АКУСТИЧЕСКИЙ РАСХОДОМЕР И СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОТОКА В ОБЪЕКТЕ Российский патент 2017 года по МПК G01F1/66 G01N29/24 

Настоящее изобретение относится к способу определения потока или интенсивности расхода среды в проточном для среды электропроводящем объекте, прежде всего в трубах или трубопроводах. Кроме того, изобретение относится к акустическому расходомеру для осуществления такого способа.

Обычные неинвазивные расходомеры должны прочно зажиматься на трубах или трубопроводах, чтобы созданный передающим преобразователем ультразвук мог войти в трубу. Как зажатие прибора, так и последующая эксплуатация не ухудшают транспортировку среды в трубе, в результате чего говорят о неинвазивном измерении потока. Часто дополнительно используют клинообразные акустические соединители, которые располагают между пьезоэлементом и объектом и которые часто вводят выданный передающим преобразователем акустический сигнал с дополнительным использованием связующей среды в стенку трубопровода.

Монтаж и ввод передающих и принимающих преобразователей в эксплуатацию представляет собой критический рабочий шаг, поскольку в зависимости от среды, толщины стены и материала необходимо точно соблюдать определенное расстояние между передающими и принимающими преобразователями для созданных в трубе ультразвуковых волн.

Уже при незначительных отклонениях от оптимального расстояния сигнал явно ухудшается. Кроме того, обычные ультразвуковые расходомеры могут использоваться только в сравнительно узком температурном диапазоне, причем при этом подразумевается температура объекта, предпочтительным образом трубы или трубопровода. Рабочая температура преобразователей должна быть явно ниже их температуры Кюри, которая для множества использованных преобразователей обычно составляет 150-350°,. Одно решение для преодоления этой проблемы описано, например, в DE 4124692 А1, в которой преобразователь выполнен со специальной пьезокерамикой для высокотемпературных вариантов применения. За счет этого можно измерять скорости протекания или интенсивности расхода сред в объектах с температурами до 180°С. Но дополнительно к проблематике температуры могут возникать также критические проблемы по причине напряжений в материале акустического соединителя, которые возникают из-за сильных перепадов температуры. Кроме того, проблематично старение использованной между акустическим соединителем и трубой, обычно гелеобразной соединительной среды. С увеличением возраста соединительной среды снижается качество сигнала созданной в объекте ультразвуковой волны.

В публикации JP 62100615 А описан способ измерения расхода, или потока, среды внутри электропроводящего объекта. Раскрытые в этом источнике преобразователи пригодны для генерирования волн Лэмба.

В публикации DE 3446336 А1 описан электродинамический преобразователь для генерирования ультразвуковых волн, в котором компоновка катушек позволяет избежать нежелательных интерференций между ультразвуковыми волнами, генерируемыми соответствующими катушками.

В публикации DE 19722274 А1 описаны способ и устройство для определения объемного или массового расхода, позволяющие на основании результатов измерений также получать информацию об изменении параметров системы или процесса. При этом используется сигнатура, которой должен описываться соответствующий измерительный сигнал.

Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы выполнить акустический расходомер из уровня техники для большей сферы применения. Кроме того, задача настоящего изобретения заключается в формировании улучшенного способа для акустического измерения расхода.

Задача решена посредством способа согласно п. 1 и формулы изобретения устройства согласно п. 15 формулы изобретения. Преимущественные усовершенствования изобретения приведены в зависящих от них подпунктах и приведенном ниже описании.

В предлагаемом способе определения потока или интенсивности расхода среды в электропроводящих объектах, через которые протекает среда, прежде всего в трубах или трубопроводах с помощью передающего преобразователя в объекте создается по меньшей мере одна ультразвуковая волна. Эта ультразвуковая волна входит в среду на внутренней стороне объекта в виде продольной волны и создает на пространственном расстоянии от места входа ультразвуковой сигнал, который, по меньшей мере, частично возникает за счет продольной волны, принимается принимающим преобразователем и используется для анализа потока или интенсивности расхода, причем передающий преобразователь с отказом от акустического сопряжения с поверхностью объекта создает первое изменение магнитного поля в близкой к поверхности области, прежде всего, металлического объекта, и за счет взаимодействия изменяющегося магнитного поля со статическим или квазистатическим магнитным полем в этой области создается первая ультразвуковая волна. Кроме того, за счет передающего преобразователя дополнительно создается изменяющееся магнитное поле в области объекта, и за счет взаимодействия этого изменяющегося магнитного поля со статическим или квазистатическим магнитным полем в этой области создается другая ультразвуковая волна, которая таким образом накладывается на первую ультразвуковую волну, что амплитуда возникающей в результате волны увеличивается в направлении принимающего преобразователя и уменьшается в направлении от принимающего преобразователя, причем, предпочтительным образом, первое и второе изменяющиеся магнитные поля создаются посредством двух высокочастотных катушек передающего преобразователя. Как передающие, так и принимающие преобразователи расположены вне объекта, и также принимающий преобразователь, предпочтительным образом, не связан акустически с объектом. Под акустическим сопряжением в формуле понимают соединение между передающим и принимающим преобразователем с объектом, которое оптимизировано для того, чтобы передавать звуковые волны, то есть, например, соединение, имеющее воду, жиры, клей и т.п. Просто физическое соединение, которое переносит только очень малую долю звуковой волны (<10% амплитуды), здесь понимать не следует.

