RU2660420C1 - Преобразователь для ультразвукового расходомера - Google Patents
Преобразователь для ультразвукового расходомера Download PDFInfo
- Publication number
- RU2660420C1 RU2660420C1 RU2016136852A RU2016136852A RU2660420C1 RU 2660420 C1 RU2660420 C1 RU 2660420C1 RU 2016136852 A RU2016136852 A RU 2016136852A RU 2016136852 A RU2016136852 A RU 2016136852A RU 2660420 C1 RU2660420 C1 RU 2660420C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- transducer
- glass
- ultrasonic
- epoxy resin
- transducers
- Prior art date
Links
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims abstract description 40
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 claims abstract description 34
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 claims abstract description 34
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims abstract description 23
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 claims abstract description 22
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims abstract description 18
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 12
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 4
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 claims description 10
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 7
- 238000005336 cracking Methods 0.000 claims description 6
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 claims description 5
- 239000011152 fibreglass Substances 0.000 claims description 3
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 claims 2
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 claims 2
- 239000011324 bead Substances 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 238000005470 impregnation Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 9
- 239000004593 Epoxy Substances 0.000 description 7
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 4
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 description 4
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 3
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 3
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 229910052451 lead zirconate titanate Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000208202 Linaceae Species 0.000 description 1
- 235000004431 Linum usitatissimum Nutrition 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 239000010779 crude oil Substances 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 1
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N lead zirconate titanate Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ti+4].[Zr+4].[Pb+2] HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 239000013598 vector Substances 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01B—BOILING; BOILING APPARATUS ; EVAPORATION; EVAPORATION APPARATUS
- B01B1/00—Boiling; Boiling apparatus for physical or chemical purposes ; Evaporation in general
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
- B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
- B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
- B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
- B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
- B06B1/0644—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element
- B06B1/0655—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element of cylindrical shape
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
- G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
- G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
- G01F1/662—Constructional details
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
- G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
- G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
- G01F1/667—Arrangements of transducers for ultrasonic flowmeters; Circuits for operating ultrasonic flowmeters
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/80—Constructional details
- H10N30/85—Piezoelectric or electrostrictive active materials
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/80—Constructional details
- H10N30/88—Mounts; Supports; Enclosures; Casings
- H10N30/883—Further insulation means against electrical, physical or chemical damage, e.g. protective coatings
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Measuring Volume Flow (AREA)
- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Изобретение относится к ультразвуковому преобразователю. Ультразвуковой расходомер содержит: центральный проход для протекания потока текучей среды, предназначенной для измерения, множество пар ультразвуковых преобразователей, причем каждая пара преобразователей выполнена с возможностью формирования хордальной траектории через указанный проход между указанными преобразователями, а каждый из указанных преобразователей содержит: пьезоэлектрический кристалл, эпоксидную смолу, содержащую вкрапления в виде стеклянных шариков, которые уменьшают ее плотность, и заключающую в оболочку пьезоэлектрический кристалл, цилиндрический усиливающий стакан, вделанный в эпоксидную смолу, причем указанный стакан содержит сетку из волокон и окружает пьезоэлектрический кристалл. Технический результат - повышение точности измерений. 3 н. и 15 з.п. ф-лы, 8 ил.
Description
ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
[0001] Изобретение испрашивает приоритет по патентной заявке США №14/220,294 с названием на «Transducer for Ultrasonic Meter», поданной 20 марта 2014 года и настоящим указанием полностью включенной в данный документ посредством ссылки.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Текучие среды, такие как природный газ, транспортируют от одного места к другому месту посредством трубопроводов. Предпочтительно точно знать количество текучей среды, протекающей в трубопроводе, в частности, при переходе текучей среды к другому ответственному лицу или ее «передаче другому владельцу». Однако точность измерений необходима и в других ситуациях, в которых не происходит передачи текучей среды другому владельцу и в которых обычно используют ультразвуковые расходомеры.
[0003] Ультразвуковые расходомеры представляют собой такой тип расходомера, который может быть использован для измерения количества текучей среды, протекающей в трубопроводе. Ультразвуковые расходомеры имеют точность, достаточную для их использования при передаче текучей среды другому владельцу. В ультразвуковом расходомере акустические сигналы отправляют в одну сторону и обратную сторону через поток измеряемой текучей среды. На основании параметров принятых акустических сигналов определяют скорость потока текучей среды в расходомере. Объем текучей среды, протекающей через расходомер, может быть определен на основании вычисленных скоростей потока и известной площади сечения расходомера. Ультразвуковой расходомер содержит преобразователи, которые генерируют и регистрируют акустические сигналы.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0004] В настоящем документе раскрыт ультразвуковой преобразователь, подходящий для использования при измерении ультразвуковым расходомером расхода текучей среды в средах с экстремальной температурой. В одном из вариантов реализации ультразвуковой расходомер содержит центральный проход для протекания потока измеряемой текучей среды и множество пар ультразвуковых преобразователей. Каждая пара преобразователей выполнена с возможностью формирования между ними хордальной траектории, проходящей через проход. Каждый преобразователь содержит пьезоэлектрический кристалл, эпоксидную смолу низкой плотности, заключающую в оболочку пьезоэлектрический кристалл, и цилиндрический усиливающий стакан, вделанный в эпоксидную смолу низкой плотности. Стакан содержит сетку из волокон и окружает пьезоэлектрический кристалл.
