УЛЬТРАЗВУКОВОЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ПОТОКА ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ Российский патент 2015 года по МПК G01F1/46 

Изобретение относится к ультразвуковому измерительному устройству и способу измерения скорости потока текучей среды соответственно по ограничительной части п.1 и 15 формулы изобретения.

Скорость течения текучей среды в трубопроводах и каналах можно определить при помощи ультразвуковой измерительной техники путем измерения разности времени прохождения ультразвуковых импульсов. При этом методе ультразвуковые импульсы излучаются и принимаются парой ультразвуковых преобразователей, расположенных друг против друга на стенке трубопровода на концах измерительной цепи, ориентированной поперек потока текучей среды. Скорость потока определяют по разности времени прохождения ультразвука в измерительной цепи по потоку и в противоположном направлении, против потока. При этом ультразвуковые преобразователи работают попеременно в качестве передатчиков и приемников. Ультразвуковые сигналы, переносимые текучей средой, в направлении потока ускоряются, а против направления потока замедляются. По результирующей разности времени прохождения в геометрическом представлении рассчитывают среднюю скорость текучей среды. Из этого параметра и площади поперечного сечения получают рабочий объемный расход; если учет текучей среды производят по объему, то объемный расход часто является представляющей интерес измеряемой величиной.

Этот известный принцип измерения представлен на фиг.7. Важной составной частью обычного измерительного устройства 110 являются два ультразвуковых преобразователя 118, 120, расположенные под некоторым углом в стенке трубопровода 112, в котором в направлении 116 стрелки течет текучая среда 114. Ультразвуковые преобразователи 118, 120 работают попеременно в качестве передатчиков и приемников. Ультразвуковые сигналы, переносимые газом, в направлении потока ускоряются, а против направления потока замедляются. По результирующей разности времени прохождения в геометрическом представлении рассчитывают среднюю скорость текучей среды. Из этого параметра и площади поперечного сечения получают рабочий объемный расход. Геометрические соотношения описываются следующими переменными:

v: скорость потока текучей среды в трубопроводе,

L: длина измерительной цепи между двумя ультразвуковыми

Преобразователями,

α: угол, под которым излучают и принимают ультразвуковые преобразователи,

Q: объемный расход,

D: диаметр трубопровода,

t_v: время прохождения ультразвука по потоку,

t_r: время прохождения ультразвука против потока.

Отсюда для искомых величин v и Q получаются следующие соотношения:

v=L/(2cosα)(1/t_v-1/t_r)

Q=v1/4D²π.

Важной и сложной областью применения являются газовые счетчики для газопроводов, здесь из-за огромных количеств транспортируемого газа и высокой стоимости сырья малейшие отклонения в точности измерений соответствуют заметным величинам. В сфере измерения больших количеств газа ультразвуковые расходомеры благодаря своей точности, отсутствию необходимости в обслуживании и возможности самодиагностики находят при транспортировке и хранении газа все большее применение. Напротив, в сфере распределения влияние ценового параметра со стороны таких нашедших признание технологий, как, например, турбинные расходомеры и роторно-поршневые счетчики, пока еще высоко.

Это связано с тем, что для того, чтобы с достигнутой точностью выполнить требования к измерениям, подлежащим поверке, необходимы большие затраты. Так как цепь ультразвуковых измерений зондирует скорость потока лишь в определенных положениях, в конечном итоге среднюю скорость потока экстраполируют на все поперечное сечение потока. Поэтому высокой точности можно достичь только тогда, когда поток хорошо поддается воспроизведению, то есть он имеет невозмущенный профиль потока, или когда проблему неравномерностей можно решить при помощи нескольких измерительных цепей. Чтобы достичь высокой точности, можно целенаправленно воздействовать на профиль потока, например, при помощи выпрямителей потока или протяженных прямых входных участков. Однако выпрямители потока способны обеспечить однородность потока лишь в ограниченной степени, а протяженные прямые входные участки требуют большого пространства и в распоряжении имеются не всегда. Для измерения в нескольких измерительных цепях необходим соответствующий сложный измерительный прибор.

В частности, при применении ультразвуковых измерительных приборов в сфере распределения монтаж обычно осуществляют на станциях регулирования давления газа, на которых среднее или высокое давление магистральных газопроводов снижают до низкого или, соответственно, среднего давления распределительной сети. Это снижение осуществляют при помощи регулирующих клапанов; такие детали создают в ультразвуковом диапазоне звуковую помеху, эта помеха накладывается на собственно измерительные сигналы и, таким образом, может негативно повлиять на точность измерения.

В целом для пользователя, применяющего обычные ультразвуковые измерительные приборы, это означает недостаток, заключающийся в том, что приходится устанавливать дополнительное оборудование, что влечет за собой повышенные затраты и увеличенные конструктивные размеры.

Наряду с ультразвуковой измерительной техникой для измерения расхода газа применяют механические турбинные расходомеры или роторно-поршневые счетчики. В этом случае также существуют конструкции, в которых направление потока для счетчика изменяют, а после измерения поток снова отклоняют в направлении течения в трубопроводе. В случае механического измерения формирование потока значения практически не имеет, так что с нарушением первоначального потока и его направления вполне можно примириться. Напротив, в случае ультразвуковых счетчиков всегда стремятся к тому, чтобы монтировать их после протяженного, предпочтительно прямого успокоительного участка, так что поток может выровняться, причем это выравнивание еще можно поддержать при помощи выпрямителей потока. Кроме того, сами ультразвуковые счетчики монтируют и выполняют так, чтобы текучая среда могла течь как можно более свободно и без возмущений.

