СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ЖИДКОСТИ И ГАЗООБРАЗНЫХ СРЕД Российский патент 1995 года по МПК G01F1/66 

Изобретение относится к расходометрии и позволяет повысить точность измерения расхода жидких и газообразных сред с помощью зондирования акустическими и другими волнами.

Известен способ определения скорости течения по доплеровскому смещению в частотах зондирующего излучения в акустике и оптике [1] Однако этот способ обладает существенными недостатками, основные из которых заключаются в следующем: необходимости присутствия в измеряемом рассеивающем зондирующем излучении частиц и иных неоднородностей, большой составляющей погрешности, обусловленной рассеиванием во все стороны зондирующего излучения отсутствием узкой диаграммы направленности, нестабильности показаний вследствие большого влияния на результаты измерений температурных, гидродинамических и других флуктуаций движущейся среды.

Наиболее близким к заявляемому является способ измерения расхода [2] по которому расход движущейся по цилиндрическому трубопроводу среды определяется по доплеровскому смещению в частотах цилиндрических реверберационных волн.

Однако в этом способе необходимы фокусировка акустических цилиндрических волн в узкое кольцо и возбуждение кольцевой областью поверхностных или внутренних волн. Это обстоятельство приводит к сложной схеме измерения и связано с большими техническими трудностями при практической реализации способа.

Технический результат, на решение которого направлено изобретение, заключается в повышении точности измерения расхода жидких и газообразных сред.

Это достигается тем, что поток на измерительном участке цилиндрического трубопровода зондируется образуемыми при "схлопывании" цилиндрических реверберационных волн, бегущими в противоположные стороны от области с реверберационными волнами плоскими волнами, по частоте которых определяется расход среды.

Сущность способа заключается в следующем. На установленный на внешней поверхности цилиндрического трубопровода излучатель акустических сигналов (например, пьезокерамический) подается короткий электрический импульс. Создаваемые излучателем акустические цилиндрические волны имеют цилиндрические фронты, параллельные стенкам излучателя и трубопровода, которые имеют общую продольную ось симметрии. В приосевой области сходящиеся цилиндрические волны "схлопываются" и изменяют направление распространения на противоположное. Распространяясь в направлении от оси, расходящиеся цилиндрические волны достигают внутренней поверхности стенки трубопровода и, отразившись от них, вновь начинают распространяться в сторону продольной оси, где снова происходит "схлопывание" и изменение направления распространения волн и т. д. В результате образуется последовательность затухающих реверберационных волн. Эксперименты показали, что число таких волн может быть более 20 и зависит от амплитуды возбуждающего излучатель импульса напряжения, его формы и длительности, диаметра, толщины, материала стенки и других факторов. В отличие от прототипа в предлагаемом способе используются не сами цилиндрические реверберационные волны, а образуемые ими при "схлопывании" и бегущие от области с цилиндрическими волнами аналогично волнам в волноводе плоские акустические волны. Такие волны также исследовались экспериментально. Волновой фронт плоских волн совпадает с плоскостью радиального сечения трубопровода и занимает всю площадь этого сечения. При движении среды в трубопроводе реверберационные волны и образуемая ими область "схлапывания" переносятся средой, образуя "источник" бегущих плоских волн, движущейся со скоростью, равной скорости движения среды. Волны, создаваемые таким "источником" содержат в частотах компоненты, пропорциональные скорости (расход) среды. Таким образом, значение расхода определяется по частоте плоских волн.

На фиг. 1 показана функциональная схема устройства для реализации предлагаемого способа.

Устройство содержит участок трубопровода 1, на внешней поверхности которого соосно с ним устанавливаются акустические цилиндрические преобразователи излучатель 2 и на расстоянии от него два приемника 3 и 3' акустических сигналов. Для исключения демонтажа трубопровода при установке преобразователей каждый из них предварительно разделяется (разрезается) на две или более части, которые прикладываются внутренними поверхностями к внешней поверхности трубопровода 1 так, чтобы сохранялась их первоначальная цилиндрическая форма. Излучатель 2 соединен с выходом генератора 4 электрических импульсов. Выходы усилителей 5 и 5' соединены с входом смесителя 6 частот, выход которого через фильтр 7 соединен с частотомером 8. Расстояние l равно нескольким диаметрам трубопровода.

Способ измерения расхода жидких и газообразных сред осуществляется следующим образом. С выхода импульсного генератора 4 электрический импульс поступает на излучатель 2, который излучает в среду акустический импульс цилиндрической волны. В результате его многократного отражения от внутренней поверхности трубопровода и изменений направлений распространений на противоположное в приосевой области 00' образуется последовательность затухающих акустических цилиндрических реверберационных волн и образуемых при их "схлопывании" бегущих плоских волн с волновым вектором 00′, распространяющихся в среде в обе стороны от области с цилиндрическими волнами аб.

Частота цилиндрических реверберационных волн ω_о с_оd^-1, где d внутренний диаметр трубопровода; с_о скорость звука в среде. При прохождении плоскими волнами участков трубопровода 1, где расположены приемники 3 и 3' акустических сигналов, в стенках трубопровода, а через них и приемников возникают деформации, преобразуемые в приемниках 3 и 3' в электрические сигналы, частота которых равна частоте следования по трубопроводу 1 плоских волн. Значения этих частот ωи ω', регистрируемых приемниками 3 и 3', зависят от скорости движения среды U и равны
ω=ω_o(1+V); ω′=ω_o(1-V), (1) где U 0 частоты ω ω' ω_o.

