая длина снижает производственные затраты, а также потому, что при изготовлении из пластика вторая часть 502 имеет тенденцию к абсорбированию влаги и увеличению в объеме. Меньший размер второй части 502 позволяет удерживать увеличение в объеме в допустимых пределах для возможности извлечения приемопередающего узла 210 из корпуса 208 приемопередающего блока при увеличении в объеме.

[0040] Относительное вращательное и осевое перемещения первой и второй частей 500 и 502 ограничены стержнем 506, проходящим радиально от второй части 502 сквозь отверстие 504 в первой части 500. В некоторых вариантах осуществления используются три таких стержня и отверстия, но могут быть в равной степени использованы один стержень и одно отверстие, а также более трех стержней и отверстий. Альтернативно, вторая часть 502 может иметь такую конструкцию, что содержит выполненный составляющий с ней одно целое выступ, который взаимодействует с отверстием 504.

[0041] В то время как пьезоэлектрический элемент 214 присоединен к первому концу 503 удлиненного наружного корпуса 501 и по меньшей мере частично закрывает первый конец 503 удлиненного наружного корпуса 501, держатель 508 для электрических контактов присоединен ко второму концу 509 удлиненного наружного корпуса 501 и по меньшей мере частично закрывает второй конец 509 удлиненного наружного корпуса 501. Первая часть 500 удлиненного наружного корпуса 501 может содержать соединяющий ключ 514, который помогает обеспечить правильную ориентацию собранного приемопередающего узла для соединения с разъемом соединительного элемента 204. Держатель 508 для электрических контактов может содержать отверстие 515, сквозь которое проходит соединяющий ключ 514, предотвращая вращение держателя 508 для электрических контактов внутри удлиненного наружного корпуса 501. Кроме того, держатель 508 для электрических контактов может дополнительно содержать предотвращающий вращение паз 516, который, взаимодействуя с выступом на корпусе 208 приемопередатчика, удерживает собранный приемопередающий узел 210 от вращения в корпусе 208 приемопередающего блока. Второй конец 509 удлиненного наружного корпуса 501 имеет внутренний диаметр, обеспечивающий скольжение в малый наружный диаметр держателя 508 для электрических контактов. Держатель 508 для электрических контактов предпочтительно может быть выполнен из материала Ultem 1000, но также может быть использован любой другой жесткий неэлектропроводящий материал.

[0042] Фиг.6 иллюстрирует перспективный вид в вертикальном разрезе приемопередающего узла 210. По меньшей мере в некоторых вариантах осуществления пьезоэлектрический элемент 214 электрически изолирован от корпуса 208 приемопередающего блока, и поэтому по меньшей мере вторая часть 502 выполнена из жесткого неэлектропроводящего материала, о чем говорилось выше. Внутренний диаметр удлиненного наружного корпуса 501 и наружный диаметр пьезоэлектрического элемента 214 выбраны таким образом, что между приемопередающим узлом 210 и корпусом 208 приемопередающего блока имеется пространство, внутрь которого вводится приемопередающий узел 210. Это пространство служит для размещения мениска 304 (см. фиг.3 и 4) акустического согласующего слоя. Это пространство также обеспечивает место для избыточной жидкой или консистентной смазки, которую могут наносить на наружную поверхность пьезоэлектрического элемента 214 перед введением внутрь корпуса 208 приемопередающего блока для улучшения акустического соединения пьезоэлектрического элемента 214 и акустического согласующего слоя 212.

[0043] Упор 600 в удлиненном наружном корпусе 501 соединен с пьезоэлектрическим элементом 214 для предотвращения осевого перемещения пьезоэлектрического элемента, вызванного, например, усилиями, действующими, когда приемопередающий узел 210 установлен внутрь корпуса 208 приемопередающего блока. Пространство позади пьезоэлектрического элемента 214 содержит опорный согласующий слой 602 (например, из эпоксидной смолы, эпоксидной смолы с порошковым наполнителем, резины, резины с порошковым наполнителем), который выполняет несколько функций. Например, опорный согласующий слой соединяет пьезоэлектрический элемент 214 и один или более присоединенный к нему провод с удлиненным наружным корпусом 501. В частности, масса опорного согласующего слоя повышает акустическую мощность пьезоэлектрического элемента 214 путем уменьшения низкочастотных помех и расширения диапазона частот акустического сигнала. В некоторых вариантах осуществления длина заднего соединительного слоя (измеряемая вдоль оси удлиненного наружного корпуса) выбрана таким образом, что время прохождения ультразвукового сигнала в прямом и обратном направлении в опорном согласующем слое 602 больше, чем время измерения полученного сигнала. Например, если в качестве точки измерения принимают четвертое прохождение через ноль полученного сигнала, то время прохождения сигнала в опорном согласующем слое в прямом и обратном направлении должно быть, предпочтительно, больше двух циклов для средней частоты пьезоэлектрического элемента. Альтернативно, длина опорного согласующего слоя 602 находится в диапазоне от приблизительно 1 до приблизительно 9 длин звуковых волн в материале опорного согласующего слоя для средней частоты пьезоэлектрического элемента. Надлежащая длина гарантирует, что никакие отраженные акустические сигналы не поступят в пьезоэлектрический элемент в период времени между отправкой сигнала ультразвуковым расходомером и приемом им ответного сигнала.

[0044] Продолжим рассмотрение удлиненного наружного корпуса 501, содержащего первую часть 500 и вторую часть 502. Участок 520 меньшего диаметра второй части 502 образует упор 608. Этот упор является достаточно маленьким, чтобы провода могли проходить через канал внутри участка 520 меньшего диаметра и чтобы мог быть введен опорный согласующий слой 602. Опорный согласующий слой может быть введен с помощью шприца с небольшой пластиковой насадкой. На конце упора 608 для устранения острого края, который может повредить провода, выполнена фаска. Упор 608 находится в таком положении, в котором смещающее приспособление (описано ниже) может прикладывать толкающее действие при смещении второй части 502.