За счет использования этого подхода создается явно улучшенный ультразвуковой сигнал как в объекте, так и в среде, поскольку мешающие отражения из части объекта, которая при рассмотрении от принимающего преобразователя расположена за передающим преобразователем, и которые приводят к нежелательным составляющим в принимаемом сигнале, минимизируются или даже полностью пресекаются. В дополнение к снижению мешающих ультразвуковых долей по причине отражений трубы усиливается ультразвуковой сигнал, что по бокам принимающего преобразователя приводит к лучшему приему сигнала и также к повышенной чувствительности и качеству измерения.

Кроме того, по причине улучшенного ультразвукового сигнала можно позволить ему несколько раз отразиться в среде и за счет этого получить по бокам принимающего преобразователя соответствующие многократные сигналы, которые также способствуют улучшению анализа, поскольку на ультразвуковой сигнал с каждым следующим отражением на внутренней стороне объекта дополнительно оказывает влияние скорость среды и тем самым происходит дополнительная анализируемая вариация.

Предпочтительным образом, первая и вторая ультразвуковые волны в направлении от принимающего преобразователя согласовываются друг с другом таким образом, что они отменяют друг друга и тем самым не создают мешающих отражений. Прежде всего, вторая ультразвуковая волна смещается по фазе на 90° и вводится в среду с пространственным смещением на λ/4 относительно первой волны. λ - это длина создаваемой в объекте ультразвуковой волны.

Предлагаемый способ особо преимущественен, если изменяющиеся магнитные поля создаются за счет одной или нескольких токопроводящих дорожек высокочастотных индукционных катушек, причем токопроводящая дорожка(и) проходит по существу по меньшей мере на 90° вдоль периметра выполненного в форме трубы или канала объекта и под углом к его продольной оси. В случае в форме трубы объекта речь идет, предпочтительным образом, о круглом в поперечном сечении объекте. Но речь может идти также о других формах поперечного сечения, прежде всего многоугольных каналах.

За счет прохождения одной или нескольких токопроводящих дорожек по меньшей мере на 90° вдоль периметра объекта звуком пронизывается область примерно в половину свободного поперечного сечения трубы. Еще лучшее измерение потока среды создается при большем покрытии свободного поперечного сечения трубопровода, когда одна или несколько токопроводящих дорожек расположены на 180°, еще более предпочтительным образом по меньшей мере на 350° вокруг периметра трубы. Полная обмотка трубы токопроводящими дорожками (то есть вокруг на 360°) приводит к созданию по всему периметру внутренней стороны объекта входящих в среду звуковых волн. Они закрывают свободное внутреннее поперечное сечение объекта, прежде всего трубы. Кроме того, в направлении периметра не создаются мешающие звуковые волны на или же по причине возможных кромок передающего преобразователя, как они встречаются в обычных передающих преобразователях, которые надеваются на объект с ограничением в направлении периметра и ухудшают отношение сигнал/шум.

Для предотвращения краевых дифракций может быть преимущественно, если противоположные концы или же обходные участки токопроводящих дорожек отчасти накладываются, то есть в направлении периметра поперек продольному прохождению исследуемой трубы имеется наложение, которое меньше используемой длины волны, то есть которое может быть меньше 3-36 мм. В качестве альтернативы, токопроводящие дорожки или имеющая токопроводящие дорожки плоская лента может быть снята на противоположных, но примыкающих друг к другу концах исследуемой стены трубы и отгибаться от нее, а также при необходимости примыкать друг к другу при вертикальном прохождении. Прохождение токопроводящих дорожек вокруг преимущественно круглой трубы в этом случае примерно круглой формы с небольшим острием с одной стороны.

При этом следует учитывать, что трубы трубопроводов, которые должны быть круглыми, могут иметь незначительные отклонения от идеального, круглого поперечного сечения.

Преимущественно, изобретение также подходит для таких незначительных овальных поперечных сечений труб.

Расположение токопроводящих дорожек, за исключением необходимых для образования катушки обходных участков, имеет угол к продольной оси объекта. Прежде всего, расположение может проходить точно поперек, то есть под 90° относительно продольной оси объекта.

В плоскости поперечного сечения через токопроводящие дорожки и поперек продольной оси объекта тем самым токопроводящие дорожки высокочастотных индукционных катушек передающего преобразователя также могут быть выполнены изогнутыми, то есть в соответствии прохождению внешней поверхности объекта.

Согласно уже описанному выше и описываемому дальше ниже поставленная вначале задача также решена за счет акустического расходомера для неинвазивного определения потока или интенсивности расхода, причем расходомер выполнен для выполнения описанного выше или же ниже способа. Согласно изобретению акустический расходомер имеет передающий преобразователь для создания по меньшей мере одной ультразвуковой волны в объекте, которая входит в среду на обращенной к среде внутренней стороне объекта в виде продольной волны. Кроме того, расходомер имеет принимающий преобразователь для обнаружения ультразвукового сигнала в объекте, причем ультразвуковой сигнал, по меньшей мере, частично возникает за счет продольной волны и при этом передающий преобразователь с отказом от акустического сопряжения с поверхностью объекта имеет для создания двух изменяющихся магнитных полей в близкой к поверхности области, прежде всего, металлического объекта две высокочастотные катушки. Эти высокочастотные катушки, при рассмотрении поперек продольного направления объекта, расположены соответственно со смещением относительно друг друга и создают соответственно изменяющееся магнитное поле, которое вместе со статическим или квазистатическим магнитным полем, которое создается расходомером, создает в близкой к поверхности области ультразвуковую волну. Обе созданные таким образом ультразвуковые волны накладываются для создания желаемой направленной ультразвуковой волны. Акустическое сопряжение предлагаемого расходомера с объектом, например трубопроводом или трубой, не требуется. Передающий и принимающий преобразователи акустического расходомера могут быть расположены на расстоянии от объекта, причем снова можно отказаться от предписанного акустического сопряжения. Наряду с измерениями в диапазонах выше 180°С, также можно измерить проток через объекты с покрытием, например покрытые цементом или пластиком трубопроводы. При этом действует только условие, что покрытие проницаемо для электромагнитных полей. Одновременно за счет двух сопряженных ультразвуковых волн созданы условия, что ультразвуковые волны на обращенной от принимающего преобразователя стороне передающего преобразователя в объекте не распространяются дальше, или же распространяются только минимально и тем самым не создаются или создаются только очень незначительные мешающие отражения, которые могут ухудшить измерительный сигнал.

