EA000212B1 - Ультразвуковой расходомер - Google Patents

Description

Настоящее изобретение относится к ультразвуковому расходомеру для измерения расхода жидкости или газа, проходящих через измерительную трубу, оснащенную ультразвуковыми преобразователями, причем ультразвук отражается стенкой трубы, которая имеет, по меньшей мере, одну фокусирующую отражающую поверхность.

Из патента ФРГ № 3941544 А1 известен расходомер, в котором ультразвуковые волны проходят между двумя преобразователями по W-образной траектории. Звуковые колебания отражаются сначала от нижней части трубы, затем от верхней части и, наконец, от нижней части трубы. Некоторые из звуковых колебаний проходят по траектории только с одним отражением в сторону нижней части трубы. Эти звуковые колебания поглощаются поглощающим материалом, расположенным в нижней части трубы.

В европейском патенте № 0521855 В1 описывается аналогичный расходомер, но отражающие поверхности у него являются криволинейными, благодаря чему звуковые волны фокусируются. Низ трубы имеет дефокусирующую отражающую поверхность, расположенную между фокусирующими поверхностями. Таким образом, та часть звуковых колебаний, которые проходят через измерительную трубу по Vобразной траектории, поглощается. Даже с этими мерами предосторожности акустический сигнал, проходя через расходомер, сильно поглощается и приемный преобразователь принимает слабый сигнал, на который накладываются звуковые колебания, прошедшие через трубу по V-образной траектории. Если преобразователь принимает слабый сигнал, то он чувствителен к шумам, которые могут быть как механическими, так и электромагнитными.

В европейской заявке на патент № 0538930 А1 предложен ультразвуковой расходомер для измерения расхода жидкостей или газов, проходящих через измерительную трубу, оснащенную ультразвуковыми преобразователями, в котором ультразвук отражается стенкой трубы эллипсоидальной формы, а преобразователи расположены в фокусах эллипса, которые находятся на центральной оси эллипсоидальной измерительной трубы. Недостатком конструкции с таким расположением преобразователей является то, что она не обеспечивает одинаковых результатов при измерении расхода ламинарных и турбулентных потоков.

Задача настоящего изобретения - создать простой и дешевый ультразвуковой расходомер, способный выполнять точные и быстрые измерения, в котором указанные выше недостатки в существенной степени устранены.

Поставленная задача может быть решена с помощью ультразвукового расходомера для измерения расхода жидкостей или газов, проходящих через измерительную трубу, оснащенную ультразвуковыми преобразователями, в котором ультразвук отражается стенкой трубы, имеющей, по меньшей мере, одну фокусирующую отражающую поверхность, причем, по меньшей мере, одна фокусирующая отражающая поверхность является эллипсоидальной, а преобразователи расположены на расстоянии от потока среды в фокусах эллипса, причем, в соответствии с изобретением, преобразователи расположены в плоскости преобразователей, которая смещена в боковом направлении относительно оси измерительной трубы.

Тем самым может быть сделано так, что все части луча звуковых колебаний проходят одинаковое расстояние и получается чистый сигнал. Пучок звуковых колебаний, излучаемый из одного из фокусов эллипса, будет отражаться и собираться в другом фокусе эллипса. Это приводит к усилению принимаемого сигнала, который благодаря этому становится менее чувствительным к шумам.

Благодаря размещению преобразователей в плоскости преобразователей, которая смещена в боковом направлении от оси измерительной трубы, достигаются одинаковые результаты при измерениях как турбулентных, так и ламинарных потоков в измерительной трубе.

Настоящее изобретение может быть реализовано с неоднократным отражением ультразвука от стенки трубы и прохождением ультразвукового пучка по W-образной траектории. Тем самым приемлемая разность времени при измерении по направлению течения и против него достигается даже в том случае, когда труба имеет малый внутренний диаметр.

Расходомер может иметь несколько эллипсоидальных отражателей, у которых эллипсы имеют общие фокусы, расположенные на отражающих поверхностях. С помощью поочередного фокусирования и расхождения ультразвукового пучка измерения могут выполняться с большим измерительным расстоянием без критических потерь интенсивности сигнала. Экономичный расходомер может быть встроен в трубу малого диаметра. Длинный путь сигнала в среде означает, что могут быть измерены низкие скорости потока.

Расходомер может быть сконструирован, по меньшей мере, с двумя эллипсоидальными отражателями, у которых эллипсы имеют один общий фокус на противоположной отражателям стенке трубы, а другие фокусы эллипсов находятся на поверхностях преобразователей. При этом точка общего фокуса может быть выполнена так, чтобы она имела особые отражательные свойства, и затухание ультразвукового сигнала было уменьшено.

Отражающие поверхности удобно наклонить относительно друг друга и относительно преобразователей. Тем самым траектория отраженных звуковых колебаний может проходить вне плоскости преобразователей.

