Регулировка частоты приемопередающего блока без прекращения потока текучей среды через расходометр

Регулировка частоты приемопередающего блока без прекращения потока текучей среды через расходометр

Иллюстрации

Показать все

Реферат

[0001] Неприменимо.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] После извлечения углеводородов из земли поток текучей среды, например неочищенного или природного газа, транспортируют из одного места в другое по трубопроводам. Ультразвуковые расходомеры, которые присоединены к этим трубопроводам, могут использовать для определения различных характеристик потока текучей среды (например, количества или скорости текучей среды, текущей в потоке). В ультразвуковом расходомере ультразвуковые сигналы направляют в одну и другую сторону поперек потока исследуемой текучей среды, и на основании различных характеристик ультразвуковых сигналов может быть определен расход текучей среды.

[0003] Механизмы, которые повышают качество ультразвуковых сигналов, направляемых в текучую среду, могут повысить точность измерений. Кроме того, ультразвуковые расходомеры могут устанавливаться в агрессивных средах, и поэтому необходим механизм для уменьшения продолжительности технического обслуживания и, если возможно, улучшения рабочих характеристик.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0004] Далее приведено более подробное описание вариантов осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи, из которых

[0005] Фиг.1А - вид в вертикальном разрезе ультразвукового расходомера;

[0006] Фиг.1В - вид сбоку измерительной муфты, который иллюстрирует хордовые линии М, N, О и Р;

[0007] Фиг.1С - вид сверху измерительной муфты, содержащей пару приемопередающих блоков;

[0008] Фиг.2 иллюстрирует предлагаемое устройство согласно варианту осуществления;

[0009] Фиг.3 иллюстрирует перспективный вид в вертикальном разрезе корпуса приемопередающего блока согласно варианту осуществления;

[0010] Фиг.4 иллюстрирует вид сбоку в вертикальном разрезе корпуса приемопередающего блока согласно варианту осуществления;

[0011] Фиг.5 иллюстрирует собранный приемопередающий узел согласно варианту осуществления;

[0012] Фиг.6 иллюстрирует перспективный вид в вертикальном разрезе собранного приемопередающего узла согласно варианту осуществления;

[0013] Фиг.7А иллюстрирует перспективный вид передней поверхности пьезоэлектрического элемента согласно варианту осуществления;

[0014] Фиг.7В иллюстрирует перспективный вид задней поверхности пьезоэлектрического элемента согласно варианту осуществления;

[0015] Фиг.8 - блок-схема, иллюстрирующая способы замены приемопередающего узла согласно варианту осуществления;

[0016] Фиг.9А-9С содержат последовательность изображений, иллюстрирующих замену приемопередающего узла, когда текучая среда течет через расходомер, согласно варианту осуществления;

[0017] Фиг.9D схематично показывает приемопередающий узел, соединенный с электронной логикой, согласно варианту осуществления и

[0018] Фиг.10 показывает блок-схему, иллюстрирующую способ регулировки частоты сигнала, когда текучая среда течет через расходомер, согласно варианту осуществления.

ВЫРАЖЕНИЯ И ТЕРМИНЫ

[0019] Определенные термины используются в приведенных ниже описании и формуле изобретения для обозначения определенных компонентов системы. При этом может отсутствовать единство терминологии для названия компонентов, имеющих одинаковую функцию.

[0020] В приведенных ниже описании и формуле изобретения термины «включающий» и «содержащий» используются в расширительном смысле и поэтому должны истолковываться следующим образом: «включающий, без ограничения». Далее, термины «соединять» или «соединен» могут означать как прямое, так и непрямое соединение. Поэтому, если сказано, что первое устройство соединено со вторым устройством, то соединение может представлять собой либо прямое соединение, либо непрямое соединение через другие устройства и соединительные приспособления.

[0021] Под текучей средой понимается жидкость (например, неочищенная нефть или газолин) либо газ (например, метан).

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

[0022] Фиг.1А - вид в вертикальном разрезе примера ультразвукового расходомера 101. Измерительная муфта 100, подходящая для помещения между секциями трубопровода, служит корпусом расходомера 101. Измерительная муфта 100 имеет внутреннее пространство, которое служит каналом для течения исследуемой текучей среды и имеет предварительно определенный размер, который определяет измерительное сечение внутри расходомера. Текучая среда может течь в направлении 150 с распределением 152 скоростей. Векторы 153-158 скорости показывают, что скорость текучей среды в измерительной муфте 100 увеличивается по мере приближения к оси муфты.