К тому же принцип механических измерений, на котором основана работа этих счетчиков, имеет тот недостаток, что подвижные детали, то есть детали, которые подвержены возмущениям и износу, расположены прямо в потоке. Кроме того, диагностические характеристики, которые в случае ультразвуковых счетчиков можно получить, наблюдая дополнительные измеряемые величины, здесь отсутствуют. Таким образом, состояние измерительного прибора или измерительного процесса контролировать и анализировать не могут, либо для этого необходимо весьма дорогостоящее, требующее больших затрат времени испытание. Ввиду того что диагностика, а следовательно, и контроль точности измерений невозможны, и с учетом того, что даже незначительным отклонениям в точности можно соответствовать большие значения, удовлетворить пользователя это решение не может.

Из патентного документа DE 102005062629 А1 известен водомер для применения в домашнем хозяйстве, работа которого основана на применении ультразвука. В этом случае воду отводят из потока в радиальном направлении, а затем через измерительную камеру и выходной участок снова вводят в поток. Измерительная камера образует кольцо, плоскость которого расположена параллельно направлению потока в трубопроводе. Ультразвук пронизывает кольцо при помощи нескольких отклоняющих рефлекторов. Измерительная камера имеет большое количество сформованных с большими затратами выступов и отверстий, необходимых для создания равномерного кольцевого течения, которое согласно идее изобретения DE 102005062629 А1 должно обеспечить, в том числе, оптимальную промывку рефлекторов и отсутствие пузырьков воздуха, чтобы измерение не подвергалось негативным воздействиям. Таким образом, создание измерительной камеры и, следовательно, путей движения потока и звука внутри нее связано с очень большими расходами. Дополнительно к затратам, которые связаны с этими деталями, в случае применения обычного принципа кольца ультразвуковое измерение в газопроводах также пришлось бы весьма точно согласовывать с этими сложными путями, причем использовать опыт применения обычных ультразвуковых измерительных приборов, которые устанавливают прямо в неотклоняемый основной поток, могли бы лишь весьма ограниченно.

В патентном документе US 4,506,552 описан ультразвуковой расходомер для высоковязких или криогенных текучих сред. Чтобы избежать пузырьков из-за температурных градиентов и результирующих турбулентностей, измерительный участок лежит внутри трубной системы "труба в трубе", так что текучая среда течет также в наружной стенке, следовательно, одновременно она вызывает охлаждение измерительного участка. В этом конструктивном исполнении коаксиальный канал проводят в насаженном отрезке трубы.

В патентном документе DE 2924561 В1 описан водомер для измерения расхода технической воды с ультразвуковым измерительным участком, который в одном из вариантов расположен перпендикулярно направлению потока в водопроводе благодаря тому, что воду через участок трубопровода, расположенный под углом 90°, подводят к измерительному участку, а затем посредством соответствующего участка трубопровода, также расположенного под углом 90°, снова отводят в водопровод.

В документе ЕР 1227303 А2 описан еще один ультразвуковой расходомер, при применении которого текучую среду из трубопровода отводят в измерительный участок, проходящий параллельно трубопроводу. Измерительную капсулу при применении в качестве водомера можно смонтировать на обычной арматуре.

В документе ЕР 1909076 А1 представлена аналогичная основная конструкция для водомера, измерительную капсулу которого устанавливают на соединительную арматуру, а ультразвуковой измерительный участок в трубе реализуют параллельно самому трубопроводу.

В патентном документе US 4,140,012 раскрыт ультразвуковой расходомер, при применении которого измерительный участок располагают перпендикулярно и посредине внутри самого трубопровода, имеющего в районе измерительного участка увеличенный диаметр, в то время как расположенный под 45° отвод посредством двукратного изменения направления под прямым углом вынуждает текучую среду протекать по измерительному участку.

В документе ЕР 2146189 А1 проточный канал в коаксиальном исполнении имеет резкие отклонения и изменения поперечного сечения. Для ультразвукового измерения это имеет нежелательные последствия. Поток на участке ультразвукового измерения срывается, возникают области обратного потока, что ведет к нестабильным результатам измерений, и сильные турбулентности, затрудняющие обработку сигналов. Кроме того, из-за таких гидравлических условий очень велика потеря давления. Так как потеря давления для измерительного прибора ограничена, резервов давления для кондиционирования потока не остается. Наконец, ультразвуковые преобразователи установлены внутри набегающего потока, поэтому электрическое контактирование приходится осуществлять через обтекающий газ. Это требует стойких к давлению электрических вводов.

Еще один недостаток обычных ультразвуковых измерительных приборов связан с типом их монтажа. Обычно ультразвуковой измерительный прибор прифланцовывают вместо участка трубопровода. Соответственно, замена и техническое обслуживание требуют больших затрат. Техническое обслуживание требуется также, чтобы регулярно проверять и повторно калибровать подлежащий поверке ультразвуковой измерительный прибор. При этом калибровку должны осуществлять на специальном испытательном стенде высокого давления, который ни в коем случае не должен находиться вблизи места эксплуатации. При этом приходится демонтировать, отправлять, а затем снова устанавливать счетчик в комплекте, включая нагружаемый давлением корпус. Эксплуатация в это время возможна только в том случае, если установлена сменная деталь, специально откалиброванная для данного места применения.

Фиг.8 иллюстрирует обычное техническое обслуживание ультразвукового измерительного устройства 200. С целью техобслуживания участок 202 трубопровода прерывают или переключают в безнапорный режим. Чтобы по-прежнему обеспечить снабжение в течение этого времени, предусмотрен резервированный второй трубопровод 204. Переключая перекрывающую арматуру 206, поток газа перенаправляют с первого участка 202 трубопровода во второй трубопровод 204, и наоборот.

Из-за конструкции трубопровода с резервированием возникают значительные дополнительные расходы. Дополнительные расходы особенно неэкономичны из-за того, что резервированный трубопровод используют лишь изредка. Обычная продолжительность эксплуатации ультразвукового измерительного устройства 200 составляет не менее пяти лет, в то время как техническое обслуживание или замена устройства 200 перекалиброванной сменной деталью продолжается лишь несколько часов.

