ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И/ИЛИ КОНТРОЛЯ РАСХОДА ИЗМЕРЯЕМОЙ СРЕДЫ ЧЕРЕЗ ИЗМЕРИТЕЛЬНУЮ ТРУБУ Российский патент 2012 года по МПК G01F1/66 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к измерительной системе для определения и/или контроля расхода измеряемой среды через измерительную трубу, содержащей, по меньшей мере, один ультразвуковой преобразователь и, по меньшей мере, один блок регулирования/оценки, который с помощью измерительных сигналов или измеренных данных, выведенных из измерительных сигналов, определяет объемный и/или массовый поток протекающей в измерительной трубе измеряемой среды, причем ультразвуковой преобразователь содержит, по меньшей мере, один электромеханический преобразовательный элемент, передающий и/или принимающий ультразвуковые сигналы, а также, по меньшей мере, один связующий слой в зоне между электромеханическим преобразовательным элементом и измеряемой средой, направляющий ультразвуковые сигналы.

Уровень техники

Ультразвуковые расходомеры широко используются в технике измерения и автоматизации процессов. Они простым образом позволяют определить объемный и/или массовый расход в трубопроводе.

Известные ультразвуковые расходомеры часто работают по доплеровскому принципу или по принципу разности времени прохождения.

При использовании принципа разности времени прохождения оценивают различное время прохождения ультразвуковых импульсов относительно направления течения жидкости.

Для этого ультразвуковые импульсы передаются под определенным углом к оси трубы по направлению течения и против течения. По разности времени прохождения можно определить скорость течения и тем самым при известном диаметре участка трубопровода - объемный расход.

При использовании доплеровского принципа ультразвуковые волны определенной частоты вводятся в жидкость и оцениваются отраженные жидкостью ультразвуковые волны. По сдвигу частот между введенными и отраженными волнами также можно определить скорость течения жидкости.

Однако отражения в жидкости возникают только тогда, когда в ней имеются воздушные пузырьки или загрязнения, так что этот принцип находит применение главным образом для загрязненных жидкостей.

Ультразвуковые волны создаются и принимаются с помощью так называемых ультразвуковых преобразователей. Для этого ультразвуковые преобразователи прочно размещены на стенке соответствующего участка трубопровода. С недавних пор на рынке имеются также накладные ультразвуковые расходомерные системы. В этих системах ультразвуковые преобразователи только прижимаются к стенке трубопровода посредством стяжного замка. Такие системы известны, например, из ЕР 686255 B1, US-A 4484478 или US-A 4598593.

Другой ультразвуковой расходомер, работающий по принципу разности времени прохождения, известен из US-A 5052230. Время прохождения определяется здесь посредством коротких ультразвуковых импульсов.

Большое преимущество накладных ультразвуковых расходомерных систем в том, что они не соприкасаются с измеряемой средой и размещаются на уже имеющемся трубопроводе. Недостатком являются большие затраты при монтаже накладных систем, чтобы взаимно ориентировать отдельные ультразвуковые преобразователи, что зависит от многих параметров, таких как толщина стенок, диаметр, скорость звука в измеряемой среде. Как ультразвуковые преобразователи соприкасающихся со средой врезных систем, так и ультразвуковые преобразователи накладных систем требуют обычно относительно большого конструктивного пространства вне измерительной трубы. Они подвержены механическим влияниям. Ультразвуковые сигналы между ультразвуковыми преобразователями обычно распространяются по сигнальному тракту. Он проходит соответственно только через часть течения измеряемой среды в измерительной трубе, что сильно влияет на оценку всего расхода через измерительную трубу.

Ультразвуковые преобразователи обычно состоят из пьезоэлектрического элемента, также кратко называемого «пьезо», и связующего слоя, также называемого связующим клином или, реже, предшествующим телом. При этом связующий слой изготовлен в большинстве случаев из пластика, а пьезоэлектрический элемент состоит в промышленной технике измерения процессов обычно из пьезокерамики. В пьезоэлектрическом элементе создаются ультразвуковые волны, которые направляются через связующий слой к стенке трубы, а оттуда - в жидкость. Поскольку скорости звука в жидкостях и пластиках разные, ультразвуковые волны при переходе от одной среды к другой преломляются. Угол преломления определяется в первом приближении по закону Снелла. Таким образом, угол преломления зависит от соотношения скоростей распространения в средах.

Между пьезоэлектрическим элементом и связующим слоем может быть расположен дополнительный связующий слой, так называемый согласующий слой. При этом он выполняет функцию передачи ультразвукового сигнала и одновременно уменьшения вызванного разными акустическими импедансами отражения на граничных слоях между двумя материалами.