Хотя передающий преобразователь предлагаемого расходомера также может находиться в физическом контакте с объектом, достаточно, если он может быть точно размещен рядом с объектом протекания. Удаление до объекта может составлять, например, до 2 см. За счет использования подходящих материалов, которые переносят соответственно высокие температуры, также можно без проблем измерять особо горячие трубы

За счет использования высокочастотных индукционных катушек в близкой к поверхности области объекта создают переменное магнитное поле. Часть созданного одной или несколькими высокочастотными индукционными катушками первого высокочастотного магнитного поля проникает в объект и индуцирует вихревые токи или же приводит к магнитострикции. По причине взаимодействия этих вихревых токов и сил Лоренца или же магнитострикции со статическим или квазистатическим магнитным полем / в статическом или квазистатическом магнитном поле создается первая ультразвуковая волна. Тем же самым способом в объекте создают другую, вторую, ультразвуковую волну, которая накладывается с ослаблением в одном направлении на первую ультразвуковую волну и с усилением в другом направлении к принимающему преобразователю.

Под квазистатическим магнитным полем понимают магнитное поле, которое можно рассматривать в расчетах как статическое относительно высокочастотного магнитного поля передающего преобразователя. Прежде всего, изменяется квазистатическое магнитное поле с частотой <200 Гц, предпочтительным образом <10 Гц, поэтому также созданные электромагнитно магнитные поля можно рассматривать как статическое магнитное поле. Прежде всего, речь идет о созданном постоянными магнитами магнитном поле. В случае высокочастотного магнитного поля речь идет, прежде всего, об осциллирующем магнитном поле. Кроме того, наряду с тем преимуществом, что можно измерять через имеющееся покрытие трубы и в широком температурном диапазоне, устройство по причине отсутствующих сопряженных сред подвержено незначительным явлениям старения. Часто заменяемая в известном уровне техники сопряженная среда не требуется.

Предлагаемый расходомер в данном случае описывается со ссылкой на объект, на котором или рядом с которым он расположен.

Но такой, выполненный, например, в виде трубы объект не является предметом изобретения, более того, предлагаемый предмет в этом случае выполнен для эксплуатации на такой трубе.

В целях корректировки сигнала частоту, с которой могут эксплуатироваться преобразователь или же индукционные катушки, преимущественно можно изменять автоматически. За счет изменяемости или корректировки высоких частот, с которыми следует эксплуатировать катушки преобразующего преобразователя, можно оптимально направить как созданную в объекте ультразвуковую волну, так и созданную в среде продольную волну на принимающий преобразователь. За счет этого можно электронным образом компенсировать допуски в расстоянии передающего преобразователя от принимающего преобразователя или же неточные позиционирования, которые из уровня техники необходимо трудоемко дополнительно регулировать вручную. Это следует из использованной для расчета преобразователей угловой зависимости созданных поперечных волн, прежде всего Bulk-Shear волн (объемных поперечных волн) использованной частоты. Также отклонения распространения волны по причине изменений давления в трубе или же изменений температуры можно компенсировать таким образом.

В отличие от уровня техники точность измерения и возможность корректировки системы явно улучшена, прежде всего на основании явно улучшенного ультразвукового сигнала, который следует из наложения двух отдельно введенных ультразвуковых волн. Высокие частоты, с которыми можно эксплуатировать передающий преобразователь, тем самым могут изменяться таким образом для оптимизации принятого сигнала, что индуцированная в среде продольная волна проводится оптимизировано в направлении принимающего преобразователя.

В то время как обе высокочастотные катушки могут быть выполнены из одной идентичной токопроводящей дорожки, которая в коммутационном отношении может быть разделена посредством различных переключателей на несколько катушек, с точки зрения изготовления и коммутационной техники проще выполнить первую и вторую катушки из двух различных токопроводящих дорожек передающего преобразователя. При этом каждая токопроводящая дорожка может быть снабжена собственной передающей электроникой, в качестве альтернативы общий контроллер может управлять электроникой для обеих токопроводящих дорожек. Вместо передающего или принимающего преобразователя с двумя катушками, в качестве альтернативы, также могут эксплуатироваться два передающих или же принимающих преобразователя.

Передающий преобразователь с его двумя токопроводящими дорожками, предпочтительным образом, предназначен для создания объемных волн (Bulk Waves), прежде всего объемных поперечных волн (Shear-Bulk Waves), или для создания направленных волн (guided waves), прежде всего волн Лэмба n-го порядка, где n - целое число и n>0.