После техобслуживания на участок 202 снова приходится подавать давление. Так как по трубопроводам газораспределительной сети транспортируют находящиеся под давлением среды, необходимо соблюдать всесторонние меры безопасности, а к соответствующим работам разрешается привлекать только специально обученный персонал. Поэтому обычно работы по техническому обслуживанию связаны с большими расходами.

Из патентного документа DE 102007028431 А1 известен ультразвуковой счетчик на сменной вставке. Однако проблема, каким образом эту вставку можно заменить в находящемся под давлением трубопроводе, в этом документе не решена.

Сменная измерительная вставка упоминается также в патентном документе ЕР 2146189 А1. Однако при повторной установке этой вставки необходимо обеспечить, чтобы по измерительной секции протекал весь газ. Ввиду того что измерительная секция расположена внутри, подтверждение герметичности между набегающим потоком и стекающим потоком можно осуществить лишь с большими затратами.

В связи с вышесказанным задача данного изобретения состоит в том, чтобы сделать возможным точное и несложное ультразвуковое измерение скорости потока.

Эта задача решается благодаря ультразвуковому измерительному устройству по п.1 и способу измерения скорости потока текучей среды по п.15 формулы изобретения. Предлагаемое решение исходит из той основной идеи, которая заключается в том, чтобы отклонить текучую среду от направления основного потока в трубопроводе в насадку, например, в виде штуцера. При этом поток на каждом участке трубопровода лишь отклоняют и оставляют его поперечное сечение по возможности неизменным. Это достигают при помощи петли или, во всяком случае, благодаря пути потока, который описывает пространственную кривую 360°. Таким образом, поток можно измерить независимо от участков трубопроводов вверх по потоку от ультразвукового измерительного устройства и, следовательно, с высокой повторяемостью. Во-вторых, существенно облегчается доступ к области ультразвукового измерения.

Предлагаемое решение обладает тем преимуществом, что место измерения с высокой повторяемостью акустически развязано от профиля потока, существующего на входе в измерительный прибор, одновременно происходит звукоизоляция относительно предвключенных источников звуковых помех, например клапанов регулирования давления. Возникает лишь незначительная потеря давления, так что для управления давлением существует достаточный резерв давления. Предлагаемое ультразвуковое измерительное устройство имеет небольшую монтажную длину, и благодаря характеристикам потока с высокой повторяемостью оно может работать с минимальным количеством цепей ультразвуковых измерений.

При этом достигают всех преимуществ, которыми обладает ультразвуковое измерение по сравнению с принципами механических измерений, например, при помощи роторно-поршневого счетчика или турбинного расходомера, в том числе всех названных преимуществ, включая стабильность результатов измерений в более широком диапазоне расхода. Благодаря предлагаемым гидравлическим условиям становится возможной модульная конструкция ультразвукового измерительного устройства. При этом можно создать область ультразвуковых измерений под давлением и без давления или область ультразвуковых измерений для высокого давления и низкого давления, со свободой конструктивных решений относительно выбора материала, толщины стенок и исполнения ультразвуковых преобразователей. Так как к области ультразвуковых измерений обеспечен хороший доступ, без труда можно обеспечить как герметичность относительно окружающего пространства, так и герметичность между набегающим потоком и стекающим потоком. Кроме того, обеспечен очень хороший доступ и к самим ультразвуковым преобразователям, следовательно, они досягаемы без труда и больших затрат. Несмотря на эти преимущества, ультразвуковое измерительное устройство имеет такую конструкцию, что возможно изготовление, не требующее больших затрат.

Петля предпочтительно имеет первый отклоняющий элемент, участок набегающего потока, колено, участок отходящего потока и второй отклоняющий элемент, так что текучая среда может отклоняться первым отклоняющим элементом от основного направления потока на участок набегающего потока, оттуда через колено на участок отходящего потока и, наконец, через второй отклоняющий элемент назад в основное направление потока, причем, в частности, первый отклоняющий элемент и второй отклоняющий элемент образуют прямой угол, а колено - угол 180°. Точно выдерживать все эти углы не требуется, например, в отношении отклоняющих элементов также вполне возможен диапазон углов от 80 до 100° или даже более широкий диапазон углов. Однако при таких отклонениях необходимо предотвратить резкие изменения направления и, в общем, избежать слишком неудобной конструкции. Соответствующие угловые отклонения возможны также в отношении колена 180°. При этом в сумме углы должны составлять 360°, чтобы текучая среда после протекания через ультразвуковое измерительное устройство снова текла дальше в основном направлении потока. В результате отклонений от прямо вытянутой формы небольшой вклад в этот общий угол могут внести также участки набегающего и отходящего потока. Следует обратить внимание на то, что петля имеет трехмерную геометрическую форму, так что должно соблюдаться условие возвращения к исходному направлению - как в продольном, так и в поперечном направлении.

Участок набегающего потока и участок отходящего потока в каждом случае предпочтительно имеют подучасток, при этом эти подучастки расположены рядом друг с другом и ориентированы параллельно друг другу, причем, в частности, плоскость, охватывающая оба прямых подучастка, расположена перпендикулярно основному направлению потока. Таким образом, никаких мешающих отклонений потока в пределах участка набегающего потока и участка отходящего потока не существует. Благодаря параллельному расположению, например, в противоположность концентрическому расположению, можно сохранить постоянное поперечное сечение потока. Благодаря тому что названная плоскость расположена упомянутым образом, петля возникает практически как в продольном, так и в поперечном направлении относительно трубопровода. Таким образом, можно достичь особенно равномерных и симметричных гидравлических условий и особенно компактной конструкции ультразвукового измерительного устройства.

Петля предпочтительно ровная и без резких изменений направления или сужений, причем, в частности, колено имеет такой контур стенки, который делает возможным целенаправленный срыв потока в некритической для ультразвукового измерения области. В результате в области ультразвукового измерения можно образовать достаточно устойчивый профиль потока. Кроме того, потеря давления остается минимальной. Специальный контур стенки в колене вызывает целенаправленный срыв потока в некритической для ультразвукового измерения области. Напротив, в области ультразвукового измерения достигают равномерности профиля потока и предотвращают мешающие завихрения и области обратного потока. Так, измерение возможно даже при высоких скоростях потока, следовательно, возможно существенное расширение области измерений.

