Ультразвуковой расходомер, блок преобразователя и способы их изготовления

Авторы патента:


Ультразвуковой расходомер, блок преобразователя и способы их изготовления
Ультразвуковой расходомер, блок преобразователя и способы их изготовления
Ультразвуковой расходомер, блок преобразователя и способы их изготовления
Ультразвуковой расходомер, блок преобразователя и способы их изготовления
Ультразвуковой расходомер, блок преобразователя и способы их изготовления
Ультразвуковой расходомер, блок преобразователя и способы их изготовления
Ультразвуковой расходомер, блок преобразователя и способы их изготовления
Ультразвуковой расходомер, блок преобразователя и способы их изготовления
Ультразвуковой расходомер, блок преобразователя и способы их изготовления
Ультразвуковой расходомер, блок преобразователя и способы их изготовления
Ультразвуковой расходомер, блок преобразователя и способы их изготовления

 


Владельцы патента RU 2532651:

ДЭНИЭЛ МЕЖЕМЕНТ ЭНД КОНТРОЛ, ИНК. (US)

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.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Различные примеры реализации относятся к ультразвуковым расходомерам и, в частности, к блокам преобразователей, использованным в ультразвуковых расходомерах.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

После извлечения углеводородов из земли поток текучей среды (в жидкой или газовой фазе) транспортируется от одного места к другому посредством трубопроводов. Желательно иметь возможность точно определять количество протекающей текучей среды, в частности, точность особенно необходима при переходе текучей среды к другому владельцу или при передаче на ответственное хранение. Однако точность измерения желательна и в других ситуациях, при которых могут быть использованы ультразвуковые расходомеры.

Ультразвуковой расходомер содержит по меньшей мере два блока преобразователей, каждый из которых закреплен в посадочном гнезде корпуса или патрубка расходомера. Для удержания перемещаемой текучей среды в расходомере над внешним концом каждого из посадочных гнезд преобразователя в патрубке закреплен концевой соединитель. Таким образом, патрубок и концевые соединители создают границу давления, удерживающую текучую среду, проходящую через расходомер.

Для измерения расхода текучей среды через расходомер каждый из первого и второго блоков преобразователя размещен в посадочном гнезде патрубка, так что каждый из блоков преобразователя обращен друг к другу. Каждый блок преобразователя содержит пьезоэлемент. При приложении переменного тока к пьезоэлементу первого блока преобразователя пьезоэлемент реагирует путем излучения ультразвуковой волны в текучую среду, перемещаемую через расходомер. При падении этой волны на пьезоэлемент второго блока преобразователя второй блок преобразователя реагирует путем создания электрического сигнала. Через некоторое время происходит приложение переменного тока к пьезоэлементу второго блока преобразователя, пьезоэлемент реагирует путем излучения ультразвуковой волны через текучую среду в расходомере. При падении этой волны на пьезоэлемент первого блока преобразователя первый блок преобразователя реагирует путем создания электрического сигнала. Таким образом, блоки преобразователей выдают и принимают сигналы в обе стороны через поток текучей среды.

Каждый из блоков преобразователя присоединен к кабелю, проходящему через концевой соединитель к месту, выполненному внешним по отношению к патрубку, например, электронный блок обычно прикреплен к внешней части патрубка. Сигналы, создаваемые пьезоэлементами, передаются по кабелю на плату приема данных, расположенную в электронном блоке, в котором сигнал может быть обработан и затем использован для определения расхода текучей среды через расходомер.

В большей части известных блоков преобразователей пьезоэлемент размещен на одном из концов блока преобразователя, расположенном ближе к потоку текучей среды, проходящему через патрубок. Обычно пьезоэлемент расположен в корпусе и окружен согласующим слоем, обеспечивающим акустическую связь между пьезоэлементом и текучей средой, проходящей через патрубок. Для улучшения качества ультразвукового сигнала (например, увеличения амплитуды и ускорения времени нарастания) пьезоэлемент отцентрирован с корпусом в радиальном направлении, а толщина согласующего слоя, расположенного между пьезоэлементом и концом блока преобразователя в потоке текучей среды, может быть точно отрегулирована. В частности, центрирование пьезоэлемента в радиальном направлении обеспечивает симметричное расположение ультразвуковой волны относительно центра преобразователя с улучшением точности измерения потока, поскольку размерные измерения положения посадочного гнезда в сквозном отверстии расходомера обычно предполагают, что ультразвуковая волна проходит через центр отверстия посадочного гнезда. Кроме того, пьезоэлемент, отцентрированный в радиальном направлении, предотвращает возникновение проблем, связанных с угловой ориентацией преобразователя в посадочном гнезде.

Для обеспечения надлежащего положения пьезоэлемента при создании блока преобразователя пьезоэлемент обычно располагают и закрепляют в необходимом положении в корпусе посредством позиционирующего приспособления. При удержании пьезоэлемента в необходимом положении в корпусе посредством позиционирующего приспособления первый согласующий слоевой наполнитель располагают в корпусе вокруг части пьезоэлемента. Не оказывая воздействия на согласующий слоевой наполнитель, позиционирующие средства продолжают удерживать пьезоэлемент в необходимом положении, поскольку происходит упрочнение и отверждение первого согласующего слоевого наполнителя. После достаточного упрочнения согласующего слоевого наполнителя он способствует удержанию пьезоэлемента на месте и, таким образом, позиционирующее приспособление может быть удалено до расположения второго согласующего слоевого наполнителя в корпусе вокруг оставшейся части пьезоэлемента. Таким образом, при создании большинства обычных блоков преобразователей точное позиционирование пьезоэлемента в корпусе достигнуто с использованием специального позиционирующего приспособления и последующим использованием относительно трудоемкого и длительного процесса нанесения двух отдельных согласующих слоевых наполнителей.

Таким образом, в рассматриваемой области техники все еще существует потребность в создании блоков преобразователей с пьезоэлементами, расположенными надлежащим образом для улучшения качества ультразвуковых сигналов. Такие блоки преобразователей найдут свое применение, если их создание будет относительно простым, малозатратным и менее длительным.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Эти и другие недостатки, известные из уровня техники, преодолены в одном из примеров реализации путем использования блока преобразователя для ультразвукового расходомера. В одном из примеров реализации блок преобразователя содержит пьезоэлектрический модуль. В одном из примеров реализации пьезоэлектрический модуль содержит корпус, имеющий центральную ось, первый конец, второй конец, противоположный первому концу, и первую внутреннюю камеру, проходящую в осевом 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.

Эти и другие недостатки, известные из уровня техники, преодолены еще в одном из примеров реализации путем использования ультразвукового расходомера для измерения расхода текучей среды через трубопровод. В одном из примеров реализации ультразвуковой расходомер содержит патрубок, имеющий сквозное отверстие и посадочное гнездо преобразователя, проходящее от внешней поверхности патрубка к сквозному отверстию. Кроме того, ультразвуковой расходомер содержит блок преобразователя, размещенный в посадочном гнезде преобразователя. Блок преобразователя имеет центральную ось и содержит пьезоэлектрический модуль. Пьезоэлектрический модуль содержит корпус, имеющий первый и второй концы и внутреннюю камеру, расположенную ближе к первому концу. Кроме того, пьезоэлектрический модуль содержит пьезоэлемент, расположенный во внутренней камере. Кроме того, пьезоэлектрический модуль содержит распорки, расположенные во внутренней камере между пьезоэлементом и корпусом. Кроме того, ультразвуковой расходомер содержит трансформаторный модуль, содержащий трансформатор и соединенный с пьезоэлектрическим модулем.

