УЗЕЛ ДАТЧИКА Российский патент 2009 года по МПК G01N11/00 

Область техники

Настоящее изобретение относится, в целом, к устройствам, используемым для измерения потока среды. Более конкретно варианты настоящего изобретения, в целом, относятся к узлу датчика, который использует ультразвуковые сигналы для измерения потока среды и прогнозирования профиля потока среды.

Предшествующий уровень техники

В отраслях, где используется поток среды, точное измерение расхода часто очень важно и, следовательно, необходимо. Например, в нефтегазовой промышленности точные измерения расхода необходимы для обнаружения утечек, для управления процессами и при передаче владения (т.е. передаче прав собственности на нефть и газовый конденсат на станциях загрузки и выгрузки сырой нефти). Обычные технологии измерения расхода основаны на турбинных расходомерах и расходомерах вытеснительного типа. Однако недавно в нефтегазовой отрасли популярностью стали пользоваться ультразвуковые расходомеры, обладающие рядом преимуществ перед известными технологиями. К этим преимуществам относятся: прекрасная долговременная воспроизводимость результатов, меньшая чувствительность к свойствам среды, таким как вязкость и давление, повышенная точность при коробчатых сечениях, увеличенный диапазон линейности и уменьшенные расходы на обслуживание благодаря тому, что в таких ультразвуковых расходомерах отсутствуют движущиеся детали.

В типовых операциях ультразвуковой расходомер использует датчик для передачи ультразвукового сигнала в среду, при этом переданный сигнал принимается вторым датчиком. Среда, в которой проходит волна ультразвукового сигнала, изменяет частоту волны (эффект Доплера) и время ее прохождения (суперпозиция скорости) так, что измеренную величину одного из этих двух параметров можно использовать для определения расхода среды. Существуют две главные технологии ультразвукового измерения потока, основанные на этих принципах: доплеровская и времяимпульсная. Большая часть способов измерения профилей потока среды основана на доплеровской технологии (например, патенты США №№6067861 и 6378357). Однако доплеровские сигналы в значительной степени зависят от размера частиц и их концентрации, причем обе эти характеристики среды могут меняться, что ведет к снижению точности и повторяемости. Таким образом, для достижения точности в нефтегазовой отрасли предпочитают использовать расходомеры, основанные на измерении времени прохождения сигнала.

Принципы, на которых построены ультразвуковые расходомеры, основанные на измерении времени прохождения сигнала, хорошо известны. Как показано на фиг.1, имеется муфта 101 с парой датчиков 111 и 113 для измерения времени прохождения ультразвукового сигнала. В некоторых конфигурациях датчики могут быть прижаты к внешней стенке муфты. Однако на фиг.1 датчики 111 и 113 установлены в стенке 103 муфты 101 (такие датчики именуются "смачиваемыми"). Это позволяет повысить чувствительность смачиваемых датчиков. Датчики 111 и 113 выполнены с возможностью передавать и принимать ультразвуковые сигналы. Стрелкой F показано направление потока среды через муфту 101, а линия L показывает длину пути ультразвукового сигнала между датчиками 111 и 113, θ обозначает угол между путем L ультразвукового сигнала и направлением F потока; t_u означает время прохождения ультразвукового сигнала вверх по потоку (от датчика 113 к датчику 111) по пути L, а t_d означает время прохождения ультразвукового сигнала вниз по потоку (от датчика 111 к датчику 113) по пути L. Зная эти переменные, можно определить скорость V потока F среды на длине пути L, как показано нижеприведенным уравнением [1]:

[1]

Для определения расхода среды и/или профиля потока через муфту можно использовать множество пар датчиков в конфигурации, аналогичной датчикам 111 и 113 по фиг.1. Такая конструкция обычно называется "многолучевой" ультразвуковой времяимпульсный расходомер.

Одна проблема, связанная с такими смачиваемыми датчиками, заключается в том, что когда необходимо провести ремонт и датчики следует заменить, доступ к ним затруднен. Например, когда нужно заменить смачиваемый датчик, необходимо остановить поток среды, чтобы предотвратить утечку среды через отверстие в муфте, в которое устанавливается датчик. Далее для получения доступа к датчику может потребуется снять с трубопровода муфту с установленным на ней датчиком. В зависимости от сложности конструкции муфты и трубопровода замена и ремонт датчика могут привести к большой потере времени на простой.

