ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ МАССОВОГО РАСХОДА Российский патент 1998 года по МПК G01F1/78 G01F1/86 

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано при измерении массового расхода потоков веществ, транспортируемых по трубам большого диаметра, например, в магистральных нефтепроводах и газопроводах.

Изобретение направлено на решение задачи, заключающейся в обеспечении повышения надежности измерений.

Известны преобразователи массового расхода, использующие для измерения расхода различные измерения динамических характеристик потока вещества с размещением элементов в потоке вещества (Кремлевский П.П. Измерение расхода многофазных потоков. - Л.: Машиностроение, 1982, с.101).

Недостатком описанного аналога является низкая надежность измерений.

Известны также преобразователи массового расхода, не использующие чувствительные элементы, помещаемые в поток, например, используют воздействие на измерительный участок трубопровода силы Кориолиса, создаваемой в потоке с помощью вибрационного преобразователя (Кремлевский П.П. Измерение расхода многофазных потоков. - Л.: Машиностроение, 1982, с.95).

Недостатком этого аналога можно считать низкую надежность измерений, обусловленную необходимостью создания дополнительного движения измерительного участка трубы (вибратора), имеющего на магистральных трубопроводах массу в десятки тонн.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является выбранный в качестве прототипа преобразователь массового расхода, который состоит из датчика расхода, включающего источник быстрых нейтронов, два детектора медленных нейтронов, расположенные на разных расстояниях по отношению к источнику быстрых нейтронов ниже по течению вещества, источник гамма-излучения и детектор гамма-излучения, размещенные на измерительном участке трубопровода, и электронного преобразователя, выполненного в виде вычислительного устройства с тремя входами, подключенными к соответствующим детекторам, выход которого является выходом преобразователя расхода (патент США N 3577158, кл. G 01 N 23/12, 1971).

Недостатком прототипа является низкая надежность измерений.

Указанный недостаток обусловлен тем, что в прототипе при измерениях не учитывается влияние силы Кориолиса, возникающей в результате взаимодействия относительно прямолинейного движения потока и вращения Земли. Под действием этой силы происходит перераспределение вещества, транспортируемого по трубопроводу, вдоль направления ее действия. Вследствие указанного обстоятельства в прототипе для достижения достаточной точности необходимо производить измерение параметров в каждой точке измерительного объема, что приводит к увеличению количества используемого для этих целей оборудования, и, следовательно, к уменьшению измерений в прототипе.

Цель изобретения - повышение надежности измерений расхода.

Для достижения поставленной цели изобретение "Преобразователь массового расхода" содержит следующие общие, выраженные определенными понятиями существенные признаки, совокупность которых направлена на решение только одной связанной с целью изобретения задачи: датчик расхода, включающий источник быстрых нейтронов и два детектора медленных нейтронов, размещенные на измерительном участке трубопровода, и электронный преобразователь, выполненный в виде вычислительного устройства с двумя входами, подключенными к соответствующим детекторам, выход которого является выходом преобразователя массового расхода, причем указанные детекторы размещены с возможностью измерения количества медленных нейтронов в двух равноотстоящих от источника быстрых нейтронов точках на внешней поверхности измерительного участка, расположенного на поверхности Земли горизонтально и ориентированного по отношению к меридиану под углом, отличным от 90^o для возникновения кориолисова ускорения.

По отношению к прототипу у изобретения имеются следующие отличительные признаки: детекторы нейтронов размещены с возможностью измерения количества медленных нейтронов в двух равностоящих от источника быстрых нейтронов точках на внешней поверхности измерительного участка, расположенного на поверхности Земли горизонтально и ориентированого по отношению к меридиану под углом, отличным от 90^o для возникновения кориолисова ускорения.

Между отличительными признаками и целью изобретения существует следующая причинно-следственная связь: размещение детекторов медленных нейтронов с возможностью измерения количества медленных нейтронов в двух равноотстоящих от источника быстрых нейтронов точках на внешней поверхности измерительного участка, расположенного на поверхности Земли горизонтально и ориентированного по отношению к меридиану под углом, отличным от 90^o для возникновения кориолисова ускорения, позволяет производить измерения массового расхода без использования дополнительного количества оборудования, что приводит к увеличению надежности измерения расхода.

