RU2586403C2 - Акустический расходомер - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к акустическим расходомерам для неинвазивного определения потока или интенсивности расхода в проточных для сред электропроводящих объектах, прежде всего в трубах или трубопроводах. Акустический расходомер содержит передающий преобразователь для создания в объекте по меньшей мере одной ультразвуковой волны, вводимой в среду на обращенной к среде внутренней стороне объекта в виде продольной волны, и принимающий преобразователь для обнаружения в объекте ультразвукового сигнала, по меньшей мере частично возникающего за счет продольной волны. Передающий преобразователь выполнен в виде высокочастотной индукционной катушки с отказом от акустической связи передающего преобразователя с поверхностью объекта для создания в близкой к поверхности области объекта, прежде всего металлического объекта, варьирующегося магнитного поля. За счет взаимодействия магнитного поля со статическим или квазистатическим магнитным полем в этой области создается ультразвуковая волна. Отличительной особенностью является то, что передающий преобразователь выполнен для генерации направленных волн. Технический результат - снижение требования к точности взаимного расположения передающего и принимающего преобразователей и обеспечение более равномерного распределения мощности прозвучивания среды в направлении потока среды через объект. 18 з.п. ф-лы, 22 ил.

Description

Настоящее изобретение относится к акустическому расходомеру для неинвазивного измерения интенсивности расхода или скорости потока в проточных для сред электропроводящих объектах, прежде всего в трубах или трубопроводах, с передающим преобразователем для создания по меньшей мере одной ультразвуковой волны в объекте, которая на направленной к среде внутренней стороне объекта входит в среду в виде волны, прежде всего в виде продольной волны, и с принимающим преобразователем для обнаружения ультразвукового сигнала в объекте, причем ультразвуковой сигнал, по меньшей мере, частично возникает за счет (продольной) волны.

Обычные неинвазивные расходомеры, в частности с накладными датчиками, должны стационарно зажиматься на трубах или трубопроводах, чтобы созданный передающим преобразователем ультразвук мог войти в трубу. Как жесткое зажатие прибора, так и последующая эксплуатация не затрагивают транспортировку среды по трубе, поэтому речь идет о неинвазивном измерении потока. Часто дополнительно используются клинообразные акустические соединители, которые располагаются между пьезоэлементом и объектом и которые часто включают отправляемый передающим преобразователем акустический сигнал с дополнительным применением среды сопряжения в стенку трубопровода.

Установка и ввод в эксплуатацию передающих и принимающих преобразователей на трубе представляет собой критический рабочий шаг, поскольку расстояние, определенное в зависимости от среды, толщины стенки и материала, между передающим и принимающим преобразователем для созданных в трубе ультразвуковых волн должно точно соблюдаться.

Уже при незначительных отклонениях от оптимального расстояния сигнал явно ухудшается. Кроме того, обычные ультразвуковые расходомеры могут использоваться только в сравнительно узком температурном диапазоне, причем речь идет о температуре объекта, предпочтительным образом трубы или трубопровода. Эксплуатационная температура преобразователей должна быть явно ниже их температуры Кюри, которая для множества использованных преобразователей обычно находится в диапазоне от 150° до 350°. Решение для преодоления этой проблемы описано, например, в DE 4124692 А1, в котором преобразователь выполнен со специальной пьезокерамикой для высокотемпературных применений. Тем самым можно измерять скорости протекания или интенсивности расхода сред в объектах с температурами до 180°. Однако дополнительно к температурной проблематике критические проблемы также могут возникать на основании напряжений в материале акустического соединителя, которые создаются за счет сильных температурных градиентов. Далее, проблематичным является старение использованной между акустическим соединителем и трубой среды сопряжения, обычно в форме геля. С увеличением возраста среды сопряжения снижается качество сигнала ультразвуковой волны, созданной в объекте.

Задача, положенная в основу настоящего изобретения, заключается в том, чтобы выполнить акустический расходомер, известный из уровня техники, для большего диапазона применения.

Задача решена в акустическом расходомере для неинвазивного определения потока или интенсивности расхода в проточных для сред электропроводящих объектах, прежде всего в трубах или трубопроводах, содержащем передающий преобразователь для создания в объекте по меньшей мере одной ультразвуковой волны, вводимой в среду на обращенной к среде внутренней стороне объекта в виде продольной волны, и принимающий преобразователь для обнаружения в объекте ультразвукового сигнала, по меньшей мере частично возникающего за счет продольной волны, причем передающий преобразователь выполнен в виде высокочастотной индукционной катушки с отказом от акустической связи передающего преобразователя с поверхностью объекта для создания в близкой к поверхности области объекта, прежде всего металлического объекта, варьирующегося магнитного поля, за счет взаимодействия которого со статическим или квазистатическим магнитным полем в этой области создается ультразвуковая волна. При этом под близкой к поверхности областью объекта понимается область, определяемая глубиной проникновения вихревых токов, генерируемых высокочастотной индукционной катушкой.

Решение поставленной задачи обеспечено тем, что передающий преобразователь выполнен для генерации направленных волн.

Технические результаты, достигаемые при осуществлении изобретения, заключаются в снижении требований к точности взаимного расположения передающего и принимающего преобразователей и обеспечении более равномерного распределения мощности прозвучивания среды в направлении потока среды через объект, достигаемом непосредственным генерированием направленных волн на участках поверхности объекта.