[0045] В вариантах осуществления, где удлиненный наружный корпус 501 содержит первую часть 500 и вторую часть 502, которые выполнены с возможностью осевого перемещения относительно друг друга, приемопередающий узел 210 содержит смещающее приспособление, такое как пружина 610. Смещающее приспособление смещает первую часть 500 и вторую часть 502 друг от друга вдоль общей оси X. Усилие, с которым смещающее приспособление смещает первую часть 500 и вторую часть 502 друг от друга, составляет в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 4 до приблизительно 12 фунтов (от приблизительно 1,81 до приблизительно 5,44 кг). В альтернативных вариантах осуществления смещающее приспособление может представлять собой любое приспособление для приложения смещающего усилия, такое как пружинная шайба, деталь из резины или сочетания пружин, пружинной шайбы и/или деталей из резины.

[0046] В процессе сборки пружину 610 немного прижимают к упору 618, а по меньшей мере один стержень в сочетании с отверстием (стержень частично показан и обозначен позицией 506, отверстие изображено на фиг.5) ограничивает осевое и вращательное перемещение второй части 502 внутри первой части 500. Когда приемопередающий узел 210 устанавливают в корпус 208 приемопередающего блока, контргайкой 206 еще более сжимают пружину 610. Это сжатие устраняет зазоры между собранными частями и служит для обеспечения хорошего контакта наружной стороны пьезоэлектрического элемента 214 с внутренней стороной 312 акустического согласующего слоя 212 (фиг.4). Когда присоединяют соединительный элемент 204 (фиг.2), пружину 610 могут сжать еще в большей мере. Когда соединительный элемент 204 установлен, усилие пружины может составлять порядка 4,9 фунтов (2,22 кг). В альтернативных вариантах осуществления нет необходимости в том, чтобы соединительный элемент 204 прикладывал дополнительное сжимающее усилие к пружине. В вариантах осуществления, в которых удлиненный наружный корпус 501 состоит из одной части, усилие, обеспечивающее хорошее соединение между пьезоэлектрическим элементом 214 и акустическим согласующим слоем 212 (фиг.4), может быть приложено контргайкой 206 (фиг.2) и/или соединительным элементом 204 (фиг.2).

[0047] Держатель 508 для электрических контактов удерживает два имеющих определенную длину контактных стержня 615 и 617 на необходимом расстоянии. Стержни соответствуют соединительному элементу 204, обеспечивающему электрическое соединение приемопередающего узла с электронной аппаратурой расходомера. Контактный стержень 615 соединен с пьезоэлектрическим элементом 214 посредством первого провода 611, который проходит сквозь внутренний канал удлиненного наружного корпуса 501. Аналогичным образом, второй контактный стержень 617 соединен с пьезоэлектрическим элементом 214 посредством второго провода 613, который тоже проходит сквозь внутренний канал корпуса 501. В некоторых вариантах осуществления для проводов 611, 613 используется многожильный медный провод с изоляцией из политетрафторэтилена, но могут тоже быть использованы другие типы провода. Для удержания на месте проводов 611 и 613, а также, возможно, резистора (речь о котором пойдет ниже) и держателя 508 для электрических контактов связующее вещество 609, такое как эпоксидная смола, вводят через наполнительное отверстие 612. В некоторых вариантах осуществления контактные стержни 615 и 617 представляют собой прочные покрытые золотом латунные стержни, которые имеют карманы для паяного соединения, но могут быть тоже использованы другие стержни. Во время производства используется изоляция проводов двух разных цветов для обеспечения правильной полярности поверхностей пьезоэлектрического элемента, при этом соблюдают правильное положение контактных стержней относительно соединяющего ключа. Во время сборки провода скручивают для гарантии того, что электрические и магнитные поля, возникающие при прохождении электрических сигналов в этих проводах, уравновешивались и не оказывали влияния на импульсы пьезоэлектрического элемента во время измерительных циклов.

[0048] Один мегаомный резистор 614 установлен между стержнями 615 и 617, соединяя таким образом две покрытые электродами поверхности (описаны ниже) пьезоэлектрического элемента. Этот резистор 614 обеспечивает короткое замыкание при низких частотах для разрядки любой электрической энергии, индуцированной механическими или температурными воздействиями во время транспортировки или установки. При высокой частоте (~1 МГц) работы приемопередающего блока резистор 614 имеет практически нулевое влияние на электрический сигнал, направляемый на пьезоэлектрический элемент или генерируемый пьезоэлектрическим элементом. Один вывод резистора изолирован с помощью изолирующего материала во избежание замыкания этого вывода на корпус во время производства. Альтернативные конструкции приемопередающего блока могут содержать дополнительные электрические компоненты внутри собранного приемопередающего узла (например, катушки индуктивности, усилители, переключатели, зенеровские диоды или конденсаторы). Эти компоненты могут быть использованы по отдельности или в сочетаниях.

[0049] Фиг.7А и 7В иллюстрируют электрическое соединение с пьезоэлектрическим элементом 214. В некоторых вариантах осуществления пьезоэлектрический элемент 214 представляет собой пьезоэлектрический кристалл, такой как PZT-5A, или другой подобный материал. Толщина, диаметр и свойства материала пьезоэлектрического элемента определяют частоту испускаемого ультразвукового сигнала. Наружная сторона 700 - это сторона пьезоэлектрического элемента 214, которая соединена с акустическим согласующим слоем (фиг.3 и 4). Наружная сторона 700 и внутренняя сторона 702 пьезоэлектрического элемента по меньшей мере частично покрыты серебром или другими металлами для создания поверхностей, служащих электродами. Часть 704 покрытия наружной стороны 700 проходит по боковой стороне пьезоэлектрического элемента на внутреннюю сторону 702. Покрытие наружной стороны 700 (содержащее часть 704) и покрытие внутренней стороны 702 электрически изолированы областью 706, не имеющей покрытия. Такой способ покрытия позволяет соединить как провод 611, так и провод 613 с внутренней стороной 702 пьезоэлектрического элемента 214. Изображенный способ покрытия позволяет наружной стороне 700 быть плоской для хорошего контакта с акустическим согласующим слоем. Альтернативно, один провод может проходить вокруг пьезоэлектрического элемента и соединяться с наружной стороной 700. В этих вариантах осуществления часть корпуса 501 (фиг.5 и 6) имеет углубление для возможности прохождения провода. Кроме того, в этих вариантах осуществления, где один из проводов соединен непосредственно с наружной поверхностью 700, акустический согласующий слой 214 имеет углубление для вмещения провода. В других вариантах осуществления первый провод соединен с внутренней стороной 702 пьезоэлектрического элемента, а второй провод соединен с периферией, или краем, пьезоэлектрического элемента. В других вариантах осуществления первый провод соединен с внутренней стороной 702, в то время как второй провод соединен с покрытием наружной стороны 700, которое проходит внутрь отверстия, проходящего через центр пьезоэлектрического элемента.

