РАСХОДОМЕР И ОТРАЖАТЕЛЬ Российский патент 2022 года по МПК G01F1/66 C09D5/16 

Изобретение относится к расходомеру для измерения расхода текучих сред в трубопроводе или подобном согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения, а также к отражателю, подходящему для такого расходомера.

В EP 2306160 A1 описан расходомер/дебитометр, у которого измерительная вставка вмещает ультразвуковой преобразователь, а также образует собственно измерительный канал. При этом через охватываемую фланцем выемку в участке трубы опускается образующее измерительный канал профилированное тело, которое влияет на течение в зоне измерения и на котором дополнительно предусмотрены отражатели измерительных сигналов.

Похожее решение представлено в EP 2386836 B1. Гидравлические условия внутри измерительного канала определяются вставкой в корпусе, которая может быть вставлена с торцевой стороны корпуса и которая также несет отражатели ультразвуковых сигналов, так что ультразвук выдается одним из ультразвуковых преобразователей и через отражатели отражается на другой, например, расположенный ниже по потоку, ультразвуковой преобразователь. Конечно, сигнал может проводиться и в противоположном направлении.

В EP 0890826 B1 описан расходомер, у которого также в области трубчатого участка корпуса измерительная вставка прикреплена к тангенциальному фланцу. Ультразвуковая энергия отклоняется спиралеобразно от нескольких отражающих поверхностей, закрепленных на дне, боковых стенках и крышке. Предусмотрено несколько пластиковых вставок для приема отражателей и их позиционирования с высокой точностью.

Недостатком таких решений является то, что из-за частиц, осадков и аналогичных компонентов в текучей среде на отражателе могут образовываться отложения, что может привести к снижению качества сигнала.

В этой связи задачей изобретения является разработать расходомер/дебитометр и отражатель, которые обеспечивают измерение с улучшенной точностью и улучшенным качеством сигнала.

В отношении расходомера эта задача решается признаками пункта 1 формулы изобретения, а в отношении отражателя -признаками дополнительного независимого пункта 9.

Предпочтительные усовершенствования изобретения являются объектом зависимых пунктов.

Отражатель, вставленный предпочтительно заподлицо, имеет отражающую поверхность, поверхностная структура которой сформирована так, чтобы отложения грязи, которые могли бы возникать, несмотря на уменьшенные турбулентность и отрывы потока, не предоставляют никаких подверженных воздействию площадей. При очень низком объемном расходе потока и тем самым низких скоростях течения грязевые отложения в форме осадков и/или других взвешенных частиц в текучей среде осаждается под действием силы тяжести на расположенную со стороны отражателя поперечную стенку измерительного канала, если указанная поперечная стенка расположена в направлении силы тяжести. Из-за характера поверхности отражателя отложения на нем почти невозможны, даже при низких скоростях течения, так что отражение измерительных сигналов и связанное с этим высокое качество сигнала является постоянно гарантированным. Чтобы еще лучше противодействовать отложениям, весь измерительный канал мог бы быть повернут вдоль оси направления потока, так что расположенная со стороны отражателя поперечная стенка не находится в направлении силы тяжести.

Согласно одному предпочтительному примеру осуществления изобретения, на удаленной от ультразвукового преобразователя поперечной стенке находится отражатель, который предпочтительно заподлицо введен в карман поперечной стенке. Благодаря такой вставке заподлицо отражателя/зеркала и/или датчиков/соединительных элементов в измерительный канал предотвращаются турбулентности и отрывы потока в области этих компонентов и, тем самым, связанные с ними грязевые отложения и вытекающие из этого искажения сигнала. Допустимо также расположить более одного отражателя в измерительном канале. Для удлинения пути сигнала и, тем самым, для повышения точности измерения можно также использовать три отражателя: два на противоположных датчикам поперечных стенках и один между датчиками, так что образуется W-образный путь сигнала.

Для улучшения стойкости к отложениям поверхностная структура предпочтительно является бионической. Такое выполнение является выгодной с точки зрения трения, износа, смазки, смачивания, самоочищения и противообрастания. Неожиданно было обнаружено, что по сравнению с гладкой поверхностью специально структурированная поверхность по биологической модели (бионика), достигает желаемых функций, таких как стойкость к отложениям, и при этом гарантирует также достаточное отражение. Поверхностная структура может быть также образована на покрытии отражателя.

