МИНИРУПОРНАЯ РЕШЕТКА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО РАСХОДОМЕРА Российский патент 2019 года по МПК G01F1/66 

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

[0001] Настоящей заявкой заявлен приоритет по заявке на патент США No. 14/667,261, поданной 24 марта 2015 г. под заголовком "Transducer Mini-Horn Array for Ultrasonic Flow Meter", которая полностью включена в настоящее описание посредством ссылки.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Текучие среды, такие как природный газ, транспортируются с места на место посредством трубопроводов. Желательно точно знать количество текучей среды, поступающей по трубопроводу, при этом особая точность требуется при переходе текучей среды из рук в руки, или "передаче продукта потребителю". Даже если передача продукта потребителю не осуществляется, тем не менее, требуется точность измерения, и в этих случаях могут использоваться расходомеры.

[0003] Ультразвуковые расходомеры - тип расходомеров, который может использоваться для измерения количества текучей среды, поступающей по трубопроводу. Ультразвуковые расходомеры обладают достаточной точностью, чтобы использоваться при передаче продукта потребителю. В ультразвуковом расходомере акустические сигналы направляются в прямом и обратном направлениях через поток текучей среды, который требуется измерить. На основе параметров полученных акустических сигналов определяется скорость потока текучей среды в расходомере. Объем текучей среды, проходящей через расходомер, можно определить из вычисленных скоростей потока и известной площади сечения расходомера. Ультразвуковой расходомер включает в себя преобразователи, генерирующие и обнаруживающие акустические сигналы.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0004] В настоящем описании раскрыт ультразвуковой преобразователь, который включает в себя минирупорную решетку (mini-horn array), пригодную для использования при измерении потока текучей среды с помощью ультразвукового расходомера. В одном варианте осуществления ультразвуковой расходомер включает в себя центральный проход для прохождения потока текучей среды, подлежащего измерению, а также множество пар ультразвуковых преобразователей. Каждая пара преобразователей выполнена с возможностью образовывать путь по хорде через центральный проход между преобразователями. Каждый из преобразователей включает в себя пьезоэлектрический кристалл и согласующую структуру. Согласующая структура включает в себя минирупорную решетку, акустически соединенную с пьезоэлектрическим кристаллом с одной стороны и выполненную с возможностью обеспечения согласования акустических импедансов между пьезоэлектрическим кристаллом и потоком текучей среды. Минирупорная решетка включает в себя заднюю пластину, множество рупоров и переднюю пластину. Задняя пластина примыкает к пьезоэлектрическому кристаллу. Множество рупоров проходят от задней пластины в направлении от пьезоэлектрического кристалла. Каждый из рупоров включает в себя основание и горловину. Основание примыкает к задней пластине. Горловина проходит от основания. Площадь поперечного сечения основания превышает площадь поперечного сечения горловины. Передняя пластина примыкает к горловине каждого из рупоров.

[0005] В другом варианте осуществления ультразвуковой преобразователь для использования в ультразвуковом расходомере включает в себя цилиндрический корпус, пьезоэлектрический кристалл, а также согласующий слой. Цилиндрический корпус выполнен с возможностью установки в ультразвуковом расходомере.

Пьезоэлектрический кристалл размещен в корпусе. Согласующий слой соединен с корпусом и включает в себя минирупорную решетку. Минирупорная решетка акустически соединена с пьезоэлектрическим кристаллом с одной стороны и выполнена с возможностью обеспечения согласования акустических импедансов между пьезоэлектрическим кристаллом и потоком текучей среды на стороне минирупорной решетки, противоположной первой стороне. Минирупорная решетка включает в себя заднюю пластину, множество рупоров и переднюю пластину. Задняя пластина примыкает к пьезоэлектрическому кристаллу. Множество рупоров проходят от задней пластины в направлении от пьезоэлектрического кристалла. Каждый из рупоров включает в себя основание и горловину. Основание примыкает к задней пластине. Горловина проходит от основания. Площадь поперечного сечения основания превышает площадь поперечного сечения горловины. Передняя пластина примыкает к горловине каждого из рупоров.

[0006] В дополнительном варианте осуществления согласующий слой для использования в ультразвуковом преобразователе включает в себя минирупорную решетку. Минирупорная решетка включает в себя заднюю пластину, множество рупоров и переднюю пластину. Множество рупоров проходят от задней пластины. Каждый из рупоров включает в себя основание и горловину. Основание примыкает к задней пластине. Горловина проходит от основания. Площадь поперечного сечения основания превышает площадь поперечного сечения горловины. Передняя пластина примыкает к горловине каждого из рупоров.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0007] Для подробного описания примеров осуществления изобретения ниже будут сделаны ссылки на сопроводительные чертежи, где:

[0008] на Фигуре 1 показан ультразвуковой расходомер согласно принципам, изложенным в настоящем описании;

[0009] на Фигуре 2 показан вид сверху в разрезе ультразвукового расходомера согласно принципам, изложенным в настоящем описании;

[0010] на Фигуре 3 показан вид с торца ультразвукового расходомера согласно принципам, изложенным в настоящем описании;

[ООН] на Фигуре 4 показана схема расположения пар преобразователей ультразвукового расходомера согласно принципам, изложенным в настоящем описании.

[0012] на Фигуре 5 показан ультразвуковой преобразователь, содержащий минирупорную решетку согласно принципам, изложенным в настоящем описании;

[0013] на Фигурах 6-16 показаны виды минирупорных решеток согласно принципам, изложенным в настоящем описании;

[0014] на Фигуре 17 показан преобразователь, содержащий защитное кольцо вокруг минирупорной решетки согласно принципам, изложенным в настоящем описании.