[0050] Рассмотрим фиг.8, где раскрыт способ 800, с помощью которого приемопередающий узел 210 заменяют, в то время как текучая среда по-прежнему течет через расходомер 101 (т.е. в то время как расходомер 101 содержит сжатую текучую среду). Например, первоначальный приемопередающий узел 210 могут заменять другим приемопередающим узлом 210, содержащим пьезоэлектрический элемент 214, который резонирует на другой частоте или других частотах по сравнению с первоначальным приемопередающим узлом 210. Альтернативно, первоначальный приемопередающий узел 210 могут заменять другим приемопередающим узлом 210 по причине его дефекта или выхода из строя. Способ 800 включает отсоединение жгута проводов (блок 802), который электронно соединяет электронную аппаратуру ультразвукового расходомера (фиг.1А-С) с приемопередающим узлом 210, без прекращения прохождения текучей среды через расходомер 101. Смещающее приспособление, если таковое используется, отсоединяют (блок 803) без прекращения прохождения текучей среды через расходомер 101, например путем ослабления и отделения гайки 206 (фигура 2). После этого приемопередающий узел 210 извлекают целиком из корпуса 208 приемопередающего блока без прекращения прохождения текучей среды через расходомер 101 (блок 804). Заменяющий приемопередающий узел 210 вводят внутрь корпуса приемопередающего блока (тоже целиком) без прекращения прохождения текучей среды через расходомер 101 (блок 806). В некоторых вариантах осуществления смещающее приспособление соединяют (например, путем установки контргайки 206) - тоже без прекращения прохождения текучей среды через расходомер 101 (блок 807). Наконец, повторно присоединяют жгут проводов без прекращения прохождения текучей среды через расходомер 101 (блок 808).

[0051] Фиг.9А-С иллюстрируют этапы способа 800, описанного выше. В частности, фиг.9А показывает расходомер 101, в котором приемопередающий узел 210 соединен с корпусом 208 приемопередающего блока. Приемопередающий узел 210 и корпус 208 приемопередающего блока показаны штриховкой для простоты, наглядности и удобства объяснения. Приемопередающий узел 210 содержит пьезоэлектрический элемент (например, кристалл) 214. Стрелка 900 указывает на условное обозначение текучей среды, непрерывно текущей через расходомер 101 во время осуществления процесса замены, показанного на фиг.9А-С.

[0052] Приемопередающий узел 210 может выйти из строя. Альтернативно, в некоторых случаях приемопередающий узел 210 может содержать пьезоэлектрический элемент 214, который резонирует на частоте или частотах, отличных от требуемой частоты или требуемых частот. Соответственно, как показано на фиг.9В, приемопередающий узел 210 могут извлечь из корпуса 208 приемопередающего блока, когда текучая среда непрерывно течет через расходомер 101. Способы извлечения приемопередающего узла описаны выше при рассмотрении фиг.8. Возможность извлечения только приемопередающего узла 210 обеспечена, по меньшей мере отчасти, тем, что, согласно настоящему изобретению, акустический согласующий слой 212 (фиг.2-7В) корпуса 208 приемопередающего блока, в отличие от других согласующих слоев, которые изготавливаются с использованием других материалов, может хорошо работать с пьезоэлектрическими элементами, которые резонируют на разных частотах. Поэтому для замены приемопередающего узла 210 не требуется извлечение корпуса 208 приемопередающего блока, и текучая среда может продолжать непрерывно течь через расходомер 101. Наконец, как показано на фиг.9С, первоначальный приемопередающий узел 210 заменяют другим приемопередающим узлом 210 (показанным штриховкой, отличной от использованной для обозначения первоначального приемопередающего узла на фиг.9А). Вновь установленный приемопередающий узел 210 может иметь, например, другой пьезоэлектрический элемент 214, который резонирует на других частотах, нежели в первоначальном приемопередающем узле 210.

[0053] В некоторых вариантах осуществления может быть выбран пьезоэлектрический элемент 214, имеющий такую частоту, что акустический согласующий слой 212 по-прежнему действует как четвертьдлинноволновой согласующий слой. Например, приемопередающий блок работает на частоте 1 МГц, а акустический согласующий слой имеет толщину 5/4 длины волны при частоте 1 МГц. Таблица 1 описывает другие частоты, на которых акустический согласующий слой 212 действует как четверть-длинноволновой согласующий слой.

Таблица 1
Различные частоты, на которых акустический согласующий слой с толщиной 0,225 дюйма (5,648 мм) и скорости звука в нем 15 футов/с (4,57 м/с) действует в качестве четверть-длинноволновой согласующего слоя
Частота Толщина согласующего слоя Толщина согласующего слоя
(МГц) (дюймы) (соотношение с длиной волны)
0,20 0,225 1/4
0,60 0,225 3/4
1,00 0,225 5/4
1,40 0,225 7/4

[0054] Например, если высоковязкая жидкость начинает течь через расходомер 101 и возникает потеря сигнала между приемопередающими узлами, то приемопередающий узел 210 с частотой 1 МГц может быть извлечен и заменен приемопередающим узлом 210 с частотой 0,60 МГц или 0,20 МГц для увеличения амплитуды сигнала, поскольку акустическое поглощение, обусловленное вязкостью, прямо пропорционально квадрату частоты. Альтернативно, если требуется большая частота (например, для повышения точности измерения времени, а следовательно, точности измерения расхода), приемопередающий узел 210 с частотой 1 МГц может быть извлечен и заменен приемопередающим узлом с частотой 1,40 МГц.

