СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА Российский патент 2023 года по МПК G01F1/66 

Настоящее изобретение относится к системе измерения расхода для измерения расхода текучей среды в трубопроводе высокого давления, содержащей измерительный корпус, который имеет входной фланец, выходной фланец и канал для текучей среды, причем канал для текучей среды проходит между входным фланцем и выходным фланцем и имеет ось канала, ультразвуковое измерительное устройство, встроенное в измерительный корпус, и формирователь потока, расположенный выше по потоку от ультразвукового измерительного устройства в канале для текучей среды.

Во многих областях техники измерения должны выполняться при прохождении текучих сред, т.е., газов или жидкостей. Например, расходы проходящих текучих сред в трубопроводах или каналах могут быть определены с помощью способа ультразвукового измерения в соответствии с способом разности времени прохождения. Соответствующее ультразвуковое измерительное устройство и соответствующий способ описаны, например, в DE 10 2016 112 295 A1. Объемный расход текучей среды, проходящей по трубопроводу, может быть определен на основании расхода и поверхности поперечного сечения трубопровода или канала. Такие устройства для измерения объемного расхода часто используются в виде измерителей для определения количеств подачи и/или количеств потребления газов или жидкостей.

При таких измерениях, как правило, необходимо, чтобы профиль потока был как можно более однородным для обеспечения высокой точности измерений. Однако, на практике часто встречаются профили неоднородных или возмущенных потоков. Они могут быть снова изменены в направлении невозмущенных потоков с помощью формирователя потока. Известные формирователи потока могут иметь пластины, листовой металл, решетки, внутренние трубки и тому подобное.

Вследствие необходимой взаимозаменяемости измерительных устройств для измерительного корпуса часто предварительно определяется конкретная установочная длина. Распространенным параметром является, например, трехкратная номинальная ширина канала для текучей среды. В зависимости от своих рабочих характеристик формирователь потока занимает относительно большой участок осевой длины измерительного корпуса. Кроме того, ультразвуковое измерительное устройство также имеет относительно большую осевую длину, в частности, когда требуется высокая точность измерения. По этим причинам часто бывает трудно поддерживать заданную установочную длину.

Целью изобретения является описание системы измерения расхода, которая пригодна для высокого давления, и которая имеет высокую точность измерения и большой допуск относительно профилей возмущенных потоков, и которая, тем не менее, может быть выполнена с относительно короткой установочной длиной.

Цель достигнута за счет системы измерения расхода, имеющей признаки по п.1.

В соответствии с изобретением на выходном фланце предусмотрено расположение отверстий для крепежных средств, и проходящая в осевом направлении выходная область крепления измерительного корпуса определена длиной отверстий (предпочтительно, в частности, длиной, возможно, имеющегося очень длинного отверстия), причем ультразвуковое измерительное устройство имеет, по меньшей мере, одну траекторию измерения отражения, которая измеряется первым ультразвуковым преобразователем, отражателем и вторым ультразвуковым преобразователем и которая проходит в плоскости измерения через канал для текучей среды таким образом, что второй ультразвуковой преобразователь расположен ниже по потоку от первого ультразвукового преобразователя, причем второй ультразвуковой преобразователь, расположенный ниже по потоку, расположен в выходной области крепления или выступает в нее.

Образование траектории измерения отражения, т.е., "свернутой" траектории измерения, обеспечивает траекторию измерения, имеющую достаточную протяженность в направлении потока в небольшой области установки. Выходная область крепления занимает участок осевой длины измерительного корпуса, причем отверстия, в частности, должны быть сравнительно глубокими для применений высокого давления. Поскольку ультразвуковой преобразователь, расположенный ниже по потоку, расположен в выходной области крепления или выступает в нее, область, образованная для отверстий, и область, образованная для ультразвукового измерительного устройства, перекрываются таким образом, что приводит к уменьшению общей протяженности измерительного корпуса. Соответственно, формирователь потока может быть выполнен относительно длинным для заранее определенной общей длины для повышения устойчивости к помехам. Таким образом, система измерения расхода в соответствии с изобретением обеспечивает относительно высокую точность измерения несмотря на небольшую установочную длину даже при наличии профилей возмущенных потоков.