При создании волн Лэмба n-го порядка достигают особо равномерного пронизывания среды. Использование нулевых или более высоких мод, прежде всего мод порядка n=0,1 или 2, подходящими, прежде всего, для измерения расхода водянистых, маслосодержащих и газообразных сред показали себя подходящими и для явного формирования продольных волн. За счет корректировки частоты преобразователя можно отрегулировать желаемые оптимальные моды. Для небольших, прежде всего, выполненных в форме трубы объектов с диаметром, предпочтительным образом, менее 5 см преобразователь или преобразователи могут быть целенаправленно предназначены для создания направленных волн в форме поперечных упругих волн (flexural waves).

Под расчетом преобразователей понимают, прежде всего, их регулируемую частоту и расположение статического (или квазистатического) магнитного поля и расположение токопроводящей дорожки или дорожек. Регулировка высокой частоты преобразователей для создания волн Лэмба или поперечных волн выполняется, прежде всего, в зависимости от толщины стены объекта, в которой должна создаваться ультразвуковая волна.

Наряду с передающим и принимающим преобразователями, акустический расходомер имеет, прежде всего, устройство для намагничивания объекта, как описано выше, электронику для возбуждения и принимающую электронику, включая анализатор сигналов.

Чтобы организовать ввод ультразвуковой волны с меньшими помехами, себя показало преимущественным, если первая или вторая или также обе ультразвуковые волны создаются за счет по меньшей мере одной высокочастотной катушки, обмотка катушки которой в центре катушки численно увеличена. За счет этой аподизации улучшается чистота длины волны, то есть длины волн можно определить точнее. Под многократной обмоткой при этом понимают плотно прилегающие друг к другу, но изолированные со стороны периметра друг от друга участки токопроводящих дорожек, которые имеют примерно одинаковое расстояние до следующего, находящегося на расстоянии участка токопроводящей дорожки.

Дополнительно или также в качестве альтернативы, сигнал передающего преобразователя можно модулировать посредством вырезающей функции, при которой в простом случае речь может идти о функции Гаусса. За счет этого можно лучше определить частоту созданной ультразвуковой волны, в результате чего, так же как и при аподизации, обе созданные передающим преобразователем ультразвуковые волны могут быть представлены точнее, и возникает лучше определяемое наложение этих обеих волн в желаемую ультразвуковую волну.

В соответствии с изобретением передающий и принимающий преобразователи находятся на таком расстоянии друг от друга, что ультразвуковой сигнал в принимающем преобразователе складывается из многократных проходов в среде. При этом расстояния передающего и принимающего преобразователей находятся, прежде всего, в диапазоне <1,50 м.

Ввод ультразвуковой волны в объект происходит отчасти еще при пространственном смещении (в продольном направлении объекта) между передающим преобразователем и переходом в среду. Это может приводить к целенаправленным многократным проходам через среду. Возникающий в результате этого принимаемый сигнал может обеспечивать возможность более точных измерений. Компоновку устройства следует выбирать согласно тому, что передающий и принимающий преобразователи находятся на достаточном расстоянии друг от друга. В качестве альтернативы или дополнительно, может быть преимущественным, что пару передающего и принимающего преобразователей, с одной стороны, и другую пару передающего и принимающего преобразователей располагают на расстоянии от первой пары на объекте, и измерение выполняют как в направлении потока среды, так и в противоположном направлении. За счет этого можно исключить в анализе возникающие, прежде всего, по причине неизвестно длинных участков ввода в среду неизвестные.

Предпочтительным образом, ультразвуковой сигнал принимают две высокочастотные индукционные катушки принимающего преобразователя, принимаемые сигналы которых накладывают для анализа. В результате этого возникает принимаемый сигнал в форме волнового пакета, который, предпочтительным образом, можно демодулировать с помощью передающей частоты.

При осуществлении предлагаемого расходомера преимущественно, если имеющие одинаковое направление потока части токопроводящих дорожек высокочастотной катушки, которые должны проходить по существу вдоль периметра и поперек продольной оси объекта, имеют постоянное расстояние в А, причем А соответствует длиной волны созданной ультразвуковой волны в объекте. В этом рассмотрении обходы частей соответствующих токопроводящих дорожек, которые также должны проходить в продольном направлении, не рассматриваются. Но при этих обходах преимущественно, что они выполнены не с острыми краями, чтобы избежать мешающих воздействий на объект.

Чтобы обеспечить возможность хорошей интерференции двух созданных передающим преобразователем ультразвуковых волн, расходомер имеет соответственно одну токопроводящую дорожку на одну высокочастотную катушку, причем соединенные обходом части первой токопроводящей дорожки имеют соответственно от соседней части второй токопроводящей дорожки постоянное расстояние в λ/4, причем λ соответствует длиной волны созданной ультразвуковой волны.

Простая синхронизация передающего и принимающего преобразователей и соответствующие преимущества анализа возникают в том случае, если передающий и принимающий преобразователи соединены друг с другом посредством одного и того же таймера.

Как уже описано выше, по меньшей мере две токопроводящие дорожки передающего или принимающего преобразователя изогнуты и выполнены для прилегания к трубе и/или обматывания трубы.

При этом токопроводящие дорожки выполнены, прежде всего, изогнутыми таким образом, что простираются по существу по меньшей мере на 90° вдоль периметра выполненного в форме трубы объекта и под углом к его продольной оси. Поперечное сечение может быть круглым, но также и угловым.