Ультразвуковой расходомер может быть построен так, что ультразвук, излучаемый первым преобразователем, падает сначала на плоский отражатель, повернутый на первый угол относительно плоскости преобразователей, после чего ультразвук отражается эллипсоидальной отражающей поверхностью, повернутой на второй угол относительно плоскости преобразователей, и затем отражается плоским отражателем снова в плоскость преобразователей, перед тем как достигнуть второго преобразователя. Благодаря этому ультразвуковые волны могут заполнять все поперечное сечение трубы. Таким образом с одним комплектом преобразователей достигается такой же эффект, как и при многоканальных измерениях с несколькими траекториями.

Преобразователи могут быть размещены на одной стороне измерительной трубы, но под углом друг к другу. Благодаря этому ультразвуковые волны также заполняют поперечное сечение трубы.

Ультразвуковой расходомер удобно сконструировать так, чтобы преобразователи размещались вне потока среды, в экранирующей трубе, через которую ультразвук проходит прежде, чем войти в контакт с потоком среды. Таким образом может быть достигнуто поглощение и рассеяние звуковых волн, падающих на стенку экранирующей трубы. Это обеспечивает ослабление звуковых волн, проходящих по Vобразной траектории, и устраняет ошибки измерений.

Экранирующая труба может иметь внутренние отражающие плоскости, которые рассеивают ультразвук. Таким образом та часть звукового пучка, которая попадает на стенку трубы, может быть рассеяна в различных направлениях. Благодаря этому звуковые колебания преобразуются в шумовой сигнал, который не создает помех измерениям в трубе.

Ниже изобретение поясняется на основе следующих чертежей.

На фиг. 1 показан в сечении один из возможных вариантов осуществления изобретения; на фиг. 2 - в разрезе другой возможный вариант осуществления изобретения;

на фиг. 3 - поперечный разрез измерительной трубы, сконструированной в соответствии с изобретением;

на фиг.4 - в сечении возможный вариант выполнения экранирующей трубы;

на фиг. 5 - в сечении альтернативный вариант осуществления изобретения.

На фиг. 1 показано продольное сечение измерительной трубы 1 с двумя ультразвуковыми преобразователями 2, 3. Они могут быть магнитострикционными, электромагнитными или электрострикционными. Преобразователи могут быть сконструированы также и пьезоэлектрическими. Ультразвуковой сигнал преобразователей 2, 3 отражается отражателем 4. Отражатель 4 выполнен в виде эллипсоида вращения, а преобразователи располагаются в фокусах 7, 8 эллипсоида.

Ультразвуковой сигнал излучается одним из преобразователей 2, 3, который расположен в одном из фокусов 7. Ультразвуковой сигнал отражается отражателем 4 в другой фокус 8, где сигнал принимается другим преобразователем 2, 3.

На фиг.2 показан продольный разрез другого возможного варианта осуществления изобретения. Аналогично показанному на фиг.1, измерительная труба 1 имеет два преобразователя 2, 3, которые расположены в экранирующей трубе 6, 7 на расстоянии от потока среды. Отражатель 4, который выполнен в виде эллипсоида вращения, показан здесь в верхней части трубы на той же стороне, что и преобразователи. В нижней части трубы имеется плоский отражатель 9. Преобразователи 2, 3 закреплены в пробках 10, 11, которые ввинчены в измерительную трубу 1 . Преобразователи 2, 3 защищены от соприкосновения со средой диафрагмами 12, 13. Диафрагмы 12, 13 закреплены между пробками 1 0, 11 и буртиками в измерительной трубе 1. Герметичность соединения пробок 10, 11 с измерительной трубой 1 достигается с помощью уплотнительных колец 14, 15. Показана также выемка 1 6, которая может быть использована для датчика температуры. Между преобразователями 2, 3 показана коробка 1 7, которая может содержать электронную схему, способную генерировать ультразвуковые импульсы и осуществлять обработку принимаемого ультразвукового сигнала. Электронная схема может содержать дисплей для отображения измеряемых параметров. Клавиатура может предоставлять пользователю возможность выбора различных данных для отображения их на дисплее.

Ультразвуковой сигнал излучается одним из преобразователей 2, 3, который расположен в одном из фокусов 7, 8 эллипсоидального отражателя 4. Сначала ультразвуковой сигнал отражается плоским отражателем 9 вверх на эллипсоидальный отражатель 4. Оттуда ультразвук отражается обратно на плоский отражатель 9. От него ультразвук отражается снова, после чего собирается в другом фокусе 7, 8 на другом преобразователе 2, 3.

На фиг.3 изображен поперечный разрез измерительной трубы, показанной на фиг.2. Плоский отражатель 9 повернут на угол 21 относительно поперечной оси 20 измерительной трубы 1 . Ось отражателя 4, которому придана форма эллипсоида вращения, повернута на другой, больший угол относительно поперечной оси 20 измерительной трубы. Плоскость 19 преобразователей смещена в боковом направлении от оси 1 8 измерительной трубы.