В DE-PS 10012926 раскрыто сенсорное устройство для измерения течения, прочно размещенное на измерительной трубе. Это сенсорное устройство представляет собой пьезопленочный датчик, который регистрирует величины вибраций и/или колебаний измерительной трубы или ее стенки, на которой он размещен, и преобразует эти величины вибраций и/или колебаний измерительной трубы, возникающие вследствие взаимодействий протекающей в измерительной трубе среды с ее стенкой, в сигналы напряжения. Посредством этих сигналов напряжения определяется затем расход измеряемой среды через измерительную трубу.

Пьезосенсорная пленка размещается на наружной стороне стенки измерительной трубы, причем мимо внутренней стороне стенки протекает измеряемая среда. Кроме того, для защиты пьезосенсорной пленки может быть еще размещен экран. Пьезосенсорная пленка состоит предпочтительно из поливинилиденфторида (PVDF). Пьезосенсорной пленкой не излучается сигнал колебаний или вибраций. Она лишь принимает колебания или вибрации, вызываемые течением во внутреннем пространстве измерительной трубы. Поскольку взаимодействия между внутренней стороной стенки измерительной трубы и измеряемой средой зависят от многих различных параметров, например состава измеряемой среды и ее связанного с ним числа Рейнольдса, а некоторые из этих параметров изменяются со временем, например, за счет изменения поверхности измерительной трубы, например, в результате абразивного износа, точность измерения сенсорного устройства очень ограничена.

В US-PS 3906791 описан ультразвуковой расходомер с измерительной трубой прямоугольного или квадратного сечения. В одном варианте ультразвуковые преобразователи размещены на плоской наружной стороне стенки измерительной трубы. Они передают ультразвуковой сигнал в основном перпендикулярно направлению главного течения измеряемой среды в измерительной трубе. Ультразвуковой сигнал отклоняется в направлении течения измеряемой среды или навстречу ему за счет выемок треугольного сечения на внутренней стороне стенки измерительной трубы.

В DE-A 10204714 описан ультразвуковой преобразователь, выполненный в форме дуги окружности или кольца и тем самым могущий присоединяться к кругообразным трубам определенного размера.

Задача изобретения состоит в создании расходомерной системы, датчики которой размещались бы на трубопроводе и не требовали бы сложного взаимного ориентирования.

Эта задача решается посредством измерительной системы для определения и/или контроля расхода измеряемой среды через измерительную трубу, содержащей, по меньшей мере, один ультразвуковой преобразователь и, по меньшей мере, один блок регулирования/оценки, который с помощью измерительных сигналов или измеренных данных, выведенных из измерительных сигналов, определяет объемный и/или массовый расход протекающей в измерительной трубе измеряемой среды, причем ультразвуковой преобразователь содержит, по меньшей мере, один электромеханический преобразовательный элемент, передающий и/или принимающий ультразвуковые сигналы, а также, по меньшей мере, один связующий слой в зоне между электромеханическим преобразовательным элементом и измеряемой средой, направляющий ультразвуковые сигналы, причем ультразвуковой преобразователь акустически связывается с измерительной трубой и выполнен таким образом, что он, по меньшей мере, частично приспосабливается к данной форме внутренней и/или наружной стенки измерительной трубы. Помимо отсутствия взаимного ориентирования накладных датчиков другим преимуществом является очень плоская конструкция ультразвукового преобразователя.

Электромеханический преобразовательный элемент преобразует ультразвуковые сигналы по принципу электрострикции или магнитострикции. Под магнитострикцией понимается изменение длины ферромагнитного материала вследствие приложенного магнитного поля. Электрострикция, напротив, описывает деформацию диэлектрика вследствие приложенного электрического поля. При этом деформация, как правило, не зависит от направления поля. Пьезоэффект является, тем самым, частью электрострикции. В одном особенно предпочтительном варианте электромеханический преобразовательный элемент представляет собой пьезоэлектрический элемент.

Электромеханический преобразовательный элемент вырабатывает ультразвуковые сигналы и/или преобразует принятые ультразвуковые сигналы снова в электрические сигналы. Связующий слой состоит предпочтительно из материала, обладающего определенными акустическими свойствами, такими как заданный акустический импеданс и/или заданная скорость звука. В одном особом варианте сама труба служит связующим слоем. Если, например, в качестве измерительной трубы используется стальная труба, а электромеханическим преобразовательным элементом является пьезоэлектрический элемент, то связующий слой предусматривается в качестве согласующего слоя между преобразовательным элементом и измерительной трубой. Если же измерительная труба изготовлена из пластика и/или преобразовательным элементом является электрострикционный элемент, то электромеханический преобразовательный элемент размещается прямо на измерительной трубе. В этом случае измерительная труба выполняет задачу связующего слоя, т.е. акустической связи между преобразовательным элементом и измеряемой средой.

Ультразвуковые преобразователи вырабатывают ультразвуковые сигналы в виде ультразвуковых волн. В жидкостях ультразвуковые волны распространяются только в виде продольных волн. Возбужденные частицы колеблются при этом в направлении распространения на величину амплитуды. Таким образом, ультразвуковой сигнал состоит, по меньшей мере, из одной ультразвуковой волны с фронтом. При этом фронт перпендикулярен направлению распространения ультразвуковых волн.