Эти и другие недостатки, известные из уровня техники, преодолены еще в одном примере реализации путем использования способа создания ультразвукового расходомера. В одном из примеров реализации способ включает использование пьезоэлектрического корпуса, имеющего центральную ось, первый конец, второй конец, расположенный противоположно первому концу, и первое глухое отверстие, проходящее в осевом направлении от первого конца. Кроме того, способ включает вставку пьезоэлемента в первое глухое отверстие. Кроме того, способ включает вставку распорок в первое глухое отверстие. Кроме того, способ включает размещение каждой из распорок в радиальном направлении между пьезоэлементом и корпусом. Кроме того, способ включает заполнение первого глухого отверстия согласующим слоем после размещения каждой из распорок.

Таким образом, примеры реализации, описанные в настоящей заявке, содержат сочетание особенностей и преимуществ, предназначенных для решения различных недостатков, связанных с конкретными устройствами, системами и способами, известными из уровня техники. После прочтения представленного далее подробного описания, приведенного согласно прилагаемым чертежам, для специалиста в данной области техники будут полностью очевидны различные особенности, описанные выше, а также другие особенности.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Далее будет приведено подробное описание пояснительных примеров реализации настоящего изобретения согласно прилагаемым чертежам, на которых:

на фиг.1А показан вид сверху в разрезе ультразвукового расходомера, в одном из примеров его реализации;

на фиг.1В схематически показан вид с торца расходомера по фиг.1А;

на фиг.1C схематически показан вид сверху расходомера по фиг.1А;

на фиг.2 показан вид в перспективе ультразвукового расходомера, в одном из примеров его реализации;

на фиг.3 показан увеличенный вид сбоку в частичном разрезе блока преобразователя, размещенного в одном из посадочных гнезд преобразователя ультразвукового расходомера по фиг.2в, согласно принципам, описанным в настоящей заявке, в одном из примеров его реализации;

на фиг.4 показан увеличенный вид сбоку в частичном разрезе пьезоэлектрического модуля блока преобразователя по фиг.3;

на фиг.5 показан увеличенный вид сверху в частичном разрезе пьезоэлектрического модуля блока преобразователя по фиг.3;

на фиг.6 показан вид с торца в перспективе пьезоэлектрического модуля блока преобразователя по фиг.3;

на фиг.7 схематически показан вид с торца пьезоэлектрического модуля блока преобразователя по фиг.3;

на фиг.8 показан вид с торца в перспективе пьезоэлектрического модуля блока преобразователя по фиг.3;

на фиг.9 показан увеличенный вид сбоку в разрезе трансформаторного модуля по фиг.3.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Далее приведено описание различных примеров реализации настоящего изобретения. Несмотря на то что по меньшей мере один из этих примеров реализации в настоящее время может представлять собой предпочтительный пример реализации, раскрытые примеры реализации не следует рассматривать как ограничивающие объем настоящего изобретения, включающего формулу изобретения. Кроме того, специалисту в рассматриваемой области техники ясно, что приведенное далее описание имеет широкое применение, а описание любого из примеров реализации приведено только для пояснения такого примера реализации и не предназначено для ограничения объема настоящего изобретения, определяемого формулой изобретения.

В настоящем описании и формуле изобретения использованы конкретные термины для указания на конкретные элементы или компоненты. Специалисту в области техники будет понятно, что разные люди могут использовать различные названия для указания на аналогичный элемент или компонент. Данная заявка не предназначена для проведения различий между компонентами или элементами, которые имеют одну функцию, но различное название. В масштабировании фигур на чертежах нет необходимости. Конкретные элементы и компоненты в настоящей заявке могут быть показаны в увеличенном масштабе или в некотором схематическом виде, а некоторые части обычных элементов могут быть не показаны для обеспечения ясности и краткости.

В приведенном далее описании и формуле изобретения термины "включающий" и "содержащий" использованы в неограничительной форме, поэтому их следует интерпретировать как "включающий, но не ограниченный…". Кроме того, термин "соединяют" или "соединяет" предназначен для описания косвенного или прямого соединения. Таким образом, если первое устройство соединено со вторым устройством, то такое соединение может быть выполнено путем прямого соединения или непрямого соединения посредством других устройств, компонентов и соединений. Кроме того, использованные в данной заявке термины "осевой" и "в осевом направлении" в общем смысле означают вдоль или параллельно центральной оси (например, центральной оси корпуса или посадочного гнезда), а термины "радиальный" и "в радиальном направлении" в общем смысле означают перпендикулярно относительно центральной оси. Например, осевое расстояние относится к расстоянию, измеренному вдоль или параллельно центральной оси, а радиальное расстояние соответствует расстоянию, измеренному перпендикулярно центральной оси.

На фиг.1А и 1В показан один из примеров реализации ультразвукового расходомера 10 для пояснения его различных элементов и их взаимодействия. Патрубок 11 пригоден для расположения между сегментами трубопровода. Патрубок 11 имеет предварительно определенный размер и определяет центральное отверстие, через которое протекает текучая среда (например, газ и/или жидкость). Показанная пара преобразователей 12 и 13 и их соответствующие корпусы 14 и 15 расположены по длине патрубка 11. Преобразователи 12 и 13 представляют собой акустические приемопередатчики. В частности, выполнение преобразователей 12, 13 в виде ультразвуковых приемопередатчиков означает, что они создают и принимают акустическую энергию с частотами, превышающими примерно 20 кГц.

Акустическая энергия может быть создана и принята пьезоэлементом каждого из преобразователей 12, 13. Для создания акустического сигнала электрически возбуждают посредством синусоидального сигнала пьезоэлемент, который реагирует путем вибрации. Вибрация пьезоэлемента преобразуется в акустический сигнал, который затем перемещается через текучую среду к соответствующему преобразователю 12, 13 из пары преобразователей. Аналогично, после приема акустической энергии (то есть акустического сигнала и других шумовых сигналов) принимающий пьезоэлемент начинает вибрировать и создает синусоидальный электрический сигнал, определяемый, оцифровываемый и анализируемый посредством электронных устройств, связанных с расходомером.

Отрезок 17, иногда называемый "хордой", проходит между показанными преобразователями 12, 13 под углом q к центральной оси 20 патрубка 11. Длина "хорды" 17 соответствует расстоянию между торцом преобразователя 12 и торцом преобразователя 13. Точки 18 и 19 определяют положения, в которых акустические сигналы, создаваемые преобразователями 12, 13, входят в текучую среду, протекающую через патрубок 11, и выходят из нее (то есть вход в отверстие патрубка). Положение преобразователей 12, 13 может быть определено углом q, первой длиной L, измеренной между преобразователями 12, 13, второй длиной X, соответствующей осевому расстоянию между точками 18, 19, и третьей длиной d, соответствующей внутреннему диаметру трубы. В большинстве случаев расстояния d, Х и L точно определены при производстве расходомера. Кроме того, преобразователи 12, 13 в целом расположены на конкретном расстоянии соответственно от точек 18, 19 вне зависимости от размера расходомера (то есть размера патрубка). Текучая среда, проходящая через патрубок 11, такая как природный газ, протекает в направлении 22 и ее скорость описывается профилем 23 скоростей. Показанные на чертеже векторы скорости 24-29 иллюстрируют тот факт, что скорость прохождения газа через патрубок 11 увеличивается при приближении к центральной оси 20.

Первоначально преобразователь 12, расположенный ниже по потоку, создает акустический сигнал, который распространяется через текучую среду в патрубке 11, затем падает на преобразователь 13, расположенный выше по потоку, и регистрируется им. Через короткий промежуток времени (например, в пределах нескольких миллисекунд) преобразователь 13, расположенный выше по потоку, создает ответный акустический сигнал, который распространяется обратно через текучую среду в патрубке 11, падает на преобразователь 12, расположенный ниже по потоку, и регистрируется им. Таким образом, преобразователи 12, 13 выполняют функцию "питчера и кетчера" в отношении сигналов 30, проходящих по хорде 17. В процессе работы устройства данная последовательность может происходить тысячи раз в минуту.