[0055] Частоту приемопередающего узла 210 изменяют путем изменения геометрических параметров пьезоэлектрического элемента 214 для изменения резонансных частот этого элемента 214. Пьезоэлектрические элементы (например, кристаллы), в целом, имеют разные способы регулирования резонансной частоты. В одном случае резонансную частоту регулируют путем изменения толщины, при этом резонансная частота увеличивается при уменьшении толщины пьезоэлектрического элемента 214. В другом случае резонансную частоту регулируют путем изменения радиуса, при этом резонансная частота увеличивается при уменьшении радиуса пьезоэлектрического элемента 214. Более сложные способы используются, если пьезоэлектрический элемент 214 имеет отверстия или если толщина и радиус пьезоэлектрического элемента 214 должны оставаться равными друг другу. В целом, большое количество резонансных частот может быть получено путем изменения геометрических параметров пьезоэлектрического элемента 214. Резонансную частоту могут также изменять путем изменения пьезоэлектрического материала, из которого выполнен пьезоэлектрический элемент 214. Кроме того, один и тот же пьезоэлектрический элемент 214 может иметь более одной резонансной частоты.

[0056] В альтернативном способе регулирования частоты приемопередающего блока, когда сжатая текучая среда течет через расходомер 101, используют пьезоэлектрический элемент с несколькими резонансными частотами. Как правило, возможность резонировать на нескольких частотах может быть обеспечена регулированием геометрических параметров пьезоэлектрического элемента. Например, одну резонансную частоту могут получать регулированием толщины пьезоэлектрического элемента, а другую резонансную частоту могут получать регулированием радиуса пьезоэлектрического элемента, при этом накладывается ограничение, заключающееся в том, что элемент 214 по-прежнему должен помещаться внутри корпуса 208 пьезоэлектрического элемента. Если пьезоэлектрический элемент резонирует, например, как на частоте 0,2 МГц, так и на частоте 1,0 МГц, акустический согласующий слой, описанный в Таблице 1 выше, действует в качестве акустического четвертьдлинноволнового согласующего слоя при этих частотах.

[0057] Различные частоты такого пьезоэлектрического элемента могут быть активированы путем регулировки возбуждающего напряжения приемопередающего блока, подаваемого на стержни 615, 617, для возбуждения требуемой резонансной частоты. Например, резонанс на частоте 0,2 МГц может быть возбужден подачей одного цикла прямоугольного импульса с частотой 0,2 МГц, а резонанс на частоте 1,0 МГц может быть возбужден подачей одного цикла прямоугольного импульса с частотой 1,0 МГц. При подаче возбуждающих напряжений разной частоты к приемопередающему блоку требуемая резонирующая частота пьезоэлектрического элемента может быть получена без необходимости ручного извлечения приемопередающего узла 210 из корпуса 208 приемопередатчика.

[0058] Частоту, на которой многочастотный пьезоэлектрический элемент резонирует, можно настраивать вручную или автоматически. При ручном выборе частоты для получения требуемой резонансной частоты пьезоэлектрического элемента могут регулировать сигнал возбуждающего напряжения приемопередающего блока. Если требуется другая резонансная частота для повышения амплитуды сигнала и/или точности измерения времени, то резонансную частоту пьезоэлектрического элемента снова могут регулировать вручную путем изменения сигнала возбуждающего напряжения приемопередающего блока.

[0059] При автоматическом выборе частоты электрические схемы внутри расходомера 101 могут регулярно или периодически измерять амплитуду сигналов, испускаемых пьезоэлектрическим элементом в текучую среду, находящуюся внутри расходомера 101. В некоторых вариантах осуществления пьезоэлектрический элемент может резонировать на первой частоте до тех пор, пока электронная аппаратура внутри расходомера 101 не определит, что амплитуда сигнала, испускаемого пьезоэлектрическим элементом, превышает предварительно определенное пороговое значение. В этот момент пьезоэлектрический элемент может быть переведен на резонирование на второй частоте, отличной от первой. Если амплитуда сигнала, производимого на второй частоте, ниже порогового значения или, по меньшей мере, ниже амплитуды сигнала, производимого при первой частоте, то пьезоэлектрический элемент может быть возвращен на использование первой частоты. В альтернативных вариантах осуществления может использоваться ряд частот, и измеряется амплитуда каждого получаемого сигнала. Частота, которая производит сигнал с наибольшей амплитудой (или, альтернативно, частота, которая производит сигнал с амплитудой, наиболее близкой к требуемой амплитуде), вводится в действие.

[0060] В некоторых вариантах осуществления несколько частот пьезоэлектрического элемента могут быть возбуждены одновременно. Волна полученного сигнала может быть записана, а затем с помощью любой подходящей методики подвергнута цифровой фильтрации для разделения сигналов разных частот. Каждый из этих сигналов может затем быть проанализирован для определения того, какой из сигналов обеспечивал наибольшую амплитуду сигнала и наибольшую точность измерения времени. Сигнал, который обеспечивал наибольшие амплитуду сигнала и точность измерения времени, выбирают в качестве сигнала, используемого в расходомере 101 для определения характеристик потока. Для того чтобы надлежащим образом возбудить несколько резонансных частот, как в описываемых в данный момент вариантах осуществления, выбор пьезоэлектрических элементов и выбор акустически соединяющих слоев должны быть надлежащим образом скоординированы. Например, рассмотрим случай с акустическим согласующим слоем, толщина которого составляет четверть длины волны при частоте 0,5 МГц. В этом случае данный согласующий слой будет действовать как подходящий согласующий слой для резонансных частот 0,5 МГц, 1,5 МГц, 2,5 МГц и т.д. Если используется пьезоэлектрический элемент, имеющий резонанс в направлении его толщины при частоте 0,5 МГц, то этот элемент будет иметь дополнительные резонансы при нечетных гармониках в 1,5 МГц, 2,5 МГц и т.д. Таким образом, поскольку акустический согласующий слой подходит для резонансных частот в 0,5 МГц, 1,5 МГц, 2,5 МГц и т.д. и поскольку первая гармоника и нечетные гармоники пьезоэлектрического элемента включают частоты 0,5 МГц, 1,5 МГц, 2,5 МГц и т.д., акустический согласующий слой является подходящим акустическим четвертьдлинноволновым согласующим слоем для резонансных частот первой и нечетных гармоник пьезоэлектрического элемента. Одновременный резонанс на нескольких частотах пьезоэлектрического элемента может быть возбужден путем использования двух циклов прямоугольного импульса с частотой 0,5 МГц и с пиками частотного спектра на частотах 0,5 МГц, 1,5 МГц, 2,5 МГц и т.д. Объем настоящего раскрытия не ограничен конкретными раскрытыми в настоящем документе параметрами соединительного слоя и пьезоэлектрического элемента.