На входном фланце предпочтительно также предусмотрено расположение отверстий для крепежных средств. С использованием фланцев с отверстиями измерительный корпус может быть установлен герметичным способом в системе подачи текучей среды или тому подобной.

Выходная область крепления обычно имеет дискообразную форму. Второй ультразвуковой преобразователь, расположенный ниже по потоку, может быть, по меньшей мере, частично расположен в выходной области крепления между двумя соседними отверстиями. Равным образом, кабельный канал, который проходит от поверхности измерительного корпуса до второго ультразвукового преобразователя, расположенного ниже по потоку, может быть, по меньшей мере, секционно расположен между двумя соседними отверстиями.

Измерение траектории измерения отражения достигнуто, в частности, за счет ориентации отражателя, который выбран таким образом, что ультразвуковой сигнал, переданный первым ультразвуковым преобразователем или вторым ультразвуковым преобразователем, направляется на другой ультразвуковой преобразователь после отражения на отражателе. Первый ультразвуковой преобразователь не обязательно должен быть передатчиком, и второй ультразвуковой преобразователь не обязательно должен быть приемником. Скорее всего, направление сигнала также может быть обратным или двунаправленным.

Ультразвуковое измерительное устройство предпочтительно имеет, по меньшей мере, две траектории измерения отражения, причем каждая из траекторий измерения отражения измеряется первым ультразвуковым преобразователем, отражателем и вторым ультразвуковым преобразователем и проходит в плоскости измерения через канал для текучей среды таким образом, что второй ультразвуковой преобразователь расположен ниже по потоку от первого ультразвукового преобразователя. Таким образом, могут быть выполнены особенно надежные ультразвуковые измерения. Кроме того, появляется возможность обеспечения функции работы в аварийных условиях. Если одна из траекторий измерения отражения изменена, устройство может продолжать измерение с помощью другой траектории измерения отражения. Система измерения расхода предпочтительно выполнена с возможностью выдачи соответствующего предупреждающего сигнала в этом случае. Из-за недостатка места может быть обеспечено то, что каждый из вторых ультразвуковых преобразователей, расположенных ниже по потоку, расположен в выходной области крепления или выступает в нее.

В соответствии с вариантом осуществления изобретения, по меньшей мере, одна из плоскостей измерения, и предпочтительно каждая из плоскостей измерения, наклонена относительно перпендикулярной линии соответствующего отражателя, начиная от выравнивания по одной прямой, проходящего параллельно оси канала. Вследствие этого наклона плоскость измерения требует лишь небольшой области для установки в осевом направлении. Кроме того, поперечное сечение канала для текучей среды лучше закрывать траекториями измерения.

Наклон предпочтительно является достаточно сильным, что приводит к заметной экономии области в осевом направлении, но, с другой стороны, траектория измерения имеет достаточную составляющую в направлении потока. Конкретный вариант осуществления изобретения обеспечивает то, что угол наклона имеет величину, по меньшей мере, 5° и не более 60°, предпочтительно, по меньшей мере, 15° и не более 45°, и особенно предпочтительно, по меньшей мере, 25° и не более 35°.

Плоскости измерения траекторий измерения отражения могут быть наклонены в противоположных направлениях, предпочтительно на углы наклона равной величины. Это обеспечивает особенно компактную конструкцию. Перпендикулярная линия может проходить поперек оси канала. Другими словами, перпендикулярная линия может проходить под прямым углом к оси канала, но не обязательно должна пересекать ее. По меньшей мере, две траектории измерения отражения могут быть выполнены таким образом, что отражатели расположены напротив друг друга, по меньшей мере, если смотреть в осевой секущей плоскости.

Другой вариант осуществления изобретения обеспечивает то, что перпендикулярная линия расположена со смещением от оси канала, если смотреть в плоскости поперечного сечения канала для текучей среды. Другими словами, траектория измерения отражения может быть расположена со смещением относительно центра. Перпендикулярные линии отражателей двух траекторий измерения отражения могут быть, в частности, расположены со смещением от оси канала в противоположных направлениях, предпочтительно на одинаковое смещение. Таким образом, поперечное сечение канала для текучей среды относительно равномерно закрыто траекториями измерения ультразвукового измерительного устройства, что обеспечивает особенно точные и надежные измерения.

