Ультразвуковой волновод
Использование: для измерения параметров потока различных текучих сред. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для согласования ультразвуковых сигналов содержит трубу, имеющую первый ультразвуковой волновод и второй ультразвуковой волновод, проходящие в трубу так, что ультразвуковые преобразователи, подсоединенные к концам ультразвуковых волноводов, передают ультразвуковые сигналы через ультразвуковые волноводы непосредственно через текучую среду, проходящую через трубу. Технический результат: повышение качества передаваемого ультразвукового сигнала через текучую среду в трубопроводе и, как следствие, повышение точности измерения скорости потока текучей среды. 3 н. и 16 з.п. ф-лы, 6 ил.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0001] Настоящее изобретение в целом относится к измерению ультразвукового потока, а более конкретно к узлу ультразвуковых волноводов, применяемому при измерении потока.
[0002] Измерители ультразвукового потока используются для определения скорости потока различных текучих сред (например, жидкостей, газов и т.д.) и комбинаций различных текучих сред, протекающих через трубы различных размеров и форм. В измерителях ультразвукового потока одного типа используется способ, основанный на времени распространения. В этом способе используют одну или несколько пар ультразвуковых преобразователей, прикрепленных к наружной поверхности стенки трубы и расположенных выше и ниже по потоку друг от друга. Каждый из преобразователей, при подаче на него питания, передает ультразвуковой сигнал через протекающую текучую среду, который детектируется другим ультразвуковым преобразователем указанной пары. Скорость текучей среды, протекающей в трубе, может быть вычислена как функция дифференциального времени распространения ультразвуковых сигналов между (1) ультразвуковым сигналом, проходящим вверх против направления потока текучей среды от расположенного ниже по потоку ультразвукового преобразователя к расположенному выше по потоку ультразвуковому преобразователю, и (2) сигналом, проходящим вниз с направлением потока текучей среды от расположенного выше по потоку ультразвукового преобразователя к расположенному ниже по потоку ультразвуковому преобразователю.
[0003] Пара(ы) преобразователей может(гут) быть установлена(ы) на трубе в различных относительных местах, например, пары преобразователей могут быть расположены на противоположных сторонах трубы, т.е. диаметрально противоположны так, что прямая линия, соединяющая преобразователи, проходит через ось трубы, или они могут быть расположены рядом друг с другом на одной и той же стороне трубы. В диаметральном примере ультразвуковой сигнал, передаваемый от одного из преобразователей пары преобразователей, не отражается от внутренней поверхности трубы, прежде чем он детектируется другим преобразователем пары. В последнем примере соседних преобразователей ультразвуковой сигнал, передаваемый от одного из преобразователей пары преобразователей, отражается от внутренней поверхности трубы, прежде чем он детектируется другим преобразователем пары.
[0004] В некоторых применениях трубы, к которым присоединены ультразвуковые расходомеры, переносят текучие среды так, что стенки труб достигают относительно высоких температур, или трубы могут переносить текучие среды так, что стенки труб достигают относительно низких температур. Постоянное воздействие экстремальных температур приводит к тепловым напряжениям, снижающим срок службы преобразователя. Волновод, присоединенный между ультразвуковым преобразователем и трубой, способствует предотвращению повреждения пьезоэлектрического материала экстремальными температурами. Однако качество сигнала может снижаться из-за плохой акустической связи между волноводом и стенкой трубы, что вызвано, например, использованием способов ручных временных креплений или плохой акустической связи между точкой запуска ультразвуковых сигналов в текучую среду, проходящую через трубу, из-за скопления загрязняющих веществ в точке запуска, или ухудшением характеристик пьезоэлектрического материала в преобразователе, из-за воздействия неблагоприятных условий, таких как экстремальные температуры.
[0005] Обсуждение выше приведено лишь для общей информации и не предназначено для использования в качестве помощи в определении объема заявленного предмета изобретения.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0006] Описано устройство для согласования ультразвуковых сигналов, которое содержит первый и второй ультразвуковые волноводы, проходящие в трубу так, что ультразвуковые преобразователи, подсоединенные к концам ультразвуковых волноводов, передают ультразвуковые сигналы непосредственно в текучую среду, проходящую через трубу. При такой конфигурации ультразвуковые преобразователи не находятся в непосредственном контакте с трубой или текучей средой и поэтому не подвергаются непосредственному воздействию экстремальных температур текучей среды и трубы. Одна сторона ультразвукового волновода испытывает непосредственный теплоперенос от трубы и текучей среды, тогда как другая сторона волновода акустически соединена с ультразвуковым преобразователем. Волновод действует как теплоизоляционный буфер и помогает защитить пьезоэлектрический материал в ультразвуковом преобразователе от воздействия экстремальных температур, воздействующих на текучую среду, проходящую через трубу. Ультразвуковой волновод обычно изготавливают из металла и акустически соединяют непосредственно с текучей средой благодаря тому, что он проходит в трубу. Преимущество, которое может быть получено на практике от использования некоторых раскрытых вариантов выполнения устройства для согласования ультразвуковых сигналов, представляет собой повышенную точность измерения скорости потока текучей среды и, следовательно, объема текучей среды, протекающей через трубу.
