УЛЬТРАЗВУКОВОЙ РАСХОДОМЕР И ТРУБОПРОВОД ДЛЯ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ Российский патент 2021 года по МПК G01F1/66 

Область применения изобретения

Настоящее описание относится к области измерения текучей среды, и в частности настоящее описание относится к ультразвуковому расходомеру и содержащему его трубопроводу для текучей среды.

Предпосылки создания изобретения

В настоящее время ультразвуковые расходомеры широко применяются в различных областях и характеризуются высокой точностью измерения и широким диапазоном измерений. В ультразвуковом расходомере используют множество пар ультразвуковых датчиков, размещенных в трубопроводе, таким образом, что ультразвуковые волны взаимодействуют со средой, протекающей в трубопроводе, тем самым измеряя скорость потока (т.е. расход) среды, протекающей в трубопроводе. Как правило, количество ультразвуковых датчиков зависит от требований к размеру и точности трубопровода, поскольку на ультразвуковое измерение в значительной степени влияет профиль текучей среды (распределение скорости потока в трубопроводе), среда измерения и условия установки. Обычно для охвата всей области измерения требуется множество пар ультразвуковых датчиков, из-за чего возрастает стоимость измерений и сложность быстрого управления измерениями. Для последовательно активируемых ультразвуковых датчиков очень сложно получать одинаковое состояние потока среды.

Изложение сущности изобретения

Целью настоящего описания является решение или по меньшей мере облегчение проблем, существующих в предшествующем уровне техники.

В соответствии с некоторыми аспектами предложен ультразвуковой расходомер, который включает в себя:

корпус, на котором сформировано впускное отверстие для текучей среды и выпускное отверстие для текучей среды с каналом для текучей среды между ними; и

по меньшей мере две пары ультразвуковых датчиков, причем каждая пара из по меньшей мере двух пар ультразвуковых датчиков имеет первый ультразвуковой датчик и второй ультразвуковой датчик, размещенные напротив друг друга;

причем по меньшей мере некоторые из по меньшей мере двух пар ультразвуковых датчиков размещены в канавках на внутренней стенке канала для текучей среды, а центральные точки передних торцевых граней по меньшей мере некоторых из по меньшей мере двух пар ультразвуковых датчиков расположены на цилиндрической криволинейной поверхности, образованной внутренней стенкой канала для текучей среды.

Линии взаимосвязи первого ультразвукового датчика и второго ультразвукового датчика в каждой паре из по меньшей мере двух пар ультразвуковых датчиков необязательно параллельны друг другу и образуют внутренний угол 50–60° с центральной осью канала для текучей среды. Линии взаимосвязи первого ультразвукового датчика и второго ультразвукового датчика в каждой паре из по меньшей мере двух пар ультразвуковых датчиков образуют внутренний угол 53–57° с центральной осью канала для текучей среды, или внутренний угол 54–56°, или внутренний угол приблизительно 55°.

Центральная точка передней торцевой грани каждого датчика из по меньшей мере двух пар ультразвуковых датчиков необязательно расположена на цилиндрической криволинейной поверхности, образованной внутренней стенкой канала для текучей среды.

Каждые из ультразвуковых датчиков из по меньшей мере двух пар ультразвуковых датчиков необязательно расположены в одной плоскости.

Поперечное сечение канала для текучей среды необязательно является круглым и имеет радиус R, причем если 15 мм < R < 75 мм, в ультразвуковом расходомере предусмотрены две пары ультразвуковых датчиков, а если 75 мм ≤ R < 250 мм, в ультразвуковом расходомере предусмотрены три пары ультразвуковых датчиков.

В конфигурации с двумя парами ультразвуковых датчиков эти две пары ультразвуковых датчиков необязательно соответственно расположены по обе стороны от центральной оси, а расстояния от линий взаимосвязи каждой пары из двух пар ультразвуковых датчиков до центральной оси находятся в диапазоне 0,48 R–0,52 R, или в диапазоне 0,49 R–0,51 R, или составляют приблизительно 0,5 R.

В конфигурации с тремя парами ультразвуковых датчиков линия взаимосвязи одной пары из трех пар ультразвуковых датчиков необязательно пересекает центральную ось, а две другие пары из трех пар ультразвуковых датчиков расположены с обеих сторон от центральной оси соответственно, и расстояния от линий взаимосвязи каждой пары других двух пар ультразвуковых датчиков до центральной оси находятся в диапазоне 0,687 R–0,727 R, или в диапазоне 0,697 R–0,717 R, или составляют приблизительно 0,707 R.