[0061] Как было сказано выше, анализ качества сигналов приемопередатчика осуществляется электронными схемами, соединенными с расходомером 101 или помещенными в расходомер 101. Фиг.9D схематично показывает часть расходомера 101. Как показано, расходомер 101 включает приемопередающий узел 210 (с его содержимым), соединенный с электронным логическим блоком 902. Электронный логический блок 902 содержит схему (например, процессор, память и т.д.), которая управляет подачей возбуждающего напряжения к пьезоэлектрическому элементу, помещенному внутрь приемопередающего узла 210. Таким образом, например, приемопередающий узел в расходомере 101, который принимает сигнал из текучей среды, может передавать сигнал своему электронному логическому блоку. Электронный логический блок может передавать сигнал (например, по проводному или беспроводному каналу связи) или данные, относящиеся к сигналу, электронному логическому блоку приемопередающего узла, который передал сигнал. Электронный логический блок приемопередающего узла, который передал сигнал, затем может проанализировать сигнал/данные о сигнале для определения того, каким образом возбуждающее напряжение, подаваемое на пьезоэлектрический элемент, должно быть отрегулировано, если регулировка необходима. Таким образом, создается контур обратной связи, благодаря чему электронный логический блок приемопередающего узла, ответственного за передачу сигнала, может регулировать сигнал возбуждающего напряжения (например, напряжение, частоту, тип сигнала, интервалы и т.д.), подаваемый на пьезоэлектрический элемент. Этим контуром обратной связи можно управлять так, как необходимо для воплощения вариантов осуществления, раскрываемых в настоящем документе, или их изменения.

[0062] Фиг.10 показывает блок-схему примера способа 1000 согласно варианту осуществления. Способ 1000 содержит передачу первого сигнала через текучую среду в расходомере (блок 1002). Способ 1000 также содержит определение качества первого сигнала (блок 1004). Качество сигнала может определяться на основании, например, амплитуды сигнала и точности измерения времени, когда сигнал проходит через текучую среду в расходомере. По меньшей мере в некоторых вариантах осуществления качество сигнала может определяться с использованием контура обратной связи, описанного выше. Если качество сигнала не является удовлетворительным (блок 1006), способ 1000 содержит регулирование частоты сигнала и передачу второго сигнала другой частоты (блок 1008). Частота сигнала может регулироваться любым подходящим способом. В некоторых вариантах осуществления частота сигнала физически регулируется путем замены пьезоэлектрического элемента другим пьезоэлектрическим элементом, при этом прохождение текучей среды через расходомер продолжается. Альтернативно, частота может регулироваться путем изменения возбуждающего напряжения, подаваемого на пьезоэлектрический элемент приемопередатчика. Регулирование возбуждающего напряжения может осуществляться по различным параметрам, например по частоте, по форме волны (квадратная волна или волна другой формы) и т.д.

[0063] Возбуждающее напряжение может регулироваться либо вручную, либо автоматически. При регулировке вручную определяется качество конкретного испускаемого сигнала и, если качество находится ниже предварительно определенного порогового значения, возбуждающее напряжение может быть отрегулировано для получения другого сигнала на другой частоте. При автоматической регулировке электронный логический блок 902 может циклически перебирать несколько частот и сигналов для нахождения сигнала с наилучшим качеством. Логический блок 902 может затем ввести в действие этот сигнал. Далее, в некоторых вариантах осуществления пьезоэлектрический элемент может быть способен одновременно резонировать на нескольких частотах. В таких вариантах осуществления пьезоэлектрический элемент может одновременно испустить несколько сигналов внутрь текучей среды. Второй приемопередающий узел, помещенный внутрь расходомера 101, может улавливать сигналы из текучей среды. Электронный логический блок, относящийся ко второму приемопередающему узлу (или, альтернативно, электронный логический блок, относящийся к передающему приемопередающему узлу), может разделять сигналы с помощью любого известного способа и может затем анализировать качество сигналов. Сигнал с наивысшим качеством может быть введен в действие. Этапы способа 1000 могут выполняться в любом подходящем порядке. К способу 1000 могут быть добавлены этапы или из способа 1000 могут быть удалены этапы.

[0064] Были показаны и описаны различные варианты осуществления, в которые специалисты в данной области могут внести модификации без выхода за рамки сущности изобретения. Варианты осуществления, описанные в настоящем документе, являются лишь примерами и не накладывают ограничений. Соответственно, объем защиты не ограничен вариантами осуществления, описанными в настоящем документе, а ограничен лишь нижеследующей формулой изобретения.

1. Способ измерения расхода жидкости или газа, включающий
выполняемые без прекращения потока текучей среды через расходомер
передачу ультразвукового сигнала первой частоты через указанную текучую среду;
регулировку частоты с изменением первой частоты на вторую частоту и
передачу другого ультразвукового сигнала второй частоты через указанную текучую среду, причем
способ дополнительно включает использование одного общего акустического согласующего слоя для указанных ультразвукового сигнала и другого ультразвукового сигнала, причем указанный акустический согласующий слой содержит материал, выбранный из группы, содержащей стекло, керамику, пластик, стеклонаполненный пластик и наполненный углеродным волокном пластик.