На участке набегающего потока и/или на участке отходящего потока предпочтительно предусмотрен выпрямитель потока. Выпрямитель потока дополнительно обеспечивает воспроизводимый поток и, следовательно, высокую точность измерений. В частности, при расположении на участке набегающего потока имеется достаточно места даже для более сложных выпрямителей потока, а благодаря примыкающему пути потока до участка ультразвуковых измерений также имеется расстояние, достаточное для выравнивания потока. Благодаря предлагаемым гидравлическим условиям для выпрямителя потока существуют достаточные резервы давления.

Область ультразвуковых измерений предпочтительно предусмотрена на участке отходящего потока, в частности на достаточном расстоянии от колена, так что поток при входе в область ультразвуковых измерений стабилизируется воспроизводимым образом. В этом случае еще более предпочтительно, если прямые подучастки участка отходящего потока расположены перед и/или после области ультразвуковых измерений. В этом случае текучая среда к моменту ультразвукового измерения уже может пройти большую часть петли и, следовательно, она в особенности эффективно развязана от помех вверх по потоку от ультразвукового измерительного устройства. Это в еще большей степени относится к тому случаю, когда выпрямитель потока находится на участке набегающего потока. Тем не менее, дополнительно или альтернативно выпрямитель потока можно расположить на участке отходящего потока.

Ультразвуковые преобразователи в области ультразвуковых измерений предпочтительно расположены так, что излученный и принятый ультразвук имеет в поперечном направлении потока по меньшей мере одну составляющую. Таким образом, ультразвуковые преобразователи можно смонтировать сбоку. Исполнение, противоположное такому исполнению с измерением поперек потока, представляют собой такие ультразвуковые преобразователи, которые расположены вдоль потока, например вверху на выходе из колена и внизу на выходе потока. Это решение менее предпочтительно, так как в измерение вовлекаются турбулентные части потока, что ведет к менее точным и менее надежным результатам измерений.

Ультразвуковое измерительное устройство предпочтительно имеет трубчатую основную часть с соединительными участками, в частности с фланцами для трубопровода, которая содержит первый отклоняющий элемент и второй отклоняющий элемент. Эта основная часть совместима со стандартными монтажными длинами, например, турбинных расходомеров или ротационно-поршневых счетчиков; изготавливают основные части с разным номинальным внутренним диаметром и различными соединительными фланцами, необходимыми для того или иного трубопровода. После монтажа основная часть всегда остается в трубопроводе, следовательно, как основную часть корпуса ее можно отделить от измерительной секции как функционально, так и конструктивно. Таким образом, можно изготовить несложную в изготовлении и удобную при сборке измерительную насадку.

Ультразвуковое измерительное устройство предпочтительно имеет по меньшей мере один насадочный модуль, каждый из этих модулей содержит удлинитель для участка набегающего потока и участка отходящего потока и может быть соединен с основной частью или другим насадочным модулем и отсоединен от основной части или другого насадочного модуля, причем замыкающий насадочный модуль содержит колено. Соответственно, в исполнении с минимальным количеством насадочных модулей колено имеется лишь в одном замыкающем насадочном модуле. В замыкающем насадочном модуле могут быть предусмотрены удлинители, смотря по обстоятельствам, лишь обозначенные и очень короткие.

Благодаря насадочным модулям при необходимости над основной частью можно смонтировать дополнительные узлы. Эти дополнительные узлы, например, могут сделать возможным изменение направления потока, дополнительную обработку потока или дополнительные задачи измерений. Габариты ультразвукового измерительного устройства по оси трубы, то есть в основном направлении потока, из-за насадочных модулей не меняются, так как фактическая монтажная длина определяется лишь геометрическими размерами основной части. Поэтому ультразвуковое измерительное устройство можно устанавливать совместимо с ранее установленными газовыми счетчиками. Чтобы заменить насадочные модули, их можно просто снять по направлению вверх, демонтировать основную часть из трубопровода для этого не требуется. Гидравлические условия в ультразвуковом измерительном устройстве в первую очередь определяются петлей в пределах насадочных модулей, таким образом, их можно формировать свободно, вмешиваться в трубопровод для этого не требуется. Модульная конструкция, состоящая из основной части и насадочных модулей, делает возможным гибкое и экономичное изготовление, монтаж, модификацию и техническое обслуживание ультразвукового измерительного устройства.

Ультразвуковое измерительное устройство предпочтительно содержит по меньшей мере один насадочный модуль с областью ультразвуковых измерений, выполненный в виде измерительного модуля, и в частности, также содержит выпрямитель потока. Кроме того, измерительный модуль можно предварительно калибровать вне трубопровода. В этом случае при замене ультразвукового измерительного устройства основная часть остается в трубопроводе, а имеющийся измерительный модуль заменяют предварительно калиброванным измерительным модулем. Таким образом, формирование области ультразвуковых измерений и кондиционирование потока можно варьировать как угодно, независимо от основной части. Измерительный модуль может иметь идентичную конструкцию для любого номинального внутреннего диаметра трубопровода, хотя с другой стороны вполне возможны подгонки. Могут быть предусмотрены дополнительные или альтернативные измерительные модули, например резервный измерительный модуль на время замены, или также различные измерительные модули для других условий давления, других составов текучей среды и т.д.