Время передачи акустического сигнала 30 между преобразователями 12, 13 отчасти зависит от направления перемещения акустического сигнала 30 вверх по потоку или вниз по потоку относительно направления потока текучей среды. Время перемещения акустического сигнала вниз по потоку (то есть в направлении потока текучей среды) меньше времени его перемещения вверх по потоку (то есть в направлении, противоположном потоку текучей среды). Время перемещения вверх и вниз по потоку может быть использовано для расчета средней скорости следования сигнала по отрезку или хорде 17 и скорости звука в измеряемой текучей среде.

Ультразвуковые расходомеры могут иметь по меньшей мере одну хорду акустического сигнала. На фиг.1В показан вид в вертикальном разрезе одного из концов ультразвукового расходомера 10. Согласно фиг.1В ультразвуковой расходомер имеет четыре хорды А, В, С, D, расположенные в различных плоскостях патрубка 11. Каждая из хорд А-D проходит между парой преобразователей, причем каждый из преобразователей функционирует попеременно в качестве передатчика и приемника. На фиг.1В не показаны четыре пары преобразователей, соответствующих хордам A-D. Кроме того, показан управляющий электронный блок 40. Электронный блок 40 получает и обрабатывает данные для четырех хорд A-D.

Устройство четырых пар преобразователей можно более легко понять согласно фиг.1C. В патрубке 11 выполнены четыре пары посадочных гнезд преобразователей, в каждом из посадочных гнезд которых размещен преобразователь. Между каждыми двумя преобразователями проходит одна хорда. Например, первая пара посадочных гнезд 14, 15 вмещает преобразователи 12, 13 (фиг.1А). Преобразователи 12, 13 размещены в соответствующих посадочных гнездах 14, 15 под неперпендикулярным углом 9 к центральной оси 20 патрубка 11. Хорда 17 проходит между преобразователями 12, 13. Еще одна пара посадочных гнезд 34, 35 преобразователей (показаны только частично) и соответствующие преобразователи размещены таким образом, что хорда между преобразователями в посадочных гнездах 34, 35 и хорда 17 между преобразователями 12, 13 расположены X-образно.

Аналогично, посадочные гнезда 38, 39 преобразователей расположены параллельно посадочным гнездам 34, 35 преобразователей, однако на разных "уровнях" (то есть имеют различное радиальное положение в патрубке 11). На фиг.1C в неявном виде показаны четыре пары преобразователей и посадочных гнезд преобразователей. Согласно 1В и 1C пары преобразователей расположены таким образом, что хорды А, В двух верхних пар преобразователей расположены Х-образно, а хорды С, D двух нижних преобразователей соответственно также расположены Х-образно. Скорость потока текучей среды может быть определена для каждой из хорд А, D для получения скоростей потока вдоль хорд, а при последующем комбинировании скоростей потока по хордам может быть определена средняя скорость потока через патрубок 11. На основании значения средней скорости потока может быть определен объем текучей среды, протекающей через патрубок 11 и, таким образом, через трубопровод.

На фиг.2 и 3 соответственно показаны вид в перспективе в частичном разрезе ультразвукового расходомера 100 для измерения расхода текучей среды в трубопроводе. Ультразвуковой расходомер 100 содержит корпус или патрубок 105, блоки 200 ультразвуковых преобразователей расхода газа, электропровод или кабель 125, проходящий от каждого из блоков 200 к электронному блоку 108, соединенному с верхней частью патрубка 105, и съемную крышку 120 кабеля.

Патрубок 105 представляет собой корпус для ультразвукового расходомера 100 и выполнен с возможностью размещения между секциями трубопровода. Патрубок 105 имеет центральную ось 110 и первый или впускной конец 105а, второй или выпускной конец 105b, проход для потока текучей среды или сквозное отверстие 130, проходящее между концами 105а, 105b, и посадочные гнезда 165 преобразователей, проходящие от внешней поверхности патрубка 105 к сквозному отверстию 130. В данном примере реализации каждый из концов 105а, b имеет фланец для соединения патрубка 105 встык с отдельными секциями трубопровода в осевом направлении. Горизонтальная основная плоскость 111 проходит через центральную ось 110 и в целом делит патрубок 105 соответственно на верхнюю и нижнюю половины 105 с, d.

Как показано на фиг.2, патрубок 105 также содержит лотки для кабелей преобразователя, проходящие в целом вертикально вдоль его внешней периферии. Каждый из лотков 135 расположен таким образом, что он пересекает радиально внешние (относительно оси 110) концы 165b двух вертикально расположенных посадочных гнезд 165. Каждый из кабелей 125 проходит от одного из блоков 200, размещенных в одном из посадочных гнезд 165 вдоль одного из лотков 135, к электронному блоку 108. Поскольку два посадочных гнезда 165 пересекают каждый из лотков 135, то два кабеля 125 проходят вертикально в каждом из лотков 135.

Каждый из лотков 135 преобразователя дополнительно содержит заглубленную преднюю поверхность 140, боковые стенки 145, 150 и боковые канавки 155, 160. Предняя поверхность 140 и боковые стенки 145, 150 определяют ограниченый ими паз 175 для размещения кабелей 125. Боковые канавки 155, 160 проходят соответственно вдоль противоположных поверхностей стенок 145, 150 и передней поверхности паза 175. При использовании кабелей 125, размещенных в пазу 175 лотка 135, боковые кромки крышки 120 вводят в боковые канавки 155, 160 и вдвигают в них путем перемещения, закрывая таким образом кабели 125 и защищая их от окружающей среды с внешней стороны патрубка 105. Примеры подходящих крышек кабелей раскрыты в патентной заявке США "Крышка кабеля для ультразвукового расходомера" №11/763,783, поданной 15 июня 2007 года и полностью включенной в настоящую заявку посредством ссылки.

В некоторых примерах реализации патрубок 105 представляет собой отливку, в которой механически вырезаны лотки 135. Кроме того, пазы 175 сформированы путем механической обработки до необходимых размеров. Ширина передней поверхности 140 превышает диаметр посадочных гнезд 165. Глубина паза 175 выполнена достаточной для обеспечения возможности вырезания боковых канавок 155, 160 в боковых стенках 145, 150 лотка 135, а также самого паза 175 и достаточной для размещения кабелей 125. В некоторых примерах реализации боковые канавки 155, 160 представляют собой трехсторонние канавки с прямыми углами. В другом примере реализации боковые канавки 155, 160 могут представлять собой V-образные канавки только с двумя стенками, в которых первая стенка расположена параллельно передней поверхности 140 лотка 135, а вторая стенка расположена под углом, не превышающим 90 градусов от первой стенки. Кроме того, в примерах реализации, в которых боковые канавки 155, 160 представляют собой V-образные канавки, угол расположения боковых стенок 145, 150 относительно передней поверхности 140 может составлять менее или более 90 градусов.

Согласно фиг.3 один из блоков 200 размещен в каждом из посадочных гнезд 165. Каждое из посадочных гнезд 165 имеет центральную ось 166 и проходит через патрубок 105 от радиально внешнего (относительно центральной оси 110 по фиг.2) или первого конца 165а в сквозном отверстии 130 до радиального внешнего (относительно центральной оси 110) или второго конца 165b на внешней поверхности патрубка 105. В данном примере реализации каждое из посадочных гнезд 165 в целом выполнено горизонтальным. Другими словами, центральная ось 166 каждого из посадочных гнезд 165 расположена в плоскости, в целом параллельной основной плоскости 111 (фиг.2). Несмотря на то что проекция центральной оси 166 каждого из посадочных гнезд 165 преобразователя может не пересекать центральную ось 110 патрубка 105, для упрощения радиальные положения различных элементов и компонентов могут быть описаны относительно оси 110, обычно следует понимать, что понятие "радиально внутренний" (относительно центральной оси 110) имеет отношение к положениям, в целом расположенным ближе к оси 110 и отверстию 130, а понятие "радиально внешний" (относительно центральной оси 110) имеет отношение к положениям, в целом удаленным от оси 110 и отверстия 130.