При отсутствии выпрямляющего устройства выше по потоку и при наличии прямого трубопровода или одного горизонтального изгиба, или одного вертикального изгиба, или двух горизонтальных изгибов, или двух вертикальных изгибов выше по потоку в пределах длины, которая составляет утроенное значение 3D диаметра трубопровода, ультразвуковой расходомер имеет погрешность ±2%, когда скорость потока меньше 0,1 Qmax, и погрешность ±1%, когда скорость потока равна 0,1 Qmax или более.

Необязательно ультразвуковой расходомер дополнительно включает в себя соединительные элементы на обоих концах канала для текучей среды, датчик температуры в канале для текучей среды и дисплей за пределами канала для текучей среды.

В другом аспекте предложен трубопровод для текучей среды, включающий в себя ультразвуковой расходомер в соответствии с различными вариантами осуществления.

Краткое описание графических материалов

Далее в настоящем документе варианты осуществления в соответствии с настоящим описанием будут разъяснены в сочетании с сопроводительными рисунками. Раскрытие настоящего описания станет более понятным со ссылкой на приложенные рисунки.

На фиг. 1 представлен вид в перспективе расходомера в соответствии с вариантом осуществления настоящего описания;

на фиг. 2 представлен схематический вид в перспективе, на котором показан канал для текучей среды и расположенные в нем ультразвуковые датчики в соответствии с вариантом осуществления настоящего описания;

на фиг. 3 представлен схематический вид сверху, на котором показан канал для текучей среды и расположенные в нем ультразвуковые датчики в соответствии с вариантом осуществления настоящего описания;

на фиг. 4 показан вид в поперечном сечении канала для текучей среды и расположенные в нем ультразвуковые датчики в соответствии с вариантом осуществления настоящего описания, если смотреть под одним углом зрения;

на фиг. 5 показан схематический вид в поперечном разрезе канала для текучей среды и расположенные в нем ультразвуковые датчики в соответствии с вариантом осуществления настоящего описания, если смотреть под другим углом зрения;

на фиг. 6 представлен схематический вид в перспективе, на котором показан канал для текучей среды и расположенные в нем ультразвуковые датчики в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего описания;

на фиг. 7 показан схематический вид в поперечном сечении канала для текучей среды и расположенные в нем ультразвуковые датчики в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего описания, если смотреть под одним углом зрения;

на фиг. 8 показан вид в поперечном сечении канала для текучей среды и расположенные в нем ультразвуковые датчики в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего описания, если смотреть под другим углом зрения.

Подробное описание варианта(-ов) осуществления изобретения

Легко понять, что в соответствии с техническими решениями настоящего описания без изменения основной сущности настоящего описания специалистами в данной области может быть предложено множество взаимозаменяемых структурных режимов и реализаций. Таким образом, следующие конкретные варианты осуществления и сопроводительные рисунки являются лишь примерами иллюстраций технических решений настоящего описания и не должны рассматриваться как полное описание, или как определения, или ограничения технических решений настоящего описания.

Установочные термины, которые были упомянуты или могут быть упомянуты в настоящем описании, такие как «верхний», «нижний», «левый», «правый», «передний», «задний», «передняя сторона», «задняя сторона», «верхний», «нижний» и т.д., определены относительно конфигураций, показанных на рисунках. Они представляют собой относительные понятия, поэтому могут соответственно изменяться в соответствии с различными местоположениями и различными состояниями применения. В силу вышесказанного эти или другие установочные термины не следует интерпретировать как ограничивающие термины.

Сначала со ссылкой на фиг. 1–5 будет представлен вариант осуществления ультразвукового расходомера в соответствии с вариантом осуществления настоящего описания. Как показано на фиг. 1, ультразвуковой расходомер 10 может включать в себя корпус 13, на котором сформировано впускное отверстие 14 для текучей среды, выпускное отверстие 15 для текучей среды и канал для текучей среды между впускным отверстием 14 для текучей среды и выпускным отверстием 15 для текучей среды (не показан на фиг. 1). Впускное отверстие 14 для текучей среды и выпускное отверстие 15 для текучей среды могут включать в себя соединительные элементы (такие как фланцы) для соединения с трубопроводами, расположенными выше и ниже по потоку. В некоторых вариантах осуществления ультразвуковой расходомер 10 дополнительно включает в себя горловину 16 и измерительную головку 11. Измерительная головка 11 может включать в себя вычислительное устройство и устройство 12 отображения. Вычислительное устройство может быть выполнено с возможностью вычисления значения расхода на основе собранных данных и предварительно заданной функции. Устройство 12 отображения может быть выполнено с возможностью отображения показаний расхода и других параметров состояния, таких как температура, дата и время. В некоторых вариантах осуществления измерительная головка 11 или корпус 13 могут включать в себя солнечную панель для подачи питания на ультразвуковой расходомер. Как будет подробно описано ниже, канал для текучей среды включает в себя такие компоненты, как ультразвуковые датчики и необязательный датчик температуры.