[0005] Еще в одном варианте реализации ультразвуковой преобразователь содержит пьезоэлектрический кристалл, эпоксидную смолу низкой плотности, заключающую в оболочку пьезоэлектрический кристалл, и цилиндрический усиливающий стакан, вделанный в эпоксидную смолу низкой плотности. Усиливающий стакан содержит сетку из волокон и окружает пьезоэлектрический кристалл.
[0006] Еще в одном варианте реализации ультразвуковой преобразователь содержит электрический/акустический преобразователь, эпоксидную смолу низкой плотности, заключающую в оболочку кристалл электрического/акустического преобразователя, и усиливающий стакан из плетеных стекловолокон. Эпоксидная смола низкой плотности содержит вкрапления в виде стеклянных шариков. Усиливающий стакан из плетеных стекловолокон вделан в эпоксидную смолу низкой плотности и окружает электрический/акустический преобразователь.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0007] Для подробного описания иллюстративных вариантов реализации настоящего изобретения далее приведены ссылки на прилагаемые чертежи.
[0008] На фиг. 1 показан ультразвуковой расходомер в соответствии с принципами, раскрытыми в настоящем документе.
[0009] На фиг. 2 показан вид сверху в разрезе ультразвукового расходомера в соответствии с принципами, раскрытыми в настоящем документе.
[0010] На фиг. 3 показан вид в вертикальном разрезе ультразвукового расходомера в соответствии с принципами, раскрытыми в настоящем документе.
[0011] На фиг. 4 показано расположение пар преобразователей ультразвукового расходомера в соответствии с принципами, раскрытыми в настоящем документе.
[0012] На фиг. 5А и 5В показаны виды ультразвукового преобразователя в соответствии с принципами, раскрытыми в настоящем документе.
[0013] На фиг. 6А и 6В показан усиливающий стакан, который содержит продольный выступ в соответствии с принципами, раскрытыми в настоящем документе.
ОБОЗНАЧЕНИЯ И ТЕРМИНОЛОГИЯ
[0014] Во всем приведенном далее описании и в формуле изобретения в отношении конкретных компонентов системы использованы определенные термины. Для специалиста в данной области очевидно, что в данном документе авторы могут по-разному называть некоторый компонент. Данный документ не предназначен для проведения различий между компонентами, которые отличаются друг от друга названием, а не функциональным назначением. Термины «включающий» и «содержащий» используют в настоящем документе и формуле изобретения неограничивающим образом и, таким образом, их значение следует интерпретировать как «включающий, но без ограничения». Кроме того, термин «соединяется» или «соединен» означает непрямое или прямое электрическое соединение. Таким образом, если первое устройство соединено со вторым устройством, то это соединение может быть реализовано посредством прямого электрического соединения или непрямого электрического соединения через другие устройства и соединения. Фраза «основан на» означает «по меньшей мере частично основан на». Таким образом, если X основано на Y, то X может быть основано на Y и любом количестве других факторов.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0015] Приведенное далее описание направлено на различные варианты реализации настоящего изобретения. Чертежи не обязательно выполнены в масштабе. Конкретные признаки вариантов реализации могут быть показаны в увеличенном масштабе или в некоторой схематической форме, а некоторые сведения об обычных элементах могут и не быть показаны в интересах ясности и краткости. Раскрытые варианты реализации не следует интерпретировать или другим образом использовать для ограничения объема настоящего изобретения, включая формулу изобретения. Кроме того, специалисту в области техники будет понятно, что приведенное далее описание имеет широкое применение, а описание любого варианта реализации предназначено только для иллюстрации этого варианта реализации, а не для указания на то, что объем настоящего изобретения, включая формулу изобретения, ограничен этим вариантом реализации. Следует понимать, что различные идеи описанных далее различных вариантов реализации могут быть использованы по отдельности или в любой подходящей комбинации для обеспечения необходимых результатов. Кроме того, различные варианты реализации были разработаны в контексте измерения расхода углеводородов (например, сырой нефти, природного газа), а описание следует из связанного с разработкой контекста, однако описанные системы и способы в равной мере применимы и для измерения расхода любой текучей среды.