Внутренняя поверхность каждого из посадочных гнезд 165 имеет кольцевой уступ 167 между концами 165а, b и внутреннюю резьбу 169, расположенную в осевом направлении (относительно центральной оси 166) между уступом 167 и первым концом 165а. Согласно приведенному далее подробному описанию уступ 167 способствует размещению блока 200 в посадочном гнезде 165, а резьба 169 взаимодействует с сопрягаемой резьбой блока 200 с обеспечением, таким образом, резьбового соединения блока 200 с патрубком 105 в посадочном гнезде 165.

Согласно фиг.2 и 3 при использовании устройства текучая среда протекает через трубопровод и сквозное отверстие 130 патрубка 105. Блоки 200 посылают акустические сигналы вперед и обратно через поток текучей среды в сквозном отверстии 130. В частности, блоки 200 расположены таким образом, что акустический сигнал при перемещении от одного из блоков 200 к другим пересекает поток текучей среды, проходящий через расходомер 100 под острым углом относительно центральной оси 110. Электронный блок 108 соединен с верхней частью патрубка 105 для подачи энергии к блокам 200 и приема сигналов от них посредством кабелей 125, проходящих между ними. После приема сигналов от блоков 200 электронный блок 108 обрабатывает сигналы для определения расхода текучей среды, проходящей через отверстие 130 расходомера 100.

Согласно фиг.3 блок 200 газового ультразвукового преобразователя и соединенный с ним блок 300 посадочного гнезда соосно размещены в посадочном гнезде 165 и проходят от сквозного отверстия 130 к пазу 175 лотка 135. Таким образом, блок 200 имеет центральную или продольную ось 205, в целом совпадающую с центральной осью 166 посадочного гнезда 165 при размещении в нем блока 200. Совершая радиальное перемещение по направлению наружу (относительно оси 110 по фиг.2) от сквозного отверстия 130 патрубка 105, блок 200 содержит пьезоэлектрический модуль 210 и трансформаторный модуль 250, содержащий клеммный блок 258. Блок 300 присоединен к радиально внешнему концу блока 200 в посадочном гнезде 165. Пьезоэлектрический модуль 210, трансформаторный модуль 250 и блок 300 соединены встык в осевом направлении и соосно расположены относительно осей 166, 205. Таким образом, каждый из пьезоэлектрического модуля 210, держателя 230 преобразователя, трансформаторного модуля 250 и блока 300 имеет центральную ось, в целом совпадающую с осями 205, 166. Для обеспечения краткости осевые положения различных элементов и компонентов блока 200 преобразователя и блока 300 заданы в настоящей заявке относительно осей 166, 205, однако следует понимать, что каждый отдельный компонент при сборке в блок 200 или блок 300 имеет центральную ось, в целом совпадающую с осью 205 и осью 166 при размещении в посадочном гнезде 165.

Согласно фиг.3-6 и 8 пьезоэлектрический модуль 210 имеет радиально внутренний (относительно центральной оси 110) или первый конец 210а, расположенный ближе к отверстию 130, радиально внешний (относительно центральной оси 110) или второй конец 210b, удаленный от отверстия 130, и содержит корпус 211, пьезоэлемент 212 и согласующий слой 214. На фиг.3 показан пьезоэлектрический модуль 210 с согласующим слоем 214 (например, после размещения согласующего слоя 214), а на фиг.4-7 пьезоэлектрический модуль 210 показан без согласующего слоя 214 (например, перед введением согласующего слоя 214).

Корпус 211 в целом выполнен цилиндрическим и имеет центральную ось 215, первый конец 211а, совпадающий с концом 210а, второй конец 211b, совпадающий с концом 210b. Первые концы 210а, 211а соответственно пьезоэлектрического модуля 210 и корпуса 211 проходят в осевом направлении (относительно осей 166, 205) относительно отверстия 130 и открыты воздействию текучей среды, проходящей через сквозное отверстие 130 (фиг.3). Кроме того, корпус 211 содержит первый ближний к месту прикрепления конец 211а внутренней камеры 213 и второй ближний к месту прикрепления конец 211b внутренней камеры 217. В данном примере реализации камера 213 представляет собой глухое отверстие, проходящее в осевом направлении (относительно оси 205) от первого конца 211a корпуса 211, а камера 217 представляет собой глухое отверстие, проходящее в осевом направлении (относительно оси 205) от конца 211b. Таким образом, в настоящей заявке камера 213, 217 может быть также названа соответственно глухим отверстием 213, 217. Обычно камера (например, камера 213) или глухое отверстие (например, глухое отверстие 213, 217) может быть сформирована любым подходящим способом, включая, без ограничения, формовку, отливку, механическую обработку или их сочетание. Два в целом параллельных сквозных отверстия 236 проходят в осевом направлении (относительно осей 205, 215) через корпус 211 между глухими отверстиями 213, 217.

В данном примере реализации пьезоэлемент 212 в целом выполнен цилиндрическим и соосно размещен в глухом отверстии 213, расположенном ближе к первому концу 211a и отверстию 130. Пьезоэлемент 212 представляет собой пьезоэлектрический материал, создающий электрический потенциал в ответ на приложенное механическое усилие и создающий механическое усилие и/или напряжение в ответ на приложенное электрическое поле. В частности, пьезоэлемент 212 создает электрический потенциал и соответствующий ток в ответ на акустический сигнал и создает акустический сигнал в ответ на приложенный электрический потенциал и соответствующий ток. Обычно пьезоэлемент 212 может содержать любой подходящий пьезоэлектрический материал, включая, без ограничения, пьезоэлектрический кристалл или керамику. В данном примере реализации пьезоэлемент 212 представляет собой пьезоэлектрический кристалл.

Согласно фиг.3-6 и 8 два штепсельных разъема или две колодки штепсельных разъемов 216 также размещены в глухом отверстии 213, проходящем радиально внутрь (относительно оси 110 по фиг.2), и выровнены с одним из сквозных отверстий 236. В данном примере реализации каждый штепсельный разъем 216 представляет собой гнездовой штепсельный разъем. Два вывода или провода (не показаны) электрически присоединяют пьезоэлемент 212 к гнездовым разъемам 216.

Пьезоэлемент 212 и штепсельные разъемы 216 жестко закреплены на месте относительно корпуса 211 посредством согласующего слоя 214, заполняющего, как правило, остальную часть глухого отверстия 213 и окружающего пьезоэлемент 212 и штепсельные разъемы 216 (фиг.3). Согласующий слой 214 и, таким образом, пьезоэлемент 212 соединены с корпусом 211 в глухом отверстии 213. Обычно согласующий слой 214 может быть соединен с корпусом 211 посредством каких-либо подходящих средств, включая, без ограничения, посадку с натягом, адгезионное соединение, трение или их сочетания. В данном примере реализации согласующий слой 214 присоединен непосредственно к внутренней цилиндрической поверхности глухого отверстия 213 корпуса 211 путем прикрепления эпоксидной смолой.

