способ и система преобразовательного блока ультразвукового расходомера

Формула изобретения

1. Система для измерения потока текучей среды в ультразвуковом расходомере, содержащая:

патрубок, который задает внешнюю поверхность, центральный проход и посадочное гнездо преобразователей, проходящее от внешней поверхности к центральному проходу,

преобразовательный блок, соединенный с посадочным гнездом преобразователей и содержащий:

переходной элемент, соединенный с патрубком и имеющий первый конец, размещенный в посадочном гнезде преобразователей, и второй конец, расположенный снаружи внешней поверхности,

пьезоэлектрический модуль с пьезоэлектрическим элементом, соединенный непосредственно с первым концом переходного элемента и размещенный внутри внешней поверхности,

трансформаторный модуль с размещенным в нем трансформатором, соединенный непосредственно со вторым концом переходного элемента и размещенный снаружи внешней поверхности, и

электрический проводник, размещенный внутри прохода сквозь переходный элемент и соединяющий трансформатор с пьезоэлектрическим элементом.

2. Система по п.1, дополнительно содержащая:

крепежный элемент, соединенный непосредственно с патрубком и содержащий:

ближний конец, размещенный в посадочном гнезде преобразователей, дальний конец, расположенный снаружи внешней поверхности, сквозное отверстие, проходящее от дальнего конца к ближнему концу, и

внешнюю поверхность, уплотненную по отношению к патрубку, причем переходный элемент размещен по меньшей мере частично в сквозном отверстии крепежного элемента и уплотнен по отношению к внутреннему диаметру сквозного отверстия.

3. Система по п.2, в которой трансформаторный модуль выполнен с возможностью его удаления от переходного элемента в то время, когда крепежный элемент уплотнен по отношению к патрубку и когда переходный элемент уплотнен по отношению к крепежному элементу.

4. Система по п.1, в которой преобразовательным блоком сформирован барьер из давления между центральным проходом и давлением окружающей среды, причем трансформаторный модуль выполнен с возможностью его удаления без воздействия давления окружающей среды на центральный проход через посадочное гнездо преобразователей.

5. Система по п.1, в которой преобразовательный блок дополнительно содержит удерживающий элемент, который задает внутренний объем и который выдвинут над трансформаторным модулем таким образом, что трансформаторный модуль расположен во внутреннем объеме.

6. Система по п.1, в которой

пьезоэлектрический модуль задает центральную ось,

трансформаторный модуль задает центральную ось, причем

пьезоэлектрический модуль и трансформаторный модуль выполнены соосными.

7. Система по п.6, в которой

посадочное гнездо преобразователей задает центральную ось, а пьезоэлектрический модуль и посадочное гнездо преобразователей выполнены соосными.

8. Преобразовательный блок для ультразвукового расходомера, содержащий:

соединительный элемент, содержащий:

первый конец, который имеет первое глухое отверстие,

второй конец, расположенный напротив первого конца и имеющий второе глухое отверстие,

первый электрический контакт, размещенный в первом глухом отверстии,

второй электрический контакт, размещенный во втором глухом отверстии и электрически соединенный с первым электрическим контактом, и

выступающую часть, размещенную между первым и вторым концами, причем выступающая часть выполнена с возможностью соединения преобразовательного блока с внешней поверхностью патрубка ультразвукового расходомера и задает плоскость, расположенную перпендикулярно центральной оси соединительного элемента,

пьезоэлектрический модуль с пьезоэлектрическим элементом, размещенный по меньшей мере частично в первом глухом отверстии и полностью расположенный на первой стороне указанной плоскости,

трансформаторный модуль с размещенным в нем трансформатором, размещенный по меньшей мере частично во втором глухом отверстии и полностью расположенный на второй стороне указанной плоскости, расположенной напротив первой стороны, и

электрический проводник, размещенный в проходе посредством соединительного элемента и соединяющий трансформатор с пьезоэлектрическим элементом.

9. Блок по п.8, в котором соединительный элемент дополнительно содержит: крепежный элемент, который задает круглое отверстие вдоль центральной оси, причем выступающая часть размещена на внешней поверхности крепежного элемента, и

переходной элемент, размещенный в круглом отверстии, причем переходной элемент задает первый конец, первое глухое отверстие, второй конец и второе глухое отверстие и уплотнен вплотную к внутреннему диаметру круглого отверстия крепежного элемента.

10. Блок по п.9, дополнительно содержащий:

удерживающий элемент для удержания трансформаторного модуля, выдвинутый над трансформаторным модулем и содержащий:

ближний конец, соединенный непосредственно со вторым концом переходного элемента,

дальний конец с проходящим через него отверстием, причем отверстие открывает третий электрический контакт, соединенный с трансформатором.

11. Блок по п.8, дополнительно содержащий:

удерживающий элемент для удержания трансформаторного модуля, выдвинутый над трансформаторным модулем и содержащий:

ближний конец, соединенный непосредственно с соединительным элементом,

дальний конец с проходящим через него отверстием, причем отверстие открывает третий электрический контакт, соединенный с трансформатором.

12. Система для измерения потока текучей среды в ультразвуковом расходомере, содержащая:

вмещающие средства для размещения потока измеряемой текучей среды, преобразовательный блок, содержащий:

соединяющие средства для соединения преобразовательного блока с указанными вмещающими средствами,

создающие средства для создания акустической энергии, соединенные с указанными соединяющими средствами,

герметизирующие средства для герметизации согласовывающих средств для согласования импедансов, причем герметизирующие средства соединены непосредственно с указанными соединяющими средствами, а согласовывающие средства для согласования импедансов электрически соединены с создающими средствами для создания акустической энергии, при этом

указанные соединяющие средства выполнены и сформированы таким образом, что указанные герметизирующие средства расположены снаружи внешней поверхности указанных вмещающих средств.