Ультразвуковой сигнал ограничен по своей ширине. Это значит, что фронт волны имеет конечную протяженность. Существенным элементом ограничения ширины ультразвукового сигнала является площадь ультразвукового преобразователя, с которой передается ультразвуковая волна. Для простоты следует исходить из того, что ультразвуковой сигнал определенной ширины распространяется по узкому звуковому или сигнальному тракту. Ширину сигнального тракта следует при этом рассматривать как точечную. Следовательно, ультразвуковой сигнал обычно распространяется по прямому сигнальному тракту. Направление распространения ультразвуковых волн соответствует, тем самым, направлению ультразвукового сигнала по сигнальному тракту.

Таким образом, ультразвуковой преобразователь содержит согласно изобретению, по меньшей мере, один электромеханический преобразовательный элемент, например пьезоэлектрический элемент, который передает и/или принимает ультразвуковые сигналы, по меньшей мере, по одному первому сигнальному тракту, а связующий слой в зоне между электромеханическим преобразовательным элементом и измеряемой средой направляет ультразвуковые сигналы по этому первому сигнальному тракту. Вместо одного электромеханического элемента могут найти применение также несколько элементов. Они располагаются, например, рядом друг с другом и/или друг над другом так называемыми стопами. В стопах отдельные элементы контактируют и включены последовательно или в сэндвичевой конструкции.

В первом варианте осуществления изобретения электромеханический преобразовательный элемент выполнен гибким. По меньшей мере, при монтаже ультразвукового преобразователя электромеханический преобразовательный элемент обладает определенной гибкостью. Например, за счет отверждения клея или за счет охлаждения гибкого при монтажной температуре электромеханического преобразовательного элемента гибкость при использовании ультразвукового преобразователя не является обязательной.

Согласно одному варианту предложенного устройства электромеханический преобразовательный элемент представляет собой пленку.

Пленка представляет собой тонкий лист, который изготавливается бесконечными полотнами и может скручиваться. Толщина пленки зависит, тем самым, от различных параметров материала.

Особенно предпочтительными считаются пленки из пьезоэлектрического поливинилиденфторида (PVDF). PVDF-пленки имеют в большинстве случаев толщину менее 1 мм.

Если трубопровод, к которому присоединяется ультразвуковой преобразователь и с формой которого согласуется ультразвуковой преобразователь, имеет приблизительно круглое или овальное сечение, то электромеханический преобразовательный элемент принимает форму одно- или двукратно искривленной чаши. Ультразвуковые сигналы излучаются и/или принимаются приблизительно по всей поверхности электромеханического преобразовательного элемента. Две чаши параллельны, если их касательные и прямые боковых поверхностей параллельны друг другу.

Один весьма предпочтительный вариант предложенного устройства заключается в том, что электромеханический преобразовательный элемент прикрепляется к первой поверхности связующего слоя, ультразвуковой сигнал в основном перпендикулярно первой поверхности связующего слоя входит в нее и/или выходит из нее, а связующий слой, по меньшей мере, долями отклоняет ультразвуковой сигнал так, что первая составляющая направления ультразвукового сигнала указывает в направлении течения измеряемой среды в измерительной трубе или против этого направления и/или что вторая составляющая направления ультразвукового сигнала перпендикулярна направлению течения измеряемой среды в измерительной трубе.

Направление распространения ультразвукового сигнала по первому сигнальному тракту в основном перпендикулярно первой поверхности связующего слоя при входе сигнала в нее и/или при выходе сигнала из нее. На граничной поверхности между первым связующим слоем и измеряемой средой или между первым и вторым связующими слоями ультразвуковой сигнал преломляется.

Если ультразвуковой сигнал преломляется или отклоняется перпендикулярно направлению течения измеряемой среды в измерительной трубе, т.е. одной составляющей направления указывает в радиальном направлении, то измерение расхода методом разности времени прохождения возможно, например, с предварительным кондиционированием течения.

С помощью ультразвукового преобразователя без связующего слоя, на граничной поверхности которого ультразвуковой сигнал отклоняется в определенном направлении, можно определить параметры измеряемой среды, например скорость звука в ней. Следовательно, ультразвуковой сигнал проходит через измерительную трубу к электромеханическому преобразователю прямым путем.

В одном предпочтительном варианте предложенного устройства предусмотрено, что электромеханический преобразовательный элемент прикрепляется к первой поверхности связующего слоя, ультразвуковой сигнал в основном перпендикулярно первой поверхности связующего слоя входит в нее и/или выходит из нее, а связующий слой отклоняет ультразвуковой сигнал по двум сигнальным трактам так, что первая составляющая направления ультразвукового сигнала по первому сигнальному тракту указывает в направлении течения измеряемой среды в измерительной трубе, а третья составляющая - против этого направления. Таким образом, ультразвуковой сигнал отклоняется в двух направлениях и распространяется, следовательно, по двум отдельным сигнальным трактам. Это может быть реализовано с помощью единственного электромеханического преобразовательного элемента.