Согласующий слой (например, согласующий слой 214) может содержать любой подходящий материал(ы), включая, без ограничения, пластик, металл, стекло, керамику, эпоксидную смолу, эпоксидную смолу с порошкообразным наполнителем, резину, резину с порошкообразным наполнителем или их сочетания. В данном примере реализации согласующий слой 214 представляет собой эпоксидную смолу, залитую в глухое отверстие 213 в текучем жидком состоянии, с последующим его упрочнением и отверждением. Независимо от его материала согласующий слой (например, согласующий слой 214) обеспечивает акустическую связь между пьезоэлементом (например, пьезоэлементом 212) и текучей средой, проходящей через расходомер (например, текучей средой, проходящим через отверстие 130 расходомера 100). Согласно конкретным примерам реализации, раскрытым в настоящей заявке, акустический согласующий слой имеет акустический импеданс, промежуточный между импедансом пьезоэлемента и импеданса текучей среды в расходомере. При акустическом импедансе согласующего слоя, промежуточным между его значением для пьезоэлемента и для текучей среды в расходомере, происходит улучшение качества ультразвукового сигнала (например, увеличение амплитуды и ускорение нарастания импульса). Акустический импеданс согласующего слоя зависит по меньшей мере частично от его осевой толщины, и, таким образом, управление осевой толщиной согласующего слоя очень важно для обеспечения качества ультразвукового сигнала. Например, согласно фиг.3 согласующий слой 214 имеет осевую толщину L214, измеренную в осевом направлении (относительно оси 205) между текучей средой в отверстии 130 и пьезоэлементом 212. Предпочтительно расчет и управление осевой толщиной L214 происходит для улучшения качества ультразвукового сигнала. В частности, осевая толщина L214 согласующего слоя 214 составляет предпочтительно 1/4 увеличения длины звуковой волны, создаваемой пьезоэлементом 212.

Согласно фиг.4-7 и приведенному ранее описанию пьезоэлемент 212 соосно размещен в глухом отверстии 213, расположенном ближе к первому концу 211a и отверстию 130. Кроме того, расположенные по периферии распорки 230 размещены в глухом отверстии 213 вокруг пьезоэлемента 212. В частности, каждая распорка 230 радиально размещена (относительно осей 205, 215) в глухом отверстии 213 между пьезоэлементом 212 и корпусом 211. Кроме того, в данном примере реализации распорок 230 выполнены по существу идентичными. В частности, в данном примере реализации каждая распорка 230 представляет собой удлиненную тонкостеночную трубку, имеющую центральную ось 231, концы 230а, b и центральное сквозное отверстие 232, проходящее в осевом направлении (относительно оси 231) между концами 230а, b. Согласно фиг.4 и 7 каждая распорка 230 имеет осевую длину L230, измеренную в осевом направлении (относительно оси 231) между концами 230а, b, внутренний диаметр Di, внешний диаметр Do и радиальную толщину Т230, составляющую половину разницы между внешним диаметром Do и внутренним диаметром Di. Толщина Т230 существенно меньше внутреннего диаметра Di и внешнего диаметра Do и, таким образом, распорки 230 могут в целом быть названы "тонкостеночными". Несмотря на то что в данном примере реализации распорки 230 в целом представляют собой цилиндрическую трубку, обычно по меньшей мере одна из распорок (например, распорок 230) может иметь любую подходящую геометрическую форму, включая, без ограничения, прямоугольную, трапециевидную, треугольную и т.п. Согласно фиг.4 и 7 распорки 230 ориентированы в осевом направлении (то есть расположены параллельно центральной оси 215) и расположены в целом параллельно друг другу.

Согласно фиг.5 пьезоэлемент 212 имеет осевую длину L212 (измеренную параллельно оси 215), а глухое отверстие 213 имеет осевую длину L213 (измеренную параллельно оси 215), превышающую длину L212. Осевая длина L230 каждой распорки 230 предпочтительно составляет по меньшей мере половину осевой длины L212 пьезоэлемента 212 для уменьшения и/или предотвращения вращения или поворота кристалла вокруг по меньшей мере одной из распорок 230 при выполнении сборки. В данном примере реализации осевая длина L230 каждой распорки 230 составляет примерно половину осевой длины L212 пьезоэлемента 212. Кроме того, согласно фиг.7 пьезоэлемент 212 имеет по существу постоянный внешний радиус R212, а корпус 211 имеет по существу постоянный внутренний радиус R213 в глухом отверстии 213, превышающий радиус R212. Внешний диаметр Do каждой распорки 230 выполнен по существу таким же, как разность между радиусом R213 и радиусом R212, или немного превышающим эту разность. Таким образом, распорки 230 имеют размер, обеспечивающий формирования посадки с натягом между пьезоэлементом 212 и корпусом 211. В примерах реализации, в которых внешний диаметр Do каждой распорки 230 выполнен немного большим разности между радиусом R213 и радиусом R212, распорки 230 могут быть радиально сдавлены или сжаты между пьезоэлементом 212 и корпусом 211 и/или пьезоэлемент 212 может быть радиально сдавлен или сжат между распорками 230. В таких примерах реализации распорки 230 могут содержать упругий материал(ы), выполняющий функцию, аналогичную сжатым пружинам, для создания радиальных усилий, смещающих пьезоэлемент 212 в предпочтительное радиальное положение в глухом отверстии 213.

Согласно фиг.4-7 при создании пьезоэлектрического модуля 210 и до введения согласующего слоя 214 распорки 230 поддерживают осевое и радиальное положения пьезоэлемента 212 в глухом отверстии 213 (относительно оси 215). В частности, для выполнения сборки пьезоэлектрического модуля 210 пьезоэлемент 212 вставляют в осевом направлении в глухое отверстие 213. Согласно приведенному ранее описанию длина L212 пьезоэлемента 212 меньше длины L213 глухого отверстия 213, а внешний радиус R212 пьезоэлемента 212 меньше внутреннего радиуса R213 корпуса 211 в глухом отверстии 213. Таким образом, перед вставкой распорки 230 и введением согласующего слоя 214 пьезоэлемент 212 может свободно перемещаться в радиальном и осевом направлениях (относительно оси 215) в глухом отверстии 213 относительно корпуса 211.

Кроме того, распорки 230 вставлены в осевом направлении в глухое отверстие 213 между пьезоэлементом 212 и корпусом 211. Для достижения и поддержания соосного положения пьезоэлемента 212 в глухом отверстии 213 предпочтительно по меньшей мере три распорки 230 радиально размещены между пьезоэлементом 212 и корпусом 211, причем каждые две соседние расположенные по периферии распорки 230 разнесены друг от друга вокруг оси 215 на угловое расстояние, составляющее менее 180 градусов. Для воздействия на пьезоэлемент 212 с целью уравновесить радиальные усилия распорки (например, распорки 230) предпочтительно равномерно разнесены друг от друга по периферии вокруг пьезоэлемента (например, пьезоэлемента 212). В данном примере реализации использованы три распорки 230, равномерно расположенные на угловом расстоянии друг от друга, составляющем примерно 120 градусов. Однако в других примерах реализации может быть использовано более трех распорок (например, распорок 230), а угловые расстояния между распорками могут быть выполнены различными. Например, в одном из примеров реализации между пьезоэлементом (например, пьезоэлементом 212) и корпусом (например, корпусом 211) могут быть размещены четыре распорки, равномерно расположенные на угловом расстоянии друг от друга, составляющем примерно 90 градусов.

Согласно фиг.4-7 и приведенному ранее описанию распорки 230 имеют размеры обеспечивающие формирование посадки с натягом между пьезоэлементом 212 и корпусом 211. Благодаря таким размеру и конструкции распорок 230, глухого отверстия 230 и пьезоэлемента 212 радиально внешняя поверхность каждой распорки 230 взаимодействует с радиально внешней поверхностью пьезоэлемента 212 и радиально внутренней поверхностью корпуса 211 в глухом отверстии 213. Таким образом, при вставке распорки 230 в осевом направлении между пьезоэлементом 212 и корпусом 211 распорки 230 взаимодействуют с пьезоэлементом 212 и корпусом 211 путем скольжения. Трение покоя, возникающее при взаимодействии распорок 230 и корпуса 211 и распорок 230 и пьезоэлемента 212, ограничивает осевое перемещение распорок 230 и пьезоэлемента 212 относительно корпуса 211 и глухого отверстия 213. Кроме того, радиальное взаимодействие распорки 230 с пьезоэлементом 212 и корпусом 211 ограничивает радиальное перемещение (относительно оси 215) пьезоэлемента 212 в глухом отверстии 213 относительно корпуса 211. После вставки распорок 230 и расположения их по периферии на расстоянии друг от друга, пьезоэлемент 212 может быть подогнан в осевом направлении (относительно оси 215) для регулирования осевого положения пьезоэлемента 212 в глухом отверстии 213; пьезоэлемент 212 начинает совершать перемещение в осевом направлении в глухом отверстии 213 (относительно оси 215) после того, как приложенное осевое усилие будет достаточно для преодоления трения покоя на стыке пьезоэлемента 212 и распорки 230.