Для осуществления облучения быстрыми нейтронами можно использовать наиболее распространенные плутоний-бериллиевые источники быстрых нейтронов, обладающие широким диапазоном излучаемого потока быстрых нейтронов (от 10³ до 5•10⁷ нейтрон/с) (Плутоний-бериллиевые источники быстрых нейтронов. Технические условия ТУ 95.7162-76).

Для осуществления счета медленных нейтронов можно использовать широко распространенные счетчики медленных нейтронов СНМ-17 (Счетчик СНМ-17. Технические условия ОДО 339.071 ТУ).

Для реализации элементов вычислительного устройства (элементов И, ИЛИ, делителей частоты, счетчиков импульсов, регистров) можно использовать широко распространенные микросхемы серии К155: элементы И, ИЛИ - на базе микросхем К155ЛА3, делители частоты - на базе микросхем К155ИЕ8, счетчики импульсов - на базе микросхем К155ИЕ7, регистры - на базе микросхем К155ТМ8 (Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы. Справочник. - М: Радио и связь, 1987).

По имеющимся у авторов сведениям совокупность существенных признаков, характеризующих сущность изобретения, не известна из уровня развития техники, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "новизна".

По мнению авторов, сущность изобретения не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, так как из него не является вышеуказанное влияние на получаемый технический результат - новое свойство объекта - совокупности признаков, которые отличаются от прототипа предлагаемое изобретение, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "изобретательский уровень".

Совокупность существенных признаков, характеризующих сущность изобретения, в принципе, может быть многократно использована в приборостроении при измерении массового расхода потоков веществ, с получением технического результата, заключающегося в проведении измерений без увеличения количества используемого оборудования, обуславливающего обеспечение достижения поставленной цели - повышение надежности измерений расхода веществ, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "промышленная применимость".

На фиг.1 изображена структурная схема преобразователя массового расхода; на фиг.2 - вариант реализации вычислительного устройства.

Предлагаемый согласно формуле изобретения "Преобразователь массового расхода" содержит датчик 1 расхода, включающий источник 2 быстрых нейтронов и два детектора 3 и 4 медленных нейтронов, размещенные на измерительном участке 5 трубопровода, и электронный преобразователь 6, выполненный в виде вычислительного устройства 7, выход которого является выходом преобразователя массового расхода.

На фиг. 2 изображен вариант реализации вычислительного устройства 7, содержащий реверсивный счетчик 8, генератор 9 опорной частоты, счетчики 10 и 12, элемент И 11, регистр 13, причем инверсный выход счетчика 8 соединен с входом синхронизации записи счетчика 8 и первым входом элемента И 11, второй вход которого соединен с инверсным выходом счетчика 10 и с входом синхронизации записи счетчика 10, вычитающий вход которого соединен с выходом генератора 9 опорной частоты, выход элемента И 11 соединен с суммирующим входом счетчика 12, информационные выходы которого соединены с информационными входами регистра 13, вход синхронизации записи которого соединен с входом установки в ноль счетчика 12 и вторым входом элемента И 11, на установочных входах счетчика 8 установлен код "А", на установочных входах счетчика 10 установлен код "В".

Преобразователь массового расхода работает следующим образом.

Измеряемый поток пропускают через измерительный участок 5 трубопровода, расположенный на поверхности Земли горизонтально и ориентированный по отношению к меридиану под углом, отличным от 90^o; облучают измеряемый поток быстрыми нейтронами от источника 2 быстрых нейтронов, расположенного на внешней поверхности измерительного участка трубопровода 5; измеряют детекторами 3 и 4 количество медленных нейтронов в двух точках на внешней поверхности трубопровода 5, равноотстоящих от источника 2 быстрых нейтронов; при помощи вычислительного устройства 7 измеряют разность счета зафиксированных детекторами 3 и 4 медленных нейтронов и преобразуют ее в выходной сигнал, значение которого будет пропорционально величине расхода.

Быстрые нейтроны, испускаемые источником 2, обладают способностью проникать через поверхность трубопровода 5, причем потеря энергии нейтронов при этом будет незначительна. В результате взаимодействия быстрых нейтронов с веществом, протекающим через трубопровод 5, образуются медленные нейтроны. Распределение медленных нейтронов по сечению трубопровода носит равномерный характер, и если вещество неподвижно, т.е. расход вещества равен нулю, то детекторы 3 и 4 медленных нейтронов зафиксируют одинаковое количество нейтронов, а их разность будет равна нулю.