Другие преимущества и детали изобретения можно найти в следующем описании чертежей.

На схематически изображенных чертежах показаны:

Фиг. 1 изображение расходомера из уровня техники в разрезе,

Фиг. 2 часть предлагаемого предмета в виде согласно фиг. 1,

Фиг. 3 использование предлагаемого предмета в объекте с покрытием,

Фиг. 4 принципиальная схема согласно изобретению,

Фиг. 5 рисунок с принимаемыми сигналами одной компоновки согласно фиг. 4,

Фиг. 6 другой вариант осуществления изобретения,

Фиг. 7 рисунок с принимаемыми сигналами одной компоновки согласно фиг. 6,

Фиг. 8 пример обмотки передающего преобразователя предлагаемого предмета,

Фиг. 9 предлагаемый предмет в принципиальном изображении.

Одинаково или аналогично действующие детали снабжены идентичными ссылочными знаками, если это необходимо. Отдельные технические признаки описанных ниже примеров осуществления могут также с признаками вышеописанных примеров осуществления приводить к усовершенствованиям согласно изобретению.

На фиг. 1 показана одна известная из уровня техники компоновка для измерения потока F среды, прежде всего газа или жидкости, в показанной в разрезе трубе 1. Пьезоэлектрический ультразвуковой преобразователь 2 может действовать как пьезоэлектрический ультразвуковой преобразователь 3, как передающий и в качестве принимающего преобразователя. Исходя из, например, передающего преобразователя 2 в стенку 6 трубы объекта вводится ультразвуковой сигнал посредством клиновидного акустического соединителя 4 под углом ϕ1 (при измерении относительно вертикали 5 к поверхности трубы). При предположении, что ультразвуковая волна в стенке 6 трубы распространяется в форме лучей, волна попадает на внутреннюю сторону 7 трубы и входит там под углом ϕ3 в среду. В ней введенная в продольную волну 8 звуковая волна изменяется за счет потока среды и попадает на нижнюю на фигуре внутреннюю сторону стенки трубы. В отношении направления периметра внутренней стенки трубы речь идет о противоположной месту входа стороне внутренней стенки трубы, которая по причине направленной в направлении F составляющей доли вектора волны имеет аксиальное смещение. На этой нижней стороне опять же происходит ввод в стенку 6 трубы вплоть до дальнейшего акустического соединителя 9. Через него ультразвуковой сигнал, на который повлияла среда, попадает к действующему в этом случае в качестве принимающего преобразователя преобразователю 3. В другом операционном режиме принимающий преобразователь 3 в этом случае на следующем шаге работает в качестве передающего преобразователя и излучает ультразвуковую волну через средство 9 сопряжения в направлении теперь действующего в качестве принимающего преобразователя преобразователя 2. В этой компоновке для функционирующей конструкции важно расстояние L между переходами ультразвукового сигнала между средством 4 сопряжения или же средством 9 сопряжения и стенкой 6 трубы. Незначительные отклонения на расстоянии обоих акустических соединителей друг от друга приводят к ослаблению или полной потере сигнала и таким образом к худшему результату или даже отсутствию результатов измерения.

На фиг. 2 показан предлагаемый акустический расходомер (в частях), который, наряду с первым, действующим в качестве передающего преобразователя преобразователем 11, показывает другой действующий в качестве принимающего преобразователя преобразователь 12. Как предполагают ультразвуковые волны 8 и 8'' и изображенные другими стрелками в стенке трубы ультразвуковые волны, в этом примере осуществления, с одной стороны, передающий преобразователь 11 может дополнительно действовать в качестве принимающего преобразователя, а с другой стороны, принимающий преобразователь 12 - дополнительно в качестве передающего преобразователя. В случае обоих преобразователей, которые описываются подробнее, например, на фиг. 4, показаны только в качестве примера входящие в плоскость фигуры и выходящие из нее токопроводящие дорожки. Оба преобразователя 11 и 12 включают в себя соответственно две высокочастотные индукционные катушки и дополнительные не показанные детали, например, такие как силовая электроника для создания необходимой силы тока. Обе высокочастотные индукционные катушки преобразователей могут индуцировать в близкой к внешней поверхности 13 области стенки 6 трубы вихревые токи. Они взаимодействуют с созданным в данном примере осуществления согласно фиг. 2 двумя аналогичным полюсным наконечникам постоянными магнитами 14 и 15 в стенке 6 трубы, статичным магнитным полем. За счет взаимодействия в стенке 6 трубы возникают направленные ультразвуковые волны. Одна такая ультразвуковая волна 16 образована, например, как объемная поперечная волна и входит к текущую в направлении потока F среду. На противоположной стороне внутренней стенки трубы продольная волна снова входит во внутреннюю стенку трубы и может быть обнаружена там действующей в этом случае в качестве принимающего преобразователя высокочастотной индукционной катушкой 12. Устройство может эксплуатироваться с различными компоновками для преобразователей 11 и 12, а также с различными компоновками в отношении магнитов 14 и 15.

Как уже показано на фиг. 2, необходимо использование соединительной среды. За счет этого упрощается установка преобразователей рядом с трубой или также на трубе. За счет возможного расстояния между или использования теплоизолирующих слоев между передающим и принимающим преобразователем и трубой 6 можно выполнять измерение также на очень горячих трубах.