[0007] В одном варианте выполнения узел ультразвуковых волноводов содержит трубу, имеющую внешнюю поверхность, внутреннюю поверхность и ось. Внутренняя поверхность определяет внутренний диаметр трубы, которая может содержать протекающую через нее текучую среду. Ультразвуковой волновод проходит в трубу в первом месте таким образом, что он находится в непосредственном контакте с текучей средой. Ультразвуковой преобразователь выполнен с возможностью акустического соединения с ультразвуковым волноводом. Другой ультразвуковой волновод проходит в трубу в другом месте, например, так, что он тоже находится в непосредственном контакте с текучей средой. Другой ультразвуковой преобразователь выполнен с возможностью акустического соединения с этим ультразвуковым волноводом.
[0008] В другом варианте выполнения узел ультразвуковых волноводов содержит трубу, имеющую внешнюю поверхность, внутреннюю поверхность и ось. Внутренняя поверхность определяет внутренний диаметр трубы, которая может содержать протекающую через нее текучую среду. Ультразвуковой волновод проходит в трубу в первом месте таким образом, что он находится в непосредственном контакте с текучей средой. Ультразвуковой волновод имеет длину, ширину и ось. Ультразвуковой волновод проходит в трубу таким образом, что его ось образует острый угол с осью трубы. Длина волновода больше, чем его ширина, при этом ультразвуковой преобразователь выполнен с возможностью акустического соединения с ультразвуковым волноводом. Другой ультразвуковой волновод проходит в трубу в другом месте так, что он также находится в непосредственном контакте с текучей средой. Указанный другой ультразвуковой волновод также имеет длину, ширину и ось, так что его ось образует острый угол с осью трубы. Его длина также больше его ширины. Другой ультразвуковой преобразователь выполнен с возможностью акустического соединения с этим ультразвуковым волноводом, а оси волноводов коллинеарны.
[0009] В другом варианте выполнения узел ультразвуковых волноводов содержит трубу, имеющую внешнюю поверхность, внутреннюю поверхность и ось. Внутренняя поверхность определяет внутренний диаметр трубы, которая может содержать протекающую через нее текучую среду. Ультразвуковой волновод проникает в трубу и выступает в текучую среду. Ультразвуковой волновод имеет длину, толщину и ось. Ультразвуковой волновод проходит в трубу таким образом, что его ось образует острый угол с осью трубы. Его длина больше, чем его толщина, причем ультразвуковой преобразователь выполнен с возможностью акустического соединения с ультразвуковым волноводом. Другой ультразвуковой волновод проходит в трубу и выступает в текучую среду. Он также имеет длину, толщину и ось, при этом он также проходит в трубу таким образом, что его ось образует острый угол с осью трубы. Его длина больше, чем его толщина, а другой ультразвуковой преобразователь выполнен с возможностью акустического соединения с ним.
[0010] Эта сущность изобретения предназначена только для предоставления краткого обзора изобретения, раскрытого в настоящем документе, в соответствии с одним или несколькими иллюстративными вариантами выполнения, и не служит в качестве руководства для интерпретации формулы изобретения или определения или ограничения объема изобретения, который определяется только прилагаемой формулой изобретения. Сущность изобретения приведена для иллюстративного выбора концепций в упрощенной форме, которые дополнительно описаны ниже в подробном описании. Сущность изобретения не предназначена ни для определения ключевых или существенных признаков заявленного объекта изобретения, ни для использования в качестве помощи в определении объема заявленного предмета изобретения. Заявленное изобретение не ограничивается реализациями, которые решают любые или все недостатки, отмеченные в разделе «Предпосылки Создания Изобретения».