ОБОЗНАЧЕНИЯ И ТЕРМИНОЛОГИЯ

[0015] В отношении конкретных компонентов системы в нижеследующем описании используются определенные термины. Как понятно специалисту в данной области техники, компонент может носить название разных компаний. Данный документ не проводит различий между компонентами, отличающимися названием, но не функцией. В приведенном ниже описании и в формуле изобретения термины "включающий в себя" и "содержащий" подразумевают открытое множество, а значит, их следует понимать как "включающий, но не ограниченный перечисленным". Кроме того, термин "соединяют" или "соединяет" подразумевает либо опосредованное, либо прямое электрическое соединение. Таким образом, если первое устройство соединено со вторым устройством, это соединение может осуществляться посредством прямого электрического соединения или посредством непрямого электрического соединения через другие устройства и соединения. Словосочетание "основанный на" подразумевает "основанный по меньшей мере отчасти на". Следовательно, если X основан на Y, X может быть основан на Y и любом количестве других факторов.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0016] Нижеследующее описание направлено на раскрытие различных вариантов осуществления изобретения. Чертежи не обязательно выполнены с соблюдением масштаба. Определенные признаки вариантов осуществления могут быть показаны в преувеличенном масштабе или в некотором схематичном виде, а некоторые детали традиционных элементов могут быть не показаны из соображений наглядности и выразительности. Раскрытые варианты осуществления не ограничивают объем раскрытия, в том числе объем притязаний формулы изобретения. Кроме того, специалист в данной области техники поймет, что нижеследующее описание имеет широкое применение, при этом рассмотрение любого варианта осуществления предполагает лишь приведение примера такого варианта осуществления и не подразумевает, что объем раскрытия, в том числе объем притязаний формулы изобретения, ограничен этим вариантом осуществления. Следует в полной мере понимать, что различные идеи вариантов осуществления, рассмотренные ниже, могут применяться по отдельности либо в любой пригодной комбинации, чтобы позволить получить требуемые результаты. Кроме того, различные варианты осуществления были разработаны применительно к измерению углеводородных потоков (например, сырой нефти, природного газа) и описание следует рассматривать именно в этом контексте; однако описанные системы и способы в равной мере применимы к измерению любого потока текучей среды.

[0017] Измерение потока текучей среды в средах с экстремальными температурами связано с множеством проблем. В традиционных ультразвуковых расходомерах преобразователи включают в себя согласующий слой из эпоксидной смолы низкой плотности, обеспечивающий хорошее акустическое согласование между пьезоэлектрическим кристаллом высокой плотности преобразователя и потоком текучей среды относительно низкой плотности, проходящим через расходомер. К сожалению, несовпадение коэффициентов термического расширения пьезоэлектрического кристалла и эпоксидной смолы низкой плотности может привести к растрескиванию эпоксидной смолы низкой плотности под воздействием экстремальных температур, циклического изменения температур и/или высоких давлений, которые часто присутствуют в условиях измерения текучих сред. Кроме того, эпоксидная смола имеет низкую химическую резистивность, в особенности к химически агрессивным компонентам природного газа. Растрескавшийся и/или расслоившийся эпоксидный согласующий слой снижает рабочие характеристики преобразователя до такой степени, что преобразователь приходится заменять, что, в свою очередь, может потребовать прервать поток текучей среды через расходомер и соответствующую систему труб.

[0018] Варианты осуществления ультразвукового преобразователя, раскрытого в настоящем описании, включают в себя согласующую структуру, которая не подвержена разрушению под воздействием неблагоприятных условий окружающей среды. Согласующая структура по настоящему раскрытию включает в себя минирупорную решетку, а не эпоксидную смолу низкой плотности. Согласующая структура с минирупорной решеткой является монолитной, выполнена из того же химически стойкого материала, например титана, так что несовпадение коэффициента термического расширения с коэффициентом термического расширения пьезоэлектрического кристалла и/или корпуса преобразователя не создает проблем или не является критичным. Рупоры обеспечивают согласование импедансов между пьезоэлектрическим кристаллом и потоком текучей среды, проходящим через ультразвуковой расходомер.

[0019] На Фигуре 1 показан ультразвуковой расходомер 100 согласно принципам, изложенным в настоящем описании. Ультразвуковой расходомер 100 включает в себя корпус расходомера или трубную секцию 102, образующую центральный проход или проходное отверстие 104. Трубная секция 102 выполнена с возможностью соединения с трубопроводом или другой конструкцией (не показано), несущей текучие среды (например, природный газ), так что текучие среды, проходящие в трубопроводе, перемещаются через центральное проходное отверстие 104. Когда текучие среды поступают через центральное проходное отверстие 104, ультразвуковой расходомер 100 измеряет скорость потока (следовательно, текучая среда может именоваться измеряемой текучей средой). Трубная секция 102 включает в себя фланцы 106, способствующие соединению трубной секции 102 с другой конструкцией. В других вариантах осуществления равным образом может использоваться любая пригодная система для соединения трубной секции 102 с конструкцией (например, сварные соединения).

[0020] Для измерения потока текучей среды в трубной секции 102 ультразвуковой расходомер 100 содержит множество узлов преобразователей. На виде, представленном на Фигуре 1, полностью или частично показано пять таких узлов 108, 110, 112, 116, 120 преобразователей. Узлы преобразователей образуют пары (например, узлы 108 и НО преобразователей), как будет дополнительно описано ниже. Помимо этого, каждый узел преобразователя электрически соединен с электронным модулем 124 управления. Более конкретно, каждый узел преобразователя электрически соединен с электронным модулем 124 управления с помощью соответствующего кабеля 126 или эквивалентного узла для передачи сигнала.