13. Система по п.12, в которой соединяющие средства дополнительно содержат:

средства для прямого соединения с вмещающими средствами, причем средства для прямого соединения задают центральный проход с внутренним диаметром, поддерживающие средства для механического поддержания создающих средств и герметизирующих средств, причем поддерживающие средства размещены во внутреннем диаметре центрального прохода и соединены с ним.

14. Система по п.13, в которой средства для прямого соединения дополнительно содержат средства для соединил впритык с частью внешней поверхности вмещающих средств.

15. Система по п.13, в которой средства для прямого соединения дополнительно содержат средства для резьбового взаимодействия с вмещающими средствами.

16. Система по п.12, дополнительно содержащая удерживающие средства для удержания герметизирующих средств с соединяющими средствами.

17. Способ измерения потока текучей среды в ультразвуковом расходомере, включающий:

замену трансформатора преобразовательного блока, соединенного с посадочным гнездом преобразователей ультразвукового расходомера, путем:

отсоединения электрического кабеля от преобразовательного блока;

удаления первого трансформаторного модуля, содержащего первый трансформатор, из преобразовательного блока без удаления пьезоэлектрического элемента и без выпуска в атмосферу текучих сред в ультразвуковом расходомере через посадочное гнездо преобразователей,

вставки второго трансформаторного модуля, содержащего второй трансформатор, в функциональную связь с преобразовательным блоком, и

последующего соединения электрического кабеля с преобразовательным блоком.

18. Способ по п.17, дополнительно включающий, после отсоединения электрического кабеля и перед удалением первого трансформаторного модуля, удаление удерживающего элемента, выдвинутого над первым трансформаторным модулем.

19. Способ по п.17, согласно которому удаление первого трансформатора дополнительно включает сдвиг первого трансформаторного модуля по направлению наружу от преобразовательного блока вдоль центральной оси преобразовательного блока для осуществления механического и электрического рассоединения.

20. Способ по п.19, согласно которому сдвиг дополнительно включает сдвиг по направлению наружу вдоль оси без поворота первого трансформаторного модуля вокруг центральной оси.

Описание изобретения к патенту

[0001] После извлечения углеводородов из земли поток текучей среды (например, сырой нефти, природного газа) перемещают от места к месту через трубопроводы. Необходимо точно знать количество текучей среды, протекающей по трубопроводу, а конкретная точность необходима при переходе текучей среды к другому владельцу или "передаче продукта потребителю". Ультразвуковые расходомеры могут быть применены для измерения количества текучей среды, протекающей в трубопроводе, причем ультразвуковые расходомеры имеют достаточную точность, которую необходимо использовать при передаче продукта потребителю. Стоимость газа "при переходе к другому владельцу" в месте передачи продукта потребителю в высокообъемном трубопроводе для природного газа может составлять по меньшей мере один миллион долларов за один день. По этой причине производители стараются создавать ультразвуковые расходомеры, которые выполнены не только очень точными, но и надежными в том смысле, что обеспечено длительное среднее время между неисправностями.

[0002] Таким образом, любое преимущество, которое увеличивает надежность ультразвуковых расходомеров и/или которое уменьшает время выявления неисправности и время ремонта после возникновения неисправности ультразвукового расходомера, могло бы обеспечить конкурентное преимущество на рынке.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0003] Подробное описание пояснительных примеров реализации будет приведено согласно прилагаемым чертежам.

[0004] На фиг.1 показан ультразвуковой расходомер согласно по меньшей мере некоторым примерам реализации.

[0005] На фиг.2 показан вид сверху в разрезе ультразвукового расходомера согласно по меньшей мере некоторым примерам реализации, причем разрез по фиг.2 выполнен по существу вдоль линии 2-2 по фиг.1.

[0006] На фиг.3 показан вид сбоку в разрезе согласно по меньшей мере некоторым примерам реализации.

[0007] На фиг.4 показан частичный вид сверху согласно по меньшей мере некоторым примерам реализации.

[0008] На фиг.5 показан вид в перспективе патрубка согласно по меньшей мере некоторым примерам реализации.

[0009] На фиг.6 показан вид в разрезе преобразовательного блока согласно по меньшей мере некоторым примерам реализации.

[0010] На фиг.7 показан вид в вертикальном разрезе пьезоэлектрического модуля согласно по меньшей мере некоторым примерам реализации.

[0011] На фиг.8 показан вид в вертикальном разрезе соединительного элемента согласно по меньшей мере некоторым примерам реализации.

[0012] На фиг.9 показан разобранный вид в вертикальном разрезе удерживающего элемента для удержания преобразователя и преобразовательного модуля

согласно по меньшей мере некоторым примерам реализации.

[0013] На фиг.10 показан разобранный вид преобразовательного блока вместе с кабельным соединением согласно по меньшей мере некоторым примерам

реализации.

[0014] На фиг.11 показан вид сверху в разрезе преобразовательного блока в посадочном гнезде преобразователей согласно по меньшей мере некоторым примерам реализации.

[0015] На фиг.12 показан способ согласно по меньшей мере некоторым примерам реализации.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0016] Конкретные термины использованы на протяжении приведенного далее описания и формулы изобретения для обращения к конкретным компонентам системы. Специалисту в уровне техники очевидно, что компании по производству ультразвуковых расходомеров могут обратиться к компоненту посредством различных названий. Данный документ не предназначен для проведения различия между компонентами, которые отличаются по названию, а не по функции.