Ультразвук излучается из одного фокуса 7 эллипсоида в направлении плоского отражателя 9, который повернут на угол 21. От него ультра5 звук отражается в наклонном направлении на эллипсоидальный отражатель 4. Ультразвуковой пучок расширяется и заполняет все поперечное сечение измерительной трубы. При отражении эллипсоидальным отражателем 4 ультразвук собирается и возвращается обратно через плоский отражатель 9 в фокус 7 на поверхности преобразователя.

При заполнении ультразвуком всего поперечного сечения трубы может быть построен расходомер, который пригоден для различных скоростей движения в профиле потока. Расходомер может точно измерять как ламинарные, так и турбулентные потоки.

На фиг.4 показано сечение возможного варианта выполнения экранирующей трубы. Экранирующая труба 6 показана с отражающими плоскостями 22 на внутренней поверхности трубы. Ультразвуковой пучок, излучаемый преобразователем 2, является широким и часть его будет падать на внутреннюю поверхность экранирующей трубы 6. Отражения от нее могут влиять на измерения вследствие того, что ультразвуковые волны будут следовать между преобразователями по другой траектории. Альтернативная траектория может быть короче или длиннее, чем желаемая. Вследствие этого нежелательные волны приходят раньше или позже полезного сигнала. Результатом этого является неточное измерение.

При наличии на внутренней поверхности экранирующей трубы 6 случайно отражающих плоскостей 22, та часть ультразвука, которая падает на стенку трубы, рассеивается в различных направлениях. Тем самым ультразвук преобразуется в шум, излучаемый в различных направлениях. Шум смешивается с существующим шумом в измерительной трубе и не влияет на приемный преобразователь.

На фиг. 5 показан в сечении альтернативный вариант осуществления изобретения. Здесь изображены два эллипсоидальных отражателя 23, 24, которые имеют общий фокус 27. Другие фокусы 26, 28 эллипсоидов находятся на поверхностях преобразователей.

Отражающие поверхности 27, на которых фокусируются звуковые волны, должны быть сконструированы из материала с хорошими отражающими свойствами. В измерительной трубе могут быть просверлены отверстия и отражающие поверхности 27 могут быть смонтированы на пробке, которая закрывает такое отверстие. Просверленные отверстия могут быть снабжены резьбой, а винты с полированными торцевыми поверхностями могут быть ввинчены так, чтобы фокусируемый ультразвук отражался от винтов.

Claims (9)

1. Ультразвуковой расходомер для измерения расхода жидкостей или газов, проходящих через измерительную трубу, оснащенную ультразвуковыми преобразователями, в котором ультразвук отражается стенкой трубы, имеющей, по меньшей мере, одну фокусирующую отражающую поверхность, причем, по меньшей мере, одна фокусирующая отражающая поверхность (4, 23, 24) является эллипсоидальной, а преобразователи (2, 3) расположены на расстоянии от потока среды в фокусах (7, 8, 26, 28) эллипса, отличающийся тем, что преобразователи (2, 3) расположены в плоскости (19) преобразователей, которая смещена в боковом направлении относительно оси (18) измерительной трубы.

2. Ультразвуковой расходомер по п.1, отличающийся тем, что он выполнен так, что ультразвук отражается стенкой трубы несколько раз и проходит по W-образной траектории.

3. Ультразвуковой расходомер по п.1 или 2, отличающийся тем, что он имеет несколько эллипсоидальных отражателей, у которых эллипсы имеют общие фокусы на отражающих поверхностях (27).

4. Ультразвуковой расходомер по п.3, отличающийся тем, что он имеет, по меньшей мере, два эллипсоидальных отражателя (23, 24), у которых эллипсы имеют общий фокус (27) на противоположной стенке трубы, а другие фокусы (26, 28) эллипсов находятся на поверхностях преобразователей.

5. Ультразвуковой расходомер по одному из пп. 1 -4, отличающийся тем, что отражающая плоскость (4), а также малые полуоси эллипсов (4, 9, 23, 24, 27) имеют наклон относительно друг друга и относительно плоскости, проходящей через оси симметрии преобразователей.

6. Ультразвуковой расходомер по одному из пп.1-5, отличающийся тем, что ультразвук, излучаемый первым преобразователем (2), падает сначала на плоский отражатель (9), который повернут на первый угол по отношению к плоскости (19) преобразователей, после чего ультразвук отражается эллипсоидальной отражающей поверхностью (4), которая повернута на второй угол по отношению к плоскости (19) преобразователей, и затем ультразвук отражается плоским отражателем (9) обратно в плоскость (19) преобразователей перед тем, как он достигает второго преобразователя (3).

7. Ультразвуковой расходомер по одному из пп.1-6, отличающийся тем, что преобразователи (2, 3) располагаются на одной и той же стороне измерительной трубы под углом друг к другу.

8. Ультразвуковой расходомер по одному из пп.1-7, отличающийся тем, что преобразователи (2, 3) расположены вне потока среды в экранирующей трубе (5, 6), через которую ультразвук проходит перед тем, как входит в контакт с потоком среды.

9. Ультразвуковой расходомер по одному из пп.1-8, отличающийся тем, что экранирую7 щая труба (5, 6) имеет внутренние отражающие поверхности (22), которые рассеивают ультра-