Измерительный корпус предпочтительно имеет длину, которая не более чем в три раза больше диаметра канала для текучей среды. Такое ограничение длины измерительного корпуса позволяет использовать систему измерения расхода в соответствии с изобретением в широком спектре общих систем. В случае канала для текучей среды, имеющего переменный диаметр, диаметр канала для текучей среды следует понимать как минимальный диаметр, максимальный диаметр или средний диаметр.

Формирователь потока предпочтительно выполнен, по меньшей мере, с тремя ступенями. Было показано, что во многих областях применения следует ожидать профили относительно сильно возмущенных потоков, так что только формирователь потока, имеющий, по меньшей мере, три ступени, обеспечивает достаточное формирование.

Конкретный вариант осуществления изобретения обеспечивает то, что формирователь потока содержит, по меньшей мере, одну втулку, которая является вращательно-симметричной относительно оси канала и которая имеет дугообразную область притока, и/или что формирователь потока содержит, по меньшей мере, один выпрямитель Спирмена, сотовый корпус, внутреннюю трубку и/или перфорированную пластину. Оказалось, что такие формирователи потока являются особенно мощными. Особенно предпочтительный вариант осуществления описывает устройство, содержащее втулку, выпрямитель Спирмена и перфорированную пластину в качестве формирователя потока. Формирователь потока может содержать, по меньшей мере, одну втулку, которая выполнена как в европейской заявке 20203266.0, поданной 22 октября 2020 года.

Другой вариант осуществления изобретения описывает то, что траектория измерения отражения, и предпочтительно каждая траектория измерения отражения, имеет угол отражения, по меньшей мере, 5° и не более 45°, предпочтительно, по меньшей мере, 10° и не более 30°. Было показано, что при таких углах отражения при минимальной осевой длине получается достаточно легко оцениваемый измерительный сигнал.

Другой вариант осуществления изобретения описывает то, что траектория измерения отражения, и предпочтительно каждая траектория измерения отражения, расположена полностью за окружающей областью оси канала, т.е., в частности, не контактирует с осью канала. Пересекающаяся траектория более благоприятна с технической точки зрения потока, чем центральная траектория. В частности, может быть оптимизировано закрытие поперечного сечения канала.

Измерительный корпус предпочтительно выполнен из стали и/или выполнен как одно целое. Это обеспечивает особенно устойчивую конструкцию и, в частности, позволяет использовать систему измерения расхода при применениях высокого давления.

Измерительный корпус, в частности, может быть приспособлен для давления текучей среды, по меньшей мере 0,5 бар и/или не более 110 бар.

Входной фланец и/или выходной фланец могут иметь номинальную ширину 40-200 мм. Другими словами, предпочтительно, чтобы система измерения расхода в соответствии с изобретением была пригодна для малых и средних номинальных величин ширины.

В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения, по меньшей мере, восемь отверстий, и предпочтительно ровно восемь отверстий, для крепежных средств образованы на выходном фланце и предпочтительно также на входном фланце, причем упомянутые отверстия расположены распределенными вокруг канала для текучей среды. Это обеспечивает безопасное для высокого давления соединение измерительного корпуса с трубопроводной системой.

Другие усовершенствования изобретения также можно видеть из зависимых пунктов формулы изобретения, из описания и из прилагаемых чертежей.

Фиг.1 перспективный вид системы измерения расхода в соответствии с изобретением;

фиг.2 - формирователь потока и ультразвуковое измерительное устройство системы измерения расхода, показанной на фиг.1;

фиг.3 - частично отделенный вид сбоку системы измерения расхода, показанной на фиг.1;

фиг.4 частично отделенный вид сверху системы измерения расхода, показанный на фиг.1; и

фиг.5 - вид сзади системы измерения расхода, показанной на фиг.1.

Система 11 измерения расхода, показанная на чертежах и выполненная в соответствии с вариантом осуществления изобретения, содержит измерительный корпус 13, который изготовлен из стали, который предпочтительно выполнен как одно целое и в котором канал 15 для текучей среды выполнен в виде центральной проходной втулки. В показанном варианте осуществления канал 15 для текучей среды имеет круглое поперечное сечение. Канал 15 для текучей среды является прямолинейным и образует ось 22 канала.