Ультразвуковое измерительное устройство предпочтительно содержит выполненный в виде байпасного модуля насадочный модуль с поперечной соединительной линией между участком набегающего потока и участком отходящего потока или поперечную соединительную линию, интегрированную в основную часть, причем предусмотрен элемент для переключения потока, который по выбору в одном положении перекрывает поток к поперечной соединительной линии и из поперечной соединительной линии и деблокирует поток к участку набегающего потока и из участка отходящего потока, а в другом положении перекрывает поток к участку набегающего потока и из участка отходящего потока и деблокирует поток к поперечной соединительной линии и из поперечной соединительной линии. При помощи поперечной соединительной линии объемный поток можно перенаправить так, что можно без давления смонтировать и демонтировать другой насадочный модуль, например измерительный модуль. Поток текучей среды, например поток газа к потребителю, при этом не прерывают. Следовательно, дополнительные конструктивные меры на трубопроводе, например запорные устройства, байпасные трубопроводы, устройства для выпуска воздуха и т.д., отпадают, - это ведет к значительному снижению расходов на содержание и эксплуатацию оборудования. Во время работ по техобслуживанию сам трубопровод остается под рабочим давлением. Так как удалять воздух из обслуживаемого участка трубопровода и заполнять его не требуется, время обслуживания сокращается. Кроме того, благодаря тому что основная часть остается в трубопроводе, дорогие испытания на герметичность при повторном вводе участка трубопровода в эксплуатацию не требуются. При этом байпасный трубопровод может быть интегрирован в основную часть. Альтернативно предусмотрен собственный байпасный модуль.

Байпасный модуль выполнен так, что в режиме измерения поток, идущий к остальным модулям и, в частности, к измерительному модулю, воздействию почти не подвергается. Благодаря этому дополнительные меры в этих модулях, чтобы обеспечить их безупречную работу и неискаженное измерение, не требуются. Благодаря модульной конструкции байпасный модуль согласуется с другими насадочными модулями или основной частью. Также возможен дополнительный монтаж байпасного модуля в уже установленные ультразвуковые измерительные устройства.

Элемент для переключения потока предпочтительно выполнен по принципу трехходового крана, в частности, он имеет два шара с двумя Т-образными отверстиями и уплотнениями, которые соединены друг с другом и, таким образом, могут быть переведены вместе из одного положения в другое. Итак, возможно несложное и надежное перенаправление потока в поперечную соединительную линию, например, для замены вышерасположенного насадочного модуля, или назад в общую петлю ультразвукового измерительного устройства, например, при помощи установленного с наружной стороны рычага. Простое управление конструкцией в виде шарового крана никаких глубоких знаний не требует, поэтому замену насадочных модулей может осуществить даже менее обученный с точки зрения техники безопасности персонал. Альтернативно вместо элемента для переключения потока, работающего по принципу трехходового крана, можно применить другие типы клапанов, золотников, заслонок и т.д.

Ультразвуковое измерительное устройство предпочтительно имеет выполненный в виде калибровочного модуля насадочный модуль, имеющий по меньшей мер одну пару ультразвуковых преобразователей для контроля достоверности или калибровки данных измерений в области ультразвуковых измерений. Таким образом, калибровочный модуль служит в качестве опорного модуля для измерительного модуля.

Предлагаемое ультразвуковое измерительное устройство предпочтительно применяют в качестве газового счетчика на газопроводе. В этом случае названные преимущества проявляются в наибольшей степени, что позволяет обеспечить надежное, по существу не зависящее от места эксплуатации измерение, удовлетворяющее требованиям обязательной поверки.

Аналогично можно усовершенствовать и предлагаемый способ, в этом случае он обладает аналогичными преимуществами. Такие предпочтительные признаки описаны в качестве примера, но не ограничительно, в зависимых пунктах формулы изобретения, следующих за независимыми пунктами.

Ниже на основе вариантов осуществления изобретения и со ссылками на прилагаемые чертежи изобретение объясняется для примера и более подробно, в том числе в отношении дополнительных признаков и преимуществ. На чертежах изображено следующее.

Фиг.1а. Трехмерный внешний вид первого варианта осуществления предлагаемого ультразвукового измерительного устройства.

Фиг.1b. Продольный разрез ультразвукового измерительного устройства согласно фиг.1а.

Фиг.1с. Поперечный разрез ультразвукового измерительного устройства согласно фиг.1а, показанный со стороны основной части.

Фиг.1d. Поперечный разрез, аналогичный фиг.1 с, с видом на измерительную секцию с противоположной стороны.

Фиг.1е. Вид в разрезе на ультразвуковое измерительное устройство согласно фиг.1а, поперек основного направления потока текучей среды.

Фиг.2а. Трехмерный внешний вид второго варианта осуществления предлагаемого ультразвукового измерительного устройства с байпасом.

Фиг.2b. Продольный разрез ультразвукового измерительного устройства согласно фиг.2а.

Фиг.2с. Вид в разрезе на ультразвуковое измерительное устройство согласно фиг.2а, поперек основного направления потока текучей среды.

Фиг.3а. Трехмерный внешний вид второго варианта осуществления предлагаемого ультразвукового измерительного устройства с байпасом и опорной измерительной секцией.

Фиг.3b. Продольный разрез ультразвукового измерительного устройства согласно фиг.3а.

Фиг.3с. Вид в разрезе на ультразвуковое измерительное устройство согласно фиг.3а, поперек основного направления потока текучей среды.

Фиг.4а. Трехмерный внешний вид байпасного модуля.

Фиг.4b. Продольный разрез байпасного модуля согласно фиг.4а.

Фиг.5а. Трехмерный внешний вид калибровочного модуля.

Фиг.5b. Продольный разрез калибровочного модуля согласно фиг.5а.

Фиг.6а. Вид в разрезе на основную часть с интегрированной байпасной линией, причем байпасная линия закрыта, а текучая среда течет через измерительную секцию.

Фиг.6b. Вид в разрезе согласно фиг.6а при открытой байпасной линии и измерительной секции без давления.

Фиг.7. Обычное расположение двух ультразвуковых преобразователей поперек направления потока текучей среды (для объяснения принципа измерений).