Как показано на фиг. 2–5, в данном варианте осуществления канал 20 для текучей среды включает в себя две пары ультразвуковых датчиков, т. е. первую пару ультразвуковых датчиков и вторую пару ультразвуковых датчиков, причем первая пара ультразвуковых датчиков включает в себя первый ультразвуковой датчик 31 и второй ультразвуковой датчик 32, расположенные напротив друг друга, а вторая пара ультразвуковых датчиков включает в себя первый ультразвуковой датчик 41 и второй ультразвуковой датчик 42, расположенные напротив друг друга. Первый ультразвуковой датчик и второй ультразвуковой датчик в каждой паре ультразвуковых датчиков выполнены с возможностью взаимодействия друг с другом во время измерения, т. е. они могут взаимно передавать и захватывать ультразвуковые сигналы. В некоторых вариантах осуществления линии L1 и L2 взаимосвязи первого ультразвукового датчика и второго ультразвукового датчика в каждой паре из двух пар ультразвуковых датчиков параллельны друг другу и образуют внутренний угол 50–60° (см. вид сверху на фиг. 3) с центральной осью X канала для текучей среды (или осевым направлением канала для текучей среды). В некоторых вариантах осуществления внутренний угол α может находиться в диапазоне 53–57°, или внутренний угол α может находиться в диапазоне 54–56°, или внутренний угол α может составлять приблизительно 55°. Во время испытания первый ультразвуковой датчик и второй ультразвуковой датчик взаимодействуют друг с другом с возможностью обеспечения информации, относящейся к скорости потока, и тем самым способствуют вычислению скорости потока (т.е. расхода) в канале 20 для текучей среды. В соответствии с вариантом осуществления настоящего описания расположение ультразвуковых датчиков под определенным углом позволяет получать точные измерительные данные и при этом использовать по возможности меньшее количество ультразвуковых датчиков.

В некоторых вариантах осуществления канал 20 для текучей среды включает в себя первую боковую стенку 201 и вторую боковую стенку 202, разделенные вертикальной осью Y. Первые ультразвуковые датчики 31 и 41 разных пар ультразвуковых датчиков расположены на первой боковой стенке 201, а вторые ультразвуковые датчики 32 и 42 разных пар ультразвуковых датчиков расположены на второй боковой стенке 202. В некоторых вариантах осуществления внутренняя стенка канала 20 для текучей среды снабжена канавками 211, 212, 213 и 214 для размещения соответствующих ультразвуковых датчиков 31, 32, 41 и 42, а центральные точки C передних торцевых граней по меньшей мере некоторых ультразвуковых датчиков 31, 32, 41 и 42 расположены на цилиндрической криволинейной поверхности, образованной внутренней стенкой канала 20 для текучей среды, и пропущенный участок цилиндрической криволинейной поверхности у канавок изображен пунктирными линиями на фиг. 3 и 5. В некоторых вариантах осуществления, как показано на фиг. 5, центральные точки C передних торцевых граней всех ультразвуковых датчиков в каждой паре ультразвуковых датчиков расположены на цилиндрической криволинейной поверхности, образованной внутренней стенкой канала для текучей среды. Расположенные таким образом ультразвуковые датчики имеют такое меньшее количество частей, выступающих в канал 20 для текучей среды, что можно обеспечить наименьшее воздействие на состояние динамического распределения циркулирующей среды в канале для текучей среды. С другой стороны, воздействие на ультразвуковые датчики не будет происходить из-за блокировки в канавках, благодаря чему будет обеспечена точность измерительных данных.

В некоторых вариантах осуществления все ультразвуковые датчики в каждой паре ультразвуковых датчиков расположены в одной плоскости P, которая пересекает поперечное сечение канала 20 для текучей среды по вертикальной оси Y, и при этом поперечное сечение канала 20 для текучей среды относится к поперечному сечению, перпендикулярному центральной оси X канала 20 для текучей среды. Вид в поперечном сечении вдоль плоскости P ультразвуковых датчиков показан на фиг. 5. В общем случае канал 20 для текучей среды является круглым в поперечном сечении и имеет радиус R. В некоторых вариантах осуществления, если радиус R канала для текучей среды удовлетворяет условию 15 мм < R < 75 мм, в ультразвуковом расходомере 10 предусмотрены две пары ультразвуковых датчиков, которые соответственно расположены по обе стороны от центральной оси X, а расстояния от линий L1 и L2 взаимосвязи каждой пары из двух пар ультразвуковых датчиков до центральной оси X могут находиться в диапазоне 0,48 R–0,52 R, или например в диапазоне 0,49 R–0,51 R, или например могут составлять приблизительно 0,5 R.