Краткое изложение существа изобретения

Технической задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованных датчиков и способов, обеспечивающих более легкую замену без ухудшения точности измерений среды.

Согласно одному аспекту настоящее изобретение относится к узлу датчика. Узел датчика содержит корпус, уплотняющую диафрагму, съемную диафрагму и пьезоэлектрический кристалл. Съемная диафрагма радиально ограничена корпусом и смещена к уплотнительной диафрагме, а пьезоэлектрический кристалл расположен внутри съемной диафрагмы.

Согласно другому аспекту настоящее изобретение относится к муфте. Муфта содержит узел датчика, расположенный в муфте. Узел датчика содержит корпус, по меньшей мере, частично расположенный в стенке муфты, уплотняющую диафрагму, расположенную в стенке муфты, и съемную диафрагму, радиально ограниченную корпусом и расположенную в стенке муфты. Пьезоэлектрический кристалл расположен в съемной диафрагме, и съемная диафрагма смещена к уплотняющей диафрагме.

Согласно другому аспекту настоящее изобретение относится к способу замены узла датчика в муфте. Узел датчика содержит корпус, съемную диафрагму и уплотняющую диафрагму. Способ включает шаги, при которых извлекают корпус и съемную диафрагму из отверстия в муфте и предотвращают выход среды из муфты уплотняющей диафрагмой, когда корпус и съемная диафрагма извлечены из отверстия в муфте.

Краткое описание чертежей

Другие аспекты настоящего изобретения будут очевидны из нижеследующего описания и приложенной формулы изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 изображает муфту с датчиками для ультразвуковых времяимпульсных измерений согласно предшествующему уровню техники;

Фиг.2 - общий вид узла датчика в разобранном виде согласно настоящему изобретению;

Фиг.3 - общий вид узла датчика с углублением на конце корпуса согласно изобретению;

Фиг.4 - общий вид узла датчика, соединенного с источником электрической энергии, согласно изобретению;

Фиг.5 - звуковое поле пьезоэлектрического кристалла, согласно изобретению;

Фиг.6 - общий вид муфты с узлом датчика, согласно изобретению.

Подробное описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения

Согласно одному аспекту настоящее изобретение относится к улучшенному узлу датчика. Более конкретно в описываемом варианте настоящего изобретения узел датчика содержит по меньшей мере две диафрагмы и пьезоэлектрический кристалл для времяимпульсных измерений ультразвуковых сигналов.

На фиг.2 показан общий вид узла датчика в разобранном виде согласно изобретению. Узел датчика размещен вдоль оси 200 и содержит корпус 201 со съемной диафрагмой 211. Съемная диафрагма 211 содержит цилиндрическую стенку 213, имеющую диск 215, прикрепленный к концу цилиндрической стенки 213. Далее внутри съемной диафрагмы 211 расположен пьезоэлектрический кристалл 217. Более конкретно пьезоэлектрический кристалл 217 может быть расположен внутри съемной диафрагмы 211 и прикреплен к диску 215. Пьезоэлектрический кристалл более подробно будет описан ниже.

Как далее показано на фиг.2, съемная диафрагма 211 может радиально ограничиваться корпусом 201. В настоящем описании термин "радиально ограничиваться" означает, что съемная диафрагма ограничена в радиальном перемещении относительно оси корпуса. В этом варианте съемная диафрагма 211 радиально ограничена до конца 203 корпуса путем размещения вокруг внешней части конца 302 корпуса 201. Однако в другом варианте съемная диафрагма 211 может быть радиально ограничена корпусом 201 путем размещения внутри корпуса 201, например путем установки внутрь конца 203 корпуса 201.