[0017] В приведенных далее описании и формуле изобретения термины "включающий" и "содержащий" применены в свободном стиле и их не следует интерпретировать как "включая без ограничения...". Кроме того, термин "связан" или "соединен" предназначен для обозначения непрямого или прямого соединения. Таким образом, при соединении первого устройства со вторым устройством это соединение может быть реализовано путем прямого соединения или непрямого соединения посредством других устройств и соединений.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0018]Приведенное далее описание направлено на различные примеры реализации настоящего изобретения. Несмотря на то, что по меньшей мере один из этих примеров реализации может представлять собой предпочтительный пример реализации, раскрытые примеры реализации не следует интерпретировать или использовать другим образом в качестве ограничения объема настоящего изобретения, включая формулу изобретения. Кроме того, специалисту в уровне техники будет понятно, что данное описание имеет широкое применение, а описание любого примера реализации предназначено только для пояснения такого примера реализации и не предназначено для указания того, что объем настоящего изобретения, включая формулу изобретения, ограничен таким примером реализации.

[0019] На фиг.1 показан ультразвуковой расходомер 100 согласно по меньшей мере некоторым примерам реализации. В частности, ультразвуковой расходомер содержит корпус расходомера или патрубок 102, который задает центральный проход 104. Патрубок 102 выполнен и сформирован с возможностью соединения с трубопроводом, перемещающим текучие среды, так что текучие среды, протекающие в трубопроводе, аналогичным образом проходят через центральный проход 104. При прохождении текучих сред через центральный проход 104, ультразвуковой расходомер 100 измеряет расход (следовательно, текучая среда может быть названа как измеряемая текучая среда). Показанный патрубок 102 по фиг.1 выполнен с возможностью соединения с трубопроводом (не показан) посредством фланцев 106; однако может быть равным образом применена любая подходящая система для соединения патрубка 102 с трубопроводом (например, сварочные соединения).

[0020] Для измерения потока текучей среды в расходомере ультразвуковой расходомер 100 использует множество преобразовательных блоков. На фиг.1 полностью или частично показаны пять таких блоков 108, 110, 112, 116 и 120 преобразователей. Преобразовательные блоки объединены в пары (например, блоки 108 и 110 преобразователей) согласно приведенному далее описанию. Кроме того, каждый преобразовательный блок электрически соединен с управляющими электронными устройствами, которые на чертеже размещены в камере 124. В частности, каждый преобразовательный блок электрически соединен с управляющими электронными устройствами в камере 124 посредством соответствующего кабеля 126.

[0021] На фиг.2 показан вид сверху в разрезе ультразвукового расходомера 100, причем разрез выполнен по существу по линии 2-2 по фиг.1. Патрубок 102 имеет предварительно заданный размер и задает центральный проход 104, через который протекает измеряемая текучая среда. Показанная пара преобразовательных блоков 112 и 114 расположена по длине патрубка 102. Преобразователи 112 и 114 представляют собой акустические приемопередатчики и, в частности, ультразвуковые приемопередатчики, что означает, что они оба формируют и принимают акустические сигналы с частотами выше приблизительно 20 кГц. Акустические сигналы могут быть сформированы и приняты пьезоэлектрическим элементом в каждом преобразователе. Для создания ультразвукового сигнала пьезоэлектрический элемент электрически возбужден посредством синусоидального сигнала и отвечает путем вибрации. Вибрация пьезоэлектрического элемента формирует акустический сигнал, который совершает перемещение через измеряемую текучую среду к соответствующему преобразовательному блоку из пары. Аналогично, при ударении акустическим сигналом принимающий пьезоэлектрический элемент вибрирует и формирует синусоидальный электрический сигнал, который обнаружен, оцифрован и проанализирован электронными устройствами, связанными с расходомером.

[0022] Отрезок 200, иногда называемый "хордой," проходит между показанными преобразовательными блоками 112 и 114 под углом 9 к центральной оси 202. Длина хорды 200 представляет собой расстояние между лицевой стороной преобразовательного блока 112 и лицевой стороной преобразовательного блока 114. Точки 204 и 206 задают положения, в которых акустические сигналы, сформированные преобразовательными блоками 112 и 114, входят в текучую среду, протекающую через патрубок 102 (то есть вход в отверстие патрубка), и выходят из нее. Положение преобразовательных блоков 112 и 114 может быть задано посредством угла 9, первой длины L, измеренной между лицевыми сторонами преобразовательных блоков 112 и 114, второй длины X, соответствующей осевому расстоянию между точками 204 и 206, и третьей длины "d", соответствующей внутреннему диаметру трубопровода. В большинстве случаев расстояния d, X и L точно определены при производстве расходомеров. Измеряемая текучая среда, такая как природный газ, протекает в направлении 208 с профилем 210 скоростей. Векторы 212, 214, 216 и 218 скоростей показывают, что происходит увеличение скорости газа через патрубок 102 к центральной оси 202 патрубка 102.

[0023] Сначала преобразовательный блок 112, расположенный ниже по потоку, формирует ультразвуковой сигнал, который представляет собой падающий сигнал, и, таким образом, обнаружен преобразовательным блоком 114, расположенным выше по потоку. Через некоторое время преобразовательный блок 114, расположенный выше по потоку, формирует отраженный ультразвуковой сигнал, который по существу представляет собой падающий сигнал и который обнаружен преобразовательным блоком 112, расположенным ниже по потоку. Таким образом, преобразовательные блоки выполняют функцию "питчера и кетчера" с ультразвуковыми сигналами 220 вдоль хордового отрезка 200. При работе данная последовательность может возникать тысячи раз в минуту.

[0024] Время прохождения ультразвукового сигнала 220 между показанными преобразовательными блоками 112 и 114 частично зависит от того, совершает ли ультразвуковой сигнал 220 перемещение вверх по потоку или вниз по потоку относительно потока текучей среды. Время прохождения для перемещения ультразвукового сигнала вниз по потоку (то есть в направлении, идентичном направлению потока текучей среды) меньше, чем время прохождения при перемещении вверх по потоку (то есть относительно потока текучей среды). Время прохождения вверх по потоку и время прохождения вниз по потоку могут быть применены для расчета средней скорости вдоль отрезка сигнала и скорости звука в измеряемой текучей среде. При условии поперечных измерений расходомера, перемещающего текучую среду, средняя скорость по области центрального прохода может быть использована для нахождения объема текучей среды, протекающей через патрубок 102.