Особенно равномерное прозвучивание среды достигается, если передающий преобразователь выполнен для генерации направленных волн в форме волн Лэмба n-го порядка, где n - целое число, которое больше или равно 0. Использование нулевых мод или более высоких мод, прежде мод порядка n=0, 1 или 2, показало себя пригодным, прежде всего, для измерений расхода водных, маслосодержащих и газообразных сред, и подходящим для выраженного формирования продольных волн. За счет коррекции частоты работы преобразователя можно отрегулировать желаемые оптимальные моды. Для меньших объектов, прежде всего в форме трубы, с диаметром, предпочтительным образом, менее 5 см преобразователи могут быть целенаправленно выполнены для генерации направленных волн в форме изгибных волн (Flexural Waves).

Как указано выше, акустическая связь предлагаемого расходомера с объектом, например трубопроводом или трубой, не требуется. Передающий или принимающий преобразователь акустического расходомера могут быть расположены на расстоянии от объекта. Наряду с измерениями в диапазонах выше 180°С также возможны измерения расхода через объекты с покрытием, например такие как трубопроводы с покрытием цементом или пластиком. При этом условием является то, что покрытие является проницаемым для электромагнитных полей. Удаление покрытия объекта, необходимого согласно уровню техники, не требуется.

Хотя передающий преобразователь предлагаемого расходомера также может находиться в физическом контакте с объектом, достаточно, если он является позиционируемым рядом с проточным объектом. Удаления могут быть в сантиметровом диапазоне до, например, 2 см.

За счет использования высокочастотной индукционной катушки (High Frequency Induction Coil) на одном близком к поверхности участке объекта создается магнитное переменное поле. Одна часть высокочастотного магнитного поля, созданного высокочастотной или высокочастотными индукционными катушками, проникает в объект и индуцирует вихревые токи. За счет взаимодействия этих вихревых токов со статическим или квазистатическим магнитным полем на основании сил Лоренца или магнитострикции создается ультразвуковая направленная волна в объекте.

Под квазистатическим магнитным полем понимают магнитное поле, которое в расчетах может рассматриваться как статическое по сравнению с высокочастотным магнитным полем. Прежде всего, квазистатическое магнитное поле варьируется с частотой <200 Гц, предпочтительным образом <10 Гц, в результате чего можно рассматривать электромагнитно созданные магнитные поля как статическое магнитное поле. Высокочастотное магнитное поле является, прежде всего, осциллирующим магнитным полем.

Наряду с тем преимуществом, что можно измерять насквозь через имеющиеся покрытия трубы и в широком температурном диапазоне, приспособление по причине отсутствующих сопряженных сред подвержено меньшим явлениям старения. Часто заменяемая по известному уровню техники сопряженная среда не требуется.

Предлагаемый расходомер в данном случае часто описывается со ссылкой на объект, на котором или рядом с которым он расположен. Однако такой объект, выполненный, например, в виде трубы, не является предметом изобретения, более того, предлагаемый предмет выполнен в этом случае для эксплуатации на такой трубе.

В целях коррекции сигнала частота, с которой может эксплуатироваться преобразователь, предпочтительным образом может автоматически варьироваться. За счет варьируемости или корректирования высокой частоты, с которой должен эксплуатироваться передающий преобразователь, как созданная в объекте ультразвуковая волна, так и созданная в среде продольная волна могут оптимально направляться на принимающий преобразователь. Тем самым можно компенсировать допуски по расстоянию передающего преобразователя от принимающего преобразователя или же неточное позиционирование, которое необходимо согласно уровню техники затруднительно дорегулировать вручную, электронным образом. Это следует из использованной для расчета преобразователей зависимости угла созданных поперечных волн, прежде всего объемно-поперечных (bulk shear) волн использованной частоты. Также колебания распространения волн на основании изменений давления в трубе или же изменений температуры могут компенсироваться таким образом. Точность измерения и возможность корректировки системы явно улучшены по сравнению с уровнем техники. Высокая частота, с которой может эксплуатироваться передающий преобразователь, тем самым может варьироваться таким образом для оптимизации принятого сигнала, что индуцированная в среде продольная волна проводится оптимизировано в направлении принимающего преобразователя. Прежде всего, за счет изменения частоты может регулироваться угол φ21 индуцированной ультразвуковой волны по сравнению с вертикалью на поверхности объекта и тем самым также угол сопряжения на переходе среды объекта. Эта вертикаль, прежде всего, стоит нормально в объектах, выполненных как прямоугольные трубы, то есть перпендикулярно на наружной поверхности трубы, причем поверхность расположена параллельно к определяемому, прежде всего за счет главного направления потока среды, аксиальному направлению.

Предпочтительным образом, с упрощенным предположением распространяющихся в форме лучей волн для генерации объемно-поперечных волн действительно:

sin(φ21)=C_wall(f*D), где

C_wall - скорость звука в объекте,

f = высокая частота передающего преобразователя,

D=получаемое из компоновки преобразователя расстояние между расположенных рядом токопроводящих дорожек с идентичным направлением тока.

Предпочтительным образом, может эксплуатироваться не только передающий преобразователь с отказом от акустической связи с объектом. Более того, это действительно в еще одном выполнении изобретения также для принимающего преобразователя для определения ультразвукового сигнала. Последний выполнен, прежде всего, также в виде высокочастотной индукционной катушки. Согласно одному примеру осуществления принимающий преобразователь, как и передающий преобразователь, может передавать и принимать. Таким образом можно, например, осуществлять известные способы для измерения различий во времени работы, которые могут использоваться для анализа скоростей потока или же интенсивности расхода, на предлагаемом приспособлении посредством всего двух преобразователей. Также возможно применение только одного преобразователя.