Одним примером осуществления бионической поверхности является поверхность с эффектом акульей кожи (эффект микробороздок). Сформированная таким образом поверхность стойко снижает сопротивление в текучих средах и предотвращает отложения, а также обрастание организмами любого рода (противообрастание). Эффект акульей кожи вызывается, наряду с прочим, продольными микробороздками на поверхности. В идеале они выполнены в виде лезвий и перпендикулярны поверхности. Но и более просто осуществимая форма типа волнового (гребневидного) профиля приводит к желаемому эффекту. Соотношение между высотой продольных бороздок и расстоянием между ними зависит от скорости протекающей текучей среды и должно составлять от 0,4 до 0,9, в идеале в области 0,7, когда скорость течения составляет 5 м/с. В этом варианте осуществления высота (h) ребер равна 50 мкм, а расстояние (s) между бороздками 70 мкм.

Следующим примером осуществления бионической поверхности является поверхность с эффектом лотоса, то есть, поверхность, снабженная супергидрофобным слоем, на котором контактная поверхность текучей среды составляет всего несколько процентов от поверхности текучей среды. Этот эффект обеспечивается структурными возвышениями в бионической поверхности, которые не мешают отражению ультразвуковых волн.

Следующим подходящим вариантом бионической поверхности является поверхность с эффектом рисовых листьев, то есть на поверхности в направлении течения текучей среды размещены возвышения разной высоты. Они расположены поперек направления течения, причем одни возвышения имеют высоту, составляющую половину высоты других, и при одинаковом диаметре находятся друг от друга, если смотреть от центра одного возвышения к центру ближайшего возвышения, на расстоянии удвоенного диаметра.

В расходомере согласно изобретению боковые стенки измерительного канала, проходящие в направлении вертикальной оси (приблизительно в направлении передачи и приема ультразвуковых сигналов), являются куполообразными и образуют овальную форму с поперечными стенками, проходящими почти в направлении горизонтальной оси, почти плоскими или слегка выпукло изогнутыми. Неожиданно оказалось, что такая овальная геометрия обеспечивает оптимальное течение и, тем самым, соответствующее максимальное качество сигнала.

Описанные выше бионические поверхности оптимизированы в отношении их функции как отражателей ультразвука.

Предпочтительные варианты осуществления изобретения подробнее поясняются далее с помощью схематических чертежей. Показано:

Фиг. 1 пример осуществления расходомера с отражателем;

Фиг. 2 схематическое изображение отражателя;

Фиг. 3 схематически поверхностная структура с эффектом акульей кожи;

Фиг. 4 схематическое изображение поверхностного слоя, который создает эффект рисовых листьев;

Фиг. 5 схематическое изображение поверхностного слоя отражателя с комбинацией эффекта акульей кожи и рисовых листьев.

На фиг. 1 показан расходомер 1 в продольном сечении. На этой фигуре можно видеть два соединительных элемента 2, 4 с двумя датчиками 6, соответственно, 8. Они находятся в двух углублениях 10a, 10b. Соединительные поверхности 12 проходят заподлицо с периферийной стенкой (поперечная стенка 14 и примыкающие области боковых стенок 16) измерительного канала 18, который в этом примере осуществления образован трубчатым участком 20. Таким образом, часть фланца 22 образует поперечную стенку 14. Противоположная поперечная стенка 24 в этом примере осуществления образована с открытым наружу карманом 26, в который вставлен отражатель 28.

Фиг. 2 показывает один возможный пример осуществления отражателя 28 в измерительном канале 18 по фиг. 1. В такой конфигурации отражатель 28 запрессован в карман. Поэтому предусмотрена конструкция отражателя 28 с основной поверхностью 30. При другой вставочной форме указанная форма может быть выполнена иначе. Особенно важно, чтобы в случае основного материала отражателя 28 речь идет о материале, который хорошо отражает ультразвук. Здесь можно использовать, например, содержащую сталь или полимерную структуру, но допустим также любой другой материал, хорошо отражающий ультразвук. На этот основной материал наносят поверхностный слой 32. Поверхностный слой 32 является стойким к отложениям, что будет подробнее обсуждаться в связи со следующими фигурами.