Сигналы частот ω, ω' с приемников 3 и 3' после усиления усилителях 5 и 5' поступают на вход смесителя 6. Фильтр 7 используется для выделения частоты доплеровского смещения Δω=ω-ω′=2U; пропорционального расходу среды Q, которое регистрируется частотомером 8.

С учетом (1) статистическая характеристика устройства имеет следующий вид:
Q (ω-ω′). (2)
После следующего запуска генератора 4 цикл измерений повторяется.

Цилиндрические реверберационные волны при распространении их со стенок трубопровода 1 к продольной оси 00' проходят через все точки площади радиального сечения трубопровода, в каждой из которых происходит перенос малого участка цилиндрической волны со скоростью, равной скорости U_i в i-й точке сечения. В результате в момент "схлопывания" волн излучаемая цилиндрическая волна переносится потоком на расстояние, соответствующее интегральному по площади радиального сечения трубопровода значению скорости потока V. Таким образом, "источник" плоских волн область "схлопывания" переносится потоком со скоростью, равной скорости, интегральной по сечению, и, следовательно, частота плоских волн характеризует интегральные значения скорости (расхода) и учитывает любые особенности в распределении скоростей.

Схема другого варианта устройства, предназначенного для реализации способа, показана на фиг. 2. Устройство содержит участок трубопровода 1 с излучателем 2 и расположенными на расстоянии l от излучателя 2 приемниками 3 и 3' сигналов. Излучатель 2 соединен с выходом генератора 4 электрических импульсов. Выходы усилителей 5 и 5' сигналов соединены через коммутатор 6 с отсчитывающим n сигналов устройством 7 и с устройством 8, осуществляющим суммирование сигналов и вычисление по приводимой далее формуле (3). Управляющий вход коммутатора 6 подключен к схеме запуска генератора 4 через обратную связь устройства 7. Сигналы в устройство 7 поступают только со стороны приемника 3, канал связи с устройством 7 со стороны приемника 3 закрыт.

Способ измерения расхода при работе устройства, схема которого приведена на фиг. 2, осуществляется следующим образом.

На участке с цилиндрическим трубопроводом 1 соосно с ним устанавливаются цилиндрический излучатель 2 акустических цилиндрических волн и на расстоянии l от него два приемника 3 и 3' акустических сигналов. С генератора 4 электрических импульсов на излучатель 2 подается короткий импульс. Возбуждаемое излучателем 2 акустическое возмущение проходит в среду и создает реверберационные цилиндрические волны и распространяющиеся вдоль трубопровода плоские волны, возбуждающие в приемниках 3 и 3' электрические сигналы. После усиления сигналов в усилителях 5 и 5' они поступают в устройство 8 и одновременно с выхода усилителя 5 сигналы через коммутатор 6 поступают в устройство 7, в котором осуществляется отсчет n сигналов из образуемой от одного возбуждающего излучатель импульса серии, состоящей из m сигналов. Последний n-й сигнал из устройства 7 посылается в коммутатор 6, в результате чего происходит запуск следующего возбуждающего импульса излучателя и одновременно запирание входов поступления сигналов в устройство 8. Излучателем 2 вновь создается серия плоских бегущих волн, и первый сигнал, поступивший в коммутатор 6, после усиления в усилителе 5 открывает устройство 8, в которое начинают поступать сигналы усилителей с 5 и 5 а затем, используя эти сигналы, осуществляют вычисление по формуле (3). Далее цикл повторяется.

Статистическая характеристика устройства в форме количества среды в единицах объема имеет вид
V (n-n′); Q Vt, (3) где n ω t^-1; n' ω't^-1 число сигналов, поступивших в устройство 8 за время t с приемников 3 и 3
Применение предлагаемого способа определения расхода позволяет повысить точность измерения за счет следующих факторов; использования распространяющихся без искажения в силу волноводных свойств трубопровода плоских волн, формирования каждой из них через все точки радиального сечения потока, т.е. после "интегрирования" фронтом цилиндрической волны скоростей во всех точках радиального сечения, возможности измерения расхода по доплеровскому сдвигу частоты, исключения влияния изменений абсолютной скорости звука в среде на результаты измерений, простоты принципа и электронной схемы, реализующей предлагаемый способ измерения расхода. Данный способ может использоваться при произвольном профиле скоростей потока.

Использование в расходометрии. Сущность изобретения: способ измерения расхода жидких и газообразных сред заключается в том, что зондируют поперечное сечение трубопровода акустическими цилиндрическими волнами, регистрируют плоские акустические волны, измеряют их частоту и определяютт расход. 2 ил.

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ЖИДКОСТИ И ГАЗООБРАЗНЫХ СРЕД, включающий зондирование поперечного сечения потока среды акустическими цилиндрическими волнами, регистрацию вторичных колебаний, измерение их частот и определение величины расхода, отличающийся тем, что в качестве вторичных колебаний регистрируют плоские акустические волны, а определение величины расхода осуществляют по их частоте.