В другом предпочтительном варианте предложенного устройства предусмотрено, что связующий слой имеет, по меньшей мере, одну выемку приблизительно трапециевидного сечения.

Предпочтительно выемка образует канавку. Эта канавка приблизительно трапециевидного сечения имеет протяженность перпендикулярно приблизительно трапециевидному сечению. Сечение продолжено в продольном направлении.

Особенно предпочтительно канавка проходит под углом 0-90° к оси трубы, т.е. продольное направление канавки проходит под углом 0-90° к оси трубы. В случае приблизительно круглого или овального сечения измерительной трубы и соответствующей формы и вида ультразвукового преобразователя канавка имеет круглый или овальный продольный разрез. Угол относится к касательной к ультразвуковому преобразователю.

В одном весьма предпочтительном варианте осуществления изобретения выемки расположены приблизительно равномерно по поверхности связующего слоя. Расстояние между выемками в основном одинаковое. В одном варианте выемки имеют приблизительно одинаковое сечение.

Согласно одному предпочтительному варианту устройства предложено, что выемки выполнены на двух противоположных сторонах связующего слоя.

В дополнительном варианте устройства выемки являются неотъемлемой составной частью измерительной трубы. Один вариант устройства состоит в том, что измерительная труба имеет резьбу на своей внутренней и/или наружной стенке.

Один предпочтительный вариант устройства состоит в том, что выемки имеют треугольную форму, причем одна сторона треугольной выемки в основном параллельна, по меньшей мере, одному направлению распространения ультразвукового сигнала. В одном варианте одна сторона треугольной выемки в основном перпендикулярна, по меньшей мере, одному направлению распространения ультразвукового сигнала. При этом ультразвуковой сигнал обычно распространяется вдоль приблизительно узкого сигнального тракта.

Согласно другому предпочтительному варианту предложенного решения измерительная система определяет и/или контролирует расход измеряемой среды через измерительную трубу методом разности времени прохождения или доплеровским методом.

В одном особенно предпочтительном варианте осуществления изобретения измерительная система содержит, по меньшей мере, два ультразвуковых преобразователя, расположенных на измерительной трубе так, что ультразвуковой сигнал проходит по первому сигнальному тракту между обоими ультразвуковыми преобразователями.

Изобретение более подробно поясняется со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых изображают:

фиг.1 - продольный разрез измерительной трубы с трапециевидными выемками на внутренней стороне;

фиг.2 - продольный разрез измерительной трубы с трапециевидными выемками на наружной стороне;

фиг.3 - продольный разрез ультразвукового преобразователя с двумя связующими слоями на измерительной трубе;

фиг.4 - продольный разрез ультразвукового преобразователя с двумя связующими слоями на измерительной трубе;

фиг.5 - продольный разрез ультразвукового преобразователя с двумя связующими слоями на измерительной трубе;

фиг.6 - продольный разрез ультразвукового преобразователя с двумя связующими слоями на измерительной трубе;

фиг.7 - в перспективе связующий слой ультразвукового преобразователя;

фиг.8 - в перспективе связующий слой ультразвукового преобразователя;

фиг.9 - продольный и поперечный разрезы измерительной системы с одним ультразвуковым преобразователем;

фиг.10 - продольный разрез и сечение измерительной системы с одним ультразвуковым преобразователем;

фиг.11 - продольный разрез измерительной системы с двумя ультразвуковыми преобразователями;

фиг.12 - продольный разрез измерительной системы с двумя ультразвуковыми преобразователями;

фиг.13 - сечение измерительной системы с двумя или тремя ультразвуковыми преобразователями;

фиг.14 - сечение конструкции ультразвукового преобразователя;

фиг.15 - матрицу ультразвукового преобразователя на связующем элементе из двух связующих слоев.

На фиг.1 в продольном разрезе изображена измерительная система. Измерительная труба 3 имеет на внутренней стенке 23 выемки 21 в основном треугольного сечения, образующие в ней канавку. Треугольная форма сечения выемок 21 является экстремальным проявлением трапеции. Трапеция определяется четырьмя сторонами, заключающими четыре угла. Если один из этих углов равен нулю и тем самым длина стороны равна нулю, то возникает треугольник. Другой экстремальной формой является, например, прямоугольник или отрезок. Если вместо треугольной формы используется трапеция с двумя противоположными параллельными поверхностями, которые приблизительно параллельны касательной плоскости к стенке измерительной трубы, то параметры среды, например скорость звука, определяются одновременно с расходом. За счет кривизны трубы трапеция может иметь слегка искривленные стороны, причем, однако, сечение выемок 21 следует признать приблизительно как трапецию.