[0023] Пара приемопередающих блоков 120 и 130 расположена на окружной поверхности измерительной муфты 100. Приемопередающие блоки 120 и 130 размещены в патрубках 125 и 135 соответственно. Положение приемопередающих блоков 120 и 130 может быть определено углом Θ, первой длиной L между приемопередающими блоками 120 и 130, второй длиной X, представляющей собой осевое расстояние между точками 140 и 145, и третьей длиной D, представляющей собой диаметр трубы. В большинстве случаев расстояния D, X и L точно определяют во время изготовления расходомера. Далее, приемопередающие блоки, такие как блоки 120 и 130, могут быть помещены на определенном расстоянии от точек 140 и 145, соответственно, независимо от размера расходомера (т.е. размера отрезка трубы). Хотя приемопередающие блоки изображены немного заглубленными, в альтернативных вариантах осуществления приемопередающие блоки проходят внутрь измерительной муфты.

[0024] Линия 110, иногда называемая хордой, проходит между приемопередающими блоками 120 и 130 под углом Θ к оси 105. Длина L хорды 110 - это расстояние между поверхностью приемопередающего блока 120 и поверхностью приемопередающего блока 130. Точки 140 и 145 определяют места, где акустические сигналы, генерируемые приемопередающими блоками 120 и 130, входят в текучую среду и выходят из текучей среды, которая течет через трубную секцию 100 (т.е. места входа во внутреннюю полость измерительной муфты).

[0025] Предпочтительно, приемопередающие блоки 120 и 130 представляют собой ультразвуковые приемопередающие блоки, т.е. они генерируют и принимают ультразвуковые сигналы. Термин «ультразвуковой сигнал» в данном контексте относится к акустическим сигналам, частота которых превышает приблизительно 20 кГц. Для генерации ультразвукового сигнала электрически воздействуют на пьезоэлектрический элемент, который отвечает на это воздействие вибрацией. Вибрация пьезоэлектрического элемента генерирует ультразвуковой сигнал, который проходит через текучую среду внутри измерительной муфты в соответствующий приемопередающий блок пары приемопередающих блоков. Аналогичным образом, под действием ультразвукового сигнала принимающий пьезоэлектрический элемент колеблется и генерирует электрический сигнал, который принимается, оцифровывается и анализируется электронной аппаратурой, связанной с расходомером. Сначала расположенный ниже по течению приемопередающий блок 120 генерирует ультразвуковой сигнал, который затем принимается расположенным выше по течению приемопередающим блоком 130. Некоторое время спустя расположенный выше по течению приемопередающий блок 130 генерирует обратный ультразвуковой сигнал, который затем принимается расположенным ниже по течению приемопередающим блоком 120. Таким образом, приемопередающие блоки 120 и 130 «обмениваются» ультразвуковыми сигналами 115 вдоль хордовой линии 110. При работе расходомера эта последовательность может выполняться тысячи раз в минуту.

[0026] Время прохождения ультразвукового сигнала 115 между приемопередающими блоками 120 и 130 зависит, в частности, от направления распространения ультразвукового сигнала 115 вверх или вниз по течению потока текучей среды. Время прохождения ультразвукового сигнала вниз по течению (т.е. в том же направлении, что и поток) меньше, чем время его прохождения вверх по течению (т.е. против потока). Время прохождения вверх по течению и время прохождения вниз по течению могут быть использованы для вычисления средней скорости потока вдоль пути сигнала и могут также быть использованы для вычисления скорости звука в текучей среде. Зная площадь поперечного сечения расходомера, несущего текучую среду, и предположительное распределение скоростей, можно использовать среднюю скорость потока через расходомер для нахождения объема текучей среды, текущей через расходомер 101.

[0027] Ультразвуковые расходомеры могут иметь одну или более пару приемопередающих блоков, соответствующих одной или более линиям. Фиг.1В показывает вид сбоку измерительной муфты, имеющей диаметр D. В этом варианте осуществления измерительная муфта 100 содержит четыре хордовые линии М, N, О и Р, которые проходят на разных уровнях через поток текучей среды. Каждая хордовая линия М-Р соответствует двум приемопередающим блокам, выступающим попеременно передатчиком и приемником. Также показана управляющая электроника 160, которая получает и обрабатывает данные, соответствующие четырем линиям М-Р. Четыре пары приемопередающих блоков, соответствующие линиям М-Р на фиг.1В, не видны.