[0016] При измерении расхода текучей среды в средах с экстремальной температурой возникают многочисленные проблемы. Преобразователи в ультразвуковых расходомерах могут быть подвержены воздействию потока текучей среды. Экстремальные температуры могут физически повреждать и/или разрушать преобразователи. Варианты реализации преобразователя, раскрытые в настоящем документе, содержат конструктивные средства усиления, которые обеспечивают отказоустойчивую работу преобразователей в средах с экстремальной температурой. В итоге, ультразвуковые расходомеры, использующие варианты реализации преобразователя, могут быть использованы для достоверного измерения расхода текучих сред, например расхода криогенных текучих сред, в средах с высокими температурами.
[0017] На фиг. 1 показан ультразвуковой расходомер 100 в соответствии с принципами, раскрытыми в настоящем документе. Ультразвуковой расходомер 100 содержит основную часть или патрубок 102, который определяет центральный проход или отверстие 104. Патрубок 102 выполнен и изготовлен для его соединения с трубопроводом или другой конструкцией (не показана), переносящей текучие среды (например, природный газ), таким образом, что эти текучие среды, протекающие в указанном трубопроводе, совершают перемещение через центральное отверстие 104. Несмотря на то что текучие среды проходят через центральное отверстие 104, ультразвуковой расходомер 100 измеряет расход (следовательно, текучая среда может называться измеряемой текучей средой). Патрубок 102 содержит фланцы 106, которые облегчают соединение патрубка 102 с другой конструкцией. В других вариантах реализации может быть использована любая эквивалентная система, подходящая для соединения (например, для соединения сваркой) патрубка 102 с некоторой конструкцией.
[0018] Для измерения расхода текучей среды в патрубке 102 ультразвуковой расходомер 100 содержит множество блоков преобразователей. На виде, показанном на фиг. 1, пять таких блоков 108, 110, 112, 116 и 120 преобразователей показаны полностью или частично. Блоки преобразователей расположены попарно (например, блоки 108 и 110 преобразователей), что будет описано далее. Кроме того, каждый блок преобразователей электрически соединен с блоком 124 управляющих электронных устройств. В частности, каждый блок преобразователей электрически соединен с блоком 124 управляющих электронных устройств посредством соответствующего кабеля 126 или эквивалентного блока для проведения сигналов.
[0019] На фиг. 2 показан вид сверху ультразвукового расходомера 100 в разрезе, выполненном по существу вдоль линии 2-2, показанной на фиг. 1. Патрубок 102 имеет предварительно определенный размер и определяет центральное отверстие 104, через которое протекает измеряемая текучая среда. Иллюстративная пара блоков 112 и 114 преобразователей расположена вдоль длины патрубка 102. Блоки 112 и 114 преобразователей содержат акустические приемопередатчики, в частности содержат ультразвуковые преобразователи 222, работающие в альтернативном варианте в качестве передатчика и приемника. Ультразвуковые преобразователи 222 генерируют и принимают акустические сигналы с частотами выше приблизительно 20 килогерц.
[0020] Акустические сигналы могут быть сгенерированы и приняты пьезоэлектрическим элементом в каждом преобразователе. Для генерации ультразвукового сигнала пьезоэлектрический элемент возбуждают электрическим образом посредством сигнала (например, синусоидального сигнала), а элемент отвечает вибрацией. Вибрация пьезоэлектрического элемента генерирует акустический сигнал, который проходит через измеряемую текучую среду в соответствующий блок преобразователей из пары. Аналогичным образом, после того как на принимающий пьезоэлектрический элемент попадает акустический сигнал, этот принимающий пьезоэлектрический элемент вибрирует и генерирует электрический сигнал (например, синусоидальный сигнал), который регистрируют, оцифровывают и анализируют электронными устройствами (например, управляющими электронными устройствами 124), связанными с расходомером 100.
[0021] Траектория 200, также называемая «хордой», проходит между иллюстративными блоками 112 и 114 преобразователей под углом θ к центральной линии 202 центрального отверстия. Длина хорды 200 представляет собой расстояние между лицевой стороной блока 112 преобразователя и лицевой стороной блока 114 преобразователя. Точки 204 и 206 задают положения, в которых акустические сигналы, сгенерированные блоками 112 и 114 преобразователей, входят в текучую среду, протекающую через патрубок 102, и выходят из нее. Положение блоков 112 и 114 преобразователей может быть задано посредством угла θ, посредством первой длины L, измеренной между лицевыми сторонами блоков 112 и 114 преобразователей, второй длины X, соответствующей осевому расстоянию между точками 204 и 206, и третьей длины d, соответствующей внутреннему диаметру трубы. В большинстве случаев расстояния d, Х и L точно определяют во время изготовления расходомера. Измеряемая текучая среда, такая как природный газ, протекает в направлении 208 с профилем 210 скорости. Векторы 212, 214, 216 и 218 скорости иллюстрируют то, что скорость газа через патрубок 102 увеличивается по направлению к центральной линии 202 патрубка 102.