Схематическое изображение измерительной конструкции для снабженной покрытием 17 трубы показано на фиг. 3. Покрытие для создания ультразвуковой волны в трубе 6 удалять не требуется, как это необходимо из уровня техники. За счет этого измерение потока через трубы с покрытием может выполняться упрощенно.

Предлагаемый расходомер согласно фиг. 4 имеет передающий преобразователь 11 с двумя высокочастотными индукционными катушками 18 и 19, которые расположены друг за другом в продольном направлении потока F, которое одновременно соответствует продольному направлению трубы 6. При рассмотрении на фиг. 4 поперек продольного направления трубы расстояние находящихся друг рядом с другом участков токопроводящих дорожек высокочастотных катушек 18 и 19 λ/4, причем λ является длиной волны индуцированной в стенку трубы звуковой волны. Высокочастотные индукционные катушки 18 и 19 индуцируют переменные поля в близком к поверхности слое стенки трубы, которые приводят к образованию звуковых волн, смещенных пространственно на λ/4 и во времени на 90° по фазе. За счет этого против направления F среды и от высокочастотных катушек или же высокочастотных индукционных катушек 18 и 19 возникает отрицательная интерференция, то есть затухание звуковых волн, в то время как в направлении F потока и исходя от высокочастотных индукционных катушек за счет конструктивной интерференции возникает усиленная амплитуда звуковой волны в стенке трубы. Соответственно введенная в среду продольная волна 8 усилена по своей амплитуде.

В схематическом изображении согласно фиг. 4 токопроводящая дорожка, кроме образующих обходы коротких участков в направлении потока F, выполнена по существу поперек продольного направления трубы. При этом токопроводящие дорожки полностью обмотаны вокруг трубы, то есть внешняя стенка трубы полностью покрыта на 360° вокруг периметра. За счет этого возникает оптимальное образование возникающего внутри трубы звуковыделения.

По бокам принимающего преобразователя 12 также расположены две высокочастотные индукционные катушки 20 и 21, которые сначала обнаруживают как проходящие в стенке трубы звуковые волны 22 и ультразвуковой сигнал по причине снова введенной в стенку трубы продольной волны 8, на которую повлияла среда, так и отраженные ультразвуковые волны, которые проходят при рассмотрении от передающего преобразователя 11 за принимающим преобразователем 12. Например, эти волны 23 являются отражениями по причине проходящих в стенке волны волн у сварных швов 10. Токопроводящие дорожки этого направления тока высокочастотных индукционных катушек имеют расстояние А (сравн. фиг. 2, 4 и 8).

Для элиминирования этих нежелательных сигналов 23 принимаемые сигналы катушек 21 и 20 опять же суммируются со смещением по фазе, в результате чего возникает показанный на фиг. 5 сигнал амплитуды. Там по времени Т нанесена амплитуда сигнала. Из нее можно привлечь к анализу интенсивности потока сигнал в области 24, в который повлияли продольная волна 8 и соответственно среда.

Альтернативная конструкция с незначительно иной компоновкой показана на фиг. 6. Там передающие и принимающие катушки находятся на таком расстоянии друг от друга, что продольная волна 8, по меньшей мере, частично может быть многократно отражена внутри трубы и тем самым возникают результирующие ультразвуковые сигналы 25, 26, 27 и 28. Их опять же принимают обе токопроводящие дорожки 20 и 21 принимающего преобразователя 12. Именно за счет предлагаемого исполнения передающего преобразователя и возникающей в результате этого, особо сильно выраженной продольной волны возможен разумный и снабженный приемлемым отношением сигнал/шум анализ.

Следующие из обеих верхних кривых согласно фиг. 7 и еще имеющие помехи из-за отражений принимаемые сигналы, которые также как на фиг. 5, но в другой форме принимаются токопроводящими дорожками 20 и 21, опять же суммируются со смещением по фазе, в результате чего возникает показанный на фиг. 7 внизу волновой сигнал. Из расстояний между отдельными областями 24 сигналов опять же можно рассчитать влияние одного участка ввода между созданием полей вихревых токов и вводом в среду.

Тот же эффект можно достичь посредством компоновки, в которой пары передающих и принимающих преобразователей расположены в первой области периметра трубы, а на расстоянии от него расположена другая пара передающего и принимающего преобразователей, например вниз по потоку. Здесь затем можно выделять звук в обоих направлениях, один раз по потоку и один раз против потока в трубе или же в трубу, в результате чего при дифференциальном рассмотрении возможные влияния полей исчезают (фиг. 9.).

Пример дополнительно улучшенной формы осуществления передающего преобразователя показан на фиг. 8. Там (не в соответствии масштабу) показана обмотка токопроводящей дорожки катушки, которая в ее средней области имеет многократные обмотки, а по направлению к внешним концам только одинарную обмотку. Части 34 токопроводящих дорожек в области многократной обмотки в центре расположены плотно друг к другу, предпочтительным образом друг на друге. Если в центре катушки возникающая в сумме часть катушки образуется тремя участками 34 токопроводящих дорожек, то к краям имеется только двойная обмотка и, наконец, одинарная обмотка. За счет этих высокочастотных индукционных катушек также достигаются лучшие результаты измерений. При этом U обозначает направление периметра вокруг периметра трубы поперек ее продольному направлению или же направлению F потока.