[0028] Точное расположение четырех пар приемопередающих блоков можно лучше понять с помощью фиг.1С. В некоторых вариантах осуществления четыре пары патрубков для приемопередающих блоков установлены на измерительной муфте 100. Каждая пара патрубков для приемопередающих блоков соответствует одной хордовой линии из фиг.1В. Первая пара патрубков 125 и 135 для приемопередающих блоков вмещает приемопередающие блоки 120 и 130 (фиг.1А). Приемопередающие блоки установлены под углом Θ, отличным от 90°, к оси 105 измерительной муфты 100. Еще одна пара патрубков 165 и 175 (видны лишь частично) для приемопередающих блоков вмещает соответствующие приемопередающие блоки, так что соответствующая им хордовая линия образует перекрещивание наподобие буквы «X» с хордовой линией, соответствующей патрубкам 125 и 135 для приемопередающих блоков. Аналогичным образом, патрубки 185 и 195 для приемопередающих блоков могут быть помещены параллельно патрубкам 165 и 175 для приемопередающих блоков, но на другом «уровне» (т.е. на другой высоте в измерительной муфте). На фиг.1С явным образом не показана четвертая пара приемопередающих блоков и патрубков для приемопередающих блоков. Если рассматривать фиг.1В и 1С вместе, то понятно, что пары приемопередающих блоков расположены таким образом, что верхние две пары приемопередающих блоков соответствуют хордам М и N, а нижние две пары приемопередающих блоков соответствуют хордам О и Р. Скорость потока текучей среды может быть определена для каждой хорды М-Р для получения скоростей потока по хордам, а скорости потока по хордам могут быть совместно использованы для определения средней скорости потока во всей трубе. Хотя показаны четыре пары приемопередающих блоков, линии которых перекрещиваются наподобие буквы «X», может иметься больше или меньше четырех пар. Приемопередающие блоки также могут быть расположены в одной и той же плоскости или в какой-либо иной конфигурации.

[0029] Фиг.2 иллюстрирует узел 200, который соединяется с и/или устанавливается внутрь патрубков для приемопередающих блоков (например, патрубков 165, 175 из фигуры 1С). В частности, узел 200 содержит жгут 202 проводов, имеющий соединительный элемент 204 на его дальнем конце 205. Жгут 202 проводов и, в частности, соединительный элемент 204 соединяется с патрубком (не показано на фиг.2) для приемопередающего блока через контргайку 206 и корпус 208 приемопередающего блока. Приемопередающий узел 210 электрически соединяется с соединительным элементом 204 жгута 202 проводов, а следовательно, с электронной аппаратурой расходомера, через отверстие в контргайке 206. Приемопередающий узел 210 телескопически вкладывается в корпус 208 приемопередающего блока и удерживается, по меньшей мере частично, контргайкой 206. Когда приемопередающий узел 210 и корпус 208 приемопередающего блока соединены, пьезоэлектрический элемент 214 приемопередающего узла 210 акустически соединен с акустическим согласующим слоем 212. Корпус 208 приемопередающего блока и приемопередающий узел 210 будут описаны ниже по очереди.

[0030] Фиг.3 показывает перспективный вид в вертикальном разрезе корпуса 208 приемопередающего блока согласно раскрываемому варианту осуществления. Корпус 208 содержит ближний конец 318, дальний конец 302 и внутреннюю полость 310. Дальний конец 302 по меньшей мере частично закрыт акустическим согласующим слоем 212. Акустический согласующий слой 212 герметично закрывает дальний конец 302, а наружная сторона 314 акустического согласующего слоя 212 соприкасается с текучей средой, текущей через измерительную муфту/расходомер (фиг.1А-С). Резьба 306 на наружной поверхности корпуса 208 приемопередающего блока позволяет соединить корпус 208 с измерительной муфтой (фиг.1А-С), а уплотнительные кольца 308 плотно соединяют корпус 208 с патрубком для приемопередающего блока (фиг.1А-С). В альтернативных вариантах осуществления корпус 208 приемопередающего блока приваривается к патрубку для приемопередающего блока (фиг.1А-С) измерительной муфты.