[0025] Ультразвуковые расходомеры могут иметь по меньшей мере одну хорду. На фиг.3 показан вид сбоку в разрезе ультразвукового расходомера 100. В частности, показанный ультразвуковой расходомер 100 содержит четыре хордовых отрезка А, В, С и D на различных уровнях в патрубке 102. Каждый хордовый отрезок A-D соответствует паре преобразователей, работающих поочередно в качестве передатчика и приемника. Преобразовательные блоки 108 и 110 (отображены только частично) формируют хордовый отрезок А. Преобразовательные блоки 112 и 114 (отображены только частично) формируют хордовый отрезок В. Преобразовательные блоки 116 и 118 (отображены только частично) формируют хордовый отрезок С. В итоге, преобразовательные блоки 120 и 122 (отображены только частично) формируют хордовый отрезок D.

[0026] Еще один вариант конструкции из четырех пар преобразователей показан на фиг.4, на которой отображен вид сверху. Каждая пара преобразователей соответствует одному хордовому отрезку по фиг.3; однако преобразовательные блоки установлены под неперпендикулярным углом к центральной оси 202. Например, первая пара преобразовательных блоков 108 и 110 установлена под неперпендикулярным углом 8 к центральной оси 202 патрубка 102. Еще одна пара преобразовательных блоков 112 и 114 установлена таким образом, что хордовый отрезок приблизительно формирует форму "X" по отношению к хордовому отрезку преобразовательных блоков 108 и 110. Аналогично преобразовательные блоки 116 и 118 расположены параллельно преобразовательным блокам 108 и 110, но на различном "уровне" или высоте. На фиг.4 неявным образом показана четвертая пара преобразовательных блоков (то есть преобразовательные блоки 120 и 122). Согласно фиг.2, 3 и 4, пары преобразователей расположены таким образом, что верхние две пары преобразователей, соответствующие хордам А и В, формируют форму "X", а нижние две пары преобразователей, соответствующие хордам С и D, также формируют форму "X". Скорость потока текучей среды может быть определена в каждой хорде A-D для получения скоростей потока по хордам, причем скорости потоков по хордам объединены для получения средней скорости потока по всей трубе. Из средней скорости потока может быть определено количество текучей среды, протекающей в патрубке и, таким образом, в трубопроводе.

[0027] На фиг.5 показан вид в перспективе патрубка 102 с удаленными преобразовательными блоками. В частности, патрубок 102 задает множество посадочных гнезд преобразователей. На фиг.5 полностью или частично показаны только пять таких посадочных гнезд 500, 502, 504, 508 и 512 преобразователей. Аналогично преобразовательным блокам посадочные гнезда преобразователей объединены в пары. Например, посадочное гнездо 500 преобразователей объединено в пару с посадочным гнездом 502 преобразователей и т.д. В отношении посадочного гнезда 504 преобразователей, которое показано из всех посадочных гнезд преобразователей, посадочное гнездо 504 преобразователей содержит фланцевую поверхность 520. Плоскость, заданная показанной фланцевой поверхностью 520 фланца выполнена перпендикулярной к хорде, заданной парой преобразователей, которая использует посадочное гнездо 504 преобразователей. Согласно чертежу, фланцевая поверхность 520 содержит множество отверстий 522 с резьбами, с которыми механически соединен преобразовательный блок.

[0028] Рассмотрим посадочное гнездо 504 преобразователей, которое показано из всех посадочных гнезд преобразователей, посадочное гнездо 504 преобразователей дополнительно содержит отверстие 524, которое посредством текучей среды соединено с центральным проходом 104 патрубка 102. Согласно чертежу, отверстие содержит часть 526 с большим диаметром и часть 528 с маленьким диаметром с формированием, таким образом, уступа 530. В других примерах реализации, отверстие 524 может иметь один внутренний диаметр или по меньшей мере три различных внутренних диаметра между фланцевой поверхностью 520 и центральным проходом 104. Для данного описания и формулы изобретения и в отношении конкретного посадочного гнезда преобразователей объект (или часть объекта), который физически расположен в отверстии между плоскостью, сформированной фланцевой поверхностью, и центральным проходом, следует относить к объекту, расположенному в посадочном гнезде преобразователей. Аналогично, в отношении конкретного посадочного гнезда преобразователей, объект (или часть объекта), который физически расположен снаружи по отношению к объему в отверстии между плоскостью, сформированной фланцевой поверхностью, и центральным проходом (и также расположен снаружи центрального прохода), следует рассматривать в качестве объекта, расположенного снаружи посадочного гнезда преобразователей или снаружи внешней поверхности патрубка 102. Далее приведено описание недостатков преобразовательных блоков из уровня техники.