2. Способ по п.1, в котором регулировка частоты с изменением первой частоты на вторую частоту включает замену пьезоэлектрического элемента, используемого для генерации первой частоты, на другой пьезоэлектрический элемент, используемый для генерации второй частоты.

3. Способ по п.2, в котором замену указанного пьезоэлектрического элемента указанным другим пьезоэлектрическим элементом выполняют без удаления корпуса приемопередающего блока из расходомера, причем корпус приемопередающего блока выполнен с возможностью попеременного размещения в нем указанных пьезоэлектрического элемента и другого пьезоэлектрического элемента.

4. Способ по п.1, в котором регулировка частоты с изменением первой частоты на вторую частоту включает регулировку возбуждающего напряжения, подаваемого на пьезоэлектрический элемент, используемый для генерации указанных первой и второй частот.

5. Способ по п.4, дополнительно включающий определение качества указанного ультразвукового сигнала и регулировку частоты с изменением первой частоты на вторую частоту при несоответствии этого качества пороговому уровню.

6. Способ по п.4, дополнительно включающий
определение качества ультразвукового сигнала и указанного другого ультразвукового сигнала;
сравнение качеств указанных ультразвукового и другого ультразвукового сигналов для определения того, какой из них имеет более высокое качество; и
передачу указанного ультразвукового сигнала или указанного другого ультразвукового сигнала на основании указанного сравнения.

7. Система измерения расхода жидкости или газа, содержащая
пьезоэлектрический элемент, выполненный с возможностью резонировать более чем на одной частоте;
акустический согласующий слой, соединенный с пьезоэлектрическим элементом и выполненный с возможностью обеспечения согласования импеданса на каждой из указанной более чем одной частоты;
возбуждающее устройство для одновременного возбуждения указанной более чем одной частоты с обеспечением одновременной выработки указанным элементом более чем одного сигнала;
оценивающее устройство для оценки качества каждого из указанного более чем одного сигнала и
выбирающее устройство для выбора, с использованием указанной оценки, одной частоты из указанной более чем одной частоты для ее возбуждения.

8. Система по п.7, в которой акустический согласующий слой содержит материал, выбранный из группы, содержащей стекло, керамику, пластик, стеклонаполненный пластик и наполненный углеродным волокном пластик.

9. Система по п.7, которая содержит расходомер.

10. Система по п.7, в которой обеспечено возбуждение пьезоэлектрического элемента посредством первого возбуждающего напряжения и его последующее возбуждение посредством второго возбуждающего напряжения, отличного от первого.

11. Система по п.7, в которой оценивающее устройство оценивает качество каждого из указанного более чем одного сигнала путем сбора композитного сигнала, соответствующего указанным сигналам, отделения указанных сигналов друг от друга и определения сигнала, имеющего более высокий уровень качества по сравнению с другими сигналами.

12. Система по п.7, в которой оценивающее устройство оценивает качество на основании амплитуды сигнала и точности измерения времени.

13. Расходомер, содержащий
пьезоэлектрический элемент, выполненный с возможностью резонировать на различных частотах;
акустический согласующий слой, сопряженный с указанным элементом и выполненный с возможностью обеспечения согласования акустического импеданса на указанных различных частотах,
причем пьезоэлектрический элемент испускает первый сигнал через текучую среду, проходящую через расходомер,
и испускает другой сигнал вместо первого сигнала на основании оценки качества указанного первого сигнала, а указанные первый и другой сигналы имеют различные частоты.

14. Расходомер по п.13, в котором пьезоэлектрический элемент испускает указанный другой сигнал в результате изменения возбуждающего напряжения, подаваемого на пьезоэлектрический элемент.

15. Расходомер по п.13, в котором обеспечено использование указанного акустического согласующего слоя при испускании пьезоэлектрическим элементом указанного первого сигнала или указанного другого сигнала.

16. Расходомер по п.13, в котором указанная оценка качества включает определение амплитуды первого сигнала и точности измерения времени, соответствующей первому сигналу, при пропускании первого сигнала через текучую среду.

17. Расходомер по п.13, в котором указанный акустический согласующий слой содержит материал, выбранный из группы, содержащей стекло, керамику, пластик, стеклонаполненный пластик и наполненный углеродным волокном пластик.



 

Похожие патенты:

Использование: для определения скорости потока газовой среды. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют генерирование ультразвуковых колебаний, прием ультразвуковых колебаний электроакустическими преобразователями, измерение разности фаз электрических колебаний между сигналами от электроакустических преобразователей и вычисление скорости потока по разности фаз, при этом в зависимости от управляющего напряжения, посредством коммутатора на вход измерителя разности фаз подаются сигналы от электроакустических преобразователей 1, 2, 3, из которых электроакустические преобразователи 1, 2 расположены на концах измерительного канала, а преобразователь 3 - на расстоянии одной длины волны распространения ультразвука в воздухе; при нулевом управляющем напряжении обрабатывается сигнал с преобразователей 2 и 3 и запоминаются результаты измерения скорости звука; когда управляющее напряжение принимает значение единицы, через коммутатор проходят сигналы от преобразователей 1 и 2, а на выходе запоминающего устройства выдается запомненный результат измерения электрических сигналов, полученных на выходах преобразователей 2 и 3, и текущее значение разности фаз, полученное на выходе преобразователей 1 и 2; вычислительное устройство рассчитывает мгновенное значение скорости потока газовой среды.

Способ измерения расхода жидкости, протекающей через канал заключается в то, что в сечении канала выбирают сложную виртуальную измерительную поверхность, перекрывающую полностью все сечение канала, затем, в ее геометрическом центре или центрах устанавливают ультразвуковой источник или источники, формирующие группу узконаправленных лучей, пронизывающих виртуальную измерительную произвольную поверхность с заданным шагом по широте и долготе так, что она покрывается сеткой точек пересечения каждого луча с виртуальной измерительной поверхностью, причем каждый луч перпендикулярен поверхности в точке пересечения.