Далее, как показано на фиг. 6–8, будет представлен другой вариант осуществления ультразвукового расходомера в соответствии с настоящим описанием. В данном варианте осуществления те же детали, что и в предыдущем варианте осуществления, не будут повторяться. Отличие состоит в том, что радиус R канала 20 для текучей среды удовлетворяет условию 75 мм ≤ R < 250 мм. В этой ситуации в ультразвуковом расходомере предусмотрены три пары ультразвуковых датчиков. В дополнение к ранее описанным ультразвуковым датчикам 31, 32, 41 и 42 добавляют пару ультразвуковых датчиков 51 и 52. Как показано на фиг. 6 и 7, линия L3 взаимосвязи дополнительной пары ультразвуковых датчиков 51 и 52 может пересекать центральную ось X канала для текучей среды, а две другие пары ультразвуковых датчиков соответственно расположены по обе стороны от центральной оси X. Кроме того, расстояния от линий L1 и L2 взаимосвязи ультразвуковых датчиков каждой из двух пар до центральной оси X находятся в диапазоне 0,687 R–0,727 R, или например в диапазоне 0,697 R–0,717 R, или например могут составлять приблизительно 0,707 R. Кроме того, как показано на фиг. 8, на первой боковой стенке 201 и второй боковой стенке 202 (не показана) канала для текучей среды соответственно предусмотрены канавки 51, 52 для третьей пары ультразвуковых датчиков, и аналогичным образом центральные точки C передних торцевых граней каждого из третьей пары ультразвуковых датчиков расположены на цилиндрической криволинейной поверхности, образованной внутренней стенкой канала для текучей среды. При такой компоновке ультразвукового расходомера в соответствии с вариантом осуществления настоящего описания три пары ультразвуковых датчиков можно использовать для выполнения точного измерения потока в случае большего радиуса R.

Ультразвуковой расходомер в соответствии с вариантом осуществления настоящего описания может обеспечивать точное измерение при различных рабочих условиях с выпрямляющим устройством, расположенным выше по потоку, при этом ультразвуковой расходомер в соответствии с вариантом осуществления настоящего описания также может реализовать то, что при отсутствии выпрямляющего устройства (такого как выпрямляющее кольцо) выше по потоку и при наличии прямого трубопровода, или одного горизонтального изгиба, или одного вертикального изгиба, или двух горизонтальных изгибов, или двух вертикальных изгибов в пределах длины, которая составляет утроенное значение 3D диаметра трубопровода, ультразвуковой расходомер имеет погрешность ±2%, когда скорость потока меньше 0,1 Qmax, и погрешность ±1%, когда скорость потока равна 0,1 Qmax или более, где Qmax представляет собой максимальную скорость потока текучей среды. Таким образом, ультразвуковой расходомер в соответствии с вариантом осуществления настоящего описания имеет характеристики, подходящие для различных рабочих условий, не требует выпрямляющего устройства и обладает высокой точностью измерений. Следует понимать, что выпрямляющее устройство, предусмотренное в трубопроводе, будет оказывать дополнительное сопротивление потоку и другие воздействия на трубопровод, тогда как в соответствии с вариантом осуществления настоящего описания допустимо отсутствие выпрямляющего устройства, расположенного выше по потоку.

Следует понимать, что признаки различных вариантов осуществления в соответствии с настоящим описанием можно произвольно комбинировать друг с другом без противоречий друг другу, и предполагается, что такие комбинации включены в объем настоящего описания. Конкретные варианты осуществления, описанные выше, предназначены только для более подробного описания принципа настоящего описания, а различные компоненты четко проиллюстрированы или показаны для облегчения понимания принципа настоящего описания. Специалисты в данной области могут легко вносить в настоящее описание различные модификации или изменения без отступления от объема настоящего описания. Таким образом, следует понимать, что эти модификации или изменения должны быть включены в объем защиты настоящего описания.