Выемки 21 могут быть заполнены материалом или, как здесь, заполнены измеряемой средой 4. Электромеханический преобразователь, предпочтительно пьезоэлектрическая пленка 5 (не показана), размещен на части наружной стенки 22 измерительной трубы, лежащей напротив выемок 21, т.е. участок измерительной трубы 3 с выемками 21 также содержит пьезоэлектрическую пленку 5, только на другой стороне стенки измерительной трубы. Ультразвуковые сигналы, излучаемые пьезоэлектрической пленкой 5 приблизительно перпендикулярно воображаемой касательной плоскости, падают на выемки 21 и отклоняются в соответствии с углом, под которым они падают на граничную поверхность между измерительной трубой 3 и измеряемой средой 4, и в соответствии с разными скоростями звука обоих примыкающих друг к другу материалов, т.е. здесь скоростями звука в измерительной трубе 3 и измеряемой среде 4. Разумеется, это относится также к ультразвуковым сигналам, которые падают на пьезоэлектрическую пленку 5 из направления измеряемой среды 4. Измерительная труба 3 выполняет здесь одновременно функцию первого и в этом случае единственного связующего слоя 7. Наружная стенка измерительной трубы образует тем самым первую поверхность 10 первого связующего слоя 7, а граничная поверхность между измерительной трубой 3 и измеряемой средой 4 является второй поверхностью 11 первого связующего слоя 7.

Описанный тракт 6 ультразвукового сигнала представляет собой характеристику ультразвукового сигнала. Она перпендикулярна фронту волны ультразвукового сигнала. По сигнальному тракту 6 ультразвуковой сигнал проходит в обоих направлениях, если преломления на противоположной точке входа сигнала стороне огибающего ультразвукового преобразователя имеют одинаковые углы. Это достигается, например, за счет того, что огибающие выемки 21 имеют приблизительно постоянную форму и вид, а также выполнены соответственно друг другу. Путь ультразвукового сигнала туда и обратно по первому сигнальному тракту 6 обозначен двумя стрелками.

Первая составляющая 25 направления ультразвукового сигнала по первому сигнальному тракту 6 указывает в направление главного течения измеряемой среды 4 в измерительной трубе 3. Третья составляющая 25 направления ультразвукового сигнала по второму сигнальному тракту 20 указывает во встречное направление. Вторая составляющая 26 направления ультразвукового сигнала по первому сигнальному тракту 6 поперек направления главного течения измеряемой среды 4 в измерительной трубе 3 указывала бы в плоскость чертежа или из нее.

Для наглядности на нижеследующих фигурах составляющие направления отдельно не указаны. Они ясно следуют из фигур. Если видно только одно направление, то не исключены и другие направления ультразвукового сигнала.

На фиг.2 измерительная труба 3 действует в качестве второго связующего слоя 8. Измерительная труба 3 имеет трапециевидные выемки 21 в своей наружной стенке 22, заполненные, например, полимерной массой. Заполненные выемки 21 образуют первый связующий слой 7. К первой поверхности 10 первого связующего слоя 7 прикреплена пьезоэлектрическая пленка 5 (не показана). На граничной поверхности между первым 7 и вторым 8 связующими слоями, т.е. на поверхности соприкосновения между второй поверхностью 11 первого связующего слоя 7 и второй поверхностью 12 второго связующего слоя 8, ультразвуковой сигнал отклоняется или преломляется в соответствии с известными условиями. Второе преломление происходит на второй поверхности 13 второго связующего слоя 8, т.е. на внутренней стенке 23 трубы.

Как и на фиг.2, так же на последующих фиг.3-6 для наглядности изображены только от пьезоэлектрического элемента, т.е. ультразвуковые сигналы, проникшие в первый связующий слой 7. При этом ультразвуковые сигналы могут либо приблизительно полностью отражаться и направляться обратно к ультразвуковому преобразователю 2 от внутренней стенки 23 измерительной трубы 3, либо, как показано на фиг.2, могут преломляться аналогично проникновению сигнала, если ультразвуковой преобразователь 2 размещен на противоположной поверхности проникновения стороне измерительной трубы 3.

Углы наклона поверхностей связующих слоев к падающему ультразвуковому сигналу необязательно равны углу его преломления. Он зависит от скорости звука, в том числе от измеряемой среды. Это является большим преимуществом изобретения: обычные накладные системы должны быть ориентированы по отношению друг к другу, например при изменении измеряемой среды. Эту систему не приходится заново ориентировать.