[0029] Компоненты ультразвукового расходомера, которые выполнены, в частности, чувствительными к неисправностям, представляют собой преобразовательные блоки и, в частности, согласующие трансформаторы в преобразовательных блоках. Согласующие трансформаторы выполняют согласование электрического импеданса между управляющими электронными устройствами и пьезоэлектрическими элементами, которые формируют и обнаруживают акустическую энергию. Поскольку пьезоэлектрические элементы подвержены емкостной нагрузке, обусловленной длиной кабельного соединения между согласующим трансформатором для согласования импедансов и пьезоэлектрическим элементом, то согласующие трансформаторы для согласования импедансов из уровня техники расположены вплотную с пьезоэлектрическими элементами и расположены в посадочном гнезде преобразователей. Несмотря на то что согласующие трансформаторы для согласования импедансов могут быть защищены в некоторой форме (например, посредством герметизирующего вещества), наличие согласующих трансформаторов для согласования импедансов в посадочном гнезде преобразователей открывает согласующие трансформаторы для согласования импедансов с множеством нежелательных условий. Например, при расположении в посадочном гнезде преобразователей, согласующие трансформаторы для согласования импедансов могут быть подвержены очень высоким и/или очень низким температурам (выше колебаний температуры окружающей среды). Колебания температур приводят к температурному расширению и сужению, что создает механические напряжения на трансформаторе (в обоих случаях внутренние напряжения, а также напряжения, к которым привело расширение и сужение окружающего герметизирующего вещества). Кроме того, давление в расходомере может достигать по меньшей мере несколько сотен фунтов на квадратный дюйм (PSI) и/или давление в расходомере может быть подвержено большим колебаниям (например, от условий использований до условий неиспользования). Кроме того, измерения под давлением приводят к расширению и сужению, которые механически нагружают согласующие трансформаторы для согласования импедансов, а также окружающее герметизирующее вещество. Кроме того, измеряемая текучая среда может представлять собой агрессивную среду по отношению к материалам, которые формируют трансформатор, а также герметизирующему веществу. Кроме того, расположение согласующих трансформаторов для согласования импедансов вплотную с пьезоэлектрическими элементами обуславливает небольшой физический размер согласующих трансформаторов для согласования импедансов. Например, если согласующий трансформатор для согласования импедансов расположен в посадочном гнезде преобразователей, то внутренний диаметр отверстия посадочного гнезда преобразователей обуславливает размер трансформатора.

[0030] Авторы данной заявки определили, что согласующий трансформатор для согласования импедансов может быть перемещен на относительно короткое расстояние от пьезоэлектрического элемента без существенного ухудшения технических характеристик пьезоэлектрического элемента, а также с обеспечением достижения значительных успехов в надежности преобразовательных блоков, улучшения возможности выявления неисправных преобразовательных блоков и уменьшения времени обслуживания для ремонта неисправных преобразовательных блоков. В частности, авторы данной заявки обнаружили, что размещение согласующего трансформатора для согласования импедансов снаружи барьера из давления, созданного преобразовательным блоком, и снаружи посадочного гнезда преобразователей приводит к увеличению среднего времени между неисправностями для преобразовательных блоков, к которым приводят согласующие трансформаторы для согласования импедансов, уменьшению количества времени, необходимого для выявления неисправностей преобразовательных блоков, к которым привели неисправности согласующих трансформаторов для согласования импедансов, и уменьшению времени, необходимого на устранение неисправностей преобразователей, к которым привели неисправности согласующих трансформаторов для согласования импедансов.

[0031] В частности, ультразвуковые расходомеры, использующие преобразовательные блоки, которые формируют акустическую энергию на частотах приблизительно в 125 кГц (то есть ультразвуковые расходомеры, в которых измеряемая текучая среда представляет собой газ), пьезоэлектрические элементы имеют импедансы приблизительно в 1-2 кОм, а схемы возбуждения и/или приема имеют импеданс приблизительно в 30 Ом. При сравнении ультразвуковых расходомеров, которые создают частоты в диапазоне от 400 кГц до 1 МГц (то есть ультразвуковые расходомеры, в которых измеряемая текучая среда представляет собой жидкость), во многих случаях нет необходимости в наличии согласующих трансформаторов между управляющими электронными устройствами и пьезоэлектрическими элементами. Изобретатели обнаружили, что согласующие трансформаторы для согласования импедансов могут быть расположены в двух футах или менее от пьезоэлектрических элементов без существенного ухудшения технических характеристик. В конкретном примере реализации согласующие трансформаторы для согласования импедансов расположены в пределах шести дюймов пьезоэлектрического элемента. Физическое расположение пути перемещения от пьезоэлектрического элемента не только предотвращает возможный контакт трансформатора с давлением, температурой и потенциально агрессивными газами в рабочей камере, но также размещает трансформатор снаружи посадочного гнезда преобразователей. Далее приведено описание показанного преобразовательного блока.

[0032] На фиг.6 показан вид в разрезе преобразовательного блока 600 согласно по меньшей мере некоторым примерам реализации. Преобразовательный блок 600 поясняет любой из преобразовательных блоков 108, 110, 112, 114, 116, 118, 120 и 122. В частности, показанный преобразовательный блок 600 может быть рассмотрен в качестве блока, содержащего четыре основных компонента (от верней части к нижней части по фиг.6): пьезоэлектрический модуль 602 (описан по фиг.7), соединительный элемент 604 (описан по фиг.8), трансформаторный модуль 606 (описан по фиг.9) и удерживающий элемент 608 для удержания трансформаторного модуля (также описан по фиг.9). Далее приведено описание каждого из этих блоков.

[0033] На фиг.7 показан вид в разрезе пьезоэлектрического модуля 602 согласно различным примерам реализации. В частности, пьезоэлектрический модуль 602 содержит пьезоэлектрический элемент 700, размещенный в материале 702 для согласования акустических импедансов. Материал 702 для согласования акустических импедансов имеет акустический импеданс между пьезоэлектрическим элементом 700 и измеряемой текучей средой, а в конкретном примере реализации материал 702 для согласования акустических импедансов представляет собой эпоксидную смолу. В пояснительном примере реализации пьезоэлектрический элемент 700 размещен в цилиндрическом внешнем корпусе 704 с открытым концом 706. В некоторых примерах реализации цилиндрический внешний корпус 704 выполнен из металла, однако равным образом могут быть применены другие формы и материалы. Пьезоэлектрический модуль 602 дополнительно содержит гнездовую часть 708, выполненную с возможностью выдвижения в глухом отверстии соединительного элемента 604. В показанном примере реализации гнездовая часть 708 и цилиндрический внешний корпус 704 представляют собой отдельные элементы, соединенные вместе посредством резьб 710. Электрические проводники 712 соединены на одном конце с пьезоэлектрическим элементом 700 и соединены на втором конце с электрическими контактами 714 в гнездовой части 708. Согласно чертежу, использованы два электрических контакта 714, причем электрические контакты 714 представляют собой гнездовые электрические контакты; однако равным образом могут быть использованы штыревые контакты, а также различные типы электрических соединений, такие как соосные соединения. Показанные электрические контакты 714 электрически изолированы от гнездовой части 616 посредством изолирующего элемента 716, который может выполнять функцию удержания контактов 714 на месте. В итоге, пьезоэлектрический модуль 602 имеет или задает центральную ось 750.