[0021] На Фигуре 2 показан вид сверху в разрезе ультразвукового расходомера 100, построенный по существу по линии 2-2, показанной на Фигуре 1. Трубная секция 102 имеет заданный размер и образует центральное проходное отверстие 104, через которое проходит измеряемый поток текучей среды. Иллюстративная пара узлов 112 и 114 преобразователей расположена вдоль длины трубной секции 102. Узлы 112 и 114 преобразователей включают в себя акустические приемопередатчики, более конкретно, включают в себя ультразвуковые преобразователи 222, работающие попеременно в качестве передатчика и приемника. Ультразвуковые преобразователи 222 как генерируют, так и принимают акустические сигналы с частотой около 20 килогерц.

[0022] Акустические сигналы могут генерироваться и приниматься пьезоэлектрическим элементом в каждом преобразователе. Для генерирования ультразвукового сигнала пьезоэлектрический элемент электрически возбуждается посредством сигнала (например, синусоидального сигнала), при этом данный элемент отвечает вибрацией. Вибрация пьезоэлектрического элемента генерирует акустический сигнал, который поступает через измеряемую текучую среду на соответствующий узел преобразователя этой пары. Точно так же, испытав воздействие акустического сигнала, принимающий пьезоэлектрический элемент вибрирует и генерирует электрический сигнал (например, синусоидальный сигнал), который обнаруживается, оцифровывается и анализируется электроникой, связанной с расходомером 100 (например, управляющей электроникой 124).

[0023] Между иллюстративными узлами 112 и 114 преобразователей существует путь 200, также именуемый "хордой", под углом к центральной оси 202 центрального проходного отверстия. Длина хорды 200 представляет собой расстояние между торцом узла 112 преобразователя и торцом узла 114 преобразователя. Точки 204 и 206 определяют местоположения, в которых акустические сигналы, сгенерированные узлами 112 и 114 преобразователей, заходят и выходят из текучей среды, проходящей через трубную секцию 102. Положение узлов 112 и 114 преобразователей может определяться углом , первой длиной L, измеренной между торцами узлов 112 и 114 преобразователей, второй длиной X, соответствующей аксиальному расстоянию между точками 204 и 206, а также третьей длиной d, соответствующей внутреннему диаметру трубы. В большинстве случаев расстояния d, X и L точно определены при изготовлении расходомера. Измеряемая текучая среда, такая как природный газ, поступает в направлении 208, имея профиль 210 скорости. Векторы 212, 214, 216 и 218 скорости показывают, что скорость газа через трубную секцию 102 увеличивается в направлении центральной оси 202 трубной секции 102.

[0024] Первоначально дальний по ходу узел 112 преобразователя генерирует ультразвуковой сигнал, который падает на ближний по ходу узел 114 преобразователя и, таким образом, обнаруживается им. Спустя некоторое время ближний по ходу узел 114 преобразователя генерирует возвратный ультразвуковой сигнал, который соответственно падает на дальний по ходу узел 112 преобразователя и обнаруживается им. Таким образом, узлы преобразователей обмениваются ультразвуковыми сигналами 220 или «осуществляют контроль раздельными преобразователями» вдоль пути 200 по хорде. В процессе работы такая последовательность может осуществляться тысячи раз в минуту.

[0025] Время прохождения ультразвукового сигнала 220 между иллюстративными узлами 112 и 114 преобразователей отчасти зависит от того, проходит ли ультразвуковой сигнал 220 против хода или по ходу относительно потока текучей среды. Время прохождения ультразвукового сигнала, поступающего дальше по ходу (т.е. в направлении потока текучей среды), меньше времени его прохождения при перемещении ближе по ходу (т.е. против потока текучей среды). Время прохождения ближе по ходу и дальше по ходу может использоваться для расчета средней скорости вдоль пути сигнала, а также скорости звука в измеряемой текучей среде. С учетом результатов измерений по сечению расходомера 100, по которому поступает текучая среда, средняя скорость по площади центрального проходного отверстия 104 может использоваться для нахождения объема текучей среды, проходящей через трубную секцию 102.

[0026] Ультразвуковые расходомеры могут иметь одну или более хорд. На Фигуре 3 показан вид с торца ультразвукового расходомера 100. В частности, иллюстративный ультразвуковой расходомер 100 содержит четыре пути А, В, С и D по хордам на разной высоте в трубной секции 102. Каждый путь A-D по хорде соответствует паре преобразователей, работающих попеременно в качестве передатчика и приемника. Узлы 108 и НО преобразователей (видны лишь частично) образуют путь А по хорде. Узлы 112 и 114 преобразователей (видны лишь частично) образуют путь В по хорде. Узлы 116 и 118 преобразователей (видны лишь частично) образуют путь С по хорде. Наконец, узлы 120 и 122 преобразователей (видны лишь частично) образуют путь D по хорде.