Ультразвуковой расходомер для измерения потока текучей среды в трубопроводе содержит патрубок, имеющий сквозное отверстие и посадочное гнездо преобразователя. Посадочное гнездо преобразователя проходит вдоль центральной оси от открытого конца в сквозном отверстии к закрытому концу, являющемуся удаленным по отношению к сквозному отверстию.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах автоматического контроля и измерения расхода двухфазного потока сыпучих диэлектрических материалов, перемещаемых воздухом по металлическому трубопроводу.

Ультразвуковой расходомер для измерения потока текучей среды в трубопроводе. В некоторых примерах реализации ультразвуковой расходомер содержит патрубок, блок преобразователя и блок заглушки посадочного гнезда.

В одном из примеров реализации ультразвуковой расходомер содержит патрубок, имеющий сквозное отверстие и посадочное гнездо преобразователя, проходящее от внешней поверхности патрубка к сквозному отверстию.

Предложен ультразвуковой расходомер для измерения потока текучей среды в трубопроводе. В одном из примеров реализации настоящего изобретения ультразвуковой расходомер содержит патрубок, имеющий сквозное отверстие и канал преобразователя, проходящий к сквозному отверстию.

Датчик ультразвукового расходомера может быть использован для определения расхода газов и жидкостей. Он состоит из пролетного канала, в торцах которого установлены акустические преобразователи, и двух патрубков, соединяющих пролетный канал с контролируемым трубопроводом.

Группа изобретений относится к измерительной технике и, в частности, к способу и системе обнаружения и отслеживания отложений. Система обнаружения нароста отложений в ультразвуковом расходомере включает ультразвуковой расходомер, муфту, пару преобразователей, закрепленных на муфте.

Ультразвуковой преобразователь ультразвукового расходомера снабжен корпусом, содержащим ближний к месту крепления конец, дальний к месту крепления конец и внутренний объем.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах измерения газообразных и текучих сред, а также в коммерческих расчетах. Способ измерения расхода среды, при котором основной поток суммируют с обратным потоком, проводят суммарный поток через основной расходомер, измеряют его, далее разделяют его на два потока, один из которых считают равным входящему и направляют в нагрузку, другой - считают обратным, измеряют своим расходомером и вычитают из суммарного потока. При этом разделяют весь диапазон измерения на две части - первая часть измерения с обратным потоком, вторая часть измерения без обратного потока. В первой части диапазона обратный поток принудительно направляют к основному потоку для суммирования, изменяют его величину инверсно к величине основного потока. Во второй части диапазона расход основного потока измеряют основным расходомером без обратного потока. Кроме того, по изобретению устанавливают связь пропорциональной и инверсной между обратным потоком и основным. Технический результат - расширение диапазона измерения расхода. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Способ измерения расхода многофазной жидкости, заключающийся в измерении акустического шума, создаваемого движением жидкости при протекании ее через известное сечение, скорость прохождения жидкости определяют по частоте акустических шумов, вызываемых неравномерностью движения жидкости, предварительно измеряют температуру потока и давление в трубе, плотности каждой из фаз, а затем на основе предложенных зависимостей рассчитывают объемную или массовую доли каждой фазы. При этом, используя лабораторные результаты, составляют уравнения зависимости скорости звука каждой фазы от давления и температуры, а уравнение скорости звука для воды дополняют зависимостью от солености воды, при этом полученные уравнения записывают в расчетный блок, измеряют давление и температуру в трубопроводе, измеряют соленость воды, измеряют и записывают амплитуды и частоты колебаний трубы, по которой протекает многофазная жидкость, измеряемый диапазон частот делят на части, соответствующие каждой фазе, в каждой из частей после применения быстрых преобразований Фурье выделяют максимальные значения амплитуд и соответствующие им частоты и вычисляют объемный расход каждой фазы жидкости по соответствующей формуле. Технический результат - уменьшение погрешности измерения каждой фазы. 4 ил.

Преобразовательный блок ультразвукового расходомера. По меньшей мере некоторые из пояснительных примеров реализации представляют собой системы, содержащие: патрубок, который задает внешнюю поверхность, центральный проход и посадочное гнездо преобразователей, проходящее от внешней поверхности к центральному проходу; и преобразовательный блок, соединенный с посадочным гнездом преобразователей. Преобразовательный блок содержит: переходной элемент, соединенный с патрубком, причем переходный элемент имеет первый конец, размещенный в посадочном гнезде преобразователей, и второй конец, расположенный снаружи внешней поверхности; пьезоэлектрический модуль с пьезоэлектрическим элементом, причем пьезоэлектрический модуль соединен непосредственно с первым концом переходного элемента и размещен во внешней поверхности; трансформаторный модуль с размещенным в нем трансформатором, причем трансформаторный модуль соединен непосредственно со вторым концом переходного элемента и размещен снаружи внешней поверхности; и электрический проводник, размещенный в проходе посредством переходного элемента и соединяющий трансформатор с пьезоэлектрическим элементом. Технический результат - повышение надежности ультразвуковых расходомеров, сокращение времени выявления неисправности и ремонта. 4 н. и 16 з.п. ф-лы, 12 ил.

Блок преобразователя для ультразвукового расходомера содержит пьезоэлектрический модуль. При этом пьезоэлектрический модуль содержит корпус, имеющий центральную ось, первый конец, второй конец, противоположный первому концу, и первую внутреннюю камеру, проходящую в радиальном направлении от первого конца. Кроме того, пьезоэлектрический модуль содержит пьезоэлемент, расположенный в первой внутренней камере. Кроме того, пьезоэлемент содержит распорки, расположенные в первой внутренней камере между пьезоэлементом и корпусом, причем каждая распорка расположена в радиальном направлении между пьезоэлементом и корпусом. Технический результат - улучшение качества ультразвуковых сигналов. 3 н. и 22 з.п. ф-лы, 9 ил.