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0011] Для того чтобы обеспечить понимание признаков изобретения, подробное описание изобретения может быть приведено со ссылкой на некоторые варианты выполнения, некоторые из которых проиллюстрированы на прилагаемых чертежах. Следует отметить, однако, что чертежи иллюстрируют только конкретные варианты выполнения настоящего изобретения и поэтому не должны рассматриваться как ограничивающие его объем, причем объем изобретения охватывает другие в равной степени эффективные варианты выполнения. Чертежи не обязательно выполнены в масштабе, при этом акцент, как правило, делается на иллюстрацию признаков конкретных вариантах выполнения настоящего изобретения. На чертежах одинаковые номера позиций используются для обозначения аналогичных частей на различных видах. Таким образом, для дальнейшего понимания изобретения ссылка может быть сделана на последующее подробное описание, которое следует читать совместно с чертежами, на которых:
[0012] Фиг. 1 представляет собой вид спереди иллюстративного диаметрального узла ультразвуковых волноводов;
[0013] Фиг. 2 представляет собой вид сбоку иллюстративного диаметрального узла ультразвуковых волноводов, показанного на Фиг. 1;
[0014] Фиг. 3 представляет собой вид спереди иллюстративного хордального узла ультразвуковых волноводов;
[0015] Фиг. 4 представляет собой вид сбоку иллюстративного хордального узла ультразвуковых волноводов, показанного на Фиг. 3;
[0016] Фиг. 5 представляет собой вид сбоку иллюстративного диаметрального узла выступающих ультразвуковых волноводов; и
[0017] Фиг. 6 представляет собой вид сбоку иллюстративного хордального узла выступающих ультразвуковых волноводов.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0018] Фиг. 1 и Фиг. 2 иллюстрируют соответственно вид спереди и вид сбоку одного варианта выполнения узла 100 ультразвуковых волноводов, в котором ультразвуковые преобразователи 101, 103 прикреплены соответственно к ультразвуковым волноводам 102, 104, которые, в свою очередь, проходят в трубу 120 и прикреплены к ней, при этом труба 120 переносит текучую среду, протекающую в направлении 121, показанную на виде спереди на Фиг. 1 как протекающую слева направо, причем направление 121 по существу параллельно оси 122 трубы 120. Каждый из ультразвуковых преобразователей 101, 103 способен передавать друг другу ультразвуковые сигналы, которые проходят вдоль соответствующих сегментов 151, 152, 153 пути ультразвукового сигнала. Каждый из ультразвуковых преобразователей выполнен с возможностью излучения ультразвуковых сигналов и детектирования ультразвуковых сигналов. Например, когда преобразователь 101 излучает ультразвуковой сигнал, последний проходит вдоль соответствующего сегмента 151 пути ультразвукового сигнала через ультразвуковой волновод 102, затем преломляется вдоль соответствующего сегмента 152 пути ультразвукового сигнала текучей средой, проходящей через трубу 120, затем преломляются ультразвуковым волноводом 104 вдоль соответствующего сегмента 153 пути ультразвукового сигнала через ультразвуковой волновод 104, в результате чего ультразвуковой сигнал, излучаемый преобразователем 101, детектируется преобразователем 103.
[0019] Аналогично, когда преобразователь 103 излучает ультразвуковой сигнал, он проходит вдоль соответствующего сегмента 153 пути ультразвукового сигнала через ультразвуковой волновод 104, затем преломляется вдоль соответствующего сегмента 152 пути ультразвукового сигнала текучей средой, проходящей через трубу 120, затем преломляется ультразвуковым волноводом 102 вдоль соответствующего сегмента 151 пути ультразвукового сигнала через ультразвуковой волновод 102, в результате чего ультразвуковой сигнал, излучаемый преобразователем 103, детектируется преобразователем 101. В одном варианте выполнения ультразвуковые волноводы 102, 104 помещают в отверстия в трубе 120 и приваривают для обеспечения высокого качества акустического контакта между волноводами 102, 104 и текучей средой, проходящей через трубу 120. Волноводы 202, 204 также могут быть помещены в трубу 120 с помощью зажимов. В любом из этих вариантов выполнения волноводы 102, 104 могут быть изготовлены из того же самого материала, что и труба 120, или из другого материала. Волноводы 102, 104 могут быть выполнены с трубой 120 как одно целое с использованием того же самого материала, что и труба 120, в процессе изготовления на основе экструзии, или они могут быть отформованы в трубу 120, используя тот же самый материал, что и труба, в процессе изготовления отливкой в форму.
[0020] В варианте выполнения, показанном на Фиг. 1 и Фиг. 2, каждый ультразвуковой волновод 102, 104 в форме параллелограмма имеет верхний конец 142, нижний конец 144 и длину 116, измеренную от одного конца до другого конца волноводов 102, 104, как показано на Фиг. 1. Ультразвуковые преобразователи 101, 103 прикреплены к верхним концам 142 соответственно волноводов 102, 104, противоположным нижним концам 144 волновода, которые проходят в трубу 120. Каждый волновод 102, 104 также имеет ширину 115 и толщину 117, каждая из которых меньше, чем длина ультразвукового волновода 116. Волноводы 102, 104 не ограничиваются формой параллелограмма или одинаковым размером, как показано на Фиг. 1-2, а также могут иметь ромбовидную или трапециевидную форму. В одном варианте выполнения, описанном в настоящем документе, верхний конец 142 и нижний конец 144 параллельны. Каждый волновод 102, 104 также проходит в трубу 120 через ее наружную поверхность 140 и через внутреннюю поверхность 141 таким образом, что волноводы 102, 104 непосредственно контактируют с текучей средой, протекающей через внутренний диаметр 130 трубы 120.