[0031] В некоторых вариантах осуществления корпус 208 приемопередающего блока выполнен из металла, такого как низкоуглеродистая нержавеющая сталь. В альтернативных вариантах осуществления может также быть использован любой материал, способный выдерживать давление текучей среды внутри расходомера, такой как пластмассы высокой плотности или композитные материалы. В некоторых вариантах осуществления толщина стенки корпуса 208 приемопередающего блока выбрана таким образом, чтобы эта стенка немного сжималась под действием разности давлений между текучей средой в расходомере и внутренней полостью 310. Сжатие стенок корпуса 208 приемопередающего блока в этих вариантах осуществления способствует удержанию акустического согласующего слоя 212. Например, стенка позади акустического согласующего слоя немного отклоняется внутрь, и меньший внутренний диаметр обеспечивает поддержку акустического согласующего слоя для предотвращения его продольного перемещения, вызванного усилиями давления текучей среды внутри расходомера. Кроме того, во время процесса соединения акустического согласующего слоя 212 с корпусом 208 приемопередающего блока этот корпус 208 растягивают (в пределах упругости материала стенки) для введения акустического согласующего слоя 212.

[0032] Чтобы способствовать соединению акустического согласующего слоя 212 с корпусом 208 приемопередающего блока, в некоторых вариантах осуществления акустический согласующий слой 212 имеет мениск 304 вдоль края на внутренней стороне 312. Фигура 4 иллюстрирует вид сбоку в вертикальном разрезе корпуса 208 приемопередающего блока, где более наглядно показан мениск 304 согласно варианту осуществления. В частности, мениск 304 акустического согласующего слоя 212 увеличивает область контакта между стенкой корпуса приемопередающего блока и акустическим согласующим слоем 212, но, предпочтительно, оставляет достаточную область поверхности на внутренней стороне 312 акустического согласующего слоя 212 для возможности акустического соединения с пьезоэлектрическим элементом приемопередающего узла (не показан на фигуре 4). Иными словами, приемопередающий узел 210 обеспечивает пространство для мениска 304, так что мениск 304 гарантированно не мешает соединению пьезоэлектрического элемента с акустическим согласующим слоем 212.

[0033] Материалом акустического согласующего слоя 212 является один или более материал из следующей группы: стекло; керамика; пластик; стеклонаполненный пластик; наполненный углеродным волокном пластик. В то время как в некоторых вариантах осуществления в качестве акустического согласующего слоя используется 100% стекло, в альтернативных вариантах осуществления используется пластик с содержанием стекла 30% или меньше. Вне зависимости от материала акустического согласующего слоя, акустический согласующий слой 212 обеспечивает акустическое соединение между пьезоэлектрическим элементом 214 и текучей средой в расходомере. Согласно некоторым вариантам осуществления, раскрываемым в настоящем документе, акустический согласующий слой обладает акустическим импедансом, величина которого находится между акустическим импедансом пьезоэлектрического элемента 214 и акустическим импедансом текучей среды внутри расходомера. Когда величина акустического импеданса акустического согласующего слоя находится между акустическим импедансом пьезоэлектрического элемента и акустическим импедансом текучей среды в расходомере, качество ультразвукового сигнала повышается (например, увеличивается амплитуда и уменьшается время нарастания сигнала). Стекло является предпочтительным материалом для акустического согласующего слоя, поскольку оно имеет требуемый акустический импеданс для обеспечения хорошего акустического соединения и при этом является достаточно прочным для выдерживания давления текучей среды, находящейся внутри расходомера, так что пьезоэлектрический элемент может быть изолирован от текучей среды, находящейся внутри расходомера. Для сравнения, акустический импеданс акустического согласующего слоя, состоящего, по существу, из нержавеющей стали, больше, чем акустический импеданс пьезоэлектрического элемента, и поэтому обеспечивает худшее акустическое соединение. В некоторых вариантах осуществления акустический импеданс акустического согласующего слоя 212 находится в диапазоне между приблизительно 1 мегарейл и приблизительно 30 мегарейл или, альтернативно, между приблизительно 10 мегарейл и приблизительно 15 мегарейл.

[0034] Когда приемопередающий узел 210 введен в корпус 208 приемопередающего блока, пьезоэлектрический элемент 214 (фиг.2) приемопередающего узла 210 соединен с внутренней стороной 312 акустического согласующего слоя 212. Для обеспечения хорошего акустического соединения внутренняя сторона 312 и наружная сторона 314 акустического согласующего слоя 212 являются, по существу, плоскими и, по существу, параллельными друг другу. В некоторых вариантах осуществления эти поверхности являются плоскими с отклонением от плоскости 0,001 дюйма (0,025 мм) или менее и параллельными с отклонением от параллельности 0,003 дюйма (0,075 мм) или менее. Кроме того, приемопередающий узел 210 расположен таким образом, что пьезоэлектрический элемент 214 расположен по центру акустического согласующего слоя 212. Корпусы 208 приемопередающих блоков с акустическими согласующими слоями, описываемые в настоящем документе, могут быть приобретены у производящей их компании Dash Connector Technology of Spokane Washington.