Предпочтительным образом, предлагаемое приспособление работает импульсно или «вспышками». При этом посредством высокочастотного импульса или вспышки передающий преобразователь работает в течение малого количества периодов, предпочтительным образом менее 50 периодов, на высокой частоте, в результате чего в объекте распространяется ультразвуковая волна. Прежде всего, передающий преобразователь выполнен для генерации волн Лэмба или изгибных (упругих поперечных) волн, которые порождают на переходе объект-среда желаемые продольные волны. Продольная волна при попадании на противоположную внутреннюю стенку объекта создает в нем в свою очередь ультразвуковую волну, которую принимающий передатчик может обнаружить с задержкой во времени по сравнению со сгенерированной непосредственно в объекте или переданной далее в стенке объекта ультразвуковой волной. По причине задержки во времени можно отделять сигналы волн, благодаря чему можно измерить варьируемый за счет скорости среды ультразвуковой сигнал. За счет переключения передающего и принимающего преобразователей и протекания среды в противоположном направлении можно изменить разницу во времени между сигналом, варьируемым средой, что, в конце концов, позволяет сделать выводы о скорости протекания и расходе.

Вместо переключения также могут использоваться две дополнительные катушки, из которых одна расположена как принимающий преобразователь плотно рядом с передающим преобразователем, а другая расположена как передающий преобразователь плотно рядом с принимающим преобразователем. Прежде всего, токопроводящие дорожки расположенных плотно друг рядом с другом катушек могут быть расположены рядом и/или друг над другом. При изменении с переключенными преобразователями частота переключения находится в диапазоне от 10 Гц до 200 Гц, предпочтительным образом в диапазоне от 50 Гц до 100 Гц. За счет множества измерений можно достичь очень высокой точности измерений.

В еще одном варианте осуществления изобретения предлагаемый расходомер выполнен дополнительно для генерации статического или квазистатического магнитного поля, которое может направляться вдоль аксиального направления объекта или по нормали к нему. Для этого расходомер может иметь постоянный магнит и/или электромагнит. В то время как применение постоянного магнита менее затратно с технической точки зрения, применение электромагнита может использоваться, прежде всего, для автоматической корректировки амплитуды. Электромагнит может быть выполнен, например, за счет обматывания объекта, например спиралевидной обмотки трубы, или за счет полюсных наконечников из ферромагнитного материала, обмотанных проводами, на которые подается ток.

Предпочтительным образом, для оптимизации измерительного сигнала токопроводящую дорожку высокочастотной катушки для применения по назначению следует направлять перпендикулярно относительно продольной оси и в направлении по контуру объекта, то есть компоновка акустического расходомера, например, для труб направлена на то, чтобы токопроводящая дорожка или также токопроводящие дорожки высокочастотной катушки проходили по существу перпендикулярно относительно продольной оси объекта. За счет этого поданная в среду продольная волна в случае круглого в поперечном сечении трубопровода или труб всегда будет пересекать его продольную среднюю ось (ось трубопровода). Для предусмотренных согласно изобретению меандрических токопроводящих дорожек высокочастотных катушек это означает, что их более длинные участки направлены перпендикулярно относительно продольной оси, причем узкими переходами между проходящими туда и сюда токопроводящими дорожками можно пренебречь. Прежде всего, токопроводящие дорожки могут быть выполнены как обмотка, причем индукционные катушки в этом случае могут быть «классическими», намотанными катушками.

Под конструкцией преобразователей понимают, прежде всего, их регулируемую частоту и расположение статического или (квазистатического) магнитного поля и расположение токопроводящей дорожки или дорожек. Настройка высокой частоты преобразователей для генерации волн Лэмба или поперечных волн выполняется, прежде всего, в зависимости от толщины стенки объекта, в которой должны создаваться ультразвуковые волны.

В общем, акустический расходомер, наряду с передающим и принимающим преобразователем, может иметь приспособление для намагничивания объекта, как описано выше, блок электроники для возбуждения и блок приемной электроники, вкл. анализ сигналов. Но передающий и принимающий преобразователь могут быть реализованы также за счет одной единственной высокочастотной индукционной катушки. Расходомер также может иметь интерфейсы для подключения отдельных сетевых приборов, компьютеров или других блоков для записи или же индикации.

Предпочтительным образом, высокочастотная катушка может работать в частотном диапазоне от 20 кГц до 50 МГц, предпочтительным образом от 50 кГц до 3 МГц, для генерации ультразвуковой волны. Прежде всего, для толщины стенки менее 1 мм предпочтительны частоты от 3 до 50 МГц, в то время как для типичной толщины стенки от 1 мм до 10 мм предпочтительны частоты от 20 кГц до 3 МГц. В этом диапазоне для множества ферромагнитных или же сталесодержащих материалов трубопроводов возможно возбуждение ультразвуковых волн, прежде всего, при силе магнитного поля в диапазоне от 5 до 20 кА/м.

Для улучшенной генерации ультразвуковой волны в объекте в еще одном варианте осуществления изобретения направляемая к объекту сторона передающего и/или принимающего преобразователя выполнена изогнутой, благодаря чему она может, например, подводиться полностью или на незначительное, постоянное расстояние к наружной стенке трубы с изгибом или к ее покрытию. При этом цель заключается в том, чтобы при приложении к или расположении плотно рядом с объектом сохранить, по меньшей мере, по существу параллельную направленность стороны преобразователя и тем самым проходящих, как правило, параллельно к стороне токоведущих дорожек преобразователя к поверхности объекта.