[0021] Как показано на Фиг. 1 и Фиг. 2, нижний конец 144 каждого из волноводов 102, 104 оканчивается заподлицо с внутренней поверхностью 141 трубы 120. В одном варианте выполнения нижние концы 144 ультразвуковых волноводов 102, 104 имеют форму, соответствующую кривизне внутренней поверхности 141 трубы 120, когда волноводы 102, 104 используются в «не-выступающем» варианте выполнения. Следует отметить, что волноводы 102, 104 могут, в качестве альтернативы, выступать внутрь трубы 120 (Фиг. 5). Это может быть выгодным в некоторых приложениях, когда на внутренней поверхности 141 трубы 120 образуются отложения, вызванные протекающей через нее текучей средой, так что на сторонах волноводов 102, 104, которые проходят в трубу 120, не накапливаются такие отложения. Соотношение сигнал / шум ультразвуковых сигналов может быть также улучшено путем перемещения конца волноводов 102, 104 дальше в текучую среду, протекающую через трубу 120. Каждый волновод 102, 104 проходит в трубу 120 под острым углом 161, образованным между осью 122 трубы и осью волноводов 102, 104, которые коллинеарны друг другу и соответствующему сегменту 152 пути ультразвукового сигнала. Соответствующий сегмент 152 пути ультразвукового сигнал используется в настоящем документе, чтобы также показывать оси волноводов 102, 104.
[0022] В варианте выполнения, показанном на Фиг. 1 и Фиг. 2, волноводы 102, 104 расположены в диаметральной конфигурации. Таким образом, волноводы 102, 104 отстоят друг от друга на 180°, как определяется углом 160, образованным средней точкой места, в котором волновод 102 проходит в трубу 120, центральной осью 122 трубы и средней точкой места, в котором волновод 104 проходит в трубу 120. В одном варианте выполнения волноводы 102, 104 выполнены из того же материала, что и труба 120, такого как углеродистая сталь, нержавеющая сталь или титан. Ультразвуковые преобразователи 101, 103 могут содержать ультразвуковые преобразователи продольных волн и ультразвуковые преобразователи поперечных волн. Таким образом, преобразователи 101, 103 могут содержать ультразвуковые преобразователи, установленные на клине для индукции преломления поперечной волны между материалом клина и волноводами соответственно 102, 104. В любом случае соответствующие сегменты 151, 153 пути ультразвукового сигнала иллюстрируют передаваемые таким образом ультразвуковые сигналы.
[0023] Толщина трубы 120, как правило, находится в диапазоне от приблизительно 3 мм до 10 мм, а толщина 117 волноводов 102, 104 может варьироваться от приблизительно 6 мм до 13 мм. Каждый из преобразователей 101, 103 электронными средствами соединен с ультразвуковой системой обработки (не показана), которая управляет ультразвуковыми сигналами, излучаемыми преобразователями 101, 103, и обрабатывает ультразвуковые сигналы, принимаемые преобразователями 101, 103. Длительность между излучением преобразователем 101, излучающим ультразвуковой сигнал, и детектированием преобразователем 103 ультразвукового сигнала, и наоборот, измеряется с помощью ультразвуковой системы обработки и упоминается в данном документе как измерение времени пролета.
[0024] Как описано выше, измеренное время пролета для ультразвукового сигнала, проходящего от преобразователя 101 к преобразователю 103, будет короче, чем измеренное время пролета для ультразвукового сигнала, проходящего от преобразователя 103 к преобразователю 101 до тех пор, пока во время измерения времени пролета текучая среда перемещается по трубе 120 в направлении 121. Это происходит потому, что текучая среда, проходящая через трубу 120, представляет собой переносящую ультразвук среду. Таким образом, ультразвуковые сигналы, проходящие через текучую среду в направлении вниз по потоку, например, от преобразователя 101 к преобразователю 103, проходят быстрее, чем ультразвуковые сигналы, проходящие через текучую среду в направлении вверх по потоку, например, от преобразователя 103 к преобразователю 101. Ультразвуковая система обработки определяет это дифференциальное измеренное время пролета для определения скорости потока текучей среды через трубу 120 в направлении 121. Чем быстрее текучая среда протекает через трубу 120, тем детектируется большая временная разница. Точное соответствие определяется между скоростью потока и величиной дифференциального измеренного времени пролета и как используется ультразвуковой системой обработки для определения скорости потока. Некоторые из факторов, которые влияют на измерение времени пролета, включают материалы, используемые для трубы 120 и волновода 102, 104, физические размеры трубы 120 и волновода 102, 104, и тип текучей среды, проходящей через трубу 120. В такой конфигурации, как показано на Фиг. 1 и Фиг. 2, преобразователи могут быть заменены без необходимости отключения систем подачи текучей среды, которые используют трубу 120.