Фиг. 3 схематически показывает, как можно сформировать поверхность с эффектом акульей кожи. На основной поверхности 34 создают продольные микробороздки 36. Эти продольные бороздки характеризуются одинаковой высотой h и шириной t. Расстояние s между ними также идентично по всей поверхности. Эти продольные микробороздки 36 могут быть созданы, например, путем механической обработки основного материала 34 или могут быть нанесены на основной материал 34 способом точного литья или литья под давлением. Вследствие филигранности структуры, волнистая структура 38 с такими же размерами может быть получена с меньшими затратами с точки зрения технологии производства. Бороздки не ограничивают отражение и стойкость к отложениям в волнистой структуре 38.

Фиг. 4 схематически показывает микроскопическое строение структуры рисового листа. Возникающий за счет этого эффект стойкости к отложениям обеспечивается этой структурой. При этом на поверхности образованы отдельные возвышения 40, 42. Малые возвышения 42 имеют высоту, например, равную половине высоты больших возвышений 40. Если смотреть в направлении течения, возвышения 40, 42 располагаются рядами рядом друг с другом, причем ряд высоких возвышений 40 всегда чередуется с рядом малых возвышений 42. Если не считать разной высоты, то указанные возвышения выполнены одинаково, так что диаметр D и расстояния P между ними идентичны.

Фиг. 5 представляет собой комбинацию двух фиг. 3 и 4. На этом изображении можно видеть волнистую структуру 38 эффекта акульей кожи в сочетании с возвышениями 40, 42, которые ответственны за эффект рисовых листьев. Здесь следует отметить, что это изображение имеют одинаковую высоту возвышения. Вариант с описанными выше возвышениями разной высоты не показан.

Оказалось, что вышеописанные покрытия или структурирование отражателя 28 способны при использовании предотвращать или по меньшей мере препятствовать возникновению отложений.

Описан расходомер с по меньшей мере двумя отстоящими друг от друга измерительными датчиками, предпочтительно ультразвуковыми датчиками, измерительные сигналы которых отражаются от отражателя, стойкого к отложениям.

Список позиций

1 расходомер 2 соединительный элемент 4 соединительный элемент 6 датчик 8 датчик 10 углубление 12 соединительная поверхность 14 поперечная стенка 16 боковая стенка 18 измерительный канал 20 трубчатый участок 22 фланец 24 поперечная стенка 26 карман 28 отражатель 30 основная поверхность 32 поверхностный слой 34 основная поверхность 36 продольные микробороздки 38 волнистая структура 40 большое возвышение 42 малое возвышение

Ультразвуковой расходомер содержит измерительный канал (18), который выполнен с возможностью использования в протекаемом текучей средой трубопроводе и в котором расположены по меньшей мере два ультразвуковых датчика (6, 8), причем на удаленной от ультразвуковых датчиков (6, 8) поперечной стенке (24) измерительного канала (18) расположен отражатель (28), причем отражатель (28) имеет стойкую к отложениям структуру поверхности, отличающийся тем, что указанная стойкость к отложениям отражателя (28) достигается благодаря бионической структуре. Технический результат - обеспечение стойкости к отложениям с одновременным достаточным отражением ультразвукового сигнала. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Ультразвуковой расходомер, содержащий измерительный канал (18), который выполнен с возможностью использования в протекаемом текучей средой трубопроводе и в котором расположены по меньшей мере два ультразвуковых датчика (6, 8), причем на удаленной от ультразвуковых датчиков (6, 8) поперечной стенке (24) измерительного канала (18) расположен отражатель (28), причем отражатель (28) имеет стойкую к отложениям структуру поверхности, отличающийся тем, что указанная стойкость к отложениям отражателя (28) достигается благодаря бионической структуре.

2. Расходомер по п.1, причем бионическая структура образует поверхность акульей кожи.

3. Расходомер по п.1, причем бионическая структура имеет эффект лотоса.

4. Расходомер по п.1, причем бионическая структура образует поверхность рисового листа.

5. Расходомер по одному из предыдущих пунктов, причем измерительный канал (18) имеет овальную форму.

6. Расходомер по одному из предыдущих пунктов, причем отражатель (28) заподлицо вставлен в измерительный канал (18) и/или в карман (26) измерительного канала.

7. Отражатель для ультразвукового расходомера (1) по п.1, имеющий стойкую к отложениям поверхность, отличающийся тем, что указанная стойкость к отложениям отражателя (28) обеспечена бионической структурой.