[0027] Дополнительный аспект схемы расположенных четырех пар узлов преобразователей представлен со ссылкой на Фигуру 4, где изображен вид сверху. Каждая пара узлов преобразователей соответствует единственному пути по хорде, показанному Фигура 3; однако, узлы преобразователей установлены не под прямым углом к центральной оси 202. Например, первая пара узлов 108 и 110 преобразователей установлена под углом к центральной оси 202 трубной секции 102, который не является прямым. Другая пара узлов 112 и 114 преобразователей установлена так, что путь по хорде в общих чертах образует форму буквы "X" относительно пути по хорде узлов 108 и 110 преобразователей. Точно так же узлы 116 и 118 преобразователей расположены параллельно узлам 108 и 110 преобразователей, но на другом "уровне" или высоте. Хотя на Фигуре 4 в явном виде не показано, имеется четвертая пара узлов преобразователей (т.е. узлы 120 и 122 преобразователей). Как показано на Фигурах 2, 3 и 4, пары узлов преобразователей могут располагаться так, что верхние две пары узлов преобразователей, соответствующие хордам А и В, образуют форму буквы "X", при этом нижние две пары узлов преобразователей, соответствующие хордам С и D, также образуют форму буквы "X". Скорость потока текучей среды может определяться на каждой из хорд A-D, чтобы найти скорости потока по хордам, после чего скорости потока по хордам объединяются, чтобы определить среднюю скорость потока по всей трубе. Зная среднюю скорость потока, можно определить количество текучей среды, проходящей в трубной секции, а значит и в трубопроводе.

[0028] Обычно управляющая электроника (например, электронный модуль 124 управления) заставляет преобразователи 222 отправлять и принимать выходные сигналы преобразователей, вычисляет среднюю скорость потока для каждой хорды, вычисляет среднюю скорость потока для расходомера, вычисляет объемную скорость потока через расходомер, а также проводит диагностику расходомера. Объемная скорость потока, а также возможно измеренные или вычисленные величины, такие как скорость потока и скорость звука, затем выводятся на дополнительные устройства, такие как вычислитель расхода, которые являются внешними по отношению к расходомеру 100.

[0029] На Фигуре 5 показан вид в разрезе ультразвукового преобразователя 222. Каждый преобразователь ультразвукового расходомера 100 (например, преобразователь 222 из числа узлов 108, НО, 112, 114, 116, 118, 120, 122 преобразователей) может быть конструктивно схож или идентичен преобразователю 222, представленному на Фигуре 5. Преобразователь 222 включает в себя корпус 502, электрический/акустический преобразователь 514, а также монолитный согласующий наконечник 504 с минирупорной решеткой 506 на одном конце. Корпус 502 может быть в общем цилиндрическим и состоять из металла, такого как титан, сплав INCONEL или нержавеющая сталь. Электрический/акустический преобразователь 514 и согласующий наконечник 504 с минирупорной решеткой 506 могут располагаться на одном конце корпуса 502. Электрический/акустический преобразователь 514 может располагаться во внутренней части корпуса 502, при этом держатель 516 служит механической опорой для электрического/акустического преобразователя 514, а минирупорная решетка 506 может соединяться с наружной частью корпуса 502. Внутри держателя 516 провода 520 соединяют электрический/акустический преобразователь 514 с электрическими согласующими и/или защитными элементами 518, содержащими, например, шунтирующий резистор и/или демпфирующие диоды. Провода 520, подсоединенные к штырям 522 соединителя, соединены с кабелем 126.

[0030] Электрические проводники 520 соединяют электрический/акустический преобразователь 514 посредством штырей 522 и кабеля 126 с управляющим электронным модулем 124 (Фигура 1), который передает электрические сигналы на

электрический/акустический преобразователь 514 и принимает электрические сигналы от него. Электрический/акустический преобразователь 514 представляет собой активный элемент, излучающий и улавливающий ультразвуковую энергию. Электрический/акустический преобразователь 514 может включать в себя пьезоэлектрический материал, такой как цирконат-титанат свинца (PZT). Напряжение, приложенное к электродам пьезоэлектрического материала, индуцирует электрическое поле в пьезоэлектрическом материале, которое заставляет пьезоэлектрический материал изменять форму и излучать звуковую энергию. Звуковая энергия, воздействующая на пьезоэлектрический материал, заставляет пьезоэлектрический материал изменять форму и создавать разность потенциалов между электродами.

[0031] Минирупорная решетка 506 служит в качестве монолитного согласующего слоя для акустического согласования импедансов между электрическим/акустическим преобразователем 514, обладающим высоким импедансом, и обладающей низким импедансом текучей средой, проходящей в центральном проходном отверстии 104. Монолитный согласующий наконечник 504 с минирупорной решеткой 506 может быть выполнен из пластика или металла. Например, минирупорная решетка 506 может быть выполнена из сплава INCONEL или титана. Минирупорная решетка 506 включает в себя заднюю пластину 508, множество рупоров 510 и переднюю пластину 512. Диаметр минирупорной решетки 506 может составлять, например, около одного дюйма. Задняя пластина 508 может иметь толщину, например, около 0,15 дюйма. Передняя пластина 512 может иметь толщину, например, около 0,03 дюйма. Первая сторона задней пластины 508 примыкает к электрическому/акустическому преобразователю 514, а вторая сторона задней пластины 508 (противоположная первой стороне) примыкает к рупорам 510 для переноса акустической энергии между рупорами 510 и электрическим/акустическим преобразователем 514. Передняя пластина 512 крепится к рупорам 510 противоположно задней пластине 508 и передает акустическую энергию от рупоров 510 в текучую среду, поступающую через центральное проходное отверстие 104, а также от текучей среды в рупоры 510.

[0032] Минирупорная решетка 506 может содержать большое число рупоров 510, например 12-100 рупоров. Большое число рупоров 510 в совокупности создает существенную акустически эффективную рабочую область. Минирупорная решетка 506 может быть выполнена с возможностью работы с рабочей частотой в диапазоне 50-500 килогерц, при этом акустический импеданс лежит в диапазоне 0,1-7 Мрейл. Каждый из рупоров 510 включает в себя основание, примыкающее к задней пластине 508, и горловину, проходящую от основания и примыкающую к передней пластине 512. Площадь поперечного сечения горловины меньше площади поперечного сечения основания.