[0025] На Фиг. 3 и Фиг. 4 проиллюстрированы соответственно вид спереди и вид сбоку одного варианта выполнения узла 200 ультразвуковых волноводов, в котором ультразвуковые преобразователи 201, 203 прикреплены к ультразвуковым волноводам соответственно 202, 204, которые, в свою очередь, проходят в трубу 220 и прикреплены к ней, при этом по трубе протекает текучая среда, проходящая через нее в направлении 221, показанная как проходящая слева направо на виде спереди на Фиг. 3, на котором направление 221 показано по существу параллельным оси 222 трубы 220. Каждый преобразователь 201, 203 выполнен с возможностью передачи друг другу ультразвуковых сигналов, которые проходят вдоль соответствующих сегментов 251, 252, 253 пути ультразвукового сигнала. Каждый из ультразвуковых преобразователей выполнен с возможностью излучения ультразвуковых сигналов и детектирования ультразвуковых сигналов. Например, когда преобразователь 201 излучает ультразвуковой сигнал, последний проходит вдоль соответствующего сегмента 251 пути ультразвукового сигнала через волновод 202. Сигнал затем преломляется вдоль соответствующего сегмента 252 пути ультразвукового сигнала текучей средой, проходящей через трубу 220. Затем ультразвуковой сигнал преломляется посредством волновода 204 вдоль соответствующего сегмента 253 пути ультразвукового сигнала посредством волновода 204, в результате чего ультразвуковой сигнал, излучаемый преобразователем 201, детектируется преобразователем 203.
[0026] Аналогично, когда преобразователь 203 излучает ультразвуковой сигнал, последний проходит вдоль соответствующего сегмента 253 пути ультразвукового сигнала через волновод 204. Ультразвуковой сигнал затем преломляется вдоль соответствующего сегмента 252 пути ультразвукового сигнала посредством текучей среды, проходящей через трубу 220. Ультразвуковой сигнал затем преломляется посредством волновода 202 вдоль соответствующего сегмента 251 пути ультразвукового сигнала посредством волновода 202, в результате чего ультразвуковой сигнал, излучаемый преобразователем 203, детектируется преобразователем 201. В одном варианте выполнения волноводы 202, 204 помещены в отверстие, проходящее через трубу 220, и приварены там для обеспечения высокого качества акустического контакта между волноводами 202, 204 и текучей средой, проходящей через трубу 220. Волноводы 202, 204 также могут быть помещены в трубу 120 с помощью зажимов. В любом из этих вариантов выполнения волноводы 202, 204 могут быть изготовлены из того же самого или другого материала, что и труба 220. Волноводы 202, 204 могут быть выполнены как одно целое с использованием того же самого материала, что и труба 220, в процессе изготовления на основе экструзии, или они могут быть отформованы в трубу 220, используя тот же самый материал, что и труба, в процессе изготовления отливкой в форму.
[0027] В варианте выполнения, показанном на Фиг. 3 и Фиг. 4, каждый ультразвуковой волновод 202, 204 в форме параллелограмма имеет верхний конец 242, нижний конец 244 и длину 216, измеренную от одного конца до другого конца волноводов соответственно 202, 204, противоположного нижним концам 244 волновода, которые проходят в трубу 220. Каждый волновод 202, 204 также имеет ширину 215 и толщину 217, каждая из которых меньше, чем длина волновода 216. Ультразвуковые волноводы 202, 204 не ограничиваются формой параллелограмма или одинаковым размером, как показано на Фиг. 3-4, а также могут иметь ромбовидную или трапециевидную форму, причем каждый из них может иметь разные размеры. В одном варианте выполнения, описанном в настоящем документе, верхний конец 242 и нижний конец 244 параллельны. Каждый волновод 202, 204 также проходит через наружную поверхность 240 трубы 220 и через внутреннюю поверхность 241 трубы 220 таким образом, что волноводы 202, 204 непосредственно контактируют с текучей средой, протекающей через внутренний диаметр 230 трубы 220.
[0028] Как показано на виде сбоку на Фиг. 4, боковая сторона каждого из волноводов 202, 204, оканчивается заподлицо с внутренней поверхностью 241 трубы 220. В одном варианте выполнения нижние концы 244 волноводов 202, 204 имеют форму, соответствующую кривизне внутренней поверхности 241 трубы 220, когда волноводы 202, 204 используются в «не-выступающем» варианте выполнения. Ультразвуковые волноводы 202, 204 могут, в качестве альтернативы, выступать внутрь трубы 220 (Фиг. 6). Это может быть выгодным в некоторых приложениях, когда на внутренней поверхности 241 трубы 220 образуются отложения, вызванные протекающей через нее текучей средой, так что на сторонах волноводов 202, 204, проходящих в трубу 220, не накапливаются такие отложения. Соотношение сигнал / шум ультразвуковых сигналов может быть также улучшено путем перемещения конца волноводов 202, 204 дальше в текучую среду, протекающую в трубе 220. Каждый волновод 202, 204 проходит в трубу 220 под острым углом 261, образованным между осью 222 трубы и осью волноводов 202, 204, коллинеарных друг другу и соответствующему сегменту 252 пути сигнала. Соответствующий сегмент 252 пути ультразвукового сигнал используется в настоящем документе, чтобы также представлять собой оси волноводов 202, 204.
