Ультразвуковой расходомер

Изобретение относится к ультразвуковому расходомеру, содержащему трубопровод в опорном корпусе и по меньшей мере два ультразвуковых преобразователя, предусмотренных в измерительной вставке, которая может быть вставлена в опорный корпус и в трубопровод перпендикулярно трубопроводу. Трубопровод содержит круглое цилиндрическое гнездо с диаметром, который больше внутреннего диаметра трубки, и глубиной, охватывающей внутреннюю часть трубки, для вставления измерительной вставки в трубопровод перпендикулярно направлению потока. Четыре ультразвуковых преобразователя расположены в стенке измерительной вставки, преобразователи образуют по меньшей мере два пути измерения, причем указанные пути измерения пересекаются друг с другом на виде сверху, и преобразователи расположены в стенке измерительной вставки таким образом, что при работе ультразвуковые сигналы, излучаемые и принимаемые ультразвуковыми преобразователями на путях измерения, имеют разность времени прохождения t_h-t_r, которая зависит от скорости потока v и/или расхода Q текучей среды, протекающей в трубопроводе. Технический результат - создание ультразвукового расходомера, который требует небольшого установочного пространства и тем не менее предназначен для высоких давлений и подходит для промышленного стандарта и легкого производства. 6 з.п. ф-лы, 9 ил.

 

Изобретение относится к ультразвуковому расходомеру, содержащему трубопровод в опорном корпусе, причем опорный корпус образует стенку трубопровода, и по меньшей мере два ультразвуковых преобразователя, расположенных таким образом, что при работе расход, измеряемый двумя ультразвуковыми преобразователями, имеет разность по времени прохождения в зависимости от скорости потока и/или расхода текучей срелы, протекающей в трубопроводе, причем ультразвуковые преобразователи расположены в измерительной вставке, которая может быть вставлена в опорный корпус и удалена из трубопровода перпендикулярно трубопроводу.

Такой расходомер известен из US 2011/0079090 А1. Данный расходомер имеет измерительную вставку, которая может быть вставлена вертикально в трубопровод. К крышке прикреплены ультразвуковые преобразователи. Вставка имеет два отражателя, лежащих на центральной оси трубопровода, установленного на держателях, которые проходят через трубопровод в центр. Ультразвук отражается для того, чтобы проходить от одного ультразвукового преобразователя к другому через два отражателя, и при этом он проходит путь между отражателями в направлении или против направления потока, так что можно измерить разницу по времени прохождения.

Данное известное устройство имеет недостаток, заключающийся в том, что отражатели и их держатели проходят в поток и создают много турбулентностей. С таким устройством возможны только грубые измерения. Точные измерения (с точностью менее процента) недостижимы в принципе. Такое устройство может использоваться только там, где точность не имеет значения. В нефтегазовой промышленности, где высокая точность критически важна, поскольку небольшие различия в измерениях составляют значительную сумму денег из-за огромного количества нефти или газа, проходящего по трубе, известное устройство непригодно для использования.

Еще одним недостатком является то, что возмущение потока из-за держателей и отражателей приводит к невоспроизводимым измерениям, что недопустимо в промышленности, особенно в нефтегазовой промышленности. Кроме того, измерительный блок состоит из нескольких частей, что делает его дорогостоящим и трудным для производства большими партиями с четко заданной и точной геометрией измерения.

Другой расходомер известен из ЕР 2 006 646 А1. Он имеет конструкцию с трубопроводом в опорном корпусе, причем опорный корпус выполнен в виде т-образной детали трубопровода. Т-образная деталь может использоваться в трубопроводах для текучей среды с помощью двух противоположных фланцев т-образной детали. Вставка может быть вставлена в трубопровод через третье отверстие т-образной детали. Вставка имеет два ультразвуковых преобразователя, которые расположены таким образом, что при работе ультразвуковые сигналы, излучаемые и принимаемые двумя ультразвуковыми преобразователями, имеют разность по времени прохождения, зависящую от скорости потока и/или расхода текучей среды в трубопроводе. Для этой цели вставка имеет сплющенные части, чтобы она проходила через отверстие. Вставленная вставка затем поворачивается в трубопроводе через селекторный вал на 90° в рабочее положение.