Передающий и принимающий преобразователи в улучшенной дополнительно форме осуществления могут быть выполнены для прикладывания к трубе и/или даже к обматыванию трубы. В таком случае, например, трубы могут быть обмотаны или охвачены для образования стационарного расходомера. При полной обмотке ультразвуковые волны могут создаваться по всему контуру трубы, тем самым в среду в полном объеме вводятся продольные волны, и волны могут проходить через все поперечное сечение трубы. Поскольку за счет сопряжения со всех сторон и распространения продольных волн к противоположной стороне свободное внутреннее поперечное сечение трубопровода перекрывается вдвойне, то уже половины обмотки трубы высокочастотной индукционной катушкой может быть достаточно для регистрации полного внутреннего пространства трубопровода.

Предпочтительным образом, передающий и/или принимающий преобразователи выполнены посредством обматываемых или укладываемых вокруг объекта токопроводящих дорожек, что обеспечивает возможность более экономичной и простой конструкции приспособления и одновременно полную регистрацию контура объекта. За счет этого иначе, чем согласно уровню техники возможно покрытие всего свободного внутреннего поперечного сечения трубопровода. Изгиб токопроводящих дорожек предпочтительным образом может варьироваться для повышения способности подстраиваться. Кроме того, за счет полной и, прежде всего, многократной обмотки объекта можно минимизировать влияние возмущающих пограничных волн на основании коротких переходных участков меандрических токопроводящих дорожек. Обмотка объекта на 360° без краевых эффектов токопроводящей дорожкой приводит к предотвращению возмущающих сигналов.

Кроме того, способность предлагаемого расходомера подстраиваться повышена, если передающий и принимающий преобразователи, по меньшей мере, частями выполнены гибкими, то есть, например, гнущимися, чтобы принимать форму различных наружных диаметров объектов и форм объектов. Предпочтительным образом, здесь речь идет о снабженной/-ым электрическим проводом пленке или плоском ленточном кабеле, которая/-ый, по меньшей мере, частично может наматываться, например, вокруг трубы. Крепежное приспособление расходомера может для этого иметь два принимающих соответствующие стороны пленки или плоского ленточного кабеля рычага, поворачиваемые друг к другу. Могут использоваться, прежде всего, известные и часто экономичные плоские ленточные кабели, которые по сравнению с пленками, как правило, более устойчивы к высоким температурам.

Токопроводящие дорожки высокочастотной индукционной катушки, например, в пленке могут быть выполнены меандрическими. Они также могут наматываться вокруг трубы в форме спирали. Меандрический в этом случае подразумевает осуществление, за счет которого направления тока соответственно соседних и, прежде всего, параллельных участков токопроводящих дорожек (в направлении по контуру проверяемого объекта) направлены встречно. Например, токопроводящая дорожка или токопроводящие дорожки являются многожильным плоским ленточным кабелем, провода которого на концах соединены друг с другом так, что направления тока соседних токопроводящих дорожек сменяют друг друга.

Предлагаемый расходомер снабжен, прежде всего, двумя парами передающих и принимающих преобразователей, благодаря чему без переключения преобразователя с передающего на принимающий преобразователь можно переключать между парами. Для этого токопроводящие дорожки преобразователей соответствующих пар, предпочтительным образом, расположены плотно параллельно друг к другу и, прежде всего, уложены друг на друга или рядом друг с другом.

Для полного закрытия свободного внутреннего пространства трубы или же объекта, через которое протекает среда, достаточно, как описывалось выше, если передающий и принимающий преобразователи являются позиционируемыми на противоположной стороне трубы и соответственно закрывают 180° наружного контура трубы. За счет этого возможно полное закрытие свободной площади поперечного сечения в трубе.

Для простого позиционирования передающего и принимающего преобразователя они могут иметь связанные друг с другом поворотные рычаги, посредством которых можно произвести зажатие объекта.

Предпочтительным образом, при применении закрывающего все свободное пространство трубы расходомера последний содержит блок анализа, выполненный с возможностью обнаружения пузырей и/или определения размера пузырей во флюиде, в частности газовых пузырей в жидкой среде. При этом, например, контроль и анализ амплитуды сигналов позволяет определить не только наличие пузырей, но также и размер пузырей, которые можно обнаружить как ослабления амплитуды в анализируемом сигнале.

В предпочтительной компоновке расходомера для создания волн Лэмба в дополнение к измерению толщины стенки (предпочтительным образом за счет анализа дисперсионных кривых) и/или давления среды на основании ультразвукового сигнала он выполнен так, что принятый сигнал потока при изменяющихся краевых условиях может быть автоматически оптимизирован. Для измерения давления может использоваться, прежде всего, зависимости скорость звука от давления. С помощью корректировки частоты можно дополнительно регулировать вариации скоростей звука. При условии иных постоянных параметров, таких как температура, установленная частота является мерой для давления.

Уже за счет возможного по причине предлагаемого варианта осуществления незначительного расстояния в несколько миллиметров и связанного с этим механического сопряжения предлагаемого расходомера объекта можно выполнять измерения объекта, с температурой более 180°С, предпочтительным образом более 350°С. Кроме того, передающий и принимающий преобразователь выполнены посредством соответствующих материалов такими термостойкими, что они выполнены для, предпочтительным образом, бесконтактного измерения расхода в объекте с температурой более 180°, предпочтительным образом более 350°.

Поскольку предлагаемое приспособление предпочтительным образом может переноситься одним единственным оператором и тем самым не более 50 кг, предпочтительным образом не более 25 кг, расходомер в еще одном варианте осуществления изобретения также может иметь модульную конструкцию. Под ней следует понимать расходомер или же прибор для измерения расхода, передающий и/или принимающий преобразователь которого могут длительно позиционироваться на объекте и для измерения расхода могут быть соединены с переносимым, прежде всего оператором, блоком управления и анализа, причем расходомер дополнительно может иметь приспособление для создания статического или квазистатического магнитного поля.