[0029] В варианте выполнения, показанном на Фиг. 3 и Фиг. 4, ультразвуковые волноводы 202, 204 расположены в хордальной конфигурации. Таким образом, волноводы 202, 204 отстоят друг от друга менее чем на 180°, как определяется углом, образованным в средней точке места, в котором волновод 202 проходит в трубу 220, центральной осью 222 трубы и местом, в котором волновод 204 проходит в трубу 220. Таким образом, легко отличить разницу между диаметральной конфигурацией, изображенной на Фиг. 1 и Фиг. 2, описанной выше, и хордальной конфигурацией, изображенной на Фиг. 3 и Фиг. 4. В одном варианте выполнения волноводы 202, 204 выполнены из того же материала, что и труба 220, такого как углеродистая сталь, нержавеющая сталь или титан. Преобразователи 201, 203 могут представлять собой ультразвуковые преобразователи продольных волн и ультразвуковые преобразователи поперечных волн. Таким образом, преобразователи 201, 203 могут содержать ультразвуковые преобразователи, установленные на клине для индукции преломления поперечной волны между материалом клина и ультразвуковыми волноводами соответственно 202, 204. В любом случае соответствующие сегменты 251, 253 пути ультразвукового сигнала иллюстрируют передаваемые таким образом ультразвуковые сигналы.
[0030] Толщина трубы 220, как правило, находится в диапазоне от приблизительно 3 мм до 10 мм, а толщина 217 волноводов 202, 204 может варьироваться от приблизительно 6 мм до 13 мм. Каждый из преобразователей 201, 203 электронными средствами соединен с ультразвуковой системой обработки (не показана), которая управляет ультразвуковыми сигналами, излучаемыми преобразователями 201, 203, и обрабатывает ультразвуковые сигналы, принимаемые преобразователями 201, 203. Измерение времени пролета между преобразователем 201, излучающим ультразвуковой сигнал, и преобразователем 203, детектирующим ультразвуковой сигнал, и наоборот, измеряется с помощью ультразвуковой системы обработки.
[0031] Как описано выше, измеренное время пролета для ультразвукового сигнала, проходящего от преобразователя 201 к преобразователю 203, будет меньше, чем измеренное время пролета для ультразвукового сигнала, проходящего от преобразователя 203 к преобразователю 201 до тех пор, пока во время измерения времени пролета текучая среда перемещается по трубе 220 в направлении 221. Это происходит потому, что текучая среда, проходящая через трубу 220, представляет собой переносящую ультразвук среду. Таким образом, ультразвуковые сигналы, проходящие через текучую среду в направлении вниз по потоку, например, от преобразователя 201 к преобразователю 203, проходят быстрее, чем ультразвуковые сигналы, проходящие через текучую среду в направлении вверх по потоку, например, от преобразователя 203 к преобразователю 201. Ультразвуковая система обработки определяет это дифференциальное измеренное время пролета для определения скорости потока текучей среды через трубу 220 в направлении 221. Чем быстрее текучая среда протекает через трубу 220, тем детектируется большая временная разница. Точное соответствие определяется между скоростью потока и величиной дифференциального измеренного времени пролета и как используется ультразвуковой системой обработки для определения скорости потока. Некоторые из факторов, которые влияют на измерение времени пролета, включают материалы, используемые для трубы 220 и волновода 202, 204, физические размеры трубы 220 и волновода 202, 204 и тип текучей среды, проходящей через трубу 220. В такой конфигурации, как показано на Фиг. 3 и Фиг. 4, преобразователи могут быть заменены без необходимости отключения систем подачи текучей среды, которые используют трубу 220.
[0032] На Фиг. 5 проиллюстрирован альтернативный вариант выполнения узла 300 ультразвуковых волноводов, в котором ультразвуковые преобразователи 301, 303 прикреплены к ультразвуковым волноводам 302, 304, которые проходят насквозь через наружную поверхность 340 и внутреннюю поверхность 341 трубы 320 и, кроме того, выступают во внутреннее пространство трубы 320, в диаметральной конфигурации ультразвуковых волноводов 302, 304. Фиг. 6 иллюстрирует другой альтернативный вариант выполнения узла 400 ультразвуковых волноводов, в котором ультразвуковые преобразователи 401, 403 прикреплены к ультразвуковым волноводам 402, 404, которые проходят насквозь через наружную поверхность 440 и внутреннюю поверхность 441 трубы 420 и, кроме того, выступают во внутреннее пространство трубы 420 в хордальной конфигурации волноводов 402, 404. Альтернативный вариант выполнения, изображенный на Фиг. 5, работает, как описано выше со ссылкой на Фиг. 1 и Фиг. 2, а альтернативный вариант выполнения, изображенный на Фиг. 6, работает, как описано выше со ссылкой на Фиг. 3 и Фиг. 4. Эти варианты выполнения могут быть выгодными в некоторых приложениях, как описано выше, для предотвращения образования отложений на концах ультразвуковых волноводов 302, 304, 402, 404, вызванных текучей средой, протекающей через трубу 320, 420, а также для улучшения соотношения сигнал / шум ультразвуковых сигналов.