Данное известное измерительное устройство имеет ряд недостатков. Благодаря своей конструкции в виде т-образной детали с тремя соплами и тремя фланцами требуется очень большое пространство в направлении оси трубопровода. Третье гнездо на т-образной детали используется для вставления вставки. Требуется толщина стенки, которая перекрывается толщиной стенки, необходимой для установки резьбы для фланцев трубопровода. Чтобы избежать этого, требуется дополнительное установочное пространство в направлении оси трубопровода. Всегда особенно важно, чтобы конструкции выдерживали высокое давление. В известной конструкции это может быть достигнуто только при большой толщине материала и, соответственно, стабильных фланцевых соединениях, что приводит к очень большому установочному пространству в направлении оси трубопровода.

Исходя из уровня техники, задачей изобретения является создание ультразвукового расходомера, который требует небольшого установочного пространства и подходит для промышленного стандарта и легкого производства.

Данная задача решается с помощью ультразвукового расходомера, который содержит трубопровод в опорном корпусе, причем опорный корпус образует стенку трубопровода. Предусмотрены по меньшей мере два ультразвуковых преобразователя, которые расположены таким образом, что они не соприкасаются со стенкой трубопровода, так что при работе ультразвуковые сигналы, передаваемые и принимаемые двумя ультразвуковыми преобразователями, имеют разность по времени прохождения, зависящую от скорости потока и/или расхода текучей среды, протекающей в трубопроводе, при этом ультразвуковые преобразователи предусмотрены в измерительной вставке, которая имеет круглую цилиндрическую форму, и которая может быть вставлена в опорный корпус и в трубопровод перпендикулярно трубопроводу и может быть удалена из него. Согласно изобретению для вставления измерительной вставки в трубопровод он имеет круглое цилиндрическое гнездо, перпендикулярное направлению потока, выполненное непосредственно в опорном корпусе и имеющее диаметр, превышающий внутренний диаметр трубопровода, и глубину, охватывающую внутреннюю часть трубопровода. Измерительная вставка вставлена путем кинематического замыкания в гнездо и имеет канал, который при вставлении образует продолжение внутренней части трубопровода.

Согласно изобретению в стенке измерительной вставки предусмотрено четыре ультразвуковых преобразователя. Преобразователи определяют по меньшей мере два пути измерения, причем указанные пути измерения пересекают друг друга на виде сверху. Преобразователи расположены в стенке измерительной вставки таким образом, что при работе ультразвуковые сигналы, излучаемые и принимаемые двумя ультразвуковыми преобразователями на пути измерения, имеют разницу времени прохождения t_h-t_r, зависящую от скорости потока v и/или расхода Q жидкости, протекающей в трубопроводе.

Поскольку опорный корпус может быть сконструирован без собственных фланцев в конструкции согласно изобретению, экономится значительное количество установочного пространства. В принципе, цилиндрическое гнездо можно легко и недорого уплотнить с помощью уплотнительного кольца. Геометрия измерительной вставки и уплотнительной крышки может быть изготовлена экономичным способом с помощью токарной обработки. Круговая геометрия уплотнительного колпачка, которая становится возможной за счет этого, позволяет расположить крепежные элементы колпачка с вращательной симметрией. Этим обеспечивается оптимальная передача усилия удерживающих сил крышки в опорный корпус. Это позволяет оставлять размеры крепежных элементов небольшими даже при высоких давлениях. Это экономит установочное пространство.

За счет создания отверстия непосредственно в опорном корпусе не требуется никакой дополнительной толщины стенки для соединительной детали, которая была бы необходима с Т-образной деталью. Это также экономит установочное пространство.

В конструкции согласно изобретению толщина стенок опорного корпуса должна быть выполнена настолько большой, чтобы резьбы в нем обеспечивали достаточную опору и устойчивость к возникающим давлениям. Это позволяет уменьшить установочное пространство, особенно в направлении потока. Мешающие фланцы отсутствуют. Это означает, что расходомер требует только небольшого количества длины трубопровода, что позволяет использовать его более универсально.

Согласно изобретению предложены четыре ультразвуковых преобразователя, которые образуют по меньшей мере два пути измерения, причем пути измерения пересекаются друг с другом на виде сверху. Точность измерения может быть увеличена несколькими путями измерения. Во-первых, потому что затем регистрируются различные поперечные сечения потока, а во-вторых, потому что два разных измерения дают более точный общий результат.