[0034] Согласно фиг.8, соединительный элемент 604 по чертежу содержит крепежный элемент 800 и переходной элемент 802. Крепежный элемент задает круглое отверстие 804 вдоль центральной оси 806. Переходной элемент 802 совершает выдвижение в круглом отверстии 804 согласно приведенному далее более подробному описанию. Крепежный элемент 800 дополнительно содержит фланцевую часть 808, размещенную на средней части крепежного элемента 800. Фланцевая часть 808 выполнена с возможностью соединения преобразовательного блока с внешней поверхностью патрубка 102 и, в частности, возможностью соединения преобразовательного блока с соответствующей фланцевой поверхностью 520 (фиг.5). Фланцевая часть 808 задает плоскость, перпендикулярную центральной оси 806 соединительного элемента. Например, фланцевая поверхность 810 расположена в плоскости и/или задает плоскость (согласно фиг.8, причем плоскость была бы лишь линией и, таким образом, показана пунктирной линией 812). Крепежный элемент 800 дополнительно содержит кольцевую канавку 814, в которой может быть расположен эластомерный уплотняющий элемент 816 (например, кольцевое уплотнение). При установке соединительного элемента 604 в посадочное гнездо преобразователей 504 (фиг.5) эластомерный уплотняющий элемент 816 уплотнен в кольцевой канавке 814 и расположен вплотную к внутреннему диаметру отверстия 524 с формированием, таким образом, части барьера из давления между центральным проходом 104 (фиг.1) ультразвукового расходомера и окружающей средой. В других примерах реализации, крепежный элемент 800 может быть соединен с патрубком посредством любых подходящих средств, например посредством резьбового соединения.

[0035] Переходной элемент 802 размещен в круглом отверстии 804 крепежного элемента 800. В частности, переходной элемент 804 имеет резьбы 820 на внешнем диаметре, которые имеют резьбовое соединение с резьбами 822 на внутреннем диаметре круглого отверстия 804. Равным образом для механического соединения переходного элемента 802 с крепежным элементом 800 могут быть использованы другие устройства. Кроме того, внешний диаметр переходного элемента содержит по меньшей мере одну кольцевую канавку с соответствующими эластомерными уплотняющими элементами. На фиг.8 две такие кольцевые канавки 824 показаны вместе с эластомерными уплотняющими элементами 826; однако по меньшей мере один из них может быть использован в зависимости от предполагаемого максимального давления в ультразвуковом расходомере. Эластомерные уплотняющие элементы 826 уплотнены в соответствующих кольцевых канавках 824 и внутреннем диаметре круглого отверстия 804 с формированием, таким образом, по меньшей мере части барьера из давления между центральным проходом 104 (фиг.1) и окружающей средой.

[0036] Согласно фиг.8, переходной элемент 802 дополнительно содержит первый конец 830 (является ближним по отношению к пьезоэлектрическому модулю), который имеет глухое отверстие 832. Он расположен в глухом отверстии 832, в котором гнездовая часть 708 (фиг.7) пьезоэлектрического модуля 602 совершает выдвижение, и по меньшей мере частично удержан на месте установочным винтом 843. Согласно чертежу, два электрических контакта 834 расположены в глухом отверстии 832, причем электрические контакты расположены таким образом, что при выдвижении гнездовой части 708 в глухом отверстии 832 электрические контакты 834 электрически соединены с электрическими контактами 714. Несмотря на то, что на пояснительной фиг.8 электрические контакты 834 представляют собой штыревые контакты, в других примерах реализации равным образом могут быть использованы гнездовые контакты. Электрические контакты 834 электрически изолированы от противовеса переходного элемента 802, который в некоторых примерах реализации выполнен из металла.

[0037] Показанный переходной элемент 802 дополнительно содержит по меньшей мере один проход, а по чертежу два прохода 840. Проходы 840 проходят от первого глухого отверстия 832 ко второму глухому отверстию 842. По меньшей мере один электрический проводник (не показан) расположен в каждом проходе 840 с обеспечением, таким образом, электрического соединения контактов 834 в первом глухом отверстии 832 с контактами 844 во втором глухом отверстии 842. Согласно различным примерам реализации, проходы 840 уплотнены таким образом, что измеряемая текучая среда в расходомере не может выйти в окружающую среду через проходы 840. Согласно по меньшей мере некоторым примерам реализации, уплотнения, сформированные в проходах 840, представляют собой металлостеклянное уплотнение (металл, представляющий собой металлический материал переходного элемента 802); однако равным образом может быть применено любое подходящее уплотняющее приспособление.