Так, например, токопроводящие дорожки могут оставаться на трубах или же обмотанными вокруг труб, и затраты на быстрое измерение на множестве уже обмотанных труб существенно снижаются по сравнению с уровнем техники.

Прочие преимущества и детали изобретения следуют из нижеследующего описания фигур.

На фигурах схематично показано:

Фиг. 1 - изображение расходомера согласно уровню техники в разрезе,

Фиг. 2 - часть предлагаемого предмета в виде согласно фиг. 1,

Фиг. 3 - применение предлагаемого предмета в объекте с покрытием,

Фиг. 4А, Б - часть еще одного предлагаемого предмета,

Фиг. 5 - изображение еще одного случая применения предлагаемого предмета,

Фиг. 6 - частичный вид еще одного предлагаемого предмета,

Фиг. 7 - (частичный вид) еще одного предлагаемого предмета,

Фиг. 8-12 - возможности конфигурации передающего или же принимающего преобразователя предлагаемого предмета,

Фиг. 13-16 - компоновки различных предлагаемых предметов, которые отличаются в отношении создания магнитного поля,

Фиг. 17 - принципиальное изображение предлагаемого предмета с автоматической подгонкой,

Фиг. 18 - функциональная диаграмма для работы предлагаемого предмета согласно фиг. 17,

Фиг. 19 и 20 - общие виды отдельных предлагаемых предметов,

Фиг. 21 - функциональная диаграмма для наглядного изображения предлагаемого способа,

Фиг. 22 - предлагаемый предмет в еще одной конфигурации.

Одинаковым или похожим образом действующие детали - если это является полезным - обозначены идентичными ссылочными обозначениями. Отдельные технические признаки нижеописанных примеров осуществления также с признаками вышеописанных примеров осуществления могут привести к усовершенствованным вариантам предлагаемого изобретения.

На фиг. 1 показана известная из уровня техники компоновка для измерения потока F среды, прежде всего газа или жидкости, в изображенной в разрезе трубе 1. Пьезоэлектрический ультразвуковой преобразователь 2 может действовать, как и пьезоэлектрический ультразвуковой преобразователь 3, как передающий, и как принимающий преобразователь. Исходя, например, из передающего преобразователя 2 ультразвуковой сигнал вводится по клинообразному акустическому соединителю 4 под углом φ1 (при измерении напротив вертикали 5 к поверхности трубы) в стенку 6 трубы. При предположении, что ультразвуковая волна распространяется в стенке 6 трубы в форме лучей, волна попадает на внутреннюю сторону 7 трубы и там входит в среду под углом φ3. В ней введенная как продольная волна 8 звуковая волна варьируется потоком среды и попадает на нижнюю на фигуре внутреннюю сторону стенки трубы. В отношении направления по контуру внутренней стенки трубы речь идет о противоположной стороне ввода стороне внутренней стенки трубы, которая по причине направленной в направлении F доли волнового вектора смещена аксиально. На этой нижней стороне, в свою очередь, выполняется ввод в стенку 6 трубы до еще одного акустического соединителя 9. Через него ультразвуковой сигнал, на который оказала влияние среда, попадает к преобразователю 3, в данном случае работающему как принимающий преобразователь. В еще одном режиме работы принимающий преобразователь 3 в этом случае в следующей операции действует как передающий преобразователь и излучает ультразвуковую волну через средство 9 сопряжения в направлении преобразователя 2, теперь работающего как принимающий преобразователь. Как видно, для работающей конструкции в случае этой компоновки важно расстояние L переходов ультразвукового сигнала между средством 4 сопряжения или же средством 9 сопряжения и стенкой 6 трубы. Незначительные отклонения по расстоянию между обоими акустическими соединителями между собой приводят к ослаблению или полной потере сигнала и таким образом к худшему результату измерения или полному его отсутствию.

На фиг. 2 показана предлагаемый акустический расходомер (в деталях), который, наряду с работающим в качестве передающего и принимающего преобразователя преобразователем 11, также показывает еще один работающий в качестве передающего и принимающего преобразователя преобразователь 12. Оба преобразователя 11 и 12 выполнены в виде высокочастотных индукционных катушек. Обе высокочастотных индукционных катушки 11 и 12 могут индуцировать на участке стенки 6 трубы, близком к наружной поверхности 13, вихревые токи. Эти вихревые токи взаимодействуют со статическим магнитным полем, в данном примере осуществления согласно фиг. 2 созданным двумя постоянными магнитами 14 и 15, подобными полюсным наконечникам, в стенке 6 трубы. За счет взаимодействия в стенке трубы возникают направленные ультразвуковые волны. Такая ультразвуковая волна 16 выполнена, например, в виде объемно-поперечной волны и входит в протекающую в направлении потока F среду. На противоположной стороне внутренней стенки трубы продольная волна снова входит во внутреннюю стенку трубы и может быть там обнаружена выступающей в качестве принимающего преобразователя высокочастотной индукционной катушкой 12. Приспособление может работать с различными компоновками для высокочастотных индукционных катушек 11 и 12, а также с различными компоновки в отношении магнитов 14 и 15, что было и будет подробнее описано выше и ниже.

Как уже показано на фиг. 2, применение среды сопряжения не требуется. За счет этого установка преобразователей рядом с трубой или также на трубе упрощается. За счет возможного расстояния или использования теплоизолирующих слоев между передающим и принимающим преобразователем и трубой 6 измерения можно выполнять также на очень горячих трубах.

Схематическое изображение измерительной конструкции для снабженной покрытием 17 трубы 6 показано на фиг. 3. Покрытие для создания ультразвуковой волн в трубе 6 удалять не требуется, как это необходимо согласно уровню техники. И в то же время можно упрощенно выполнять измерение потока через трубы с покрытием.