Фиг.8. Обычное расположение трубопроводов с проводкой резервного трубопровода для перенаправления текучей среды во время замены ультразвукового измерительного устройства.

На фиг.1 в разных видах показан первый вариант осуществления предлагаемого ультразвукового измерительного устройства 10. Фиг.1а представляет собой трехмерный внешний вид, фиг.1b - продольный разрез, фиг.1 с - поперечный разрез с видом сверху на основную часть 12, фиг. Id-поперечный разрез с видом снизу на измерительный модуль 14, а фиг.1е - вид в разрезе поперек основного направления потока, то есть поперек продольной оси основной части 12.

Основная часть 12 имеет фланцевые участки 16, при помощи которых ее монтируют в существующий трубопровод, в котором она заменяет соответствующий участок трубопровода. Альтернативно можно предусмотреть другое крепление, например резьбу. В трубопроводе текучая среда (например, природный газ в газопроводе) течет в его осевом направлении, которое обозначают как основное направление потока. При помощи разъемного соединения 18 на основной части 12 смонтирован измерительный модуль 14. В альтернативном варианте осуществления изобретения основную часть 12 и измерительный модуль 14 можно выполнить как одно целое.

Благодаря ультразвуковому измерительному устройству 10 измерение перемещают с трубопровода на ось, расположенную поперек, в частности перпендикулярно, основному направлению потока. Для этого поток проводят в петле без резких изменений направления и поперечного сечения, как показано на фиг.1а-1е стрелкой и более подробно пояснено ниже.

Поступающая текучая среда в основной части 12 в первом отклоняющем элементе 20 отклоняется от основного направления потока на 90° в поперечном направлении вверх и выходит из основной части 12 через первое отверстие 22. Текучая среда течет по первому прямому подучастку 24, затем в колене 26 она отклоняется на 180° в противоположном направлении, в котором она проходит второй прямой подучасток 28, расположенный параллельно первому подучастку 24. Через второе отверстие 30, расположенное рядом с первым отверстием 22, текучая среда поступает в основную часть 12, где она отклоняющим элементом 32 снова отклоняется на 90° в поперечном направлении вниз и назад к основному направлению потока и, таким образом, переходит из ультразвукового измерительного устройства 10 в трубопровод.

На первом прямом подучастке 24 в измерительном модуле 14 установлен выпрямитель 34 потока. Выпрямитель 34 потока выполнен способом, который сам по себе известен; он предназначен для того, чтобы образовывался и поступал в колено 26 выровненный подводимый поток. Параллельный, строго говоря, встречно-параллельный второй прямой подучасток 28 содержит область ультразвукового измерения 36, в которой две пары сопряженных друг с другом ультразвуковых преобразователей 38 в каждом случае образуют измерительную цепь 40. В принципе достаточна одна пара ультразвуковых преобразователей 38 лишь с одной измерительной цепью 40, но по соображениям стандартизации обычно применяют по меньшей мере две измерительные цепи 40. Вполне возможны дополнительные измерительные цепи 40, чтобы в еще большей степени увеличить точность измерений при остаточных неравномерностях потока. Блок обработки данных (на чертеже не показан), например, выполненный как часть измерительного модуля 14 возле ультразвуковых преобразователей 38 или установленный в наружной стенке измерительного модуля 14, генерирует ультразвук и обрабатывает принятые ультразвуковые сигналы в соответствии с вышеописанным способом, чтобы по разности времени прохождения определить скорость потока текучей среды.

Во всех областях потока избегают резких изменений направления и сужений поперечного сечения. Это, в том числе, касается области колена 26, по которому поток за выпрямителем 34 потока подают в область 36 ультразвукового измерения. Разумеется, внутренней стенке колена 26 предпочтительно придают показанный на чертеже специальный контур 42. Прежде чем контур 42 стенки переходит в колено, он имеет ровный участок и, таким образом, образует небольшой выступ. Это вызывает целенаправленный срыв потока в некритической для ультразвукового измерения области. Благодаря этому предотвращают нежелательный срыв потока внутри или вблизи области 38 ультразвукового измерения и, таким образом, стабилизируют измерение в еще большей степени.

На фиг.2 показан еще один вариант осуществления предлагаемого ультразвукового измерительного устройства 10. Фиг.2а представляет собой трехмерный внешний вид, фиг.2b - продольный разрез, а фиг.2с - разрез поперек основного направления потока. Здесь и ниже одни и те же или соответствующие друг другу признаки обозначены одинаковыми ссылочными знаками.

В варианте согласно фиг.1 измерительный модуль 14 содержит только один насадочный модуль. В отличие от этого вариант осуществления согласно фиг.2 имеет байпасный модуль 44 в виде еще одного насадочного модуля, который можно смонтировать между основной частью 12 и измерительным модулем 14. В отношении гидравлических условий и петли из-за байпасного модуля 44 пока ничего не меняется, так как байпасный модуль 44 содержит удлинители 46, 48 для подводимого потока и отходящего потока. В исходном состоянии байпасный модуль 44 через соединительные элементы 46, 48 герметично соединяет отверстия 22, 30 основной части 12 с прямыми подучастками 24, 28 измерительного модуля 14.