[0035] Акустический согласующий слой 212 имеет толщину (вдоль оси, общей с осями остальных частей корпуса 208 приемопередатчика), которая в некоторых вариантах осуществления, по существу, является равной нечетному кратному четверти (1/4, 3/4, 5/4, 7/4 и т.д.) длины волны звука, генерируемого пьезоэлектрическим элементом 214. Например, рассмотрим пьезоэлектрический элемент 214, работающий на частоте 1 МГц, и акустический согласующий слой 212 со скоростью звука 5,000 м/с. Длина волны звука в акустическом согласующем слое равна приблизительно 0,197 дюйма (4,94 мм). В этом варианте осуществления акустический согласующий слой может иметь толщину 0,049, 0,148, 0,246, 0,344 и т.д. дюйма (1,23, 3,71, 6,17, 8,63 мм). Более тонкий акустический согласующий слой имеет лучшие акустические характеристики, но более толстый акустический согласующий слой позволяет корпусу 208 приемопередающего блока выдерживать более высокие давления. Выбор оптимальной толщины акустического согласующего слоя представляет собой выбор самого тонкого акустического согласующего слоя, который может выдерживать давления, ожидаемые внутри расходомера.

[0036] Для уменьшения электрических шумов и дублирования возбуждающего напряжения часто требуется электрически соединять пьезоэлектрический элемент дифференциально (речь об этом пойдет ниже), то есть часть пьезоэлектрического элемента, примыкающая к акустическому согласующему слою, может иметь электропроводящее покрытие. Если акустический согласующий слой является металлическим, то для электрической изоляции необходимо использовать между металлом и пьезоэлектрическим элементом 214 тонкий электрический изолятор. Для устранения этой необходимости в некоторых вариантах осуществления акустический согласующий слой 212 представляет собой электрический изолятор, тем самым уменьшая или устраняя необходимость в дополнительной электрической изоляции.

[0037] Теперь рассмотрим собранный приемопередающий узел 210. Фигура 5 иллюстрирует перспективный вид приемопередающего узла 210. Приемопередающий узел 210 содержит удлиненный наружный корпус 501, имеющий ось 505 (показана как ось X на фигуре 6), проходящую вдоль его длины. В некоторых вариантах осуществления удлиненный наружный корпус 501 содержит первую часть 500 и вторую часть 502, которые имеют общую ось 505. В этих вариантах осуществления вторая часть 502 телескопически соединена с первой частью 500, так что первая часть 500 и вторая часть 502 могут перемещаться относительно друг друга в осевом направлении. Далее, удлиненный наружный корпус 501 может иметь цилиндрическую форму, но могут также использоваться и другие формы.

[0038] В вариантах осуществления, где удлиненный наружный корпус 501 содержит первую часть 500 и вторую часть 502, наружный диаметр второй части 502 на содержащем пьезоэлектрический элемент, или дальнем, конце 518 является, по существу, таким же, что и первой части 500. Однако вторая часть 502 также содержит участок 520 меньшего диаметра, который телескопически сопряжен с внутренним диаметром первой части 500, т.е. имеет наружный диаметр, немного меньший, чем внутренний диаметр первой части 500. В некоторых вариантах осуществления длина сопряжения первой и второй частей 500 и 502 приблизительно равна наружному диаметру, но более длинные и более короткие сопряжения могут тоже быть использованы. Наружный диаметр удлиненного наружного корпуса 501 немного меньше, чем внутренний диаметр корпуса 208 приемопередающего блока, что позволяет гарантировать, что положение пьезоэлектрического элемента точно известно.

[0039] Согласно некоторым вариантам осуществления, вторая часть 502 выполнена из пластика (например, Ultem 1000). В этих вариантах осуществления осевая длина второй части 502 уменьшена (по сравнению с осевой длиной первой части 500, которая, предпочтительно, является металлической), поскольку меньшая длина снижает производственные затраты, а также потому, что при изготовлении из пластика вторая часть 502 имеет тенденцию к абсорбированию влаги и увеличению в объеме. Меньший размер второй части 502 позволяет удерживать увеличение в объеме в допустимых пределах для возможности извлечения приемопередающего узла 210 из корпуса 208 приемопередающего блока при увеличении в объеме.