Передающие и принимающие преобразователи могут выполняться как гибкие преобразователи, например, посредством электрического провода, который может быть, например, намотан вокруг трубы с покрытием согласно фиг. 4А. Согласно фиг. 4А предлагаемый расходомер имеет два передающих или же принимающих преобразователя, которые включают в себя токопроводящие дорожки 18 и 19, закрывающие по причине полной обмотки ими трубы свободное поперечное сечение трубопровода вдвойне. Так, в трубе по всему контуру (сравн. фиг. 4Б) волны, проходящие к противоположной стороне, могут вводиться в среду с внутренней стороны трубы. На фиг. 4Б это визуально показано четырьмя двойными стрелками 8′. Полное закрытие повышает точность измерения по сравнению с непрерывными, дискретными измерительными устройствами, как они известны согласно уровню техники, и подходит, прежде всего, для турбулентных потоков. Кроме того, по причине полного закрытия можно выполнить надежное определение и даже расчет величины газовых пузырей.

Оба преобразователя 18 и 19 в компоновке согласно фиг. 4А перехватываются двумя магнитами на их обращенной от трубы стороне, которые вызывают намагничивание по всему поперечному сечению трубопровода. Магниты также могут охватывать трубу в полном объеме. При поперечных сечениях трубы большего размера вокруг трубы в направлении по контуру может быть расположено также несколько магнитов.

На фиг. 5 наглядно показано предлагаемое преимущество - выполнение надежного измерения расхода в трубах 6 с температурой свыше 180°С. Для этого расстояние а между наружной поверхностью 13 трубы и преобразователем или же расходомером, предпочтительным образом, составляет от 0,1 см до 5 см, прежде всего от 0,1 см до 1 см.

Если на фиг. 2-5 анализировалось смещение во времени между проходящих вдоль встречно направленных путей ультразвуковых волн, на фиг. 6 показана компоновка предлагаемого приспособления, в котором анализ производится по допплеровскому принципу. При этом приспособление снабжено только одним преобразователем в форме высокочастотной индукционной катушки, которая выступает как в качестве передающего, так и в качестве принимающего преобразователя. Этот преобразователь вместе с блоком анализирующей электроники может измерять возникающие на основании движущихся частиц изменения частоты (эффект Доплера) отраженной ультразвуковой волны.

Прежде всего, для турбулентных потоков подходит метод измерения и компоновка согласно фиг. 7. При этом, прежде всего, для турбулентных потоков исходят из того, что их турбулентные структуры в рамках определенной дистанции (так называемой корреляционной длины) не меняются.

Соответственно один передающий и один принимающий преобразователь расположены в продольном направлении объекта, в данном случае также опять же вокруг трубы, на расстоянии. Обе пары 11.1, 12.1 и 11.2 и 12.2 преобразователей измеряют сигнатуру турбулентного потока и определяют задержку во времени посредством перекрестного корреляционного анализа. Эта задержка во времени является размером для скорости F протекания или же скорости транспортировки среды.

На фиг. 8-12 показан ряд различных обмоток или же настроек высокочастотной индукционной катушки или катушек. Предпочтительным образом, они изготовлены из гибкого провода, и их можно, например, обернув гибкой пленкой, положить к наружному контуру объекта. Гибкая высокочастотная индукционная катушка также имеет то преимущество, что она может подгоняться под множество различных диаметров труб.

Преобразователь может быть выполнен для закрытия всего контура трубы, как это показано, например, на фиг. 11. При этом отдельные обмотки или участки токопроводящих дорожек одной токопроводящей дорожки 25 высокочастотной катушки уложены друг рядом с другом в форме меандра, в результате чего над трубой возникают показанные направления тока. Подобный преобразователь показан на фиг. 8, однако при этом этот преобразователь может проходить только по части контура трубы, по аналогии с фиг. 10. В отличие от фиг. 8, на фиг. 10 преобразователь приведен в соответствие изгибу трубы. При этом на фиг. 8 речь идет о преобразователе, не приведенном в соответствие круглым в поперечном сечении трубам.

Для создания компактного расходомера также может служить наложение двух токопроводящих дорожек 26 и 27 друг на друга (фиг. 9). Передающий и принимающий преобразователь могут быть закреплены на практически идентичном участке трубы с параллельными друг другу участками токопроводящей дорожки и образуют пару передающего и принимающего преобразователя. Предлагаемый расходомер предпочтительным образом имеет два идентичных передающих/принимающих преобразователя, причем выполнение токопроводящих дорожек не обязательно должно соответствовать показанному на фиг. 9. Более того, при этом речь может идти о токопроводящих дорожках, показанных на других фигурах.

За счет меандрической формы токопроводящей дорожки, в общем, вызывается изменение направления тока вихревых токов в аксиальном направлении, что приводит к образованию ультразвуковой волны, поданной в трубу под углом и, тем самым, отчасти в ее аксиальном направлении. Заштрихованные участки показывают на фигурах прохождение токопроводящих дорожек на не видимой стороне объекта. Вместо прохождения токопроводящей дорожки в форме меандра также можно использовать периодически меняющееся статическое или квазистатическое магнитное поле, которое, например, создается за счет установленных попеременно друг рядом с другом постоянных магнитов с направленностью N-S и S-N.

Согласно фиг. 12 один единственный провод 28 намотан вокруг трубы в форме спирали, а не в форме меандра, причем расстояние при обмотке и тем самым расстояние между отдельными расположенными друг рядом с другом участками токопроводящих дорожек, предпочтительным образом, такой величины, что между возбужденными отдельными обмотками участками вихревых токов образуются участки с вихревыми токами меньшей амплитуды.