На фиг. 9 показана принципиальная схема предлагаемого расходомера, при котором в продольном направлении F на расстоянии друг от друга попарно расположены передающий и принимающий преобразователи 11 и 12. Так, правый на фиг. 9 принимающий преобразователь 12 выполнен для приема от левого на фиг. 9 передающего преобразователя 11, в то время как левый принимающий преобразователь 12 выполнен для приема созданного правым на фиг. 9 передающим преобразователем 11 сигнала. Согласно изобретению как оба передающих преобразователя 11, так и оба принимающих преобразователя 12 выполнены с соответственно двумя смещенными в направлении F и тем самым расположенными со смещением поперек продольному направлению трубы токопроводящими дорожками. Для создания необходимой силы тока каждый передающий преобразователь имеет соответственно одну, соотнесенную соответственно с одной токопроводящей дорожкой передающую электронику 29. Ими управляет контроллер 30. В свою очередь, с каждой токопроводящей дорожкой принимающего преобразователя 12 соотнесен предусилитель 21, который проводит соответствующие сигналы токопроводящих дорожек к хранилищу 32 данных. Для точного анализа оно посредством тактовых и триггерных соединений синхронизировано с контроллером 30 и направляет данные дальше на собственно блок 33 вычислительного устройства, в котором выполняется анализ данных, вывод и хранение.

Изобретение относится способу определения потока или интенсивности расхода среды в проточном для среды электропроводящем объекте и к устройству для осуществления способа. Способ определения потока или интенсивности расхода среды в проточном для среды электропроводящем объекте, прежде всего в трубе (1) или трубопроводе, причем в объекте с помощью передающего преобразователя (11) создают по меньшей мере одну ультразвуковую волну (16), которая входит в среду на внутренней стороне объекта в виде продольной волны (8) и создает на пространственном расстоянии от места входа ультразвуковой сигнал, который по меньшей мере частично возникает за счет продольной волны (8), принимается принимающим преобразователем (12) и используется для анализа потока или интенсивности расхода, причем передающий преобразователь (11), предпочтительным образом, с отказом от акустического сопряжения с поверхностью объекта создает первое изменяющееся магнитное поле в близкой к поверхности области, прежде всего, металлического объекта, и за счет взаимодействия изменяющегося магнитного поля со статическим или квазистатическим магнитным полем в этой области создается первая ультразвуковая волна, и передающий преобразователь (11) дополнительно создает другое изменяющееся магнитное поле в области объекта, и за счет взаимодействия изменяющегося магнитного поля со статическим или квазистатическим магнитным полем в этой области создается другая ультразвуковая волна, которая таким образом накладывается на первую ультразвуковую волну, что амплитуда возникающей в результате волны увеличивается в направлении принимающего преобразователя (12) и уменьшается в направлении от принимающего преобразователя (12), причем, предпочтительным образом, первое и второе изменяющиеся магнитные поля создают посредством двух высокочастотных катушек (18, 19) передающего преобразователя (11). причем передающий и принимающий преобразователи (11, 12) находятся на таком расстоянии друг от друга, что ультразвуковой сигнал в принимающем преобразователе (12) складывается из многократных проходов в среде. Технический результат – улучшение точности измерения и возможности корректировки системы. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Способ определения потока или интенсивности расхода среды в проточном для среды электропроводящем объекте, прежде всего в трубе (1) или трубопроводе, причем в объекте с помощью передающего преобразователя (11) создают по меньшей мере одну ультразвуковую волну (16), которая входит в среду на внутренней стороне объекта в виде продольной волны (8) и создает на пространственном расстоянии от места входа ультразвуковой сигнал, который по меньшей мере частично возникает за счет продольной волны (8), принимается принимающим преобразователем (12) и используется для анализа потока или интенсивности расхода, причем передающий преобразователь (11), предпочтительным образом, с отказом от акустического сопряжения с поверхностью объекта создает первое изменяющееся магнитное поле в близкой к поверхности области, прежде всего, металлического объекта, и за счет взаимодействия изменяющегося магнитного поля со статическим или квазистатическим магнитным полем в этой области создается первая ультразвуковая волна, отличающийся тем, что передающий преобразователь (11) дополнительно создает другое изменяющееся магнитное поле в области объекта, и за счет взаимодействия изменяющегося магнитного поля со статическим или квазистатическим магнитным полем в этой области создается другая ультразвуковая волна, которая таким образом накладывается на первую ультразвуковую волну, что амплитуда возникающей в результате волны увеличивается в направлении принимающего преобразователя (12) и уменьшается в направлении от принимающего преобразователя (12), причем, предпочтительным образом, первое и второе изменяющиеся магнитные поля создают посредством двух высокочастотных катушек (18, 19) передающего преобразователя (11), причем передающий и принимающий преобразователи (11, 12) находятся на таком расстоянии друг от друга, что ультразвуковой сигнал в принимающем преобразователе (12) складывается из многократных проходов в среде.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что первая и вторая ультразвуковые волны взаимно уничтожаются в направлении от принимающего преобразователя (12).

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что вторую ультразвуковую волну создают в объекте со смещением по фазе на 90° и пространственным смещением на λ/4 относительно первой ультразвуковой волны, причем λ соответствует длине волны созданной ультразвуковой волны в объекте.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что изменяющиеся магнитные поля создают за счет одной или нескольких токопроводящих дорожек высокочастотных индукционных катушек (18, 19), причем токопроводящие дорожки простираются по меньшей мере на 90° вдоль периметра выполненного в форме трубы объекта и под углом к его продольной оси.