[0040] Относительное вращательное и осевое перемещения первой и второй частей 500 и 502 ограничены стержнем 506, проходящим радиально от второй части 502 сквозь отверстие 504 в первой части 500. В некоторых вариантах осуществления используются три таких стержня и отверстия, но могут быть в равной степени использованы один стержень и одно отверстие, а также более трех стержней и отверстий. Альтернативно, вторая часть 502 может иметь такую конструкцию, что содержит выполненный составляющий с ней одно целое выступ, который взаимодействует с отверстием 504.

[0041] В то время как пьезоэлектрический элемент 214 присоединен к первому концу 503 удлиненного наружного корпуса 501 и по меньшей мере частично закрывает первый конец 503 удлиненного наружного корпуса 501, держатель 508 для электрических контактов присоединен ко второму концу 509 удлиненного наружного корпуса 501 и по меньшей мере частично закрывает второй конец 509 удлиненного наружного корпуса 501. Первая часть 500 удлиненного наружного корпуса 501 может содержать соединяющий ключ 514, который помогает обеспечить правильную ориентацию собранного приемопередающего узла для соединения с разъемом соединительного элемента 204. Держатель 508 для электрических контактов может содержать отверстие 515, сквозь которое проходит соединяющий ключ 514, предотвращая вращение держателя 508 для электрических контактов внутри удлиненного наружного корпуса 501. Кроме того, держатель 508 для электрических контактов может дополнительно содержать предотвращающий вращение паз 516, который, взаимодействуя с выступом на корпусе 208 приемопередатчика, удерживает собранный приемопередающий узел 210 от вращения в корпусе 208 приемопередающего блока. Второй конец 509 удлиненного наружного корпуса 501 имеет внутренний диаметр, обеспечивающий скольжение в малый наружный диаметр держателя 508 для электрических контактов. Держатель 508 для электрических контактов предпочтительно может быть выполнен из материала Ultem 1000, но также может быть использован любой другой жесткий неэлектропроводящий материал.

[0042] Фиг.6 иллюстрирует перспективный вид в вертикальном разрезе приемопередающего узла 210. По меньшей мере в некоторых вариантах осуществления пьезоэлектрический элемент 214 электрически изолирован от корпуса 208 приемопередающего блока, и поэтому по меньшей мере вторая часть 502 выполнена из жесткого неэлектропроводящего материала, о чем говорилось выше. Внутренний диаметр удлиненного наружного корпуса 501 и наружный диаметр пьезоэлектрического элемента 214 выбраны таким образом, что между приемопередающим узлом 210 и корпусом 208 приемопередающего блока имеется пространство, внутрь которого вводится приемопередающий узел 210. Это пространство служит для размещения мениска 304 (см. фиг.3 и 4) акустического согласующего слоя. Это пространство также обеспечивает место для избыточной жидкой или консистентной смазки, которую могут наносить на наружную поверхность пьезоэлектрического элемента 214 перед введением внутрь корпуса 208 приемопередающего блока для улучшения акустического соединения пьезоэлектрического элемента 214 и акустического согласующего слоя 212.

[0043] Упор 600 в удлиненном наружном корпусе 501 соединен с пьезоэлектрическим элементом 214 для предотвращения осевого перемещения пьезоэлектрического элемента, вызванного, например, усилиями, действующими, когда приемопередающий узел 210 установлен внутрь корпуса 208 приемопередающего блока. Пространство позади пьезоэлектрического элемента 214 содержит опорный согласующий слой 602 (например, из эпоксидной смолы, эпоксидной смолы с порошковым наполнителем, резины, резины с порошковым наполнителем), который выполняет несколько функций. Например, опорный согласующий слой соединяет пьезоэлектрический элемент 214 и один или более присоединенный к нему провод с удлиненным наружным корпусом 501. В частности, масса опорного согласующего слоя повышает акустическую мощность пьезоэлектрического элемента 214 путем уменьшения низкочастотных помех и расширения диапазона частот акустического сигнала. В некоторых вариантах осуществления длина заднего соединительного слоя (измеряемая вдоль оси удлиненного наружного корпуса) выбрана таким образом, что время прохождения ультразвукового сигнала в прямом и обратном направлении в опорном согласующем слое 602 больше, чем время измерения полученного сигнала. Например, если в качестве точки измерения принимают четвертое прохождение через ноль полученного сигнала, то время прохождения сигнала в опорном согласующем слое в прямом и обратном направлении должно быть, предпочтительно, больше двух циклов для средней частоты пьезоэлектрического элемента. Альтернативно, длина опорного согласующего слоя 602 находится в диапазоне от приблизительно 1 до приблизительно 9 длин звуковых волн в материале опорного согласующего слоя для средней частоты пьезоэлектрического элемента. Надлежащая длина гарантирует, что никакие отраженные акустические сигналы не поступят в пьезоэлектрический элемент в период времени между отправкой сигнала ультразвуковым расходомером и приемом им ответного сигнала.