На фиг. 13-16 показаны компоновки с (схематически и опять же частично представленными) предлагаемыми расходомерами с различными конфигурациями для создания магнитного поля. Оно выполнено либо по нормали к поверхности трубы, либо аксиально к объекту.

В примере осуществления согласно фиг. 13 передающий преобразователь 11 расположен в магнитном поле В, созданном постоянным магнитом, которое направлено в продольном направлении оси трубы 1. В качестве альтернативы к этому на фиг. 14 представляется конфигурация предлагаемого расходомера, при котором поданное магнитное поле В направлено по нормали к поверхности 13 трубы 1. При этом южные полюсы обоих постоянных магнитов 20 и 21 направлены к наружной поверхности 13. Между постоянными магнитами 20 и 21 и поверхностью 13 трубы расположены передающий и принимающий преобразователи 11 и 12. Как параллельное к трубе, так и перпендикулярное направление магнитного поля также может создаваться за счет электромагнита расходомера.

На фиг. 15 показано такое расположение, в котором посредством двух электромагнитов 22 и 23 создается магнитное поле, направленное в продольном направлении трубы. Соответственно магнитное поле выполнено в продольном прохождении электромагнита.

Еще одно выполнение электромагнита показано на фиг. 16. При этом речь идет о наматываемом, например, вокруг трубы 1 проводе 24, на который соответственно подается постоянный ток или переменный ток низкой частоты. Высокочастотные индукционные катушки в таком случае могут быть расположены, как на фиг. 15, между трубой и магнитном и установлены между полюсами магнита. Они также могут просто наматываться по видимым на фиг. 16 обмоткам провода 24.

Согласно изобретению акустический расходомер может быть выполнен таким образом, что варьирующиеся расстояния L между точками сопряжения в объект, например показанную на фиг. 17 трубу 1, могут выравниваться автоматически или электронно.

Точное позиционирование преобразователей не требуется, корректировка выполняется за счет корректировки частоты, с которой работают преобразователи. На фиг. 17 показаны отдельные пути ультразвуковых волн для двух различных частот f1 и f2. Созданная при частоте f1 волна входит под углом φ21 в стенку 6 трубы и снова под углом φ31 в среду. Соответственно сгенерированный частотой f2 ультразвук характеризуется углами φ22 и φ32. За счет измерения частоты можно провести направление луча для оптимизированного приема в принимающем преобразователе 12.

За счет корректировки частоты, которая также может автоматически выполняться по схеме согласно фиг. 18, также за счет температурных колебаний или изменений давления можно компенсировать измерения скорости звука в среде, например, за счет изменяющейся среды. Дополнительно, за счет целенаправленного возбуждения волн Лэмба можно создавать множество смещенных в аксиальном направлении продольных волн в трубе, за счет чего вероятность получения достаточно точного принятого сигнала на смещенном аксиально приемнике повышена.

Посредством проводимой во время измерений попеременно петли обратной связи согласно фиг. 18 можно скорректировать и при необходимости улучшить силу сигнала. За счет этого выявляется оптимальный сигнал ("auto-alignment").

Ниже описывается предлагаемый способ для корректировки сигнала. Передающий преобразователь 11 работает за счет генератора пакетов импульсов или же датчика частоты и усилителя. Полученный в принимающем преобразователе 12 сигнал используется для определения скорости протекания. В петле обратной связи между собственно измерениями или в качестве их части время от времени запускается, например, «частотная развертка». Из множества излучаемых передающим преобразователем частот выискивается та, которая приводит к оптимальному сигналу приема.

Частичная конструкция предлагаемого расходомера показана на фиг. 19 и 20. Не показаны генераторы магнитного поля. На фиг. 19 два крепления 30 и 31 расходомера выполнены таким образом, что их можно полностью положить вокруг трубы 1. При этом речь, предпочтительным образом, идет о хомутах, снабжаемых переменными диаметрами. В трубе 1 в этом случае посредством преобразователей 35 и 36 создается звуковая волна, которая показана штрихами 32. Соответствующие постоянные магниты находятся в примерах осуществления согласно фиг. 19 и 20 внутри корпуса преобразователей 35 и 36.

Созданный передающим преобразователем 35 сигнал принимается принимающим преобразователем 36 и направляется дальше в электронику 33, в которой происходит анализ сигнала и откуда сигнал можно снова подать в сеть. Также предлагаемый расходомер может иметь блок индикации для индикации информации. В случае высокотемпературных вариантов применения в диапазоне свыше 180°С, предпочтительным образом свыше 300°С, передающий и принимающий преобразователи 35 и 36 установлены посредством креплений 30 и 31 на дополнительную крепежную систему 34 (фиг. 20). За счет этого преобразователи 35, 36 удерживаются на расстоянии от трубы и механически не связаны с ней. В остальном, конструкция соответствует фиг. 19.

Полная функциональная диаграмма выполнения способа показана на фиг. 21. При этом для обнаружения скорости расхода посредством датчика частоты и усилителя в передающий преобразователь подается сигнал, последний создает с помощью описанной выше компоновки ультразвуковую волну. Представленная компоновка является двумя парами намотанных параллельно и полностью вокруг трубы передающих и принимающих преобразователей. Принятые двумя принимающими преобразователями сигналы переводятся на предварительный усилитель. Из предварительного усилителя сигналы направляются дальше в приемник комбинационной частоты. В послевключенном интеграторе обнаруженные детектором сигналов, например квадратурно-амплитудным детектором, сигналы усиливаются и используются для расчета амплитуд и фаз. Из расчета фаз ультразвуковых волн следует скорость потока, в то время как анализ амплитуд позволяет провести определение пузырей в жидкости.