[0038] Согласно фиг.8 и краткому описанию проходов 840, показанный переходный элемент 802 содержит второй конец 850 (ближний по отношению к трансформаторному модулю 606), в котором расположено глухое отверстие 842. Он расположен в глухом отверстии 842, в котором совершает выдвижение (описано далее) часть трансформаторного модуля 606. Кроме того, он расположен в глухом отверстии 842, в котором совершает выдвижение удерживающий модуль для удержания трансформатора, а в некоторых примерах реализации глухое отверстие 842 имеет резьбы 852 на внутреннем диаметре глухого отверстия 842, так что удерживающий модуль для удержания трансформатора имеет резьбовое соединение с переходным элементом 802. Согласно чертежу, два электрических контакта 844 расположены в глухом отверстии 842, причем электрические контакты расположены таким образом, что при выдвижении трансформаторного модуля 606 в глухом отверстии 842, электрические контакты 844 электрически соединены с электрическими контактами трансформаторного модуля 606. Несмотря на то, что на пояснительной фиг.8 электрические контакты 844 представляют собой штыревые выводы, в других примерах реализации равным образом могут быть применены гнездовые контакты. Электрические контакты 844 электрически изолированы от противовеса металлического переходного элемента 802. Второй конец 850 переходного элемента 802 расположен на одной стороне плоскости 812, заданной фланцевой частью 808, а первый конец 830 переходного элемента 802 расположен на другой стороне плоскости 812.

[0039] На фиг.9 показан разобранный вид в разрезе трансформаторного модуля 606 и удерживающий элемент 608 для удержания трансформаторного модуля. В частности, трансформаторный модуль 606 содержит круглый внешний корпус 900, который задает внутренний объем 902. В некоторых примерах реализации круглый внешний корпус 900 выполнен из пластика; однако круглый внешний корпус 900 может быть равным образом выполнен из других материалов (например, металла). Во внутреннем объеме 902 расположен согласующий трансформатор 904 для согласования импедансов. Согласующий трансформатор 904 для согласования импедансов содержит первичную обмотку, электрически соединенную с контактами 906 посредством проводников 908, а также вторичную обмотку, электрически соединенную с контактами 910 посредством проводников 912. Согласующий трансформатор 904 для согласования импедансов выполняет согласование импедансов между управляющими электронными устройствами и пьезоэлектрическим элементом 700 (фиг.7). В некоторых примерах реализации согласующий трансформатор 904 для согласования импедансов подвешен во внутреннем объеме 902 посредством непроводящего полимерного материала (например, эпоксидной смолы). Преобразовательный блок 606 дополнительно содержит гнездовую часть 920, которая совершает выдвижение в глухом отверстии 842 (фиг.8) переходного элемента 802. Гнездовая часть 920 трансформаторного модуля 606 удерживает электрические контакты 910. Несмотря на то, что отображенные примеры реализации по фиг.9 показывают электрические контакты 910 в качестве гнездовых контактов, равным образом могут быть применены штыревые контакты.

[0040] Согласно фиг.9, согласно отображенным примерам реализации, преобразовательный блок 600 дополнительно содержит удерживающий элемент 608 для удержания трансформаторного модуля, который выполнен и сформирован с возможностью удержания трансформаторного модуля 606 на месте. Согласно чертежу, удерживающий элемент 608 для удержания трансформаторного модуля содержит круглый внешний корпус 930, который задает внутренний объем 932. На одном конце круглый внешний корпус 930 имеет резьбы 934, которые имеют резьбовое взаимодействие с резьбами 852 (фиг.8) переходного элемента 802. Равным образом для механического соединения удерживающего элемента 608 для удержания трансформаторного модуля с переходным элементом 802 могут быть использованы другие устройства. Удерживающий элемент 608 для удержания трансформаторного модуля совершает выдвижение над трансформаторным модулем 606 таким образом, что трансформаторный модуль 606 расположен во внутреннем объеме 932 круглого внешнего корпуса 930. Уступ 936 смещает трансформаторный модуль 606 к переходному элементу 802.

[0041] Удерживающий элемент 608 для удержания трансформаторного модуля согласно по меньшей мере некоторым примерам реализации дополнительно содержит отверстие 940 на его дальнем конце для открытия электрических контактов 906 для соединения с кабельным соединением. В некоторых примерах реализации дальний конец круглого внешнего корпуса 930 имеет резьбы 942 для обеспечения возможности механического соединения соединителя кабеля с удерживающим элементом 608 для удержания трансформаторного модуля с обеспечением одновременного электрического соединения с электрическими контактами 906 трансформаторного модуля 606. Каждый из удерживающего элемента 608 для удержания трансформаторного модуля и трансформаторного модуля 606 имеет или задает центральную ось 960, так что при выдвижении удерживающего элемента 608 для удержания трансформаторного модуля над трансформаторным модулем 606 удерживающий элемент 608 и модуль 606 выполнены соосными.

[0042] Согласно показанному на фиг.9 примеру размещения компонентов, удерживающий элемент 608 для удержания трансформаторного модуля может быть физически отсоединен, а трансформаторный модуль 606 может быть физически и электрически отсоединен от противовеса компонентов преобразовательного блока 600 без нарушения барьера из давления. В частности, удаление удерживающего элемента 608 для удержания трансформаторного модуля и трансформаторного модуля 606 не нарушает уплотнение, созданное эластомерным уплотняющим элементом 816 (фиг.8), или уплотнения, созданные эластомерными уплотняющими элементами 826. Таким образом, трансформаторный модуль 606 может быть удален и заменен без выхода измеряемой текучей среды в атмосферу и, таким образом, без необходимости разгерметизации центрального прохода 104 ультразвукового расходомера.

[0043] Каждый компонент показанного преобразовательного блока 600 имеет или задает центральную ось. В частности, пьезоэлектрический модуль 602 имеет или задает центральную ось 750 (фиг.7); крепежный элемент 800 и переходной элемент 802 соединительного элемента 604 имеют или задают центральную ось 806 (фиг.8); а удерживающий элемент 608 для удержания трансформаторного модуля и трансформаторный модуль 606 имеют или задают центральную ось 960 (фиг.9). На фиг.10 показан вид в перспективе разобранного преобразовательного блока 600 вместе с кабельным соединением 1000, которое показывает центральную ось каждого компонента и которое дополнительно сообщает как собраны различные компоненты. В частности, на фиг.10 показан разобранный вид в перспективе, на котором отображен пьезоэлектрический модуль 602, часть соединительного элемента 604 (в частности переходной элемент 802), трансформаторный модуль 606 и удерживающий модуль 608 для удержания трансформатора. Кроме того, на фиг.10 показано, что центральные оси каждого компонента выполнены соосными при сборке согласно по меньшей мере некоторым примерам реализации.