Устройство для прохождения сигналов ультразвуковой частоты через контролируемую среду в трубопроводе содержит источник сигналов ультразвуковой частоты, как минимум, «N»-управляемых ключей, подсоединенных своими соответствующими выводами к выходу источника сигналов ультразвуковой частоты через схему развязки, как минимум, «М»-первых ультразвуковых пьезоэлектрических преобразователей, установленных на трубопроводе с контролируемой средой и подсоединенных своими соответствующими выводами к соответствующим вторым выводам одних из, как минимум, «N»-соответствующих управляемых ключей, «М»-вторых ультразвуковых пьезоэлектрических преобразователей, установленных на трубопроводе с контролируемой средой и подсоединенных своими соответствующими выводами к соответствующим вторым выводам других из, как минимум, «N»-соответствующих управляемых ключей, усилитель, непосредственно подсоединенный своим входом к выходу схемы развязки, и схему управления, подсоединенную своими соответствующими выходами к управляющим входам «N»-управляемых ключей и к выходу источника сигналов ультразвуковой частоты. Технический результат - исключение влияния разброса параметров электронных компонентов на процесс прохождения сигналов ультразвуковой частоты по электронным цепям устройства и, следовательно, повышение точности измерения объемного расхода контролируемой среды в трубопроводе. 3 ил.

Изобретение относится к ультразвуковому проточному датчику (110) для применения в текучей среде. Предложенный ультразвуковой проточный датчик (110) содержит, по меньшей мере, два ультразвуковых преобразователя (120, 122), расположенных в проточной трубе (112), вмещающей поток текучей среды, и разнесенных вдоль потока текучей среды. Ультразвуковой проточный датчик (110) также содержит отражательную поверхность (126), причем ультразвуковые преобразователи (120, 122) установлены с возможностью посылки друг другу ультразвуковых сигналов посредством однократного отражения последних на отражательной поверхности (126). Между ультразвуковыми преобразователями (120, 122) предусмотрено отклоняющее устройство (132), выполненное таким образом, чтобы в основном подавлять паразитные ультразвуковые сигналы, отражаемые отражательной поверхностью (126) и падающие на отклоняющее устройство (132), путем их отклонения в сторону от ультразвуковых преобразователей (120, 122). Отклоняющее устройство расположено, по меньшей мере, на средней трети соединительного отрезка между ультразвуковыми преобразователями (120, 122) и имеет, по меньшей мере, одну отклоняющую поверхность (134, 136; 150). Нормали к отклоняющей поверхности (134, 136; 150) образуют с нормалью к отражательной поверхности (126) углы, среднее значение которых больше 10°. Технический результат - повышение точности измерений за счет существенного подавления паразитных ультразвуковых импульсов. 6 з.п. ф-лы, 34 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и преимущественно предназначено для использования в системах контроля и измерения скорости и расхода жидких и газообразных продуктов. Оно может быть использовано при транспортировке топливных продуктов, в водоснабжении, медицинской технике, а также в океанографии при измерении скорости течений в морях и океанах. Технический результат изобретения -повышение точности измерения при контроле параметров потока. Точность измерения скорости потока можно повысить, зная скорость распространения звука в среде и величины задержек в электронных схемах и акустических преобразователях.
Изобретение относится к области гидроакустической метрологии. Сущность: при использовании известного свойства электроакустических излучателей изменять соотношение величин активной и реактивной составляющих своего сопротивления излучения в соответствии с флюктуациями характеристик среды - ее плотности, температуры и давления. Таким образом, контролируя соотношение названных величин, можно получать информацию о характеристиках среды и их динамике, сопровождающей, в частности, прокачивание жидкости в трубопроводах. Это соотношение при работе генератора на комплексную нагрузку однозначно характеризуется фазовым сдвигом между подводимым к излучателю напряжением и потребляемым им током, поэтому последний (фазовый сдвиг) и выбирают в качестве контролируемого параметра в предлагаемом способе контроля скорости потока и объемов прокачиваемых жидких сред в трубопроводах. Технический результат: существенное упрощение реализуемых по этому способу устройств со значительным снижением затрат на их производство, установку и эксплуатацию, что повлечет за собой повышение надежности последних и возможность реализации мобильного варианта устройства в целом.

Заявленная группа изобретений относится к ультразвуковым преобразователям для контроля текучей среды. Ультразвуковой преобразователь для контроля текучей среды включает в себя по меньшей мере один корпус с по меньшей мере одним внутренним пространством и по меньшей мере один размещенный во внутреннем пространстве сердечник с по меньшей мере одним электроакустическим преобразующим элементом. При этом корпус имеет по меньшей мере одно обращенное к текучей среде отверстие, по меньшей мере частично закрытое по меньшей мере одной изоляционной пленкой, край которой герметично заделан посредством по меньшей мере одного герметизирующего материала. Кроме того, корпус имеет расположенную со стороны текучей среды закраину, которая по меньшей мере частично окружает отверстие и к которой по меньшей мере частично прилегает изоляционная пленка, причем край изоляционной пленки заканчивается, по существу, вместе с закраиной корпуса. Также заявлен датчик, содержащий такой ультразвуковой преобразователь. Заявленная группа изобретений позволяет надежно защитить внутреннее пространство корпуса преобразователя от проникновения контролируемых сред. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 7 ил.

Описан ультразвуковой преобразователь (110) для применения в текучей среде (116). Ультразвуковой преобразователь (110) включает в себя по меньшей мере один сердечник (118) с по меньшей мере одним акустоэлектрическим преобразующим элементом (112), в частности пьезоэлектрическим преобразующим элементом (112). Также ультразвуковой преобразователь (110) имеет по меньшей мере один корпус (120) с по меньшей мере одним отверстием (122), по меньшей мере частично изолированным от текучей среды (116) посредством связанной с сердечником (118) изоляционной пленки (130). Изоляционная пленка (130) имеет по меньшей мере один компенсационный деформированный участок (134) для компенсации ее растяжения и обеспечения возможности взаимного перемещения сердечника (118) и корпуса (120) ультразвукового преобразователя. 12 н. и 7 з.п. ф-лы, 18 ил.
Наверх