В настоящем описании предложены ультразвуковой расходомер и трубопровод для текучей среды. Ультразвуковой расходомер включает в себя: корпус, на котором сформировано впускное отверстие для текучей среды, и выпускное отверстие для текучей среды с каналом для текучей среды между ними; и по меньшей мере две пары ультразвуковых датчиков, причем каждая пара из по меньшей мере двух пар ультразвуковых датчиков имеет первый ультразвуковой датчик и второй ультразвуковой датчик, размещенные напротив друг друга, причем по меньшей мере некоторые из по меньшей мере двух пар ультразвуковых датчиков размещены в канавках на внутренней стенке канала для текучей среды, а центральные точки передних торцевых граней по меньшей мере некоторых из по меньшей мере двух пар ультразвуковых датчиков расположены на цилиндрической криволинейной поверхности, образованной внутренней стенкой канала для текучей среды. Технический результат – создание ультразвукового расходомера, имеющего характеристики, подходящие для различных рабочих условий, не требующего выпрямляющего устройства и обладающего высокой точностью измерений. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Ультразвуковой расходомер, содержащий:

корпус, на котором сформировано впускное отверстие для текучей среды и выпускное отверстие для текучей среды с каналом для текучей среды между ними; и

по меньшей мере две пары ультразвуковых датчиков, причем каждая пара из по меньшей мере двух пар ультразвуковых датчиков имеет первый ультразвуковой датчик и второй ультразвуковой датчик, размещенные напротив друг друга;

причем по меньшей мере некоторые из по меньшей мере двух пар ультразвуковых датчиков размещены в канавках на внутренней стенке канала для текучей среды, а центральные точки передних торцевых граней по меньшей мере некоторых из по меньшей мере двух пар ультразвуковых датчиков размещены на цилиндрической криволинейной поверхности, образованной внутренней стенкой канала для текучей среды.

2. Ультразвуковой расходомер по п. 1, в котором линии взаимосвязи первого ультразвукового датчика и второго ультразвукового датчика в каждой паре из по меньшей мере двух пар ультразвуковых датчиков параллельны друг другу и образуют внутренний угол 50–60° с центральной осью канала для текучей среды.

3. Ультразвуковой расходомер по п. 1, в котором линии взаимосвязи первого ультразвукового датчика и второго ультразвукового датчика в каждой паре из по меньшей мере двух пар ультразвуковых датчиков образуют внутренний угол 53–57° с центральной осью канала для текучей среды, или внутренний угол 54–56°, или внутренний угол приблизительно 55°.

4. Ультразвуковой расходомер по п. 1, в котором центральная точка передней торцевой грани каждого датчика из по меньшей мере двух пар ультразвуковых датчиков расположена на цилиндрической криволинейной поверхности, образованной внутренней стенкой канала для текучей среды.

5. Ультразвуковой расходомер по любому из пп. 1–4, в котором поперечное сечение канала для текучей среды является круглым и имеет радиус R, и при этом, если 15 мм < R < 75 мм, в ультразвуковом расходомере предусмотрены две пары ультразвуковых датчиков, а если 75 мм ≤ R < 250 мм, в ультразвуковом расходомере предусмотрены три пары ультразвуковых датчиков.

6. Ультразвуковой расходомер по п. 5, в котором при наличии двух пар ультразвуковых датчиков две пары ультразвуковых датчиков соответственно расположены по обе стороны центральной оси, а расстояния от линий взаимосвязи каждой пары из двух пар ультразвуковых датчиков до центральной оси находятся в диапазоне 0,48 R–0,52 R, или в диапазоне 0,49 R–0,51 R, или составляют приблизительно 0,5 R.

7. Ультразвуковой расходомер по п. 5, в котором при наличии трех пар ультразвуковых датчиков линия взаимосвязи одной пары из трех пар ультразвуковых датчиков пересекает центральную ось, а две другие пары из трех пар ультразвуковых датчиков расположены по обе стороны центральной оси соответственно, и расстояния от линий взаимосвязи каждой пары из других двух пар ультразвуковых датчиков до центральной оси находятся в диапазоне 0,687 R–0,727 R, или в диапазоне 0,697 R–0,717 R, или составляют приблизительно 0,707 R.

8. Ультразвуковой расходомер по любому из пп. 1–4, в котором при отсутствии выпрямляющего устройства выше по потоку и при наличии прямого трубопровода, или одного горизонтального изгиба, или одного вертикального изгиба, или двух горизонтальных изгибов, или двух вертикальных изгибов выше по потоку в пределах длины, которая составляет утроенное значение 3D диаметра трубопровода, ультразвуковой расходомер имеет погрешность ±2%, когда скорость потока меньше 0,1 Qmax, и погрешность ±1%, когда скорость потока равна 0,1 Qmax или более.

9. Ультразвуковой расходомер по любому из пп. 1–4, дополнительно содержащий соединительные элементы на обоих концах канала для текучей среды, датчик температуры в канале для текучей среды и дисплей за пределами канала для текучей среды.

10. Трубопровод для текучей среды, содержащий ультразвуковой расходомер по любому из пп. 1–9.