В варианте осуществления изобретения гнездо может быть герметично закрыто крышкой без использования фланца, для чего опорный корпус имеет резьбовые отверстия.

В дополнительном варианте осуществления изобретения изнутри в стенку гнезда упирается уплотнительное кольцо крышки для уплотнения крышки гнезда. Такое уплотнение посредством уплотнительного кольца такого же цилиндрического диаметра, что и у гнезда, приводит к небольшому пространству, необходимому для герметичного закрытия установочного отверстия. Никаких дополнительных контактных поверхностей для уплотнений не требуется. Это уменьшает установочное пространство. Кроме того, изготовление значительно упрощается, так как не требуется никаких специальных, дополнительных уплотняющих поверхностей, а должно быть вырезано только одно гнездо.

В одном варианте осуществления ультразвуковые преобразователи расположены выше или ниже оси трубопровода. Таким образом, может быть сэкономлено дополнительное установочное пространство, поскольку ультразвуковые преобразователи затем располагаются в областях за пределами наибольшего поперечного размера внутренней части трубопровода и, таким образом, в областях с более высокой толщиной стенки.

В альтернативном измерительном устройстве ультразвуковые преобразователи расположены с образованием отражающей системы, то есть ультразвуковой путь измерения имеет по меньшей мере одно отражение от стены. Это позволяет увеличить длину пути измерения, что является преимуществом в обработке сигналов при разделении сигналов.

Для дальнейшего повышения точности измерения в трубопроводе с входной стороны может быть предусмотрен выпрямитель потока.

Для того, чтобы укоротить размеры в направлении трубопровода, то есть в направлении потока, опорный корпус может быть установлен непосредственно на фланцы трубопровода для текучей среды на входной и выходной сторонах для установки измерительного прибора в трубопровод.

Изобретение описано более подробно ниже с помощью вариантов его осуществления, данных со ссылкой на чертежи. На чертеже изображено:

фиг. 1 - принципиальная схема, поясняющая принцип работы ультразвукового расходомера;

фиг. 2 - схема опорного корпуса ультразвукового расходомера согласно изобретению;

фиг. 3 - вид в аксонометрии поперечного сечения опорного корпуса с фиг. 2;

фиг. 4 - измерительная вставка ультразвукового расходомера согласно изобретению;

фиг. 5 и 6 - виды в аксонометрии поперечных сечений измерительной вставки, как показано на фиг. 4, на разных высотах;

фиг. 7 - вид в разрезе опорного корпуса с установленной измерительной вставкой, как на фиг. 3;

фиг. 8 - измерительная вставка другого варианта осуществления;

фиг. 9 - вид в поперечном сечении опорного корпуса с установленной измерительной вставкой, установленным выпрямителем потока и установленной уплотнительной крышкой, как на фиг. 3.

Расходомер согласно изобретению работает по принципу измерения расхода с помощью ультразвука. Данный хорошо известный принцип измерения показан на фиг. 1. Расходомер 10 содержит по меньшей мере два ультразвуковых преобразователя 12, 14, расположенных под углом, отличным от 90°, к потоку в стенке трубопровода 16, в котором текучая среда 18 течет в направлении стрелки 20. Ультразвуковые преобразователи 12, 14 работают под управлением блока 22 управления и оценки, попеременно как передатчик и приемник. Ультразвуковые сигналы, передаваемые по пути 24 измерения через текучую среду 18, ускоряются в направлении потока и замедляются относительно направления потока. Через не показанные элементы схемы, такие как усилители и аналого-цифровые преобразователи, соответствующие принятые сигналы поступают в блок 22 управления и оценки и оцениваются в цифровом виде. Для этой цели результирующая разница во времени полета оценивается в соответствии с

чтобы получить желаемую скорость потока или в соответствии с

чтобы получить объемный расход, при котором геометрические условия описываются следующими переменными, как на фиг. 1:

v: скорость потока текучей среды в трубопроводе;

L: длина пути измерения между двумя ультразвуковыми преобразователями;

α: угол к направлению потока, под которым ультразвуковые преобразователи передают и принимают,

Q: Объемный расход

D: диаметр трубопровода;

t_h: время прохождения ультразвукового сигнала по потоку;

t_r: время прохождения ультразвукового сигнала против потока.

Изобретение относится к специальной конструкции расходомера.