На фиг.4а байпасный модуль 44 изображен в трехмерном виде, на фиг.4b он показан еще раз отдельно в продольном разрезе. Элемент 50, 52 для переключения потока, в каждом случае выполненный в виде шара с Т-образным отверстием, в первом положении образует в прямом канале соединительные элементы 46, 48. В результате поворота шаров элементы 50, 52 для переключения потока, работающие по принципу трехходового шарового крана, переводят во второе положение, в этом случае они вместо этого образуют поперечную соединительную линию. Это видно, например, из фиг.4b, здесь элемент 50 для переключения потока, изображенный слева, был бы повернут на 90° против часовой стрелки, а элемент 52, изображенный справа, - на 90° по часовой стрелке. Если поперечная соединительная линия во втором положении открыта, то канал в петле и, следовательно, в сторону измерительного модуля 14 перекрыт, и текучая среда вместо этого течет по поперечной соединительной линии, служащей в качестве байпаса. Эта ситуация при втором положении показана на фиг.2 с пунктирной стрелкой, в то время как в остальных случаях изображения, включая те, которые обозначены сплошной стрелкой, соответствуют первому положению. Уплотнения, расположенные на шарах элементов 50, 52 для переключения потока, предотвращают выход текучей среды в соответствующий перекрытый канал. Для упрощенного синхронного управления элементами 50, 52 с целью переключения потока предусмотрен рычаг 54 и механическое сцепление 56 обоих элементов 50, 52. На чертеже это сцепление исключительно для примера изображено в виде четырех зубчатых колес, чтобы проиллюстрировать, что сцепление 56 реверсирует направление вращения. Итак, чтобы заменить измерительный модуль 14, достаточно привести в действие рычаг 54 и, таким образом, во втором положении элементов 50, 52 для переключения потока направить поток текучей среды по поперечной соединительной линии. В результате давление с измерительного модуля 14 снимают, и этот модуль можно заменить без проблем, например, установив вместо него предварительно калиброванный сменный измерительный модуль. После замены снова приводят в действие рычаг 54; в результате опять восстанавливают первое положение элементов 50, 52 для переключения потока и опять-таки направляют текучую среду по петле через область 36 ультразвуковых измерений. Поток текучей среды во время замены не должны прерывать ни на одно мгновение.

На фиг.3 показан еще один вариант осуществления предлагаемого ультразвукового измерительного устройства 10. Фиг.3а представляет собой трехмерный внешний вид, фиг.3b - продольный разрез, а фиг.3с - разрез поперек основного направления потока.

В отличие от варианта осуществления согласно фиг.2 в данном случае между байпасным модулем 44 и измерительным модулем 14 установлен дополнительный насадочный модуль, выполненный в виде калибровочного модуля 58. На фиг.5а отдельно дан трехмерный вид калибровочного модуля 58, а на фиг.5b приведен соответствующий продольный разрез.

Калибровочный модуль 58 имеет собственную область 60 ультразвуковых измерений, в которой пара ультразвуковых преобразователей 62 образует измерительную цепь 64. Здесь также возможны дополнительные ультразвуковые преобразователи и, следовательно, дополнительные измерительные цепи. Калибровочный модуль предназначен для выдачи дополнительных данных измерений скорости потока в качестве опорных значений для измерительного модуля 14. Эти данные измерений можно использовать для контроля достоверности результатов измерений или калибровки измерительного модуля 14.

Калибровочный модуль 58 - это лишь один из примеров предпочтительного применения дополнительных насадочных модулей. Например, в еще одном варианте осуществления изобретения между основной частью 12 и байпасным модулем 44 можно смонтировать дополнительный измерительный модуль, выдающий результаты измерений, в то время как поток направляют по поперечной соединительной линии байпасного модуля 44 при втором положении элементов 50, 52 для переключения потока. Благодаря этому данные о скорости потока можно предоставить даже во время замены или технического обслуживания измерительного модуля 14. В еще одном варианте осуществления изобретения обеспечивают различные измерительные модули для разного давления, различных требований к точности, областей измерений или составов измеряемой текучей среды.

На фиг.6 показан альтернативный вариант осуществления байпасной линии. В этом случае байпасная линия предусмотрена не в особом байпасном модуле 44, а в основной части 12. На фиг.6а показана ситуация в режиме измерений. Текучая среда течет через основную часть 12 в измерительный модуль 14 и снова через основную часть 12 назад в трубопровод. Байпасную линию 66 при этом не используют.

На фиг.6b показана альтернативная ситуация во время работ по техническому обслуживанию. Измерительный модуль 14 под давлением не находится, и его можно заменить безопасно, не выключая поток текучей среды. В это время текучая среда течет по байпасной линии 66. Как и в случае байпасного модуля 44, предусмотрены элементы 50, 52 для переключения потока, переключающиеся по принципу трехходового крана между двумя режимами эксплуатации байпасной линии 66.

Данное изобретение относится к ультразвуковому измерительному устройству и способу измерения скорости потока текучей среды. Заявленная группа изобретений включает: ультразвуковое измерительное устройство для измерения скорости потока текучей среды, текущей в трубопроводе в основном направлении потока, применение ультразвукового измерительного устройства в качестве газового счетчика на газопроводе и способ измерения скорости потока текучей среды, текущей в трубопроводе в основном направлении потока, в котором скорость потока определяют по разности времени прохождения ультразвука, излученного и принятого парой ультразвуковых преобразователей по потоку и против потока в области ультразвуковых измерений, при этом для измерения текучую среду отклоняют от основного направления потока и подают в область ультразвуковых измерений. Причем ультразвуковое измерительное устройство имеет область ультразвуковых измерений по меньшей мере с одной парой ультразвуковых преобразователей, блок обработки данных для определения скорости потока по разности времени прохождения ультразвука, излученного и принятого по потоку и против потока, и отклоняющий узел, посредством которого текучая среда может быть отклонена от основного направления потока и подана в область ультразвуковых измерений, при этом отклоняющий узел образует петлю, при этом петля имеет первый отклоняющий элемент, участок набегающего потока, колено, участок отходящего потока и второй отклоняющий элемент, так что текучая среда отклоняется первым отклоняющим элементом от основного направления потока на участок набегающего потока, оттуда через колено на участок отходящего потока и, наконец, через второй отклоняющий элемент назад в основное направление потока, причем ультразвуковые преобразователи в области ультразвуковых измерений расположены так, что излученный и принятый ультразвук имеет по меньшей мере одну составляющую в поперечном направлении потока. Технический результат заключается в обеспечении высокой точности, а также и в то же время в упрощении ультразвукового измерения скорости потока. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Ультразвуковое измерительное устройство (10) для измерения скорости потока текучей среды, текущей в трубопроводе в основном направлении потока, причем ультразвуковое измерительное устройство (10) имеет область (36) ультразвуковых измерений по меньшей мере с одной парой ультразвуковых преобразователей (38), блок обработки данных для определения скорости потока по разности времени прохождения ультразвука, излученного и принятого по потоку и против потока, и отклоняющий узел, посредством которого текучая среда может быть отклонена от основного направления потока и подана в область (36) ультразвуковых измерений,
отличающееся тем, что отклоняющий узел (20, 26, 32) образует петлю, при этом петля имеет первый отклоняющий элемент (20), участок набегающего потока, колено (26), участок отходящего потока и второй отклоняющий элемент (32), так что текучая среда отклоняется первым отклоняющим элементом (20) от основного направления потока на участок набегающего потока (24), оттуда через колено (26) на участок отходящего потока (28) и, наконец, через второй отклоняющий элемент (32) назад в основное направление потока, причем ультразвуковые преобразователи (38) в области (36) ультразвуковых измерений расположены так, что излученный и принятый ультразвук имеет по меньшей мере одну составляющую в поперечном направлении потока.