[0033] В свете вышеизложенного варианты выполнения изобретения обеспечивают прямую связь сигналов ультразвуковых преобразователей с текучими средами, протекающими через трубы, для высокого качества измерения скоростей потока текучей среды. Технический результат заключается в точном детектировании и измерении физической скорости потока текучей среды через трубы.
[0034] Это описание для раскрытия изобретения использует примеры, в том числе наилучший режим, а также чтобы обеспечить любому специалисту возможность использовать изобретение, в том числе создавать и использовать любые устройства или системы, и выполнять любые включенные способы. Патентоспособный объем изобретения определяется формулой изобретения, и может включать другие примеры, которые придут на ум специалистам. Такие другие примеры предназначены быть в пределах объема формулы изобретения, если они имеют конструктивные элементы, которые не отличаются от буквального изложения формулы изобретения или если они включают эквивалентные конструктивные элементы с несущественными отличиями от буквального изложения формулы изобретения.
1. Узел ультразвуковых волноводов, содержащий:
трубу, имеющую внешнюю поверхность и внутреннюю поверхность, причем внутренняя поверхность ограничивает внутренний диаметр трубы, содержащей проходящую через нее текучую среду,
первый ультразвуковой волновод, проходящий через наружную поверхность трубы и через внутреннюю поверхность трубы в первом месте так, что первый ультразвуковой волновод находится в непосредственном контакте с проходящей через трубу текучей средой, при этом первый ультразвуковой волновод имеет две концевые поверхности и две боковые поверхности, расположенные между упомянутыми концевыми поверхностями и на расстоянии друг от друга вдоль продольной оси трубы, причем каждая из боковых поверхностей первого ультразвукового волновода входит в контакт с трубой под острым углом к продольной оси трубы,
первый ультразвуковой преобразователь, выполненный с возможностью акустического соединения с первым ультразвуковым волноводом,
второй ультразвуковой волновод, проходящий через наружную поверхность трубы и через внутреннюю поверхность трубы во втором месте так, что второй ультразвуковой волновод находится в непосредственном контакте с проходящей через трубу текучей средой, при этом второй ультразвуковой волновод имеет две концевые поверхности и две боковые поверхности, расположенные между упомянутыми концевыми поверхностями и на расстоянии друг от друга вдоль продольной оси трубы, причем каждая из боковых поверхностей второго ультразвукового волновода входит в контакт с трубой под острым углом к продольной оси трубы, и
второй ультразвуковой преобразователь, выполненный с возможностью акустического соединения со вторым ультразвуковым волноводом.
2. Узел по п. 1, в котором указанное первое место и указанное второе место отстоят друг от друга приблизительно на 180 градусов вокруг трубы.
3. Узел по п. 1, в котором как первый, так и второй ультразвуковой волновод проходит в трубу под острым углом относительно продольной оси трубы.
4. Узел по п. 1, в котором как первый, так и второй ультразвуковой волновод имеет ось, причем оси первого и второго ультразвуковых волноводов коллинеарны.
5. Узел по п. 1, в котором как первый, так и второй ультразвуковой волновод имеет длину и ширину, причем каждая из длин больше соответствующей одной из ширин.
6. Узел по п. 5, в котором как первый, так и второй ультразвуковой волновод дополнительно имеет толщину, причем каждая из длин больше, чем соответствующая одна из толщин.
7. Узел по п. 1, в котором по меньшей мере один из первого и второго ультразвуковых волноводов выступает во внутреннее пространство трубы.
8. Узел по п. 1, в котором как первый, так и второй ультразвуковой волновод изготовлен из углеродистой стали, нержавеющей стали или их комбинации.
9. Узел по п. 1, в котором каждый из первого и второго ультразвуковых преобразователей выполнен с возможностью излучения ультразвуковых сигналов, которые детектируются другим одним из первого и второго ультразвуковых преобразователей.
10. Узел по п. 1, в котором указанное первое место и указанное второе место отстоят друг от друга меньше, чем на 180 градусов вокруг трубы.
11. Узел по п. 1, в котором по меньшей мере один из первого и второго ультразвуковых волноводов оканчивается заподлицо с внутренней поверхностью трубы.