Ультразвуковой расходомер 100 согласно настоящему изобретению имеет опорный корпус 110, который по существу состоит из кубовидного блока 112 (фиг. 2 и 3). Блок 112 имеет проход 114, который полностью проникает в блок 112 и образует трубопровод 116 с направлением 120 потока. Затем опорный корпус 110 образует стенку трубопровода 116. Входная сторона 122 опорного корпуса 110 имеет резьбовые отверстия 124 на начальных окружностях, которые используются для установки на фланце линии текучей среды, который не показан. Идентичные резьбовые отверстия для тех же целей предусмотрены на выходной стороне 128 опорного корпуса.

Перпендикулярно трубопроводу 116 с верхней стороны 130 образовано круглое цилиндрическое гнездо 132, диаметр Da которого больше внутреннего диаметра D трубопровода 116. Гнездо 132 проходит в опорный корпус 110 на глубину Т, которая охватывает внутреннюю часть трубопровода 116, то есть поперечное сечение свободного трубопровода. Трубопровод 116 и гнездо 132 фактически пересекаются друг с другом.

Гнездо 132 используется для установки с геометрическим замыканием измерительной вставки 134, первый вариант которой показан на фиг. 4-6, где на фиг.4 показан вид в аксонометрии, а на фиг. 5 и 6 показаны горизонтальные сечения на уровне ультразвуковых преобразователей, которые раскрываются ниже. Измерительная вставка 134 также имеет круглую цилиндрическую форму и вставляется путем кинематического замыкания в гнездо 132, как показано на фиг. 7. Измерительная вставка 134 имеет проход 136, перпендикулярный его продольному направлению цилиндра, который образует продолжение трубопровода 116 при вставлении. Это также причина, почему диаметр Da должен быть больше, чем D.

По меньшей мере два преобразователя 140 и 142 расположены в стенке 138 измерительной вставки 134 таким образом, что при работе ультразвуковые сигналы, излучаемые и принимаемые двумя ультразвуковыми преобразователями 140 и 142 на пути 141 измерения, имеют разницу времени прохождения t_h-t_r, зависящую от скорости потока v и/или расхода Q жидкости, протекающей в трубопроводе. Для того, чтобы достичь ультразвуковых преобразователей 140, 142 с помощью электрических кабелей, на кожухе цилиндра предусмотрены внешние канавки 126. Наконец, электрические кабели выведены наружу через крышку 144 не показанным способом.

Измерительная вставка 134 может быть удалена из гнезда 132 также, как она была вставлено в него. С помощью уплотнительной крышки 144 (фиг. 9) гнездо может быть герметично закрыто вставленной измерительной вставкой 134. Для этого уплотняющая крышка 144 просто помещается на верх 130 и фиксируется на месте винтами 145, которые можно ввинчивать в резьбовые отверстия 146 (фиг. 2), расположенные по кругу. Уплотнение предпочтительно достигается с помощью уплотнительного кольца 148, которое расположено в канавке 150 в плече 152 уплотнительного колпачка 144, и которое для уплотнения упирается внутрь в стенку гнезда 132.

В данном устройстве согласно изобретению, толщина стенок опорного корпуса 110, то есть размеры кубовидного блока 112, должны быть рассчитаны так, чтобы резьбы, расположенные в нем, были достаточно сильны, и чтобы было достаточно сил против возникающего давления.

Ультразвуковые преобразователи 140 и 142 предпочтительно расположены выше или ниже оси трубопровода, например, как показано на фиг.6 ниже и/или как показано на фиг. 5 выше центра трубопровода. Несмотря на наличие ультразвуковых преобразователей 140 и 142, этим обеспечивается наименьший возможный диаметр Da крепления, то есть наименьшее возможное установочное пространство.

В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг. 4-6, в дополнение к двум ультразвуковым преобразователям 140 и 142 предусмотрены два дополнительных ультразвуковых преобразователя 154 и 156, причем дополнительные ультразвуковые преобразователи 154 и 156 определяют второй путь 158 измерения. Пути 141 и 158 измерения расположены таким образом, что хотя они лежат на разных уровнях в виде сбоку (фиг. 5 и 6), они пересекаются друг с другом на виде сверху. Лучшие результаты измерения могут быть достигнуты путем расположения путей 141 и 158 измерения таким образом.