На фиг.3 изображена измерительная труба 3, на наружной стороне 22 которой размещен ультразвуковой преобразователь 2. Последний состоит из пьезоэлектрической пленки 5 и двух связующих слоев 7, 8, причем пьезоэлектрическая пленка 5 размещена на первом связующем слое 7, а второй связующий слой 8 размещен на измерительной трубе 3. Пьезоэлектрическая пленка 5 для простоты не показана. Ультразвуковые сигналы проникают в первый связующий слой 7 в основном перпендикулярно его первой поверхности 10 и выходят из него. Здесь изображено также лишь проникновение, т.е. характеристика сигнала от пьезоэлектрической пленки 5. На преломление на граничном слое между первым 7 и вторым 8 связующими слоями влияет то, что скорость звука в первом связующем слое 7 выше, чем во втором связующем слое 8.

В этом примере вторая поверхность 11 первого связующего слоя 7 принимает в основном форму гармошки. Поскольку вторая поверхность 11 первого связующего слоя 7 имеет трапециевидные выемки 21, первая поверхность 12 второго связующего слоя 8 имеет конгруэнтное возвышение. Однако рассматривается только первая поверхность 12 второго связующего слоя 8 также с трапециевидными выемками 21. Обе поверхности 10, 11 следует рассматривать по отношению друг к другу как позитивные и негативные.

На фиг.4 скорости звука в связующих слоях 7, 8 противоположные.

На фиг.5 изображен ультразвуковой преобразователь с пилообразными выемками 21. Выемки 21 в первом связующем слое 7 полностью заполнены вторым связующим слоем 8. При этом в каждой выемке 21 возникают две граничные поверхности между связующими слоями 7, 8: в сечении пилообразной выемки 21 это одна короткая и одна длинная. Преимущество выполнения трапециевидных выемок 21 пилообразной формы состоит в том, что излученные пьезоэлектрической пленкой 5 ультразвуковые сигналы, которые параллельны друг другу и проходят в одной общей воображаемой осевой плоскости 19, на граничных поверхностях между связующими слоями 7, 8 отклоняются по-разному, поскольку ультразвуковые сигналы падают на короткую и длинную граничные поверхности под разными углами. За счет этого, как показано, часть ультразвукового сигнала может проникать в измеряемую среду под определенным углом в одном направлении, а другая, в частности очень малая часть ультразвукового сигнала, отклоняется от граничной поверхности, здесь от короткой, так, что сигнал выводится из ультразвукового преобразователя 2, не проходя через измеряемую среду 4. Материалы связующих слоев 7, 8 выбраны в соответствии с их акустическими свойствами, например акустическим импедансом или скоростью звука.

Здесь ультразвуковой преобразователь 2 размещен на наружной стенке 22 измерительной трубы 3. Он, по меньшей мере, частично принимает приблизительно форму измерительной трубы 3 или ее наружной стенки 22, здесь форму однократно искривленной чаши.

На фиг.6 показано сечение ультразвукового преобразователя 2. Он состоит из пьезоэлектрической пленки 5 (не показана) и связующего элемента между измерительной трубой 3 и пьезо 5 из двух связующих слоев. Трапециевидные выемки 21 проходят в основном параллельно оси 16 трубы на обращенной к измеряемой среде 4 стороне первого связующего слоя 7. Второй связующий слой 8 находится между измерительной трубой 3 и первым связующим слоем 7 и полностью заполняет выемки 21 в нем. За счет этого ультразвуковые сигналы, проникающие в основном перпендикулярно первой поверхности 10 первого связующего слоя 7 и проходящие в основном в воображаемой радиальной плоскости, отклоняются под углом к воображаемой осевой плоскости, т.е. перпендикулярно направлению главного течения измеряемой среды 4 в измерительной трубе 3, в соответствии с известными условиями.

Ультразвуковой преобразователь 2 размещен вокруг всей периферии измерительной трубы. Преломления ультразвукового сигнала возможны также на внутренней стенке 23 измерительной трубы 3 или на поверхностях выемок 21 ультразвукового преобразователя 2.

На фиг.7 в перспективе изображен связующий слой 7. На его обеих сторонах, т.е. на его первой 10 и второй 11 поверхностях, выполнены треугольные выемки 21. Они образуют канавки. Канавки на первой стороне перпендикулярны канавкам на второй стороне.

На фиг.8 связующий слой 7 изображен с выемками 21 только на одной поверхности 10. Если связующий слой 7 укладывается вокруг измерительной трубы 3 (не показана), то образованные выемками 21 канавки наклонены к оси 16 измерительной трубы 3 или к направлению главного течения измеряемой среды 4 в ней под углом около 45°. Такие канавки реализуются путем простой нарезки резьбы, например, во внутренней стенке 23 измерительной трубы 3.