Съемная диафрагма 211 может быть ограничена во вращении относительно корпуса 201. В настоящем описании термин "ограничена во вращении" означает, что съемная диафрагма ограничена в возможности совершать вращательное движение вокруг оси корпуса. В этом варианте съемная диафрагма 211 ограничена во вращении относительно корпуса 201 пальцем 219. Конец 203 корпуса 201 может иметь паз 205 (фиг.3), имеющий ширину пальца 219 и проходящий вдоль длины конца 203 корпуса 201. Палец 219 затем может вставляться в паз 205 с возможностью осевого перемещения (вдоль оси 200) в пазу 205, но паз 205 будет препятствовать его вращению вокруг оси 200. Палец 219 затем можно закрепить на цилиндрической стенке 213 съемной диафрагмы 211, тем самым ограничивая возможность вращения съемной диафрагмы 211 в корпусе 201.

Узел датчика содержит также гильзу 221 (фиг.2) и уплотняющую диафрагму 231. Уплотняющая диафрагма 231 содержит диск 233 и может располагаться на конце 223 гильзы 221. Как показано в этом варианте, уплотняющая диафрагма 231 может быть расположена с внешней стороны конца 223 гильзы 221. Гильза 221 может содержать сквозное отверстие 227. Сквозное отверстие 227, как показано, может образовывать по существу цилиндрический канал. Предпочтительно сквозное отверстие 227 достаточно велико, чтобы в гильзу 221 можно было вставить съемную диафрагму 211 и конец 203 корпуса 201. Гильза 221 далее может содержать резьбовой участок 225, позволяющий гильзе 221 находиться в резьбовом зацеплении с муфтой (не показана).

Узел датчика может содержать смещающий механизм 241. В настоящем варианте смещающим механизмом 241 является пружина. Однако специалистам понятно, что не выходя за пределы объема настоящего изобретения можно использовать и другие смещающие механизмы. Независимо от конструкции смещающий механизм 241 может располагаться вокруг корпуса 201, конкретно вокруг конца 203 корпуса 201 так, что смещающий механизм 241 может использоваться для смещения съемной диафрагмы 211 (вместе с пьезоэлектрическим кристаллом 217) к уплотняющей диафрагме 231. Такое смещение может использоваться для обеспечения контакта между съемной диафрагмой 211 и уплотняющей диафрагмой 231 и, следовательно, для улучшения чувствительности узла датчика. Смещающий механизм 241 может быть радиально ограничен корпусом 201. Более конкретно смещающий механизм 241 может располагаться вокруг корпуса 201, что препятствует любому радиальному перемещению смещающего механизма 241 внутрь относительно оси 200 корпуса 201, и смещающий механизм 241 может размещаться в гильзе 221 вместе со съемной диафрагмой 211 и концом 203 корпуса 201, что препятствует любому радиальному движению смещающего механизма 241 наружу относительно оси 200 корпуса 201. Таким образом, смещающий механизм 241 может перемещаться только вдоль оси 200 корпуса 201, будучи радиально ограниченным корпусом 201 или гильзой 221.

В конце 203 (фиг.2) корпуса 201 может быть выполнена канавка 207. Канавка 207 может использоваться для установки уплотнения 251 вокруг корпуса 201. Уплотнение 251, которое может быть уплотняющим кольцом, используется для уплотнения между корпусом 201 и гильзой 221, когда конец 203 корпуса 201 расположен в гильзе 221. Аналогично в уплотняющей диафрагме 231 может быть выполнена канавка 235. Канавка 235 используется для установки уплотнения 253 вокруг уплотняющей диафрагмы 231. Уплотнение 253 также может быть уплотняющим кольцом для уплотнения между уплотняющей диафрагмой 231 и муфтой (не показана).

На фиг.4 показан узел датчика согласно варианту воплощения настоящего изобретения. В этом варианте пьезоэлектрический кристалл 217 соединен с источником электроэнергии (не показан), например с аккумулятором, проводом 301. Пьезоэлектрические кристаллы могут использоваться для преобразования электрической энергии в механическую или механической энергии в электрическую. Например, электрические заряды могут перемещаться от источника электрической энергии по проводу 301 на пьезоэлектрический кристалл 217. Затем эти электрические заряды могут преобразовываться пьезоэлектрическим кристаллом 217 в акустическую энергию (т.е. механическую энергию), чтобы генерировать акустический сигнал. В другом варианте механическая энергия, например, акустического сигнала может приниматься пьезоэлектрическим кристаллом 217. Эта механическая энергия затем может преобразовываться пьезоэлектрическим кристаллом 217 в электрическую энергию. Затем электрическая энергия может подаваться пьезоэлектрическим кристаллом 217 по проводу 301.