[0022] Сначала находящийся ниже по ходу потока блок 112 преобразователя генерирует ультразвуковой сигнал, который попадает на находящийся выше по ходу потока блок 114 преобразователя и, таким образом, регистрируется им. Через некоторое время находящийся выше по ходу потока блок 114 преобразователя генерирует ответный ультразвуковой сигнал, который по существу попадает на находящийся ниже по ходу потока блок 112 преобразователя и регистрируется им. Таким образом, блоки преобразователей обмениваются ультразвуковыми сигналами 220 вдоль хордальной траектории 200 или играют с ними в «бросать и поймать». Во время работы данная последовательность может возникать тысячи раз в минуту.
[0023] Время прохождения ультразвукового сигнала 220 между иллюстративными блоками 112 и 114 преобразователей зависит от того, проходит ли ультразвуковой сигнал 220 вверх или вниз по ходу потока текучей среды. Время прохождения ультразвукового сигнала вниз по ходу потока (то есть в том же самом направлении, что и направление потока текучей среды) меньше времени прохождения этого сигнала вверх по ходу потока (то есть против потока текучей среды). Время прохождения вверх по ходу потоку и время прохождения вниз по ходу потока могут быть использованы для расчета средней скорости вдоль траектории сигнала, а также скорости звука в измеряемой текучей среде. Принимая во внимание результаты поперечных измерений расходомера 101, переносящего текучую среду, отношение средней скорости к площади центрального отверстия 104 может быть использовано для нахождения объема текучей среды, протекающей через патрубок 102.
[0024] Ультразвуковые расходомеры могут иметь одну или более хорд. На фиг. 3 показан вид ультразвукового расходомера 100 в вертикальном разрезе. В частности, иллюстративный ультразвуковой расходомер 100 содержит четыре хордальные траектории А, В, С и D, находящиеся на разных уровнях в патрубке 102. Каждая хордальная траектория A-D соответствует паре преобразователей, работающих в альтернативном варианте в качестве передатчика и приемника. Блоки 108 и 110 преобразователей (видны только частично) формируют хордальную траекторию А. Блоки 112 и 114 преобразователей (видны только частично) формируют хордальную траекторию В. Блоки 116 и 118 преобразователей (видны только частично) формируют хордальную траекторию С. В итоге, блоки 120 и 122 преобразователей (видны только частично) формируют хордальную траекторию D.
[0025] На фиг. 4, иллюстрирующей вид сверху, показан еще один аспект расположения четырех пар блоков преобразователей. Каждая пара блоков преобразователей соответствует одиночной хордальной траектории, показанной на фиг. 3, однако блоки преобразователей установлены не под перпендикулярным углом к центральной линии 202. Например, первая пара блоков 108 и 110 преобразователей установлена не под перпендикулярным углом θ к центральной линии 202 патрубка 102. Еще одна пара блоков 112 и 114 преобразователей установлена таким образом, что хордальная траектория в общих чертах образует букву «X» по отношению к хордальной траектории блоков 108 и 110 преобразователей. Аналогичным образом, блоки 116 и 118 преобразователей размещены параллельно блокам 108 и 110 преобразователей, но находятся на другом «уровне» или другой высоте. На фиг. 4 не очень точно показана четвертая пара блоков преобразователей (то есть блоки 120 и 122 преобразователей). С учетом фиг. 2, 3 и 4 пары блоков преобразователей могут быть расположены таким образом, что верхние две пары блоков преобразователей, соответствующие хордам А и В, образуют букву «X», а нижние две пары блоков преобразователей, соответствующие хордам С и D, также образуют букву »Х». Скорость потока текучей среды может быть определена на каждой хорде A-D для получения хордальных скоростей потока, причем хордальные скорости потока объединяют для определения средней скорости потока во всей трубе. На основании средней скорости потока может быть определено количество текучей среды, протекающей в патрубке и, таким образом, трубопроводе.
[0026] Обычно управляющие электронные устройства (например, блок 124 управляющих электронных устройств) вызывают запуск преобразователей 222, прием ими выходных данных преобразователей, вычисление ими средней скорости потока для каждой хорды, вычисление ими скорости потока для расходомера, вычисления ими объемного расхода в расходомере и выполнение ими диагностики расходомера. Объемный расход, а также возможно и другие измеряемые и вычисляемые значения, такие как скорость потока и скорость звука, в дальнейшем выдают на дополнительные устройства, такие как поточный компьютер, который является внешним по отношению к расходомеру 100.