[0033] Варианты осуществления минирупорной решетки 506 могут содержать рупоры 510 разных форм. На Фигуре 6 показан вид сбоку в разрезе одного варианта осуществления согласующего наконечника 604 с минирупорной решеткой 606, имеющей рупоры квадратного поперечного сечения, как показано на Фигуре 7. Минирупорная решетка 606 может служить в качестве минирупорной решетки 506. Минирупорная решетка 606 включает в себя заднюю пластину 608, рупоры 610 и переднюю пластину 612. Каждый из рупоров 610 включает в себя горловину 616 и основание 614. На Фигуре 7 показан вид спереди в разрезе минирупорной решетки 606. Рупоры 610 имеют квадратное поперечное сечение. Некоторые варианты осуществления могут иметь прямоугольное поперечное сечение. Область каждого рупора 610, расположенная проксимально к основанию 614, может иметь тот же радиус кривизны, что и область, расположенная проксимально к горловине 616, или меньше него. Основания 614 рупоров 610 могут быть образованы путем создания первого набора отверстий (или каналов) первого диаметра r 618 через монолитное тело согласующего наконечника 605, предпочтительно цилиндрического стержня, а также создания второго набора отверстий первого диаметра r 618 через цилиндр, пересекающихся и перпендикулярных первому набору отверстий. Горловины 616 рупоров 610 могут быть образованы путем создания третьего набора отверстий второго диаметра R 620, равного или превышающего (R>r) первый диаметр r 618, через цилиндр, а также четвертого набора отверстий второго диаметра R 620 через цилиндр, пересекающихся и перпендикулярных третьему набору отверстий. Центры вторых отверстий большего диаметра 620 сдвинуты относительно центров первых отверстий меньшего диаметра 618 в продольном (аксиальном) направлении к передней пластине на величину в диапазоне от R-r до R+r. Материал между этими отверстиями образует рупоры 610, имеющие основание 614 и горловину 616. Первый, второй, третий и четвертый наборы отверстий могут быть созданы путем высверливания или с помощью любой другой технологии образования отверстий в монолитной структуре. Первый и второй диаметры могут составлять, например, приблизительно 0,05 дюйма и 0,10 дюйма соответственно, чтобы обеспечить рабочую частоту около 125 кГц. Горловина рупора может составлять, например, приблизительно 0,03 дюйма, при этом расстояние (периодичность расположения) между смежными рупорами 610 может составлять, например, приблизительно 0,115 дюйма. Рупоры 610 могут иметь длину, составляющую приблизительно 0,125 дюйма. Рабочая частота и аналогичным образом акустический импеданс минирупорной решетки по существу прямо пропорциональны площади сечения горловины рупора и обратно пропорциональны длине рупора и площади поперечного сечения элементарной ячейки рупора (периодичности расположения). Толщина передней пластины уменьшает рабочую частоту и увеличивает акустический импеданс минирупорной решетки.

[0034] В то время как рупоры 610 имеют ступенчатый боковой профиль, как показано на Фигуре 6, другие варианты осуществления могут содержать экспоненциальный, конический или иной профиль. На Фигуре 8 показан вид сбоку в разрезе одного варианта осуществления минирупорной решетки 806, в котором имеется профиль полукруглой арки. Минирупорная решетка 806 может служить в качестве минирупорной решетки 506. Минирупорная решетка 806 включает в себя заднюю пластину 808, рупоры 810 и переднюю пластину 812. Каждый из рупоров 810 включает в себя горловину 816 и основание 814. На Фигуре 9 показан вид спереди в разрезе минирупорной решетки 806. Рупоры 810 имеют квадратное (или прямоугольное) поперечное сечение. Основания 814 и горловины 816 рупоров 810 могут быть образованы путем создания первого набора отверстий первого диаметра через цилиндр, а также второго набора отверстий первого диаметра через цилиндр, пересекающихся и перпендикулярных первому набору отверстий. Материал между этими отверстиями образует рупоры 810. Первый и второй наборы отверстий могут создаваться путем высверливания или с помощью любой другой технологии образования отверстий. Первый диаметр может составлять, например, приблизительно 0,10 дюйма. Расстояние (периодичность расположения) между смежными рупорами 810 может составлять, например, приблизительно 0,115 дюйма.

[0035] На Фигуре 10 показан вид спереди в разрезе одного варианта осуществления минирупорной решетки 1006. Минирупорная решетка 1006 может служить в качестве минирупорной решетки 506. В некоторых вариантах осуществления решетка 1006 может включать в себя отверстия одного диаметра сообразно решетке 806, в то время как в других вариантах осуществления решетка 1006 может включать в себя отверстия двух разных диаметров сообразно решетке 606. В минирупорной решетке 1006 рупоры 1010 имеют гексагональное поперечное сечение. Рупоры 1010 могут быть образованы путем создания первого набора отверстий первого диаметра через цилиндр, создания второго набора отверстий первого диаметра через цилиндр, пересекающихся и расположенных под углом 60° к первому набору отверстий, а также создания третьего набора отверстий первого диаметра через цилиндр, пересекающихся и расположенных под углом 120° к первому набору отверстий. Материал между этими отверстиями образует рупоры 1010. Для образования гексагонального поперечного сечения третий набор отверстий пересекает конструкцию в точках пересечения первого и второго наборов отверстий. В вариантах осуществления, содержащих отверстия двух разных диаметров сообразно решетке 606, отверстия второго диаметра расположены по одной линии с отверстиями первого диаметра, как показано в решетке 606 (Фигура 6). Отверстия могут создаваться путем высверливания или с помощью любой другой технологии образования отверстий.