На фиг.9 и 10 изображены продольные разрезы и сечения измерительных систем. Ультразвуковые сигналы проходят через полное сечение измерительной трубы 3. При этом ультразвуковой преобразователь покрывает на фиг.10 только половину наружной стенки 22 измерительной трубы 3. Это обусловлено разным преломлением ультразвуковых сигналов. На фиг.9 ультразвуковой сигнал не преломляется на внутренней стенке 23 измерительной трубы или на граничных поверхностях связующих слоев 7, 8 и достигает тем самым электромеханического преобразователя 5, который, в свою очередь, преломляет принятый сигнал. На фиг.10, напротив, ультразвуковой сигнал отражается обратно к электромеханическому преобразователю 5, который затем обрабатывает сигналы. При этом на фиг.9b и 10b показаны сечения, а на фиг.9а и 10а - продольные. разрезы. Видна степень покрытия труб 3 ультразвуковыми преобразователями 2. На фиг.10а показано прохождение сигнала при отражении от наружной стенки измерительной трубы.

На фиг.11 и 12 показаны также продольные разрезы измерительной системы 1. На фиг.11 на измерительной трубе 3 размещены два ультразвуковых преобразователя 2. Оба передают ультразвуковые сигналы в направлении соответственно другого преобразователя. Это значит, что один передает их вверх по течению, а другой - вниз по течению. Принимается сигнал соответственно другим ультразвуковым преобразователем 2. Для этого предпочтителен асимметричный профиль выемок 21.

На фиг.12 изображены три ультразвуковых преобразователя 2 в ряд. При этом средний ультразвуковой преобразователь служит передатчиком, а оба других служат только приемниками. Передатчик передает ультразвуковые сигналы как в направлении главного течения измеряемой среды 4 в измерительной трубе 3, так и против него.

Изображенное на фиг.13 сечение может происходить как от измерительной системы с одним ультразвуковым преобразователем 2, так и с несколькими ультразвуковыми преобразователями 2 в ряд. Зона измеряемой среды 4 в измерительной трубе 3, через которую проходят ультразвуковые сигналы, заштрихована. Как хорошо видно, измерительная система выполнена очень плоской по сравнению с уровнем техники. Таким образом, она подвержена существенно меньшим механическим нагрузкам и сравнительно реже.

На фиг.14 изображен ультразвуковой преобразователь 2. Электромеханический преобразовательный элемент 5 прикреплен к первому связующему слою 7. Второй связующий слой 8 находится в контакте с первым связующим слоем 7 и наружной стенкой 22 измерительной трубы 3. Измеряемая среда 4 находится внутри измерительной трубы 3. На подробно изображенной треугольной выемке 21 видны отдельные сигнальные тракты 6, по которым обычно распространяются ультразвуковые сигналы. Сигнальные тракты 6 в основном параллельны друг другу и приблизительно параллельны одной поверхности или одной стороне треугольных в сечении выемок 21. Этим достигается то, что потеря энергии сигналов из-за преломлений очень мала. Ультразвуковые сигналы излучаются всей поверхностью 13 связующего слоя 8. Если сигнальные тракты непараллельны одной боковой поверхности треугольной выемки 21, то возникает промежуток между сигналами, в результате чего происходит потеря их энергии.

На фиг.15 изображена матрица ультразвукового преобразователя из двух входящих друг в друга ультразвуковых преобразовательных элементов 5, 5'. При этом они могут состоять из одной пленки с нанесенными с определенными промежутками, например осажденными методом ионного напыления, электродами. Они расположены предпочтительно над треугольной выемкой 21 и покрывают соответственно отклоняющую сторону треугольника.

Перечень ссылочных позиций

1 - расходомерная система

2 - ультразвуковой преобразователь

3 - измерительная труба

4 - измеряемая среда

5 - пьезоэлектрическая пленка

6 - первый ультразвуковой сигнальный тракт

7 - первый связующий слой

8 - второй связующий слой

9 - третий связующий слой

10 - первая поверхность первого связующего слоя

11 - вторая поверхность первого связующего слоя

12 - первая поверхность второго связующего слоя

13 - вторая поверхность второго связующего слоя

14 - первая поверхность третьего связующего слоя

15 - вторая поверхность третьего связующего слоя

16 - ось измерительной трубы

17 - касательная плоскость

18 - радиальная плоскость

19 - осевая плоскость

20 - второй ультразвуковой сигнальный тракт

21 - трапециевидная выемка

22 - наружная стенка измерительной трубы

23 - внутренняя стенка измерительной трубы

24 - второй ультразвуковой сигнальный тракт

25 - первая составляющая направления ультразвукового сигнала

26 - вторая составляющая направления ультразвукового сигнала

27 - третья составляющая направления ультразвукового сигнала

Измерительная система для определения и/или контроля расхода измеряемой среды через измерительную трубу содержит, по меньшей мере, один ультразвуковой преобразователь и, по меньшей мере, один блок регулирования/оценки, который с помощью измерительных сигналов или измеренных данных, выведенных из измерительных сигналов, определяет объемный и/или массовый расход протекающей в измерительной трубе измеряемой среды. Причем ультразвуковой преобразователь содержит, по меньшей мере, один электромеханический преобразовательный элемент, который передает и/или принимает ультразвуковые сигналы, а также, по меньшей мере, один связующий слой в зоне между электромеханическим преобразовательным элементом и измеряемой средой, который направляет ультразвуковые сигналы. Причем ультразвуковой преобразователь акустически связывается с измерительной трубой и приспосабливается к внешней форме измерительной трубы. Электромеханический преобразовательный элемент выполнен гибким и с возможностью прикрепления к первой поверхности связующего слоя. При этом ультразвуковой преобразователь принимает форму одно- или двукратно искривленной чаши и ультразвуковой сигнал в основном перпендикулярно первой поверхности связующего слоя входит в нее и/или выходит из нее. Технический результат - создание системы, датчики которой размещаются на трубопроводе и не требуют сложного взаимного ориентирования. 12 з.п. ф-лы, 15 ил.