[0044] На фиг.10 показаны дополнительные особенности различных компонентов. Например, первый конец 830 переходного элемента 802 содержит множество отверстий 1002. Внутренняя сторона отверстий может быть снабжена резьбой, так что установочные винты могут быть в нее завинчены с обеспечением последующего контакта с пьезоэлектрическим модулем 602, удерживающим гнездовую часть 708 пьезоэлектрического модуля 602 в глухом отверстии 832. Кроме того, переходной элемент 802 может содержать по меньшей мере две плоские области 1006, размещенные напротив друг друга на втором конце 850 таким образом, что приспособление может быть использовано для соединения переходного элемента 802 с крепежным элементом 800 (не показан на фиг.10). Аналогично, дальняя часть удерживающего элемента 608 для удержания трансформаторного модуля может также иметь по меньшей мере две плоские области 1008 (на фиг.10 показана только одна такая область) для обеспечения возможности использования приспособления для облегчения соединения удерживающего элемента 608 для удержания трансформаторного модуля с переходным элементом 802. В итоге, трансформаторный модуль 606 имеет эластомерный уплотняющий элемент 1010, размещенный вокруг гнездовой части 920, которая формирует уплотнение вплотную к гнездовой части 920 и внутреннему диаметру глухого отверстия 842; однако уплотнение, сформированное эластомерным уплотняющим элементом 1010, может быть целесообразно при уплотнении электрических соединений от проникновения влаги из окружающей среды, поскольку другая текучая среда удержана в расходомере другими уплотняющими устройствами согласно описанию.

[0045] На фиг.11 показан вид в вертикальном разрезе преобразовательного блока 600 в посадочном гнезде преобразователей. Посадочное гнездо 504 преобразователей поясняет любое из посадочных гнезд 500, 502, 508 и 512 преобразователей. В частности, фланцевая часть 808 соединительного элемента 604 механически соединена с внешней поверхностью 1100 патрубка 102 и, в частности, соединена с фланцевой поверхностью 520. Таким образом, ближний или первый конец 830 переходного элемента 802 с глухим отверстием 832 размещен в посадочном гнезде 504 преобразователей. В противном случае, первый конец 830 расположен во внутреннем объеме, заданном отверстием 524, и ограничен посредством центрального прохода 104 на одном конце и фланцевой поверхностью 520 на другом конце. Кроме того, дальний или второй конец 850 переходного элемента 802 с глухим отверстием расположен снаружи внешней поверхности 1100. Это следует из положения второго конца 850, что трансформаторный модуль 606 аналогичным образом расположен снаружи внешней поверхности 1100.

[0046] При наличии трансформаторного модуля 606, расположенного снаружи внешней поверхности 1100, трансформаторный модуль 606 и расположенный в нем трансформатор претерпевают только температурные колебания, связанные с окружающей средой. Кроме того, в такой конструкции трансформаторный модуль 608 не подвержен экстремальным значениям давления, ожидаемым в центральном проходе 104, и не подвержен потенциально агрессивным соединениям измеряемой текучей среды. Кроме того, физические размеры трансформаторного модуля 606 не ограничены внутренним диаметром отверстия 524 посадочного гнезда 504 преобразователей.

[0047] Конструкция и структура преобразовательного блока приводит к способу замены неисправного преобразователя, который имеет преимущества по отношению к устройствам из уровня техники. В частности, на фиг.12 показан способ согласно по меньшей мере некоторым примерам реализации. Способ начинается (блок 1200) и переходит к замене трансформаторного преобразовательного блока, соединенного с посадочным гнездом преобразователей ультразвукового расходомера (блок 1204), причем замену выполняют путем отсоединения электрического кабеля от преобразовательного блока (блок 1208); удаления первого трансформаторного модуля, содержащего первый трансформатор, из преобразовательного блока без удаления пьезоэлектрического элемента и без попадания текучих сред из окружающей атмосферы в ультразвуковом расходомере через посадочное гнездо преобразователей (1212); вставки второго трансформаторного модуля, содержащего второй трансформатор, имеющий функциональную связь с преобразовательным блоком (блок 1216); и последующего соединения электрического кабеля с преобразовательным блоком (блок 1220). После этого происходит завершение способа (блок 1224).

[0048] В примерах реализации, которые используют удерживающий элемент для удержания трансформаторного модуля, после отсоединения электрического кабеля и перед удалением первого трансформаторного модуля, удаляют удерживающий элемент для удержания трансформаторного модуля, выдвинутый над первым трансформаторным модулем. Аналогично, после установки второго трансформаторного модуля, удерживающий элемент для удержания трансформаторного модуля выдвигают над вторым трансформаторным модулем и соединяют с соединительным элементом.

[0049] Представленное выше описание предназначено для раскрытия принципов и различных примеров реализации настоящего изобретения. Специалисту в области техники очевидны многочисленные изменения и модификации, поскольку ему в полной мере понятно приведенное выше описание. Например, несмотря на то, что в пояснительных примерах реализации удерживающий элемент для удержания трансформаторного модуля удерживает трансформаторный модуль на месте, в других примерах реализации трансформаторный модуль может быть механически соединен с соединительным элементом таким образом, что нет необходимости в наличии дополнительного удерживающего элемента (например, модуль имеет резьбовое соединение непосредственно с соединительным элементом). Описание предназначено для того, чтобы приведенная далее формула изобретения могла быть истолкована с обеспечением охвата всех таких изменений и модификаций.