5. Способ по п. 2, отличающийся тем, что изменяющиеся магнитные поля создают за счет одной или нескольких токопроводящих дорожек высокочастотных индукционных катушек (18, 19), причем токопроводящие дорожки простираются по меньшей мере на 90° вдоль периметра выполненного в форме трубы объекта и под углом к его продольной оси.

6. Способ по п. 4, отличающийся тем, что первую и вторую высокочастотные индукционные катушки (18, 19) образуют двумя различными токопроводящими дорожками передающего преобразователя (11).

7. Способ по п. 5, отличающийся тем, что первую и вторую высокочастотные индукционные катушки (18, 19) образуют двумя различными токопроводящими дорожками передающего преобразователя (11).

8. Способ по одному из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что передающий преобразователь (11) предназначен для создания объемных волн, прежде всего объемных поперечных волн, или для создания направленных волн, прежде всего волн Лэмба n-го порядка, где n - целое число, большее или равное 0.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что первую или вторую ультразвуковые волны создают посредством по меньшей мере одной высокочастотной индукционной катушки, обмотка катушки которой в центре катушки численно увеличена.

10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сигнал передающего преобразователя (11) модулируют посредством вырезающей функции.

11. Способ по п. 1, отличающийся тем, что пару передающего и принимающего преобразователей, с одной стороны, и другую пару передающего и принимающего преобразователей, с другой стороны, располагают на объекте, и измерение выполняют как в направлении потока, так и в противоположном направлении, причем обе пары расположены на объекте на расстоянии друг от друга.

12. Способ по п. 1, отличающийся тем, что ультразвуковой сигнал принимают двумя высокочастотными индукционными катушками (20, 21) принимающего преобразователя, принимаемые сигналы которых накладывают для анализа.

13. Способ по п. 8, отличающийся тем, что ультразвуковой сигнал принимают двумя высокочастотными индукционными катушками (20, 21) принимающего преобразователя, принимаемые сигналы которых накладывают для анализа.

14. Способ по п. 1, отличающийся тем, что ультразвуковой сигнал принимают двумя высокочастотными индукционными катушками (20, 21) принимающего преобразователя, принимаемые сигналы которых накладывают для анализа.

15. Акустический расходомер для неинвазивного определения потока или интенсивности расхода среды в проточном для среды электропроводящем объекте, прежде всего в трубе (1) или трубопроводе, и для осуществления способа по одному из предшествующих пунктов, с передающим преобразователем (11) для создания в объекте по меньшей мере одной ультразвуковой волны (16), которая входит в среду на обращенной к среде внутренней стороне объекта в виде продольной волны (8), и с принимающим преобразователем (12) для обнаружения ультразвукового сигнала в объекте, причем ультразвуковой сигнал по меньшей мере частично возникает за счет продольной волны (8), причем передающий преобразователь (11), прежде всего, с отказом от акустического сопряжения с поверхностью объекта для создания двух изменяющихся магнитных полей в близкой к поверхности области, прежде всего, металлического объекта имеет две высокочастотные катушки (18, 19), которые, при рассмотрении поперек продольного направления объекта, расположены с пространственным смещением относительно друг друга, и за счет взаимодействия их изменяющихся магнитных полей со статическим или квазистатическим магнитным полем в этой области могут создать две ультразвуковые волны, причем ультразвуковые волны могут накладываться друг на друга в объекте таким образом, что амплитуда возникающей в результате волны увеличена в направлении принимающего преобразователя (12) и уменьшена в направлении от принимающего преобразователя (12), причем передающий и принимающий преобразователи (11, 12) находятся на таком расстоянии друг от друга, что ультразвуковой сигнал в принимающем преобразователе (12) складывается из многократных проходов в среде.

16. Расходомер по п. 15, отличающийся тем, что принимающий преобразователь (12), при рассмотрении поперек продольного направления объекта, образует две высокочастотные катушки (20, 21), которые расположены с пространственным смещением относительно друг друга.

17. Расходомер по п. 16, отличающийся тем, что передающий или принимающий преобразователь для образования двух высокочастотных катушек имеет две токопроводящие дорожки, причем соединенные обходами части (34) первой токопроводящей дорожки имеют соответственно постоянное расстояние в λ/4 от соседней части второй токопроводящей дорожки, причем λ/4 является длиной волны ультразвуковой волны (16) в объекте.

18. Расходомер по п. 15, отличающийся тем, что имеющие одинаковое направление тока части (34) одной токопроводящей дорожки имеют расстояние λ, причем λ является длиной волны индуцированной в объекте ультразвуковой волны (16).

19. Расходомер по п. 17, отличающийся тем, что передающий или принимающий преобразователь имеет токопроводящую дорожку, которая, при рассмотрении поперек продольного направления объекта, имеет в центре многократные обмотки.

20. Расходомер по п. 15, отличающийся тем, что передающий или принимающий преобразователь соединены друг с другом посредством одного и того же таймера.

21. Расходомер по одному из пп. 15-20, отличающийся тем, что по меньшей мере две токопроводящие дорожки передающего или принимающего преобразователя изогнуты и выполнены для прилегания к трубе (1) и/или для обматывания трубы (1).

22. Расходомер по п. 21, отличающийся тем, что токопроводящие дорожки выполнены изогнутыми таким образом, что простираются по существу по меньшей мере на 90° вдоль периметра, прежде всего, выполненного в форме трубы объекта и под углом к его продольной оси.