1. Измерительная система (1) для определения и/или контроля расхода измеряемой среды (4) через измерительную трубу (3), содержащая, по меньшей мере, один ультразвуковой преобразователь (2) и, по меньшей мере, один блок регулирования/оценки, выполненный с возможностью определения объемного и/или массового расхода протекающей в измерительной трубе (3) измеряемой среды (4) с помощью измерительных сигналов или измеренных данных, выведенных из измерительных сигналов, причем ультразвуковой преобразователь (2) содержит, по меньшей мере, один электромеханический преобразовательный элемент (5), выполненный с возможностью передачи и/или приема ультразвуковых сигналов, а также, по меньшей мере, один связующий слой (7) в зоне между электромеханическим преобразовательным элементом (5) и измеряемой средой (4), выполненный с возможностью направления ультразвуковых сигналов, отличающаяся тем, что ультразвуковой преобразователь (2) выполнен с возможностью акустической связи с измерительной трубой (3) и приспосабливания к данной форме внутренней и/или наружной стенки измерительной трубы (3), причем электромеханический преобразовательный элемент (5), по меньшей мере, при монтаже ультразвукового преобразователя (2) выполнен гибким и с возможностью прикрепления к первой поверхности (10) связующего слоя (7), при этом ультразвуковой преобразователь принимает форму одно- или двукратно искривленной чаши и ультразвуковой сигнал, в основном, перпендикулярно первой поверхности (10) связующего слоя (7) входит в нее и/или выходит из нее, а связующий слой (7) выполнен с возможностью, по меньшей мере, частичного отклонения ультразвукового сигнала, при этом первая составляющая (25) направления ультразвукового сигнала указывает в направлении течения измеряемой среды (4) в измерительной трубе (3) или против этого направления и/или вторая составляющая (26) направления ультразвукового сигнала перпендикулярна направлению течения измеряемой среды (4) в измерительной трубе (3).

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что электромеханический преобразовательный элемент (5) выполнен в виде пленки.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что вторая составляющая (26) направления ультразвукового сигнала, в основном, перпендикулярна направлению входа ультразвукового сигнала в первую поверхность (10) связующего слоя (7) и выхода из нее.

4. Система по п.1, отличающаяся тем, что электромеханический преобразовательный элемент (5) выполнен с возможностью прикрепления к первой поверхности (10) связующего слоя (7), а ультразвуковой сигнал, в основном, перпендикулярно первой поверхности (10) связующего слоя (7) входит в нее и/или выходит из нее, а связующий слой (7) выполнен с возможностью отклонения ультразвукового сигнала по двум сигнальным трактам, причем первая составляющая (25) направления ультразвукового сигнала по первому сигнальному тракту указывает в направлении течения измеряемой среды (4) в измерительной трубе (3), а третья составляющая (27) направления ультразвукового сигнала по второму сигнальному тракту указывает против направления течения измеряемой среды (4) в измерительной трубе (3).

5. Система по п.1, отличающаяся тем, что связующий слой (7) имеет, по меньшей мере, одну выемку (21) приблизительно трапециевидного сечения.

6. Система по п.5, отличающаяся тем, что выемка (21) выполнена в виде канавки.

7. Система по п.6, отличающаяся тем, что канавка проходит под углом от 0° до 90° к оси трубы.

8. Система по п.5, отличающаяся тем, что выемки (21) расположены приблизительно равномерно по поверхности связующего слоя.

9. Система по п.7, отличающаяся тем, что выемки (21) выполнены на двух противоположных сторонах связующего слоя (7).

10. Система по п.5, отличающаяся тем, что выемки (21) выполнены в виде неотъемлемой составной части измерительной трубы (3).

11. Система по п.10, отличающаяся тем, что измерительная труба (3) имеет резьбу на своей внутренней стенке (23) и/или наружной стенке (22).

12. Система по п.5, отличающаяся тем, что выемки (21) имеют треугольную форму, причем одна сторона треугольной выемки (21), в основном, параллельна, по меньшей мере, одному направлению (б) распространения ультразвукового сигнала.

13. Система по п.5, отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью определения и/или контроля расхода измеряемой среды (4) через измерительную трубу (3) методом разности времени прохождения или допплеровским методом.