После достижения пьезоэлементом 212 необходимого осевого положения в глухом отверстии 213 используют согласующий слой 213 для заполнения оставшейся части глухого отверстия 213 и заделывания пьезоэлемента 212 в корпусе. Согласно приведенному ранее описанию в данном примере реализации согласующий слой 214 представляет собой эпоксидную смолу. Для заполнения глухого отверстия 213 эпоксидным согласующим слоем 214 корпус 211 ориентируют вертикально, размещая конец 211a над концом 211b, а затем выполняют заливку согласующего слоя 214 в жидкой форме в глухое отверстие 213 через конец 211а. Жидкий эпоксидный согласующий слой 214 свободно течет через пустоты, радиально расположенные между пьезоэлементом 212 и корпусом 211 и расположенные по периферии между распорками 230, а также через сквозные отверстия 232 распорок 230, полностью заполняя таким образом оставшуюся часть глухого отверстия 213. После полного заполнения глухого отверстия 213 обеспечивают возможность упрочнения и засыхания жидкого эпоксидного согласующего слоя 214. После отверждения конец затвердевшего эпоксидного согласующего слоя 214, расположенного ближе к концу 211а корпуса, может быть отшлифован для достижения необходимой осевой длины согласующего слоя 214. При заполнении глухого отверстия 213 жидким эпоксидным согласующим слоем 214 и его отверждении распорки 230 (и соответствующая посадка с натягом между пьезоэлементом 212 и корпусом 211) удерживают радиальное и осевое положения пьезоэлемента 212 в глухом отверстии 213.

Обычно распорки (например, распорки 230) могут содержать любой подходящий материал(ы), включая, без ограничения, металл (например, алюминий), сплавы металлов (например, сталь), неметалические материалы (например, пластик, композит, резина и т.п.) или их сочетания. Распорки предпочтительно содержат относительно жесткий и упругий материал, такой как нержавеющая сталь (например, 316SS), который может быть несколько сдавлен или сжат с сохранением его целостности.

Согласно фиг.3-6 и 8 электрическое соединение 235 соосно размещено в каждом сквозном отверстии 236. Каждое электрическое соединение 235 имеет концы 235а, b, присоединенные соответственно к пьезоэлектрическому модулю 210 и трансформаторному модулю 250. Соединения 235 электрически соединяют пьезоэлектрический модуль 210 и трансформаторный модуль 250 и обеспечивают возможность передачи данных, относящихся к текучей среде, проходящей через отверстие 130, от пьезоэлектрического модуля 210 к трансформаторному модулю 250. В данном примере реализации каждый из концов 235а, b соединений 235 представляет собой штыревой разъем, совмещаемый с соответствующими гнездовыми штепсельными разъемами 216 в пьезоэлектрическом модуле 210 и двумя гнездовыми штепсельными разъемами в трансформаторном модуле 250 и взаимодействующий с ними.

Кольцевое уплотнение 242 выполнено между каждым соединением 235 и корпусом 211, ограничивая и/или предотвращая таким образом осевой поток текучей среды (относительно оси 205) между соединениями 235 и корпусом 211. Уплотнения 242, сформированные между соединениями 235 и корпусом 211, предпочтительно выполнены достаточными для выдерживания предполагаемого давления текучей среды в отверстии 130, которое обычно превышает давление внешней среды. В данном примере реализации каждое уплотнение 242 представляет собой стеклянное уплотнение.

Согласно фиг.3-5 радиальная внешняя поверхность корпуса 211 (относительно оси 205) содержит кольцевой уступ 237, расположенный ближе ко второму концу 210b, внешнюю резьбу 238, расположенную между уступом 237 и внутренним концом 210а, и кольцевую выемку или паз 239, расположенный в осевом направлении (относительно оси 205) между внешней резьбой 238 и внутренним концом 210а. Кольцевое уплотнение 241 размещено в пазе 239. Паз 239 и размещенное в нем уплотнение 241 образуют уплотнительный блок 240, расположенный радиально (относительно оси 205) между пьезоэлектрическим модулем 210 и патрубком 105. Уплотнительный блок 240 формирует кольцевое уплотнение между пьезоэлектрическим модулем 210 и патрубком 105, ограничивая и/или предотвращая таким образом поток текучей среды (например, текучей среды, проходящей через отверстие 430) между пьезоэлектрическим модулем 210 и патрубком 105. В данном примере реализации кольцевое уплотнение 241 представляет собой упругое кольцевое уплотнение, которое радиально сжато между патрубком 105 и пьезоэлектрическим модулем 210 после выполнения сборки.

Уплотнительный блок 240 ограничивает и/или предотвращает поток текучей среды (например, текучей среды, проходящей через отверстие 130) между пьезоэлектрическим модулем 210 и патрубком 105, а кольцевые уплотнения 242 ограничивают и/или предотвращают осевой поток текучей среды (относительно оси 205) между каждым соединением 235 и корпусом 211. Уплотнительный блок 240 и уплотнения 242 ограничивают и/или предотвращают выход из отверстия 130 проходящих через него потенциально опасных загрязняющих или агрессивных текучих сред через посадочное гнездо 165. Кроме того, уплотнительный блок 240 и уплотнения 242 поддерживают разность давлений между внешней относительно патрубка 105 средой и текучей средой, проходящей через отверстие 130 под давлением. Таким образом, несмотря на то что пьезоэлектрический модуль 210 подвержен воздействию текучей среды и давлений в отверстии 130, трансформаторный модуль 250, блок 300 и кабель 125 изолированы от текучей среды (и соответствующих давлений) в отверстии 130.

Пьезоэлектрический модуль 210 ввинчен в патрубок 105 путем сопряжения резьб 169, 238, а кольцевой уступ 237 корпуса 211 взаимодействует с кольцевым уступом 167 посадочного гнезда 165. При выполнении сборки пьезоэлектрический модуль 210 вставляют и продвигают в осевом направлении в посадочное гнездо 165 до взаимодействия уступов 167, 237 с предотвращением, таким образом, дальнейшего осевого продвижения пьезоэлектрического модуля 210 (и блока 200) в посадочное гнездо 165. Таким образом, уступ 167, расположенный в посадочном гнезде 165, задает осевое положение пьезоэлектрического модуля 210 (и блока 200 преобразователя) в этом посадочном гнезде 165.

Согласно фиг.3 и 9 трансформаторный модуль 250 имеет радиально внутренний (относительно оси 205), или первый, конец 250а, радиально внешний (относительно оси 205), или второй, конец 250b и содержит корпус 251, монтажную плату 255, клеммный блок 258, описанный ранее и соединенный с монтажной платой 255, трансформатор 252 и два гнездовых штепсельных разъема или две колодки 253 штепсельных разъемов. Корпус 251 проходит в осевом направлении (относительно оси 205) между концами 250а, b и таким образом может быть также описан в качестве корпуса, имеющего первый и второй концы 251а, b, совпадающие с концами 250а, b. Корпус 251 содержит внутреннюю камеру 259, заданную сквозным отверстием 254, проходящим в осевом направлении (относительно оси 205) между концами 251а, b, и два выступа 257, проходящие радиально (относительно оси 205) по направлению наружу, размещенные по периферии на расстоянии друг от друга и расположенные ближе к концу 251b с обеспечением возможности соединения блока 300 и трансформаторного модуля 250.