Пьезоэлектрический кристалл может быть выполнен из многих материалов, наиболее распространенными являются керамика и кристаллы кварца. Более конкретно в одном варианте пьезоэлектрический кристалл может быть выполнен из материала Kézite K600, выпускаемого компанией Piezo Techniligies, который представляет собой модифицированную пьезоэлектрическую керамику на основе цирконата-титаната свинца (ЦТС). Материал пьезоэлектрического кристалла можно модифицировать различными способами для получения различных типов колебаний акустического сигнала. Например, общая форма пьезоэлектрического сигнала определяет звуковое поле акустического сигнала, создаваемого пьезоэлектрическим кристаллом. На фиг.5 показан пример звукового поля 401, создаваемого пьезоэлектрическим кристаллом 217 согласно настоящему изобретению. В этом варианте пьезоэлектрический кристалл 217 имеет форму цилиндрического диска и создает звуковое поле 401 (фиг.5) при получении электрических зарядов по проводу 301. Далее толщина пьезоэлектрического кристалла может определять частоту акустической энергии, создаваемой пьезоэлектрическим кристаллом. Более конкретно пьезоэлектрический кристалл способен создавать ультразвуковой сигнал, частота которого составляет от 0,8 МГц до 1,2 МГц.

На фиг.6 показана муфта 501 с узлом датчика согласно изобретению. Муфта 501 содержит отверстия 503, которые могут принимать узлы датчиков, например узел датчика на фиг.2. В одном варианте резьбовой участок 225 гильзы 221 узла датчика может вводиться в резьбовое зацепление с отверстием 503 в муфте 501. Это позволяет крепить гильзу 221 и прикрепленную к ней уплотняющую диафрагму 231 в муфте 501. Конец 203 корпуса 201 и съемная диафрагма 211 могут располагаться внутри гильзы 221. Благодаря тому, что узел датчика может размещаться внутри муфты 501, узел датчика может быть смачиваемым датчиком.

Как показано на фиг.6, муфта 501 затем может устанавливаться в трубопровод (не показан) с помощью фланцев 505. После установки в трубопровод среда может течь (направление потока показано стрелкой F) через муфту 501, в которой узлы датчиков могут использоваться для измерения потока среды через муфту 501. В одном варианте узел датчика, закрепленный в муфте 501, может быть спарен с соответствующим узлом датчика (не показан), установленным на противоположном конце муфты 501 вниз по потоку от показанного узла датчика. Узел датчика на фиг.6 будет именоваться "верхним" узлом датчика, а узел датчика на противоположной стороне муфты 501 будет именоваться "нижним" узлом датчика. Верхний и нижний узлы датчиков могут быть выполнены с возможностью посылать друг другу и принимать ультразвуковые сигналы. Время прохождения этих сигналов между узлами датчиков может использоваться, например, в уравнении [1] для определения скорости потока F среды на длине пути между верхним и нижним узлами датчиков. В другом варианте муфта 501 может иметь множество пар верхних и нижних узлов датчиков, закрепленных в отверстиях 503, что позволяет получить многолучевой ультразвуковой времяимпульсный расходомер. Варианты настоящего изобретения можно использовать для определения расхода и/или профиля потока через муфту и трубопровод.

Согласно изобретению предложен способ замены узла датчика в муфте. Узел датчика может заменяться без прерывания потока среды через муфту. Например, если пьезоэлектрический кристалл 217 в узле датчика требует замены, корпус 201 можно извлечь из гильзы 221. Гильза 221 может крепиться на муфте 501, например, резьбовым зацеплением с резьбовым участком 225 гильзы 221. Благодаря этому корпус 201 можно извлечь из отверстия 503 муфты 501, но гильза 221 может оставаться закрепленной в отверстии 503 муфты 501. Когда корпус 201 извлечен из муфты 501, из нее также можно извлечь съемную диафрагму 211 и смещающий механизм 241, которые могут охватываться корпусом 201. Когда корпус 201 и съемная диафрагма 211 извлечены из муфты 201, съемную диафрагму 211 и/или пьезоэлектрический кристалл 217 можно заменить. Во время замены уплотняющая диафрагма 231, которая может быть расположена вокруг конца 223 гильзы 221 и находится в прямом контакте со средой в муфте 501, может оставаться закрепленной в отверстии 503 муфты 501. Таким образом, уплотняющая диафрагма 231 может препятствовать выходу среды из муфты 501 во время замены, например, съемной диафрагмы 211.