Для установки в систему трубопроводов для текучей среды, не показанную, измерительный корпус 13 имеет входной фланец 16 и выходной фланец 17. Входной фланец 16 и выходной фланец 17 могут, как показано, быть плоскими и могут проходить параллельно друг другу. На выходном фланце 17 предусмотрено расположение восьми отверстий 19 для крепежных средств, таких как винты. Проходящая в осевом направлении дискообразная выходная область 21 крепления измерительного корпуса 13 образована максимальной, предпочтительно одинаковой длиной отверстий 19, содержащих резьбы. На входном фланце 16 также предусмотрено расположение восьми отверстий 19, как можно видеть на фиг. 3 и 4. Для большей наглядности отверстия, образованные на входном фланце 16, были исключены на фиг.1 и 2.

Как видно на фиг.2, в канале 15 для текучей среды расположен формирователь 25 потока. Формирователь 25 потока выполнен с тремя ступенями, в котором три перфорированные пластины 27 показаны в качестве примера в виде ступеней на фиг.2. Однако, по меньшей мере, одна ступень, и предпочтительно конкретно одна ступень, формирователя 25 потока может быть выполнена в виде втулки, которая является вращательно- симметричной относительно оси 22 канала, и которая имеет дугообразную область притока. Кроме того, отдельные ступени или все ступени формирователя 25 потока могут быть выполнены в виде выпрямителя Спирмена, сотового корпуса или внутренней трубки.

Ниже по потоку от формирователя 25 потока в измерительном корпусе 13 расположено ультразвуковое измерительное устройство 29. Ультразвуковое измерительное устройство 29 имеет две траектории 31, 32 измерения отражения, каждая из которых измеряется первым ультразвуковым преобразователем 35, отражателем 36 и вторым ультразвуковым преобразователем 37. В соответствии с законом отражения траектории 31, 32 измерения отражения проходят в соответствующих плоскостях измерения через канал 15 для текучей среды. В связи с этим второй ультразвуковой преобразователь 37 в каждом случае расположен ниже по потоку от первого ультразвукового преобразователя 35 относительно фиксированного направления 38 потока. Первые ультразвуковые преобразователи 35 и вторые ультразвуковые преобразователи 37 находятся в сигнальном соединении с электронным устройством управления, которое не показано, которое выполнено с возможностью определения расхода текучей среды через канал 15 для текучей среды на основании сигналов датчика посредством известного способа времени прохождения с учетом эффекта Доплера. Первые ультразвуковые преобразователи 35 и вторые ультразвуковые преобразователи 37, обычно, могут представлять собой комбинации передатчика/приемника, то есть, траектории 31, 32 измерения отражения могут быть предусмотрены для двунаправленной передачи сигнала.

Так что траектории 31, 32 измерения отражения имеют осевую составляющую, с одной стороны, и занимают лишь небольшую осевую длину, с другой стороны, соединительные линии 39 (фиг.3), которые проходят между первым ультразвуковым преобразователем 35 и вторым ультразвуковым преобразователем 37, проходят наклонно к оси 22 канала, как, в частности, видно на фиг.3. Начиная от выравнивания по одной прямой, проходящего параллельно оси 2 канала, измерительные плоскости, в частности, наклонены относительно соответствующих перпендикулярных линий 41 отражателей 36, и действительно, на углы наклона равной величины в противоположных направлениях. В показанном варианте осуществления угол наклона составляет приблизительно 29° в каждом случае.

Можно видеть на фиг.4 и 5, что каждая из перпендикулярных линий 41 отражателей 36 проходит под прямым углом к оси 22 канала. Однако, как можно видеть на фиг.5, они расположены со смещением от оси 22 канала. Перпендикулярные линии 41 отражателей 36, в частности, расположены на одинаковом расстоянии от оси 22 канала в противоположных направлениях. Окружающая область 45 оси 22 канала здесь исключена. Угол отражения составляет приблизительно 17° для обоих траекторий 31, 32 измерения отражения.