Согласно фиг.9 штепсельные разъемы или колодки 253, монтажная плата 255 и трансформатор 252 расположены в сквозном отверстии 254. Клеммный блок 258 расположен ближе ко второму концу 250b трансформаторного модуля 250 и соединен с корпусом 251, расположенным ближе ко второму концу 251b. В частности, клеммный блок 258 установлен на монтажную плату 255 и проходит в сторону от нее в осевом направлении (относительно оси 205). Монтажная плата 255, трансформатор 252 и штепсельные разъемы 253 электрически соединены посредством двух проволочных выводов (не показаны). В данном примере реализации каждый из штепсельных разъемов 253 представляет собой гнездовой штепсельный разъем.

Монтажная плата 255, трансформатор 252 и гнездовые штепсельные разъемы 253 жестко закреплены на месте относительно корпуса 251 в сквозном отверстии 254 посредством наполнителя 256, заполняющего оставшуюся часть сквозного отверстия 254. Обычно наполнитель (например, наполнитель 256) может содержать любой подходящий материал, такой как, без ограничения, пластик, эпоксидную смолу и стеклянный порошок. Наполнитель предпочтительно представляет собой диэлектрик, заполняющий все открытые промежутки и воздушные карманы в сквозном отверстии (например, сквозном отверстии 254), и закрепляет или удерживает блок на месте. В данном примере реализации наполнитель 256 представляет собой жесткую эпоксидную смолу, аналогичную согласующему слою 214.

Согласно фиг.3 электрические соединения 235 размещены в сквозных отверстиях 236 корпуса 211 и проходят между пьезоэлектрическим модулем 210 и трансформаторным модулем 250. Концы 235а, b каждого из коаксиальных соединений 235 совмещаются и стыкуются соответственно с гнездовыми штепсельными разъемами 216, 253 с обеспечением таким образом электрического соединения пьезоэлектрического модуля 210 и трансформаторного модуля 250. В частности, первый конец 250а трансформаторного модуля 250, к которому присоединены кабель 125 и блок 900 заглушки канала, вставлен в глухое отверстие 217 пьезоэлектрического модуля 210 для проталкивания трансформаторного модуля 250 к пьезоэлектрическому модулю 210 с обеспечением размещения концов 235b штыревых разъемов 235 в гнездовых штепсельных разъемах 253. Таким образом, пьезоэлектрический модуль 210 и трансформаторный модуль 250 расположены на расстоянии друг от друга (относительно оси 205) в осевом направлении посредством электрических соединений 235.

Согласно фиг.3 блок 300 обеспечивает возможность соединения кабеля 125 с клеммным блоком 258, так что обеспечено пренебрежимо малое напряжение на данном соединении, и обеспечивает возможность закрывания кабеля 125, например, посредством крышки 120. Кроме того, блок 900 предотвращает и/или ограничивает попадание текучей среды, такой как дождевая вода, талый снег или атмосферный конденсат, через конец 165b посадочного гнезда 165. Таким образом, блок 300 формирует уплотнение поперек конца 165b посадочного гнезда 165. Блок 300 содержит трубчатый элемент 309, уплотненную крышку 304 и пружину 306, расположенную между ними в осевом направлении.

Согласно фиг.3 различные компоненты блока преобразователя и блока 300 могут быть установлены в различном порядке. Однако блок 200 и блок 300 предпочтительно собраны перед вставкой в посадочное гнездо 165, а первый сборочный узел, содержащий трансформаторный модуль 250 и блок 300 предпочтительно собран до соединения трансформаторного модуля 250 и пьезоэлектрического модуля 210.

Несмотря на то что в настоящей заявки показаны и описаны предпочтительные примеры реализации, специалист в рассматриваемой области техники может выполнить их модификации в рамках объема настоящего изобретения. Примеры реализации, описанные в настоящей заявке, представляют собой только пояснительные и неограничивающие примеры реализации. В рамках объема настоящего изобретения возможны многие варианты и модификации систем, устройств и процессов, описанных в настоящей заявке. Например, возможны различные относительные размеры различных частей, материалы, из которых выполнены эти части, и другие параметры. Таким образом, объем защиты не ограничен примерами реализации, описанными в настоящей заявке, однако ограничен прилагаемой формулой изобретения, которая включает все эквиваленты объекта.

1. Блок преобразователя, содержащий:
пьезоэлектрический модуль, содержащий:
корпус, имеющий центральную ось, первый конец, второй конец, противоположный первому концу, и первую внутреннюю камеру, проходящую в осевом направлении от первого конца;
пьезоэлемент, расположенный в первой внутренней камере соосно с ней;
распорки, расположенные в первой внутренней камере между пьезоэлементом и корпусом, причем каждая распорка расположена в радиальном направлении между пьезоэлементом и корпусом и распорки выполнены с возможностью поддерживания радиального положения пьезоэлемента при создании пьезоэлектрического модуля; и
согласующий слой, расположенный в первой внутренней камере и окружающий распорки и пьезоэлементасположенный в первой внутренней ью поддерживания радиального положения пьезоэлемента при создании пьезоэлектрического модкля; .

2. Блок по п.1, в котором каждая распорка выполнена удлиненной и имеет центральную ось, в целом параллельную центральной оси корпуса.

3. Блок по п.1, в котором каждая распорка взаимодействует с корпусом и пьезоэлементом.

4. Блок по п.3, в котором каждая распорока размещена в радиальном направлении между пьезоэлементом и корпусом путем посадки с натягом.

5. Блок по п.3, в котором каждая распорка сжата в радиальном направлении между пьезоэлементом и корпусом.

6. Блок по п.5, в котором каждая распорока представляет собой цилиндрическую трубку и имеет центральную ось, внешний диаметр и осевую длину, измеренную параллельно центральной оси распорки.

7. Блок по п.6, в котором пьезоэлемент имеет осевую длину, измеренную параллельно центральной оси корпуса, причем осевая длина каждой распорки меньше осевой длины пьезоэлемента.

8. Блок по п.3, в котором распорки содержат по меньшей мере три распорки, равномерно расположенные по периферии вокруг пьезоэлемента.

9. Блок по п.8, дополнительно содержащий трансформаторный модуль, соединенный с пьезоэлектрическим модулем и содержащий:
корпус трансформатора, имеющий центральную ось, первый и второй концы и внутреннюю камеру; и
трансформатор, расположенный во внутренней камере корпуса трансформатора и электрически соединенный с пьезоэлементом.

10. Блок по п.9, в котором второй конец пьезоэлектрического модуля содержит вторую внутреннюю камеру, в которой по меньшей мере частично размещен первый конец трансформаторного модуля.

11. Ультразвуковой расходомер для измерения расхода текучей среды в трубопроводе, содержащий:
патрубок, имеющий сквозное отверстие и посадочное гнездо преобразователя, проходящее от внешней поверхности патрубка к сквозному отверстию;
блок преобразователя, размещенный в посадочном гнезде преобразователя, имеющий центральную ось и содержащий:
пьезоэлектрический модуль, содержащий:
корпус, имеющий первый и второй концы и внутреннюю камеру, расположенную ближе к первому концу;
пьезоэлемент, расположенный во внутренней камере; и
распорки, расположенные во внутренней камере между пьезоэлементом и корпусом, причем каждая распорка расположена в радиальном направлении между пьезоэлементом и корпусом и распорки выполнены с возможностью поддерживания радиального положения пьезоэлемента при создании пьезоэлектрического модуля; и
согласующий слой, расположенный во внутренней камере между пьезоэлементом и первым концом корпуса;
трансформаторный модуль, содержащий трансформатор и соединенный с пьезоэлектрическим модулем.