Дальнейшее расположение путей измерения возможно и полезно для определенных целей. Такое расположение показано на фиг. 8, согласно которому ультразвуковые преобразователи 140', 142', 154' и 156' расположены в измерительной вставке 143' с образованием отражающей системы. Это означает, что назначенные пути измерения, один из которых показан на фиг. 8, не проходят по прямой линии, но ультразвуковые сигналы отражаются хотя бы один раз от стены между передачей и приемом. Это позволяет увеличить длину пути измерения, что может быть преимуществом в обработке сигналов при разделении сигналов. Следует отметить, что на фиг. 8 приведена только примерная схема. Например, кривые не выполняются, а отображаются в виде многоугольников. Дополнительные детали, такие как внешние канавки для электрических кабелей, также отсутствуют. Фиг. 8 предназначена только для демонстрации возможного расположения ультразвуковых преобразователей с путями измерения в отражении.

В дополнительном варианте осуществления изобретения на входной стороне в трубопроводе 116 (фиг. 9) предусмотрен выпрямитель 160 потока. Он может быть выполнен в виде простой вставки, которая вдавлена с входной стороны и защищена от скольжения в направлении потока с помощью упора 162. Выпрямитель 160 потока имеет перегородки 164, идущие в направлении потока и/или, если необходимо, перфорированную пластину 166 под прямым углом к потоку.

1. Ультразвуковой расходомер, содержащий трубопровод (116) в опорном корпусе (110), причем опорный корпус (110) образует стенку трубопровода, и по меньшей мере два ультразвуковых преобразователя (140, 142), расположенных таким образом, что при работе излучаемые и принимаемые ультразвуковые сигналы имеют разность по времени прохождения, зависящую от скорости потока и/или расхода текучей среды, протекающей в трубопроводе (116), причем ультразвуковые преобразователи (140, 142) расположены в измерительной вставке (134), имеющей круглую цилиндрическую форму и выполненной с возможностью вставления и удаления перпендикулярно трубопроводу в опорный корпус (110) и трубопровод (116), при этом

- для введения измерительной вставки (134) трубопровод (116) имеет расположенное перпендикулярно направлению потока (120) круглое цилиндрическое гнездо (132), выполненное непосредственно в опорном корпусе и имеющее диаметр (Da), который больше внутреннего диаметра (D) трубопровода (116), и глубину (Т), которая охватывает внутреннюю часть трубопровода (116), причем

- измерительная вставка (134) вставлена путем кинематического замыкания в гнездо (132) и имеет канал (136), который при вставлении образует продолжение внутренней части трубопровода (116),

отличающийся тем, что

- в стенке (138) измерительной вставки (134) расположено четыре ультразвуковых преобразователя (140, 142, 154, 156), причем преобразователи (140, 142, 154, 156) задают по меньшей мере два пути (141, 158) измерения, при этом указанные пути (141, 158) измерения пересекают друг друга на виде сверху, и

- преобразователи (140, 142, 154, 156) расположены в стенке (138) измерительной вставки (134) таким образом, что при работе ультразвуковые сигналы, излучаемые и принимаемые ультразвуковыми преобразователями на путях измерения, имеют разность (t_h-t_r) времени прохождения, зависящую от скорости (v) потока и/или расхода (Q) текучей среды, протекающей в трубопроводе (116).

2. Расходомер по п. 1, отличающийся тем, что обеспечена возможность герметичного закрытия гнезда (132) крышкой (144) без использования фланца, для чего опорный корпус (110) имеет резьбовые отверстия (146).

3. Расходомер по п. 2, отличающийся тем, что изнутри в стенку гнезда (132) упирается уплотнительное кольцо (148) крышки (144).

4. Расходомер по п. 1, отличающийся тем, что ультразвуковые преобразователи (140, 142, 154, 156) расположены выше или ниже оси трубопровода.

5. Расходомер по п. 1, отличающийся тем, что ультразвуковые преобразователи (140', 142', 154', 156') расположены с образованием отражающей системы.

6. Расходомер по п. 1, отличающийся тем, что трубопровод (116) имеет ограничитель (160) потока на входной стороне.

7. Расходомер по п. 1, отличающийся тем, что для установки ультразвукового расходомера (100) в линию текучей среды обеспечена возможность установки опорного корпуса (110) на входной и выходной стороне непосредственно на фланцах линии текучей среды.