[0027] На фиг. 5А и 5В показаны виды ультразвукового преобразователя 222 в соответствии с принципами, раскрытыми в настоящем документе. На фиг. 5А показан вид преобразователя 222 в разрезе, а на фиг. 5В показан вид преобразователя 222 в разрезе. Каждый преобразователь ультразвукового расходомера 100 (например, преобразователь 222 из блока 108, 110, 112, 114, 116, 118, 120, 122 преобразователей) может иметь конструкцию, схожую или идентичную преобразователю 222, показанному на фиг. 5А и 5В. Ультразвуковой преобразователь 222 содержит электрический/акустический преобразователь 502, эпоксидную смолу 504 низкой плотности, усиливающий стакан 506, а также внешний кожух или корпус 508. Электрические проводники 510 соединяют электрический/акустический преобразователь 502 через кабель 126 с управляющим блоком 124 электронных устройств, который передает электрические сигналы на электрический/акустический преобразователь 502 и принимает электрические сигналы от электрического/акустического преобразователя 502. Электрический/акустический преобразователь 502 представляет собой активный элемент, который излучает и принимает звуковую энергию. Электрический/акустический преобразователь 502 может содержать пьезоэлектрический материал, такой как цирконат-титанат свинца (PZT), и электроды, расположенные на поверхности пьезоэлектрического материала. Электроды обычно представляют собой тонкий слой из проводящего материала, такого как серебро или никель. Разность напряжений, прикладываемая между концами электродов, индуцирует электрическое поле в пьезоэлектрическом материале, что вызывает изменение формы этого пьезоэлектрического материала и излучение им звуковой энергии. Звуковая энергия, попадающая на пьезоэлектрический материал, вызывает изменение формы этого пьезоэлектрического материала и создание им напряжения между электродами.
[0028] Эпоксидная смола 504 низкой плотности покрывает оболочкой, защищает и удерживает на месте электрический/акустический преобразователь 502. Эпоксидная смола 504 низкой плотности окружает электрический/акустический преобразователь 502 и может по существу заполнять внутренний проход корпуса 508. Электрический/акустический преобразователь 502 имеет относительно высокую плотность, а газ из потока текучей среды, протекающей в центральном проходе 104, имеет относительно низкую плотность. Эпоксидная смола 504 низкой плотности также обеспечивает акустическое согласование между электрическим/акустическим преобразователем 502 и газом из потока текучей среды. Эпоксидная смола содержит вкрапления в виде стеклянных шариков 512, которые уменьшают плотность эпоксидной смолы 504, что обеспечивает уменьшение акустического сопротивления эпоксидной смолы.
[0029] Корпус 508 в целом имеет цилиндрическую форму и окружает эпоксидную смолу 504 низкой плотности и электрический/акустический преобразователь 502, вделанный в эпоксидную смолу 504. Корпус 508 представляет собой жесткую конструкцию и может быть выполнен из стали, алюминия или другого подходящего материала, предпочтительно из металла.
[0030] Эпоксидная смола 504 низкой плотности и электрический/акустический преобразователь 502 имеют по существу разные коэффициенты теплового расширения. Например, эпоксидная смола 504 может иметь относительно большой коэффициент теплового расширения, а электрический/акустический преобразователь 502 может иметь коэффициент теплового расширения, близкий к нулю, или отрицательный коэффициент теплового расширения.
[0031] Отсутствие согласования между коэффициентами теплового расширения эпоксидной смолы 504 и электрического/акустического преобразователя 502 может создать в этой эпоксидной смоле большое напряжение на растяжение при экстремально холодных температурах (например, при -50° Цельсия). Напряжение на растяжение может вызывать растрескивание эпоксидной смолы 504. Поскольку электрический/акустический преобразователь 502 может иметь относительно хрупкую конструкцию, то при увеличении трещины в эпоксидной смоле 504 и достижении ей электрического/акустического преобразователя 502, этот электрический/акустический преобразователь 502 может растрескаться вместе с эпоксидной смолой 504. Растрескивание электрического/акустического преобразователя 502 в результате приводит к потере электрических/акустических эксплуатационных характеристик, что может сделать преобразователь 222 неработающим.