[0036] На Фигуре 11 показан вид спереди в разрезе одного варианта осуществления минирупорной решетки 1106. Минирупорная решетка 1106 может служить в качестве минирупорной решетки 506. В некоторых вариантах осуществления решетка 1106 может включать в себя отверстия одного диаметра сообразно решетке 806, в то время как в других вариантах осуществления решетка 1106 может включать в себя отверстия двух разных диаметров сообразно решетке 606. В минирупорной решетке 1106 рупоры 1110 имеют ромбовидное поперечное сечение. Рупоры 1110 могут быть образованы путем создания первого набора отверстий первого диаметра через цилиндр, создания второго набора отверстий первого диаметра через цилиндр, пересекающихся и расположенных под углом от 30° до менее 90° к первому набору отверстий. В некоторых вариантах осуществления второй набор отверстий может быть образован под углом приблизительно 60° к первому набору отверстий. Материал между этими отверстиями образует рупоры 1110. В вариантах осуществления, содержащих отверстия двух разных диаметров сообразно решетке 606, отверстия второго диаметра расположены по одной линии с отверстиями первого диаметра, как показано в решетке 606 (Фигура 6). Отверстия могут создаваться путем высверливания или с помощью любой другой технологии образования отверстий.

[0037] На Фигуре 12 показан вид спереди в разрезе одного варианта осуществления минирупорной решетки 1206. Минирупорная решетка 1206 может служить в качестве минирупорной решетки 506. В некоторых вариантах осуществления решетка 1206 может включать в себя отверстия одного диаметра сообразно решетке 806, в то время как в других вариантах осуществления решетка 1206 может включать в себя отверстия двух разных диаметров сообразно решетке 606. В минирупорной решетке 1206 рупоры 1210 имеют треугольное поперечное сечение. Рупоры 1210 могут быть образованы путем создания первого набора параллельных отверстий первого диаметра через цилиндр, создания второго набора параллельных отверстий первого диаметра через цилиндр, пересекающихся под углом 60° с первым набором отверстий, а также создания третьего набора параллельных отверстий первого диаметра через цилиндр, пересекающихся и расположенных под углом 120° к первому набору отверстий. Материал между этими отверстиями образует рупоры 1210. Для образования треугольного поперечного сечения все три набора отверстий пересекаются в одних и тех же точках. В вариантах осуществления, содержащих отверстия двух разных диаметров сообразно решетке 606, отверстия второго диаметра расположены по одной линии с отверстиями первого диаметра, как показано в решетке 606 (Фигура 6). Отверстия могут создаваться путем высверливания или с помощью любой другой технологии образования отверстий. Расстояние между параллельными отверстиями решетки 1206 может быть меньше расстояния, используемого для создания рупора, имеющего гексагональное сечение в решетке 1006.

[0038] На Фигуре 13 показан вид сбоку одного варианта осуществления минирупорной решетки 1306. Минирупорная решетка 1306 может служить в качестве минирупорной решетки 506. Минирупорная решетка 1306 включает в себя заднюю пластину 1308, рупоры 1310 и переднюю пластину 1312. Каждый из рупоров 1310 включает в себя горловину 1316 и основание 1314. На Фигуре 14 показан вид спереди рупоров 1310. Рупоры 1310 имеет круговое (или эллиптическое) поперечное сечение. Рупоры 1310 и другие участки минирупорной решетки 1306 могут быть образованы путем трехмерной печати или с помощью любой другой пригодной технологии. Расстояние (периодичность расположения) между рупорами 810 может быть, например, постоянным и составлять приблизительно 0,15 дюйма. Минирупорная решетка 1306 может также представлять собой аподизационную структуру для обеспечения заданного частотного спектра решетки и заданной полосы частот преобразователя, где расстояние по касательной между смежными рупорами, толщина передней пластины и/или площадь поперечного сечения горловины рупора пропорциональны расстоянию от центра согласующей структуры, будь то прямо пропорциональны или обратно пропорциональны. На Фигуре 15 показан изометрический вид минирупорной решетки 1306, где изображено защитное кольцо 1318, образованное вокруг рупоров 1310. Защитное кольцо 1318 может включать в себя порты, позволяющие потоку текучей среды поступать извне минирупорной решетки 1306 в область вблизи рупоров 1310 для выравнивания давления снаружи и внутри минирупорной решетки 1306. В качестве этих портов могут служить зазоры между защитным кольцом 1318 и передней пластиной 1312. На Фигуре 16 показан изометрический вид минирупорной решетки 1306, на котором изображены защитное кольцо 1318 и передняя пластина 1312.

[0039] На Фигуре 17 показан вид сбоку преобразователя 222, включающего в себя защитное кольцо 524, охватывающее по окружности рупоры минирупорной решетки 506. Защитное кольцо 524 может быть выполнено из того же материала, что и согласующий наконечник 504 с минирупорной решеткой 506, либо материала с тем же коэффициентом расширения, что и у минирупорной решетки 506. Кольцо 524 защищает рупоры 510 и внутренний объем минирупорной решетки 506 от проникновения нежелательных материалов в решетку 506, направлено на обеспечение работы решетки с резонансом на моночастоте, а также обеспечение повышения мощности акустического сигнала на основе эффекта предварительного напряжения в передней пластине 512.