12. Узел ультразвуковых волноводов, содержащий:
трубу, имеющую внешнюю поверхность, внутреннюю поверхность и ось, причем внутренняя поверхность ограничивает внутренний диаметр трубы, содержащей текучую среду, проходящую через нее в направлении, по существу параллельном оси трубы,
первый ультразвуковой волновод, проходящий через наружную поверхность трубы и через внутреннюю поверхность трубы в первом месте так, что первый ультразвуковой волновод находится в непосредственном контакте с проходящей через трубу текучей средой, причем первый ультразвуковой волновод имеет длину, ширину и ось, при этом первый ультразвуковой волновод проходит в трубу таким образом, что его ось образует острый угол с осью трубы, причем длина первого волновода больше, чем его ширина, при этом первый ультразвуковой волновод имеет две концевые поверхности и две боковые поверхности, расположенные между упомянутыми концевыми поверхностями и на расстоянии друг от друга вдоль продольной оси трубы, причем каждая из боковых поверхностей первого ультразвукового волновода входит в контакт с трубой под острым углом к продольной оси трубы,
первый ультразвуковой преобразователь, выполненный с возможностью акустического соединения с первым ультразвуковым волноводом,
второй ультразвуковой волновод, проходящий через наружную поверхность трубы и через внутреннюю поверхностью трубы во втором месте так, что второй ультразвуковой волновод находится в непосредственном контакте с проходящей через трубу текучей средой, причем второй ультразвуковой волновод имеет длину, ширину и ось, при этом второй ультразвуковой волновод проходит в трубу так, что его ось образует острый угол с осью трубы, причем длина второго волновода больше, чем его ширина, а ось второго волновода коллинеарна оси первого волновода, при этом второй ультразвуковой волновод имеет две концевые поверхности и две боковые поверхности, расположенные между упомянутыми концевыми поверхностями и на расстоянии друг от друга вдоль продольной оси трубы, причем каждая из боковых поверхностей второго ультразвукового волновода входит в контакт с трубой под острым углом к продольной оси трубы, и
второй ультразвуковой преобразователь, выполненный с возможностью акустического соединения со вторым ультразвуковым волноводом.
13. Узел по п. 12, в котором указанные первое место и второе место отстоят друг от друга приблизительно на 180 градусов вокруг трубы.
14. Узел по п. 12, в котором по меньшей мере один из первого и второго ультразвуковых волноводов выступает во внутреннее пространство трубы.
15. Узел по п. 12, в котором по меньшей мере один из первого и второго ультразвуковых волноводов оканчивается заподлицо с внутренней поверхностью трубы.
16. Узел ультразвуковых волноводов, содержащий:
трубу, имеющую внешнюю поверхность, внутреннюю поверхность и ось, причем внутренняя поверхность ограничивает внутренний диаметр трубы, содержащей текучую среду, проходящую через нее в направлении, по существу параллельном оси трубы,
первый ультразвуковой волновод, проходящий через наружную поверхность трубы и через внутреннюю поверхность трубы и выступающий во внутреннее пространство трубы в первом месте так, что первый ультразвуковой волновод находится в непосредственном контакте с проходящей через трубу текучей средой, причем первый ультразвуковой волновод имеет длину, толщину и ось, при этом первый ультразвуковой волновод проходит в трубу таким образом, что его ось образует острый угол с осью трубы, причем длина первого волновода больше, чем его толщина, при этом первый ультразвуковой волновод имеет две концевые поверхности и две боковые поверхности, расположенные между упомянутыми концевыми поверхностями и на расстоянии друг от друга вдоль продольной оси трубы, причем каждая из боковых поверхностей первого ультразвукового волновода входит в контакт с трубой под острым углом к продольной оси трубы,
первый ультразвуковой преобразователь, выполненный с возможностью акустического соединения с первым ультразвуковым волноводом,
второй ультразвуковой волновод, проходящий через наружную поверхность трубы и через внутреннюю поверхность трубы и выступающую во внутреннее пространство трубы во втором месте так, что второй ультразвуковой волновод находится в непосредственном контакте с проходящей через трубу текучей средой, причем второй ультразвуковой волновод имеет длину, толщину и ось, при этом второй ультразвуковой волновод проходит в трубу так, что его ось образует острый угол с осью трубы, причем длина второго волновода больше, чем его толщина, при этом второй ультразвуковой волновод имеет две концевые поверхности и две боковые поверхности, расположенные между упомянутыми концевыми поверхностями и на расстоянии друг от друга вдоль продольной оси трубы, причем каждая из боковых поверхностей второго ультразвукового волновода входит в контакт с трубой под острым углом к продольной оси трубы, и
второй ультразвуковой преобразователь, выполненный с возможностью акустического соединения со вторым ультразвуковым волноводом.
17. Узел по п. 16, в котором указанные первое место и второе место отстоят друг от друга приблизительно на 180 градусов вокруг трубы.
18. Узел по п. 16, в котором по меньшей мере один из первого и второго ультразвуковых волноводов оканчивается заподлицо с внутренней поверхностью трубы.
19. Узел по п. 17, в котором ось первого волновода коллинеарна с осью второго волновода.