Далее согласно другому способу изобретения уплотняющая диафрагма узла датчика может заменяться без демонтажа муфты с трубопровода. Например, если необходимо заменить уплотняющую диафрагму 231, гильзу 221 можно извлечь из отверстия 503 муфты 501. Также можно извлечь уплотняющую диафрагму 231, которая может располагаться вокруг конца 223 гильзы 221. Затем уплотняющую диафрагму 231 можно заменить, когда она извлечена из муфты 501. Поскольку уплотняющая диафрагма 231 извлечена из отверстия 503 муфты 501, из муфты 501 может вытекать среда. Чтобы препятствовать вытеканию среды из муфты 501, может потребоваться остановить поток F среды через муфту 501, но замена уплотняющей диафрагмы не требует демонтажа муфты 501 с трубопровода (не показан).

Предпочтительно съемная диафрагма и уплотняющая диафрагма выполнены из пластмассы. Более конкретно съемная диафрагма и уплотняющая диафрагма могут быть выполнены из материала Ultem 1000, термопластичного полиэфиримида, тугоплавкого полимера, который выпускается компанией General Electric. Диски съемной диафрагмы и уплотняющей диафрагмы могут быть относительно тонкими, предпочтительно толщиной 1-3 мм. Пьезоэлектрический кристалл может быть прикреплен к диску съемной диафрагмы клеем, предпочтительно вязким клеем. Когда диафрагмы выполнены из пластмассы и их диски имеют относительно малую толщину и/или когда для крепления пьезоэлектрического кристалла используется вязкий клей, это позволяет получить улучшенный сигнал (т.е. предотвратить или ограничить потерю мощности сигнала), посылаемого и принимаемого узлом датчика.

Специалистам в данной области понятно, что варианты настоящего изобретения могут иметь одно или более из следующих преимуществ. Типично, в предшествующем уровне техники при замене узла датчика или деталей узла датчика, особенно смачиваемого датчика, приходилось прерывать поток среды по трубопроводу или муфте, чтобы среда не вытекала через отверстия, в которых крепятся датчики. Однако согласно настоящему изобретению поток среды можно не прерывать, поскольку утечке среды из муфты препятствует уплотняющая диафрагма.

Кроме того, узел датчика согласно одному или более из вариантов настоящего изобретения может быть взрывобезопасным и/или сертифицирован для 0 зоны. Взрывобезопасное устройство - это устройство, не способное воспламенить горючий материал при нормальном использовании или в условиях отказа, которые могут возникнуть на практике. Зона 0 относится к атмосфере, в которой всегда находится взрывоопасный материал, такой как горючий газ. Варианты настоящего изобретения могут быть взрывобезопасны и сертифицированы для зоны 0, тем самым позволяя безопасно использовать узел датчика в чрезвычайно взрывоопасных атмосферах, какие часто встречаются в нефтегазовой промышленности.

Применение смещающего механизма в узле датчика согласно изобретению может способствовать улучшению сигнала, т.е. предотвращению или ограничению потери мощности сигнала, посылаемого и принимаемого узлом датчика. Когда конец корпуса и съемная диафрагма расположены внутри гильзы узла датчика, смещающий механизм может поджимать съемную диафрагму к уплотняющей диафрагме. Это может позволить съемной диафрагме и размещенному в ней пьезоэлектрическому кристаллу иметь плотный контакт с уплотняющей диафрагмой, что обеспечивает лучшую проходимость сигнала через узел датчика.

Хотя настоящее изобретение было описано со ссылками на ограниченное количество вариантов, из этого описания специалистам понятно, что могут существовать и другие варианты, не выходящие за пределы объема настоящего изобретения. Соответственно, объем изобретения ограничивается только прилагаемой формулой.