[0040] Внутренний диаметр кольца 524 может быть чуть меньше наружного диаметра минирупорной решетки 506. Кольцо 524 может механически закрепляться на минирупорной решетке 506 путем расширения кольца посредством нагрева и одновременно сжатия минирупорной решетки 506 посредством охлаждения. Например, кольцо 524 может нагреваться до 100 градусов по Цельсию, а минирупорная решетка охлаждаться до -50 градусов по Цельсию для плотного насаживания кольца 524 на минирупорную решетку 506. Нагретое кольцо 524 насаживается на охлажденную минирупорную решетку 506, при этом, когда узел достигает теплового равновесия, кольцо 524 прочно закрепляется на минирупорной решетке 506. Кольцо 524, закрепленное на минирупорной решетке 506 согласно вышеприведенному описанию, обеспечивает прочное механическое соединение кольца с решеткой при рабочих температурах, а также обеспечивает компенсацию внутреннего давления посредством портов, образованных очень малыми зазорами между кольцом 524 и минирупорной решеткой 506.

[0041] Промежуток вокруг рупоров 510 внутри защитного кольца 524 может быть заполнено материалом, обладающим высокой вязкостью и малой сжимаемостью, таким как воск, смазка, гель, силиконовый демпфирующий материал или иная высоковязкая жидкость. Малосжимаемый материал может размещаться между рупорами 510 перед тем, как защитное кольцо 524 закрепляется на минирупорной решетке 506. Малосжимаемый материал обеспечивает улучшение компенсации давления при изменении давления текучей среды в расходомере 100, используя значительно меньший обмен внутренних/внешних материалов, например, за счет обратимой формы пустот в высоковязкой смазке. Кроме того, малосжимаемый материал обеспечивает улучшение акустического демпфирования при большей полосе частот и меньшем внутрирезонансном затухании (ring-down).

[0042] Приведенное выше описание служит для иллюстрации принципов и различных вариантов осуществления настоящего изобретения. После подробного изучения вышеприведенного раскрытия специалистам в данной области техники станут очевидны возможные многочисленные изменения и модификации. Предполагается, что нижеизложенная формула изобретения охватывает все такие изменения и модификации.

Изобретение относится к ультразвуковому расходомеру с минирупорной структурой. Монолитная согласующая структура для использования в ультразвуковом преобразователе включает в себя минирупорную решетку. Минирупорная решетка включает в себя заднюю пластину, множество рупоров и переднюю пластину. Множество рупоров проходят от задней пластины. Каждый из рупоров включает в себя основание и горловину. Основание примыкает к задней пластине. Горловина проходит от основания. Площадь поперечного сечения основания превышает площадь поперечного сечения горловины. Передняя пластина примыкает к горловине каждого из рупоров. Технический результат - обеспечение возможности измерения потока текучей среды в средах с экстремальными температурами. 4 н. и 31 з.п. ф-лы, 17 ил.

1. Ультразвуковой расходомер, содержащий:

центральный проход для прохождения потока текучей среды, подлежащего измерению;

множество пар ультразвуковых преобразователей, при этом каждая пара преобразователей выполнена с возможностью образовывать путь по хорде через проход между преобразователями, и каждый из преобразователей содержит:

пьезоэлектрический кристалл и

согласующую структуру, содержащую минирупорную решетку, соединенную с пьезоэлектрическим кристаллом и содержащую:

- заднюю пластину, примыкающую к пьезоэлектрическому кристаллу;

- множество рупоров, проходящих от задней пластины в направлении от пьезоэлектрического кристалла, при этом каждый из рупоров содержит:

основание, примыкающее к задней пластине; и

горловину, проходящую от основания, при этом площадь поперечного сечения основания превышает площадь поперечного сечения горловины;

- переднюю пластину, примыкающую к горловине каждого из рупоров.

2. Ультразвуковой расходомер по п. 1, в котором каждый из рупоров имеет квадратное, прямоугольное или ромбовидное поперечное сечение.

3. Ультразвуковой расходомер по п. 1, в котором каждый из рупоров имеет треугольное или гексагональное поперечное сечение.

4. Ультразвуковой расходомер по п. 1, в котором каждый из рупоров имеет круговое или эллиптическое поперечное сечение.

5. Ультразвуковой расходомер по п. 1, в котором минирупорная решетка содержит по меньшей мере 12 рупоров.

6. Ультразвуковой расходомер по п. 1, в котором согласующая структура содержит кольцо, расположенное по окружности вокруг минирупорной решетки.

7. Ультразвуковой расходомер по п. 1, в котором согласующая структура содержит малосжимаемый материал, заполняющий пространство между рупорами.

8. Ультразвуковой расходомер по п. 1, в котором для каждого из рупоров радиус кривизны горловины равен или превышает радиус кривизны основания.

9. Ультразвуковой преобразователь для использования в ультразвуковом расходомере, содержащий:

цилиндрический корпус, выполненный с возможностью установки в ультразвуковом расходомере;

пьезоэлектрический кристалл, расположенный в корпусе; и

согласующую структуру, соединенную с корпусом и содержащую:

минирупорную решетку, акустически соединенную с пьезоэлектрическим кристаллом и содержащую:

- заднюю пластину, примыкающую к пьезоэлектрическому кристаллу и акустически соединенную с ним;

- множество рупоров, проходящих от задней пластины в направлении от пьезоэлектрического кристалла, при этом каждый из рупоров содержит:

основание, примыкающее к задней пластине; и

горловину, проходящую от основания, при этом площадь поперечного сечения основания превышает площадь поперечного сечения горловины;

- переднюю пластину, примыкающую к горловине каждого из рупоров.