[0032] Варианты реализации ультразвукового преобразователя 222 уменьшают проблемы, связанные с растрескиванием эпоксидной смолы 504, путем включения усиливающего стакана 506. Усиливающий стакан 506 вделан в эпоксидную смолу 504 и окружает электрический/акустический преобразователь 502, усиливая тем самым конструкцию преобразователя 222 без уменьшения быстродействия преобразователя. Усиливающий стакан 506 может представлять собой цилиндр или трубку, сформированные из сплетенных волокон. Волокна могут быть выполнены из стекла, углерода, поли-пара-фенилентерефталамида или другого подходящего материала. Волокна из стекла могут лучше согласовывать механические свойства электрического/акустического преобразователя 502 по сравнению с другими материалами. В некоторых вариантах реализации преобразователя 222 усиливающий стакан 506 содержит относительно тонкие сплетенные нити стекловолокна, каждая из которых содержит сотни волокон из стекла, причем эти волокна образуют цилиндр. Включение усиливающего стакана 506 значительно улучшает технические характеристики и срок службы преобразователя 222 при экстремальных температурах за счет уменьшения растрескивания в эпоксидной смоле 504 низкой плотности. Усиливающий стакан 506 может и не иметь прямого контакта с электрическим/акустическим преобразователем 502. Например, слой эпоксидной смолы 504 может отделять электрический/акустический преобразователь 502 от усиливающего стакана 506. Лицевая сторона 514 электрического/акустического преобразователя 502 открыта только для эпоксидной смолы 504 низкой плотности, а не для усиливающего стакана 506. Соответственно, акустическая характеристика преобразователя 222 остается неизменной по отношению к преобразователям, у которых отсутствует усиливающий стакан 506.
[0033] В некоторых вариантах реализации усиливающий стакан 506 образован с помощью продольного выступа 602, как показано на фиг. 6А и 6В. Продольный выступ 602 образует проход для проводников 510, которые электрически соединяют электрический/акустический преобразователь 502 с блоком 124 управляющих электронных устройств. На фиг. 6А показан вид с торца на усиливающий стакан 506. На фиг. 6В показан вид с торца на усиливающий стакан 506, позиционированный относительно корпуса 508 и электрического/акустического преобразователя 502 (перед заполнением внутреннего прохода корпуса 508 эпоксидной смолой низкой плотности). Проводник 510 проходит через канал, образованный продольным выступом 602, и электрически соединен с электрическим/акустическим преобразователем 502.
[0034] Приведенное выше описание иллюстрирует принципы и различные варианты реализации настоящего изобретения. После полного понимания описанного выше описания для специалистов в данной области техники станут очевидны многочисленные изменения и модификации. Предполагается, что приведенную далее формулу изобретения следует интерпретировать таким образом, что она охватывает все такие изменения и модификации.
Claims (29)
1. Ультразвуковой расходомер, содержащий:
центральный проход для протекания потока текучей среды, предназначенной для измерения,
множество пар ультразвуковых преобразователей, причем каждая пара преобразователей выполнена с возможностью формирования хордальной траектории через указанный проход между указанными преобразователями, а каждый из указанных преобразователей содержит:
пьезоэлектрический кристалл,
эпоксидную смолу, содержащую вкрапления в виде стеклянных шариков, которые уменьшают ее плотность, и заключающую в оболочку пьезоэлектрический кристалл,
цилиндрический усиливающий стакан, вделанный в эпоксидную смолу, причем указанный стакан содержит сетку из волокон и окружает пьезоэлектрический кристалл.
2. Ультразвуковой расходомер по п. 1, в котором эпоксидная смола выполнена с возможностью обеспечения акустического согласования пьезоэлектрического кристалла с потоком текучей среды.
3. Ультразвуковой расходомер по п. 1, в котором стакан содержит взаимно переплетенные волокна из стекла.
4. Ультразвуковой расходомер по п. 1, в котором стакан содержит оболочку из плетеного стекловолокна.
5. Ультразвуковой расходомер по п. 1, в котором стакан содержит углеродные волокна и/или волокна из поли-пара-фенилентерефталамида.
6. Ультразвуковой расходомер по п. 1, в котором стакан содержит продольный выступ, образующий канал для проводника, который электрически соединяет пьезоэлектрический преобразователь с приводом преобразователя.
7. Ультразвуковой расходомер по п. 1, в котором стакан обеспечивает возможность работы преобразователей без растрескивания при температурах до -50 градусов Цельсия.
8. Ультразвуковой преобразователь для использования в ультразвуковом расходомере, содержащий:
пьезоэлектрический кристалл,
эпоксидную смолу, содержащую вкрапления в виде стеклянных шариков, которые уменьшают ее плотность, и заключающую в оболочку пьезоэлектрический кристалл,
цилиндрический усиливающий стакан, вделанный в эпоксидную смолу, причем указанный стакан содержит сетку из волокон и окружает пьезоэлектрический кристалл.
9. Ультразвуковой преобразователь по п. 8, содержащий цилиндрический жесткий наружный корпус, окружающий эпоксидную смолу.
10. Ультразвуковой преобразователь по п. 8, в котором эпоксидная смола выполнена с возможностью обеспечения акустического согласования пьезоэлектрического кристалла с потоком текучей среды.
11. Ультразвуковой преобразователь по п. 8, в котором стакан содержит взаимно переплетенные волокна из стекла.
12. Ультразвуковой преобразователь по п. 8, в котором стакан содержит оболочку из плетеного стекловолокна.
13. Ультразвуковой преобразователь по п. 8, в котором стакан содержит углеродное волокно и/или волокно из поли-пара-фенилентерефталамида.