Как можно видеть на фиг.3 и 4, два вторых ультразвуковых преобразователя 37, расположенных ниже по потоку, выступают в выходную область 21 крепления. В связи с этим, каждый из кабельных каналов 47, связанных со вторыми ультразвуковыми преобразователями 37, направлен между двумя отверстиями 19 через выходную область 21 крепления. Другими словами, область для установки в осевом направлении, занимаемая ультразвуковым измерительным устройством 29, перекрывается в осевом направлении с выходной областью 21 крепления. Таким образом, может быть уменьшена осевая установочная длина измерительного корпуса 13.

Поскольку вследствие расположения траекторий 31, 32 измерения отражения относительно большая область поперечного сечения канала 15 для текучей среды закрыта с технической точки зрения измерения, ультразвуковое измерение является особенно надежным. Было показано, что надежные и устойчивые к помехам измерения возможны даже с помощью системы 11 измерения расхода в соответствии с изобретением, когда входной фланец 16 и выходной фланец 17 выполнены как пригодные для высокого давления, и измерительный корпус 13 имеет длину, которая составляет не более чем в три раза больше диаметра канала 15 для текучей среды.

В общем, ультразвуковое измерительное устройство 29 может также содержать более двух траекторий 31, 32 измерения отражения или только одну траекторию измерения отражения. Кроме того, формирователь 25 потока также может быть, например, выполнен с одной ступенью, двумя ступенями, четырьмя ступенями или пятью ступенями. Кроме того, может быть образована траектория измерения, которая пересекает ось 22 канала в качестве центральной траектории. Кроме того, могут быть образованы траектории измерения отражения, имеющие разные углы отражения и/или разные углы наклона.

Список ссылочных позиций

11 - система измерения расхода

13 - измерительный корпус

15 - канал для текучей среды

16 - входной фланец

17 - выходной фланец

19 - отверстие

21 - выходная область крепления

22 - ось канала

25 - формирователь потока

27 - перфорированная пластина

29 - ультразвуковое измерительное устройство

31 - траектория измерения отражения

32 - траектория измерения отражения

35 - первый ультразвуковой преобразователь

36 - отражатель

37 - второй ультразвуковой преобразователь

39 - соединительная линия

41 - перпендикулярная линия

45 - окружающая область

47 - кабельный канал

Настоящее изобретение относится к системе измерения расхода для измерения расхода текучей среды в трубопроводе высокого давления Система измерения расхода содержит измерительный корпус, который имеет входной фланец, выходной фланец и канал для текучей среды, причем канал для текучей среды имеет ось канала, ультразвуковое измерительное устройство, встроенное в измерительный корпус, и формирователь потока, расположенный выше по потоку от ультразвукового измерительного устройства в канале для текучей среды. На выходном фланце предусмотрено расположение отверстий для крепежных средств, причем проходящая в осевом направлении выходная область крепления измерительного корпуса образована длиной отверстий. Ультразвуковое измерительное устройство имеет по меньшей мере одну траекторию измерения отражения, которая измеряется первым ультразвуковым преобразователем, отражателем и вторым ультразвуковым преобразователем и которая проходит в плоскости измерения через канал для текучей среды таким образом, что второй ультразвуковой преобразователь расположен ниже по потоку от первого ультразвукового преобразователя. Второй ультразвуковой преобразователь, расположенный ниже по потоку, расположен в выходной области крепления или выступает в нее. Технический результат – обеспечение относительно высокой точности измерения и большого допуска относительно профилей возмущенных потоков при относительно короткой установочной длине устройства. 14 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Система (11) измерения расхода для измерения расхода текучей среды в трубопроводе высокого давления, содержащая

измерительный корпус (13), который имеет входной фланец (16), выходной фланец (17) и канал (15) для текучей среды, причем канал (15) для текучей среды проходит между входным фланцем (16) и выходным фланцем (17) и имеет ось (22) канала;

ультразвуковое измерительное устройство (29), встроенное в измерительный корпус (13); и

формирователь (25) потока, расположенный выше по потоку от ультразвукового измерительного устройства (29) в канале (15) для текучей среды,

причем на выходном фланце (17) предусмотрено расположение отверстий (19) для крепежных средств и проходящая в осевом направлении выходная область (21) крепления измерительного корпуса (13) определена длиной отверстий (19),

причем ультразвуковое измерительное устройство (29) имеет по меньшей мере одну траекторию (31, 32) измерения отражения, которая измеряется первым ультразвуковым преобразователем (35), отражателем (36) и вторым ультразвуковым преобразователем (37) и которая проходит в плоскости измерения через канал (15) для текучей среды таким образом, что второй ультразвуковой преобразователь (37) расположен ниже по потоку от первого ультразвукового преобразователя (35), причем второй ультразвуковой преобразователь (37), расположенный ниже по потоку, расположен в выходной области (21) крепления или выступает в нее.