2. Ультразвуковое измерительное устройство (10) по п. 1, в котором первый отклоняющий элемент (20) и второй отклоняющий элемент (32) образуют прямой угол, а колено (26) - угол 180°.

3. Ультразвуковое измерительное устройство (10) по п. 2, в котором участок набегающего потока и участок отходящего потока в каждом случае предпочтительно имеют подучасток (24, 28), при этом подучастки (24, 28) расположены рядом друг с другом и ориентированы параллельно друг другу, причем, в частности, плоскость, охватывающая оба прямых подучастка (24, 28), расположена перпендикулярно основному направлению потока.

4. Ультразвуковое измерительное устройство (10) по п. 2, в котором петля ровная и без резких изменений направления или сужений, причем, в частности, колено (26) имеет стенку, контур (42) которой обеспечивает целенаправленный срыв потока в некритической для ультразвукового измерения области.

5. Ультразвуковое измерительное устройство (10) по п. 2, в котором на участке набегающего потока и/или на участке отходящего потока предусмотрен выпрямитель (34) потока.

6. Ультразвуковое измерительное устройство (10) по п. 2, в котором область (36) ультразвуковых измерений предусмотрена на участке отходящего потока, в частности на достаточном расстоянии от колена (26), так что поток при входе в область (36) ультразвуковых измерений стабилизируется воспроизводимым образом.

7. Ультразвуковое измерительное устройство (10) по п. 1, имеющее трубчатую основную часть (12) с соединительными участками (16), в частности с фланцами для трубопровода, которая содержит первый отклоняющий элемент (20) и второй отклоняющий элемент (32).

8. Ультразвуковое измерительное устройство (10) по п. 7, имеющее по меньшей мере один насадочный модуль (14, 44, 58), который в каждом случае содержит удлинитель для участка набегающего потока и участка отходящего потока и может быть соединен с основной частью (12) или другим насадочным модулем (14, 44, 58) и отсоединен от основной части (12) или другого насадочного модуля (14, 44, 58), причем замыкающий насадочный модуль (14, 44, 58) содержит колено (26).

9. Ультразвуковое измерительное устройство (10) по п. 8, содержащее по меньшей мере один насадочный модуль с областью (36) ультразвуковых измерений, выполненный в виде измерительного модуля (14).

10. Ультразвуковое измерительное устройство (10) по п. 8, содержащее выполненный в виде байпасного модуля (44) насадочный модуль с поперечной соединительной линией между участком набегающего потока и участком отходящего потока или поперечную соединительную линию, интегрированную в основную часть (12), причем предусмотрен элемент (50, 52) для переключения потока, который по выбору в одном положении перекрывает поток к поперечной соединительной линии и из поперечной соединительной линии и деблокирует поток к участку набегающего потока и из участка отходящего потока, а в другом положении перекрывает поток к участку набегающего потока и из участка отходящего потока и деблокирует поток к поперечной соединительной линии и из поперечной соединительной линии.

11. Ультразвуковое измерительное устройство (10) по п. 10, в котором элемент (50, 52) для переключения потока выполнен по принципу трехходового крана, в частности имеет два шара с двумя Т-образными отверстиями и уплотнениями, которые соединены друг с другом и, таким образом, могут быть переведены вместе из одного положения в другое.

12. Ультразвуковое измерительное устройство (10) по п. 8, имеющее выполненный в виде калибровочного модуля (58) насадочный модуль, имеющий по меньшей мере одну пару ультразвуковых преобразователей (62) для контроля достоверности или калибровки данных измерений в области (36) ультразвуковых измерений.

13. Применение ультразвукового измерительного устройства (10) по п. 1 в качестве газового счетчика на газопроводе.

14. Способ измерения скорости потока текучей среды, текущей в трубопроводе в основном направлении потока, в котором скорость потока определяют по разности времени прохождения ультразвука, излученного и принятого парой ультразвуковых преобразователей (38) по потоку и против потока в области (36) ультразвуковых измерений, при этом для измерения текучую среду отклоняют от основного направления потока и подают в область (36) ультразвуковых измерений, отличающийся тем, что
ультразвуковое измерение выполняют тогда, когда текучую среду отклоняют так, что она течет в петле, при этом петля имеет первый отклоняющий элемент (20), участок набегающего потока, колено (26), участок отходящего потока и второй отклоняющий элемент (32), так что текучая среда отклоняется первым отклоняющим элементом (20) от основного направления потока на участок набегающего потока (24), оттуда через колено (26) на участок отходящего потока (28) и, наконец, через второй отклоняющий элемент (32) назад в основное направление потока, причем ультразвуковые преобразователи (38) в области (36) ультразвуковых измерений расположены так, что излученный и принятый ультразвук имеет по меньшей мере одну составляющую в поперечном направлении потока.