12. Расходомер по п.11, в котором каждая распорка сжата в радиальном направлении между пьезоэлементом и корпусом.

13. Расходомер по п.11, в котором согласующий слой расположен в радиальном направлении между пьезоэлементом и корпусом и по периферии между каждыми двумя расположенными по периферии соседними распорками.

14. Расходомер по п.11, в котором распорки содержат по меньшей мере три распорки, равномерно расположенные по периферии вокруг пьезоэлемента.

15. Способ создания ультразвукового расходомера, включающий:
(а) использование пьезоэлектрического корпуса, имеющего центральную ось, первый конец, второй конец, противоположный первому концу, и первое глухое отверстие, проходящее в осевом направлении от первого конца;
(b) вставку пьезоэлемента в первое глухое отверстие;
(c) вставку распорок в первое глухое отверстие;
(d) размещение каждой из распорок в радиальном направлении между пьезоэлементом и корпусом;
(e) заполнение первого глухого отверстия согласующим слоем после выполнения этапа (d).

16. Способ по п.15, дополнительно включающий соосное размещение пьезоэлемента в первом глухом отверстии и поддержание этого соосного положения пьезоэлемента в первом глухом отверстии посредством распорок перед выполнением этапа (е).

17. Способ по п.16, дополнительно включающий приведение во взаимодействие внешней поверхности пьезоэлемента и внутренней поверхности корпуса в первом глухом отверстии с каждой распоркой.

18. Способ по п.17, согласно которому этап (d) дополнительно включает поддержание положения каждой из распорок, расположенной между пьезоэлементом и корпусом путем посадки с натягом.

19. Способ по п.17, согласно которому этап (d) дополнительно включает разнесение распорок по периферии вокруг пьезоэлемента.

20. Способ по п.19, согласно которому распорки включают по меньшей мере три распорки, разнесенные по периферии вокруг пьезоэлемента на угловое расстояние, составляющее менее 180 градусов.

21. Способ по п.20, согласно которому распорки равномерно разнесены по периферии вокруг пьезоэлемента.

22. Способ по п.19, согласно которому этап (d) дополнительно включает размещение пьезоэлемента на заранее определенном осевом расстоянии от первого конца корпуса.

23. Способ по п.15, согласно которому согласующий слой представляет собой эпоксидный клей, а этап (е) включает:
заливку эпоксидного клея в жидкой форме в первое глухое отверстие; и
обеспечение возможности упрочнения и отверждения эпоксидного клея.

24. Способ по п.23, дополнительно включающий машинную обработку части эпоксидного клея, расположенной ближе к первому концу корпуса с образованием по существу плоской поверхности после выполнения этапа (е).

25. Способ по п.15, дополнительно включающий соединение трансформаторного модуля с корпусом пьезоэлемента, причем трансформаторный модуль содержит трансформаторный корпус и расположенный в нем трансформатор.



 

Похожие патенты:

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.

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.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах измерения газообразных и текучих сред, а также в коммерческих расчетах.

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.

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.

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.

Изобретение относится к системам водоотведения. В системе, включающей модуль перекачки воды, содержащий насосы, приемный резервуар с подводящим трубопроводом, модуль анализа диагностируемых параметров, модуль контрольно-измерительных приборов, блок ввода объемов приемного резервуара, блок анализа водопритока, модуль анализа диагностируемых параметров, снабженный блоками ввода геометрических характеристик приемного резервуара, ввода гидравлических характеристик подводящего трубопровода, анализа откачки воды из приемного резервуара, модуль контрольно-измерительных приборов снабжен датчиками уровня воды, установленными на подводящем трубопроводе и в приемном резервуаре, модуль перекачки воды снабжен запорно-регулирующим устройством с исполнительным органом, установленным на подводящем трубопроводе, устройством управления, при этом выходы блоков ввода геометрических характеристик приемного резервуара, ввода гидравлических характеристик подводящего трубопровода и блока анализа откачки воды из приемного резервуара подключены к входу блока анализа водопритока. Технический результат - возможность использования системы для решения задач по диагностике расхода воды. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к средствам измерения скорости транспортируемой по трубопроводу текучей среды. Устройство для измерения скорости текучей среды в трубопроводе содержит измерительную вставку, оснащенную концевыми патрубками с фланцами, между которыми расположен мерный участок, выполненный в виде измерительной секции трубопровода из диэлектрического композиционного материала, закрепленной на указанных патрубках. Отсек для размещения аппаратуры для измерения скорости текучей среды через измерительную секцию охватывает измерительную секцию. В отсеке размещена измерительная аппаратура, включающая в себя, по меньшей мере, ультразвуковой измеритель скорости текучей среды, блок питания и средства для обработки полученных данных. Устройство имеет кожух для защиты измерительной аппаратуры в отсеке от внешнего воздействия, при этом кожух имеет две боковые стенки, ограничивающие отсек с торцов, внешний защитный экран, размещенный между торцевыми стенками, и элементы крепления, соединяющие указанные боковые стенки друг с другом. Технический результат - легкость монтажа в трубопроводе, обеспечение обслуживания аппаратуры без снятия устройства с трубопровода и обеспечение надежной защиты аппаратуры от вандалов и внешних воздействий. 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах автоматического контроля и измерения расхода диэлектрических материалов, перемещаемых воздухом по металлическому трубопроводу. В измерителе расхода двухфазного потока диэлектрических материалов, перемещаемых воздухом по металлическому трубопроводу, содержащем соединенные последовательно между собой микроконтроллер, индикатор, измерительную вставку из диэлектрического материала, встроенную в металлический трубопровод, с расположенными на ней обкладками измерительного конденсатора, соединенными последовательно с обкладками регистрирующего конденсатора с диэлектрической вставкой из поляризуемого напряжением кристалла, поляризатор света, лазерный излучатель, анализатор света и фотоприемник, при этом с одной стороны от регистрирующего конденсатора размещено плоское зеркало, а с другой стороны корректирующая пластина, поляризатор-анализатор света, соединенный оптической линией с фотоприемником, соединенным через преобразователь тока в напряжение с микроконтроллером, соединенным с жидкокристаллическим индикатором и персональным компьютером. Технический результат от использования изобретения заключается в повышении точности измерения, упрощения технической реализации и защите от влияния внешних электромагнитных полей. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к ультразвуковому преобразователю. Ультразвуковой преобразователь как существенная часть ультразвукового расходомера, с корпусом преобразователя, имеющим ультразвуковое окно, корпусную трубку и корпусный фланец, и преобразовательным элементом, выполненным для передачи и приема ультразвуковых волн и предусмотренным либо вблизи ультразвукового окна корпуса преобразователя, либо на удалении от ультразвукового окна корпуса преобразователя, причем предусмотрена относительно мягкая механическая система сопряжения, предпочтительно имеющая по меньшей мере один слабо связанный механический резонатор или по меньшей мере два слабо связанных механических резонатора, отличается тем, что предусмотрена вторая мягкая механическая система сопряжения, причем из двух систем сопряжения одна система сопряжения расположена с ближней к ультразвуковому окну стороны корпусного фланца, а другая система сопряжения расположена с дальней от ультразвукового окна стороны корпусного фланца, при этом система сопряжения, предусмотренная с ближней к ультразвуковому окну стороны корпусного фланца, на своем ближнем к ультразвуковому окну конце соединена с корпусной трубкой, а на своем удаленном от ультразвукового окна конце соединена с корпусным фланцем, и система сопряжения, предусмотренная с дальней от ультразвукового окна стороны корпусного фланца, на своем удаленном от ультразвукового окна конце соединена с корпусной трубкой, а на своем ближнем к ультразвуковому окну конце соединена с корпусным фланцем. Технический результат - повышение устойчивости ультразвукового преобразователя к колебаниям. 14 з.п. ф-лы, 3 ил.
Наверх