2. Система измерения расхода по п.1, в которой ультразвуковое измерительное устройство (29) содержит по меньшей мере две траектории (31, 32) измерения отражения, причем каждая из траекторий (31, 32) измерения отражения измеряется первым ультразвуковым преобразователем (35), отражателем (36) и вторым ультразвуковым преобразователем (37) и проходит в плоскости измерения через канал (15) для текучей среды таким образом, что второй ультразвуковой преобразователь (37) расположен ниже по потоку от первого ультразвукового преобразователя (35).

3. Система измерения расхода по п.2, в которой в одной из плоскостей измерения и предпочтительно в каждой из плоскостей измерения соединительная линия (39), проходящая между первым ультразвуковым преобразователем (35) и вторым ультразвуковым преобразователем (37), проходит наклонно к оси (22) канала.

4. Система измерения расхода по п.2 или 3, в которой по меньшей мере одна из плоскостей измерения и предпочтительно каждая из плоскостей измерения наклонена относительно перпендикулярной линии (41) соответствующего отражателя (36), начиная от выравнивания по одной прямой, проходящего параллельно оси (22) канала.

5. Система измерения расхода по п.4, в которой угол наклона имеет величину по меньшей мере 5° и не более 60°, предпочтительно по меньшей мере 15° и не более 45° и особенно предпочтительно по меньшей мере 25° и не более 35°.

6. Система измерения расхода по п.4 или 5, в которой плоскости измерения траекторий (31, 32) измерения отражения наклонены в противоположных направлениях, предпочтительно на углы наклона одинаковой величины.

7. Система измерения расхода по любому из пп.4-6, в которой перпендикулярная линия (41) расположена со смещением от оси (22) канала, если смотреть в плоскости поперечного сечения канала (15) для текучей среды.

8. Система измерения расхода по любому из предыдущих пунктов, в которой измерительный корпус (13) имеет длину, которая составляет самое большое в три раза больше диаметра канала (15) для текучей среды.

9. Система измерения расхода по любому из предыдущих пунктов, в которой формирователь (25) потока выполнен с по меньшей мере тремя ступенями.

10. Система измерения расхода по любому из предыдущих пунктов, в которой формирователь (25) потока имеет по меньшей мере одну втулку, которая является вращательно-симметричной относительно оси (22) канала и которая имеет дугообразную область притока,

и/или в которой формирователь (25) потока содержит по меньшей мере один выпрямитель Спирмена, сотовый корпус, внутреннюю трубку и/или перфорированную пластину (27).

11. Система измерения расхода по любому из предыдущих пунктов, в которой траектория (31, 32) измерения отражения и предпочтительно каждая траектория (31, 32) измерения отражения имеет угол отражения по меньшей мере 5° и не более 45°, предпочтительно по меньшей мере 10° и не более 30°.

12. Система измерения расхода по любому из предыдущих пунктов, в которой траектория (31, 32) измерения отражения и предпочтительно каждая траектория (31, 32) измерения отражения расположена полностью снаружи окружающей области (45) оси (22) канала.

13. Система измерения расхода по любому из предыдущих пунктов, в которой измерительный корпус (13) изготовлен из стали и/или выполнен как одно целое.

14. Система измерения расхода по любому из предыдущих пунктов, в которой измерительный корпус (13) приспособлен для давления текучей среды по меньшей мере 0,5 бар и/или не более 110 бар.

15. Система измерения расхода по любому из предыдущих пунктов, в которой по меньшей мере восемь отверстий (19) и предпочтительно ровно восемь отверстий (19) для крепежных средств образованы на выходном фланце (17) и предпочтительно также на входном фланце (16), причем упомянутые отверстия (19) расположены распределенными вокруг канала (15) для текучей среды.