[0044] Продолжим рассмотрение удлиненного наружного корпуса 501, содержащего первую часть 500 и вторую часть 502. Участок 520 меньшего диаметра второй части 502 образует упор 608. Этот упор является достаточно маленьким, чтобы провода могли проходить через канал внутри участка 520 меньшего диаметра и чтобы мог быть введен опорный согласующий слой 602. Опорный согласующий слой может быть введен с помощью шприца с небольшой пластиковой насадкой. На конце упора 608 для устранения острого края, который может повредить провода, выполнена фаска. Упор 608 находится в таком положении, в котором смещающее приспособление (описано ниже) может прикладывать толкающее действие при смещении второй части 502.

[0045] В вариантах осуществления, где удлиненный наружный корпус 501 содержит первую часть 500 и вторую часть 502, которые выполнены с возможностью осевого перемещения относительно друг друга, приемопередающий узел 210 содержит смещающее приспособление, такое как пружина 610. Смещающее приспособление смещает первую часть 500 и вторую часть 502 друг от друга вдоль общей оси X. Усилие, с которым смещающее приспособление смещает первую часть 500 и вторую часть 502 друг от друга, составляет в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 4 до приблизительно 12 фунтов (от приблизительно 1,81 до приблизительно 5,44 кг). В альтернативных вариантах осуществления смещающее приспособление может представлять собой любое приспособление для приложения смещающего усилия, такое как пружинная шайба, деталь из резины или сочетания пружин, пружинной шайбы и/или деталей из резины.

[0046] В процессе сборки пружину 610 немного прижимают к упору 618, а по меньшей мере один стержень в сочетании с отверстием (стержень частично показан и обозначен позицией 506, отверстие изображено на фиг.5) ограничивает осевое и вращательное перемещение второй части 502 внутри первой части 500. Когда приемопередающий узел 210 устанавливают в корпус 208 приемопередающего блока, контргайкой 206 еще более сжимают пружину 610. Это сжатие устраняет зазоры между собранными частями и служит для обеспечения хорошего контакта наружной стороны пьезоэлектрического элемента 214 с внутренней стороной 312 акустического согласующего слоя 212 (фиг.4). Когда присоединяют соединительный элемент 204 (фиг.2), пружину 610 могут сжать еще в большей мере. Когда соединительный элемент 204 установлен, усилие пружины может составлять порядка 4,9 фунтов (2,22 кг). В альтернативных вариантах осуществления нет необходимости в том, чтобы соединительный элемент 204 прикладывал дополнительное сжимающее усилие к пружине. В вариантах осуществления, в которых удлиненный наружный корпус 501 состоит из одной части, усилие, обеспечивающее хорошее соединение между пьезоэлектрическим элементом 214 и акустическим согласующим слоем 212 (фиг.4), может быть приложено контргайкой 206 (фиг.2) и/или соединительным элементом 204 (фиг.2).

[0047] Держатель 508 для электрических контактов удерживает два имеющих определенную длину контактных стержня 615 и 617 на необходимом расстоянии. Стержни соответствуют соединительному элементу 204, обеспечивающему электрическое соединение приемопередающего узла с электронной аппаратурой расходомера. Контактный стержень 615 соединен с пьезоэлектрическим элементом 214 посредством первого провода 611, который проходит сквозь внутренний канал удлиненного наружного корпуса 501. Аналогичным образом, второй контактный стержень 617 соединен с пьезоэлектрическим элементом 214 посредством второго провода 613, который тоже проходит сквозь внутренний канал корпуса 501. В некоторых вариантах осуществления для проводов 611, 613 используется многожильный медный провод с изоляцией из политетрафторэтилена, но могут тоже быть использованы другие типы провода. Для удержания на месте проводов 611 и 613, а также, возможно, резистора (речь о котором пойдет ниже) и держателя 508 для электрических контактов связующее вещество 609, такое как эпоксидная смола, вводят через наполнительное отверстие 612. В некоторых вариантах осуществления контактные стержни 615 и 617 представляют собой прочные покрытые золотом латунные стержни, которые имеют карманы для паяного соединения, но могут быть тоже использованы другие стержни. Во время производства используется изоляция проводов двух разных цветов для обеспечения правильной полярности поверхностей пьезоэлектрического элемента, при этом соблюдают правильное положение контактных стержней относительно соединяющего ключа. Во время сборки провода скручивают для гарантии того, что электрические и магнитные поля, возникающие при прохождении электрических сигналов в этих проводах, уравновешивались и не оказывали влияния на импульсы пьезоэлектрического элемента во время измерительных циклов.