На фиг. 22 показан предлагаемый расходомер в еще одной конфигурации, в которой передающий преобразователь выполнен для генерации волн Лэмба 40. Эти ударные/поперечные волны расширяются в объекте как направленная волна, что приводит к очень равномерному прохождению свободного внутреннего пространства множеством продольных волн 41. За счет множества продольных волн такой предлагаемый расходомер особо нечувствителен к расстоянию между передающим и принимающим преобразователем. Расчет преобразователей выполняется для приема согласно фиг. 22, прежде всего, в зависимости от толщины b стенки объекта, то есть высокая частота преобразователей корректируется в зависимости от толщины b стенки объекта.

Claims (19)

1. Акустический расходомер для неинвазивного определения потока или интенсивности расхода в проточных для сред электропроводящих объектах, прежде всего в трубах или трубопроводах, содержащий передающий преобразователь для создания в объекте по меньшей мере одной ультразвуковой волны, вводимой в среду на обращенной к среде внутренней стороне объекта в виде продольной волны, и принимающий преобразователь для обнаружения в объекте ультразвукового сигнала, по меньшей мере частично возникающего за счет продольной волны, причем передающий преобразователь выполнен в виде высокочастотной индукционной катушки с отказом от акустической связи передающего преобразователя с поверхностью объекта для создания в близкой к поверхности области объекта, прежде всего металлического объекта, варьирующегося магнитного поля, за счет взаимодействия которого со статическим или квазистатическим магнитным полем в этой области создается ультразвуковая волна, отличающийся тем, что передающий преобразователь выполнен для генерации направленных волн.

2. Расходомер по п. 1, отличающийся тем, что принимающий преобразователь, прежде всего выполненный в виде высокочастотной индукционной катушки, выполнен для обнаружения ультразвукового сигнала с отказом от акустической связи с объектом.

3. Расходомер по п. 2, отличающийся тем, что он выполнен для создания образованного, прежде всего, за счет постоянного магнита и/или электромагнита, статического или квазистатического магнитного поля, которое направлено вдоль аксиального направления объекта или по нормали к нему.

4. Расходомер по п. 3, отличающийся тем, что токопроводящая дорожка, прежде всего обмотка, высокочастотной индукционной катушки должна быть направлена для применения по назначению перпендикулярно к продольной оси объекта.

5. Расходомер по п. 4, отличающийся тем, что передающий преобразователь выполнен для генерации волн Лэмба n-го порядка, где n - целое число, которое больше или равно 0.

6. Расходомер по п. 5, отличающийся тем, что направляемая к объекту сторона передающего и/или принимающего преобразователя выполнена изогнутой.

7. Расходомер по п. 6, отличающийся тем, что он предназначен для определения потока в трубе, причем передающий и/или принимающий преобразователь выполнен для прикладывания к трубе и/или обматывания трубы.

8. Расходомер по п. 7, отличающийся тем, что передающий и принимающий преобразователи имеют подлежащие обматыванию или подлежащие укладке вокруг объекта токопроводящие дорожки.

9. Расходомер по п. 8, отличающийся тем, что передающий и/или принимающий преобразователь выполнен(-ы), по меньшей мере частично, гибким(-и), чтобы иметь возможность подгонки под различные наружные диаметры труб.

10. Расходомер по п. 9, отличающийся тем, что передающий и/или принимающий преобразователь(-и) имеет(-ют) снабженную электрическим проводом пленку и/или плоский ленточный кабель, по меньшей мере частично наматываемую(-ый) вокруг трубы.

11. Расходомер по п. 10, отличающийся тем, что передающий и/или принимающий преобразователь(-и) содержит(-ат) токопроводящую дорожку, выполненную в форме меандра.

12. Расходомер по п. 11, отличающийся тем, что передающий и/или принимающий преобразователь(-и) выполнен(-ы) для регистрации расхода в полном поперечном сечении трубы.

13. Расходомер по п. 12, отличающийся тем, что он содержит блок анализа, выполненный с возможностью обнаружения пузырей и/или определения размера пузырей во флюиде.

14. Расходомер по п. 12, отличающийся тем, что для оптимального направления создаваемой в среде продольной волны высокая частота, на которой работает передающий преобразователь, является варьируемой, предпочтительно автоматически варьируемой.

15. Расходомер по п. 11, отличающийся тем, что он выполнен для измерения толщины стенки и/или давления среды на основании ультразвукового сигнала.

16. Расходомер по п. 11, отличающийся тем, что передающий и принимающий преобразователи включают в себя такие термостойкие материалы, что они выполнены для измерения, предпочтительно бесконтактного измерения, расхода в объекте с температурой более 180°, предпочтительным образом более 350°.

17. Расходомер по п. 11, отличающийся тем, что он имеет модульную конструкцию такого рода, что передающий и/или принимающий преобразователь(-и) является(-ются) длительно позиционируемым(-и) на объекте и для измерения расхода являются соединяемым(-и) с переносимым, прежде всего оператором, блоком управления и анализа, причем расходомер предпочтительно имеет приспособление для создания статического магнитного поля.

18. Расходомер по п. 11, отличающийся тем, что высокочастотная катушка для генерации ультразвуковой волны является эксплуатируемой в частотном диапазоне от 20 кГц до 50 МГц, предпочтительным образом от 50 кГц до 3 МГц.

19. Расходомер по п. 4, отличающийся тем, что для оптимального направления создаваемой в среде продольной волны высокая частота, на которой работает передающий преобразователь, является автоматически варьируемой.

Images