Изобретение относится к устройству для измерения потока среды, а именно к узлу датчика, который использует ультразвуковые сигналы для измерения потока среды и прогнозирования профиля потока среды. Технической задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованных датчиков и способов, обеспечивающих более легкую замену без ухудшения точности измерений среды. Устройство включает в себя муфту, узел датчика, содержащий корпус, уплотняющую диафрагму, съемную диафрагму, радиально ограниченную корпусом и смещенную к уплотнительной диафрагме, и пьезоэлектрический кристалл, расположенный внутри съемной диафрагмы. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Узел датчика для измерения расхода среды, содержащий корпус,
уплотняющую диафрагму,
съемную диафрагму, радиально ограниченную корпусом, и пьезоэлектрический кристалл, расположенный в съемной диафрагме, при этом съемная диафрагма смещена к уплотняющей диафрагме.

2. Узел по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит гильзу,
при этом уплотняющая диафрагма расположена на конце гильзы,
и съемная диафрагма и по меньшей мере часть корпуса также расположены в гильзе.

3. Узел по п.2, отличающийся тем, что гильза содержит резьбовой участок.

4. Узел по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит смещающий механизм, расположенный вокруг корпуса для смещения съемной диафрагмы к уплотняющей диафрагме.

5. Узел корпуса по п.4, отличающийся тем, что смещающий механизм радиально ограничен корпусом.

6. Узел по п.1, отличающийся тем, что узел датчика выполнен с возможностью установки на муфте.

7. Узел по п.2, отличающийся тем, что дополнительно содержит уплотняющий элемент, расположенный вокруг корпуса и обеспечивающий уплотнение между гильзой и корпусом.

8. Узел по п.6, отличающийся тем, что дополнительно содержит уплотняющий элемент, расположенный вокруг уплотняющей диафрагмы и образующий уплотнение между уплотняющей диафрагмой и муфтой.

9. Узел по п.1, отличающийся тем, что пьезоэлектрический кристалл прикреплен к съемной диафрагме клеем.

10. Узел по п.1, отличающийся тем, что узел датчика является взрывобезопасным.

11. Муфта устройства, используемого для измерения расхода среды, содержащая
узел датчика, расположенный на муфте,
при этом узел датчика содержит
корпус, по меньшей мере частично расположенный в стенке муфты,
уплотняющую диафрагму, расположенную в стенке муфты,
съемную диафрагму, радиально ограниченную корпусом и расположенную в стенке муфты,
пьезоэлектрический кристалл, расположенный на съемной диафрагме,
при этом съемная диафрагма смещена к уплотняющей диафрагме.

12. Муфта по п.11, отличающаяся тем, что узел датчика дополнительно содержит
гильзу, при этом съемная диафрагма и по меньшей мере часть корпуса расположены в гильзе.

13. Муфта по п.12, отличающаяся тем, что гильза находится в резьбовом зацеплении с муфтой.

14. Муфта по п.11, отличающаяся тем, что дополнительно содержит смещающий механизм, расположенный вокруг корпуса для смещения съемной диафрагмы к уплотняющей диафрагме.

15. Способ замены узла датчика в муфте, при этом узел датчика содержит корпус, съемную диафрагму и уплотняющую диафрагму, заключающийся в том, что
извлекают корпус и съемную диафрагму из отверстия в муфте,
препятствуют вытеканию среды из муфты для чего используют уплотняющую диафрагму, когда корпус и съемная диафрагма извлечены из отверстия в муфте,
заменяют съемную диафрагму, и
вставляют корпус и съемную диафрагму в отверстие в муфте.

16. Способ по п.15, отличающийся тем, что пьезоэлектрический кристалл расположен в съемной диафрагме.

17. Способ по п.15, отличающийся тем, что используют узел датчика, который дополнительно содержит
гильзу,
причем уплотняющая диафрагма расположена на конце гильзы,
и съемная диафрагма и по меньшей мере часть корпуса расположены в гильзе.

18. Способ по п.17, отличающийся тем, что используют гильзу, содержащую резьбовой участок и находящуюся в резьбовом зацеплении с муфтой.

19. Способ по п.15, отличающийся тем, что дополнительно используют смещающий механизм, который располагают вокруг корпуса и который предназначен для смещения съемной диафрагмы к уплотняющей диафрагме.

20. Способ по п.15, отличающийся тем, что используют смещающий механизм, который радиально ограничен корпусом.