10. Ультразвуковой преобразователь по п. 9, в котором каждый из рупоров имеет квадратное, прямоугольное или ромбовидное поперечное сечение.

11. Ультразвуковой преобразователь по п. 9, в котором каждый из рупоров имеет треугольное или гексагональное поперечное сечение.

12. Ультразвуковой преобразователь по п. 9, в котором каждый из рупоров имеет круговое или эллиптическое поперечное сечение.

13. Ультразвуковой преобразователь по п. 9, в котором минирупорная решетка содержит от 12 до 100 рупоров.

14. Ультразвуковой преобразователь по п. 9, в котором согласующая структура содержит кольцо, расположенное по окружности вокруг минирупорной решетки.

15. Ультразвуковой преобразователь по п. 9, в котором согласующая структура содержит малосжимаемый материал, заполняющий пространство между рупорами.

16. Ультразвуковой преобразователь по п. 9, в котором для каждого из рупоров радиус кривизны горловины равен или превышает радиус кривизны основания.

17. Согласующая структура для использования в ультразвуковом преобразователе, содержащая:

минирупорную решетку, содержащую:

- заднюю пластину;

- множество рупоров, проходящих от задней пластины, при этом каждый из рупоров содержит:

основание, примыкающее к задней пластине; а также

горловину, проходящую от основания, при этом площадь поперечного сечения основания превышает площадь поперечного сечения горловины;

- переднюю пластину, примыкающую к горловине каждого из рупоров.

18. Согласующая структура по п. 17, в которой каждый из рупоров имеет квадратное, прямоугольное, ромбовидное, треугольное, гексагональное, круговое или эллиптическое поперечное сечение.

19. Согласующая структура по п. 17, в которой минирупорная решетка содержит по меньшей мере 12 рупоров.

20. Согласующая структура по п. 17, при этом согласующая структура выполнена из монолитного куска металла.

21. Согласующая структура по п. 17, при этом согласующая структура выполнена из монолитного куска титана.

22. Согласующая структура по п. 17, при этом согласующая структура содержит кольцо, расположенное по окружности вокруг минирупорной решетки.

23. Согласующая структура по п. 17, при этом согласующая структура содержит малосжимаемый материал, заполняющий промежуток между рупорами.

24. Согласующая структура по п. 17, в которой для каждого из рупоров радиус кривизны горловины превышает радиус кривизны основания.

25. Способ создания согласующей структуры для использования в ультразвуковом преобразователе ультразвукового расходомера, включающий:

образование задней пластины;

образование передней пластины и

образование решетки по меньшей мере из 12 рупоров между задней пластиной и передней пластиной;

при этом задняя пластина, передняя пластина и решетка рупоров выполнены в виде монолитного тела.

26. Способ по п. 25, дополнительно включающий:

образование первого набора параллельных каналов через монолитное тело;

образование второго набора параллельных каналов через монолитное тело, расположенных поперечно первому набору каналов и компланарно с ним;

при этом первый и второй наборы каналов образуют заднюю пластину, переднюю пластину и решетку рупоров.

27. Способ по п. 26, в котором

каждый канал первого набора равноудален от каналов первого набора, смежных с этим каналом; и

каждый канал второго набора равноудален от каналов второго набора, смежных с этим каналом.

28. Способ по п. 26, дополнительно включающий:

образование третьего набора параллельных каналов через монолитное тело, при этом каждый канал третьего набора пересекает единственный из каналов первого набора по всей длине этого канала;

образование четвертого набора параллельных каналов через монолитное тело, расположенных поперечно третьему набору каналов и компланарно с ним,

при этом каждый канал четвертого набора пересекает единственный из каналов второго набора по всей длине этого канала.

29. Способ по п. 28, при этом каждый канал третьего набора равноудален от каналов третьего набора, смежных с этим каналом;

при этом каждый канал четвертого набора равноудален от каналов четвертого набора, смежных с этим каналом.

30. Способ по п. 26, при этом каналы первого набора пересекают каналы второго набора под прямым углом, при этом каналы первого и второго наборов разнесены для образования квадратного поперечного сечения в каждом рупоре рупорной решетки.

31. Способ по п. 26, при этом каналы первого набора пересекают каналы второго набора под углом от 30° до 90° для образования ромбовидного поперечного сечения в каждом рупоре рупорной решетки.

32. Способ по п. 26, дополнительно включающий образование третьего набора параллельных каналов через монолитное тело, расположенных поперечно первому набору каналов и компланарно с ним, а также поперечно второму набору каналов и компланарно с ним, при этом

каналы второго набора расположены под углом 60° к каналам первого набора,

каналы третьего набора расположены под углом 60° к каналам второго набора и под углом 120° к каналам первого набора; и

каналы первого, второго и третьего наборов разнесены для образования треугольного сечения в каждом рупоре рупорной решетки.

33. Способ по п. 26, дополнительно включающий образование третьего набора параллельных каналов через монолитное тело, расположенных поперечно первому набору каналов и компланарно с ним, а также поперечно второму набору каналов и компланарно с ним, при этом

каналы второго набора расположены под углом 60° к каналам первого набора,

каналы третьего набора расположены под углом 60° к каналам второго набора и под углом 120° к каналам первого набора; и

каналы первого, второго и третьего наборов разнесены для образования гексагонального сечения в каждом рупоре рупорной решетки.

34. Способ по п. 25, дополнительно включающий выполнение передней пластины, задней пластины и решетки рупоров путем трехмерной печати.

35. Способ по п. 34, дополнительно включающий выполнение рупоров так, что рупоры имеют круговое или эллиптическое поперечное сечение.