14. Ультразвуковой преобразователь по п. 8, в котором стакан содержит продольный выступ, образующий канал для проводников, которые электрически соединяют пьезоэлектрический преобразователь с приводом преобразователя.
15. Ультразвуковой преобразователь по п. 8, в котором стакан обеспечивает возможность работы преобразователя без растрескивания при температурах до -50 градусов Цельсия.
16. Ультразвуковой преобразователь, содержащий:
электрический/акустический преобразователь,
эпоксидную смолу, заключающую в оболочку указанный электрический/акустический преобразователь и содержащую вкрапления в виде стеклянных шариков, которые уменьшают ее плотность,
усиливающий стакан из плетеных стекловолокон, вделанный в эпоксидную смолу и окружающий указанный электрический/акустический преобразователь.
17. Ультразвуковой преобразователь по п. 16, дополнительно содержащий цилиндрический жесткий наружный корпус, окружающий эпоксидную смолу.
18. Ультразвуковой преобразователь по п. 16, в котором стакан содержит продольный выступ, образующий канал для проводников, которые электрически соединяют указанный преобразователь с приводом преобразователя.
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US14/220,294 US9295923B2 (en) | 2014-03-20 | 2014-03-20 | Transducer for ultrasonic flow meter |
US14/220,294 | 2014-03-20 | ||
PCT/US2015/019137 WO2015142542A1 (en) | 2014-03-20 | 2015-03-06 | Transducer for ultrasonic flow meter |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2660420C1 true RU2660420C1 (ru) | 2018-07-06 |
Family
ID=53965325
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016136852A RU2660420C1 (ru) | 2014-03-20 | 2015-03-06 | Преобразователь для ультразвукового расходомера |
Country Status (8)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US9295923B2 (ru) |
EP (2) | EP3719452B1 (ru) |
CN (2) | CN104931104B (ru) |
BR (1) | BR112016021421B8 (ru) |
CA (1) | CA2943064C (ru) |
MX (1) | MX358695B (ru) |
RU (1) | RU2660420C1 (ru) |
WO (1) | WO2015142542A1 (ru) |
Families Citing this family (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2014008553A1 (en) * | 2012-07-13 | 2014-01-16 | Rubicon Research Pty Ltd | Control gates and valves |
US9612141B2 (en) * | 2013-04-25 | 2017-04-04 | Woojin Inc. | Ultrasonic flow measurement system |
US9295923B2 (en) * | 2014-03-20 | 2016-03-29 | Daniel Measurement And Control, Inc. | Transducer for ultrasonic flow meter |
DE102016006244A1 (de) * | 2016-01-14 | 2017-07-20 | Diehl Metering Gmbh | Ultraschallfluidzähler sowie Verfahren zur Durchfluss- und/oder Volumenbestimmung eines strömenden Mediums |
CN206440316U (zh) * | 2017-01-23 | 2017-08-25 | 青岛海威茨仪表有限公司 | 一种多通道超声波流量计 |
US10422675B2 (en) * | 2017-06-09 | 2019-09-24 | Aps Technology, Inc. | System and method for monitoring mud flow in a component of drilling system |
US10126155B1 (en) | 2017-08-25 | 2018-11-13 | Saudi Arabian Oil Company | Multi-layer flow and level visualizer |
CN112714862A (zh) | 2018-07-12 | 2021-04-27 | 艾伯林基督大学 | 高温管道中流量的非侵入性测量的装置、系统和方法 |
US11619527B2 (en) * | 2018-10-01 | 2023-04-04 | Micro Motion, Inc. | Ultrasonic transducer with a sealed 3D-printed mini-horn array |
EP3964801A1 (en) * | 2020-09-08 | 2022-03-09 | Kamstrup A/S | An ultrasonic flow meter flow tube and a method for manufacturing the flow tube |
USD995339S1 (en) * | 2022-07-28 | 2023-08-15 | Norgas Metering Technologies, Inc. | Clamp on ultrasonic flow meter |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4823041A (en) * | 1986-07-02 | 1989-04-18 | Nec Corporation | Non-directional ultrasonic transducer |
US5020035A (en) * | 1989-03-30 | 1991-05-28 | Undersea Transducer Technology, Inc. | Transducer assemblies |
WO2001014273A1 (en) * | 1999-08-20 | 2001-03-01 | 3M Innovative Properties Company | Phosphate ester coated hollow glass microspheres, resin compositions comprising such microspheres, and low density syntactic foams prepared therefrom |