[0048] Один мегаомный резистор 614 установлен между стержнями 615 и 617, соединяя таким образом две покрытые электродами поверхности (описаны ниже) пьезоэлектрического элемента. Этот резистор 614 обеспечивает короткое замыкание при низких частотах для разрядки любой электрической энергии, индуцированной механическими или температурными воздействиями во время транспортировки или установки. При высокой частоте (~1 МГц) работы приемопередающего блока резистор 614 имеет практически нулевое влияние на электрический сигнал, направляемый на пьезоэлектрический элемент или генерируемый пьезоэлектрическим элементом. Один вывод резистора изолирован с помощью изолирующего материала во избежание замыкания этого вывода на корпус во время производства. Альтернативные конструкции приемопередающего блока могут содержать дополнительные электрические компоненты внутри собранного приемопередающего узла (например, катушки индуктивности, усилители, переключатели, зенеровские диоды или конденсаторы). Эти компоненты могут быть использованы по отдельности или в сочетаниях.

[0049] Фиг.7А и 7В иллюстрируют электрическое соединение с пьезоэлектрическим элементом 214. В некоторых вариантах осуществления пьезоэлектрический элемент 214 представляет собой пьезоэлектрический кристалл, такой как PZT-5A, или другой подобный материал. Толщина, диаметр и свойства материала пьезоэлектрического элемента определяют частоту испускаемого ультразвукового сигнала. Наружная сторона 700 - это сторона пьезоэлектрического элемента 214, которая соединена с акустическим согласующим слоем (фиг.3 и 4). Наружная сторона 700 и внутренняя сторона 702 пьезоэлектрического элемента по меньшей мере частично покрыты серебром или другими металлами для создания поверхностей, служащих электродами. Часть 704 покрытия наружной стороны 700 проходит по боковой стороне пьезоэлектрического элемента на внутреннюю сторону 702. Покрытие наружной стороны 700 (содержащее часть 704) и покрытие внутренней стороны 702 электрически изолированы областью 706, не имеющей покрытия. Такой способ покрытия позволяет соединить как провод 611, так и провод 613 с внутренней стороной 702 пьезоэлектрического элемента 214. Изображенный способ покрытия позволяет наружной стороне 700 быть плоской для хорошего контакта с акустическим согласующим слоем. Альтернативно, один провод может проходить вокруг пьезоэлектрического элемента и соединяться с наружной стороной 700. В этих вариантах осуществления часть корпуса 501 (фиг.5 и 6) имеет углубление для возможности прохождения провода. Кроме того, в этих вариантах осуществления, где один из проводов соединен непосредственно с наружной поверхностью 700, акустический согласующий слой 214 имеет углубление для вмещения провода. В других вариантах осуществления первый провод соединен с внутренней стороной 702 пьезоэлектрического элемента, а второй провод соединен с периферией, или краем, пьезоэлектрического элемента. В других вариантах осуществления первый провод соединен с внутренней стороной 702, в то время как второй провод соединен с покрытием наружной стороны 700, которое проходит внутрь отверстия, проходящего через центр пьезоэлектрического элемента.

[0050] Рассмотрим фиг.8, где раскрыт способ 800, с помощью которого приемопередающий узел 210 заменяют, в то время как текучая среда по-прежнему течет через расходомер 101 (т.е. в то время как расходомер 101 содержит сжатую текучую среду). Например, первоначальный приемопередающий узел 210 могут заменять другим приемопередающим узлом 210, содержащим пьезоэлектрический элемент 214, который резонирует на другой частоте или других частотах по сравнению с первоначальным приемопередающим узлом 210. Альтернативно, первоначальный приемопередающий узел 210 мог