US20100257942A1 (en) * | 2009-04-13 | 2010-10-14 | Daniel Measurement And Control, Inc. | Transducer Having a Robust Electrical Connection to a Piezoelectric Crystal |
US20110162462A1 (en) * | 2010-01-06 | 2011-07-07 | Daniel Measurement And Control, Inc. | Ultrasonic Flow Meter With Transducer Assembly Having a Rotatable Receptacle and Elbow Connector |
Family Cites Families (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS60103798A (ja) * | 1983-11-09 | 1985-06-08 | Takeshi Yoshii | 変位型骨導マイクロホン |
DE102008055123B3 (de) | 2008-12-23 | 2010-07-22 | Robert Bosch Gmbh | Ultraschallwandler zum Einsatz in einem fluiden Medium |
US7966893B2 (en) * | 2009-06-16 | 2011-06-28 | Daniel Measurement And Control, Inc. | Adjusting transducer frequency without ceasing fluid flow through a meter |
DE102009046148A1 (de) * | 2009-10-29 | 2011-05-05 | Robert Bosch Gmbh | Ultraschallwandler zum Einsatz in einem fluiden Medium |
US9295923B2 (en) * | 2014-03-20 | 2016-03-29 | Daniel Measurement And Control, Inc. | Transducer for ultrasonic flow meter |
-
2014
- 2014-03-20 US US14/220,294 patent/US9295923B2/en active Active
-
2015
- 2015-03-06 MX MX2016012116A patent/MX358695B/es active IP Right Grant
- 2015-03-06 WO PCT/US2015/019137 patent/WO2015142542A1/en active Application Filing
- 2015-03-06 EP EP20169993.1A patent/EP3719452B1/en active Active
- 2015-03-06 CA CA2943064A patent/CA2943064C/en active Active
- 2015-03-06 BR BR112016021421A patent/BR112016021421B8/pt active IP Right Grant
- 2015-03-06 RU RU2016136852A patent/RU2660420C1/ru active
- 2015-03-06 EP EP15765389.0A patent/EP3120118B1/en active Active
- 2015-03-20 CN CN201510125075.7A patent/CN104931104B/zh active Active
- 2015-03-20 CN CN201520161077.7U patent/CN204612772U/zh not_active Withdrawn - After Issue
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4823041A (en) * | 1986-07-02 | 1989-04-18 | Nec Corporation | Non-directional ultrasonic transducer |
US5020035A (en) * | 1989-03-30 | 1991-05-28 | Undersea Transducer Technology, Inc. | Transducer assemblies |
WO2001014273A1 (en) * | 1999-08-20 | 2001-03-01 | 3M Innovative Properties Company | Phosphate ester coated hollow glass microspheres, resin compositions comprising such microspheres, and low density syntactic foams prepared therefrom |
US20100257942A1 (en) * | 2009-04-13 | 2010-10-14 | Daniel Measurement And Control, Inc. | Transducer Having a Robust Electrical Connection to a Piezoelectric Crystal |
US20110162462A1 (en) * | 2010-01-06 | 2011-07-07 | Daniel Measurement And Control, Inc. | Ultrasonic Flow Meter With Transducer Assembly Having a Rotatable Receptacle and Elbow Connector |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN104931104A (zh) | 2015-09-23 |
WO2015142542A1 (en) | 2015-09-24 |
MX358695B (es) | 2018-08-31 |
BR112016021421B1 (pt) | 2021-06-29 |
US20150268077A1 (en) | 2015-09-24 |
MX2016012116A (es) | 2017-01-19 |
CA2943064C (en) | 2019-02-26 |
CA2943064A1 (en) | 2015-09-24 |
US9295923B2 (en) | 2016-03-29 |
BR112016021421B8 (pt) | 2022-08-30 |
EP3120118A4 (en) | 2017-11-22 |
CN104931104B (zh) | 2018-10-02 |
BR112016021421A2 (pt) | 2017-08-15 |
EP3120118A1 (en) | 2017-01-25 |
EP3120118B1 (en) | 2020-06-03 |
EP3719452B1 (en) | 2023-04-26 |
CN204612772U (zh) | 2015-09-02 |
EP3719452A1 (en) | 2020-10-07 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2660420C1 (ru) | Преобразователь для ультразвукового расходомера | |
US7752919B2 (en) | System and method of an acoustic flow meter with dual flow measurements | |
RU2446393C2 (ru) | Способ диагностики шероховатости трубопровода и ультразвуковой расходомер | |
RU2509983C2 (ru) | Преобразователь и способ его изготовления, ультразвуковой расходомер и способ измерения характеристик текучей среды | |
CN106017585B (zh) | 包括小喇叭阵列的匹配结构、超声换能器及超声流量计 | |
RU2590318C2 (ru) | Проверка температуры ультразвуковых расходомеров | |
CN102803908B (zh) | 不停止流体流过测量仪器的换能器频率调节 | |
CA2899764C (en) | Method and system of an ultrasonic flow meter transducer assembly | |
RU2637381C2 (ru) | Ультразвуковой волновод | |
CN114660170A (zh) | 流体测量装置 |