При движении вещества в результате взаимодействия потока вещества, движущегося по трубопроводу с определенной относительной скоростью , и вращения Земли (со скоростью ), возникает кориолисово ускорение, а следовательно, и сила Кориолиса F_k, действующая на вещество и на образовавшиеся медленные нейтроны. Величина этой силы равна:
F_α= m_в•a_к= m_в•2•w_пер.•v_отн.•sinα,
где
m_в - масса вещества,
a_k - кориолисово ускорение,
α - угол между вектором относительной линейной скорости
потока вещества и вектором угловой скорости вращения Земли на широте нахождения измерительного участка трубопровода.

Сила Кориолиса F_k, воздействуя на медленные нейтроны, вызывает их перераспределение по сечению трубопровода, при этом детекторы 3 и 4 фиксируют соответственно количество нейтронов N₁ и N₂, а их разность будет пропорциональна воздействующей силе F_k:
F_к= K₁•(N₁-N₂) = K₁•Δ•N₁₂,
где
N₁ и N₂ - количество медленных нейтронов, зафиксированных соответственно детекторами 3 и 4;
Δ N₁₂ = (N₁ - N₂) - разность счета медленных нейтронов;
K₁ - коэффициент пропорциональности, величина которого определяется конкретными используемыми счетчиками, источником и геометрией измерения.

Исходя из этого:

где

Импульсы от детекторов 3 и 4 передаются соответственно на вычитающий и суммирующий входы реверсивного счетчика 8 вычислительного устройства 7. Реверсивный счетчик 8 включен в режим деления частоты; таким образом на суммирующий вход счетчика 12 через первый вход элемента И 11 в течение времени B/f₀ (это время определяется частотой f₀ генератора 9 опорной частоты и кодом "B", установленным на установочных входах счетчика 10, работающего в режиме деления частоты) подается частота f_N, равная :

где
A - код, установленный на входах предварительной установки реверсивного счетчика 8.

По истечении времени B/f₀ на информационных выходах счетчика 12 устанавливается код Y, равный :

где
- коэффициент пропорциональности.

Указанный код Y затем переписывается в регистр 13. Таким образом, на выходе регистра 13, и, следовательно, на выходе вычислительного устройства 7, являющегося выходом преобразователя массового расхода, устанавливается сигнал, величина которого связана с величиной измеряемого расхода следующей зависимостью:
Y = K₃•ΔN₁₂= K₃•K₂•m_в= K•m_в,
где
- коэффициент пропорциональности.

Как показали результаты расчетов при использовании предлагаемого устройства обеспечивается повышение надежности измерений расхода веществ.

Согласно данным проведенных исследований предлагаемое изобретение может быть использовано в народном хозяйстве и в сравнении с прототипом обладает следующим преимуществом - повышение надежности (в прототипе надежность понижена в связи с необходимостью использования количества оборудования).

Предлагаемый "Преобразователь массового расхода" представляет значительный интерес для народного хозяйства, так как позволит улучшить процесс учета расхода веществ за счет более надежного измерения расхода.

Предлагаемое решение не оказывает отрицательного воздействия на состояние окружающей среды.

Изобретение может быть использовано для измерения массового расхода в магистральных нефте- и газопроводах. Расходомер содержит датчик расхода, включающий источник быстрых нейтронов и два детектора медленных нейтронов, и вычислительное устройство, подключенное к детекторам. Датчик размещен на внешней поверхности измерительного участка трубопровода, расположенного на поверхности Земли и ориентированного по отношению к меридиану под углом, отличным от 90^o, для возникновения кориолисова ускорения. Изобретение обеспечивает высокую надежность измерений из-за снижения количества используемого оборудования. 2 ил.

Преобразователь массового расхода, содержащий датчик расхода, включающий источник быстрых нейтронов и два детектора медленных нейтронов, размещенные на измерительном участке трубопровода, и электронный преобразователь, выполненный в виде вычислительного устройства с двумя входами, подключенными к соответствующим детекторам, выход которого является выходом преобразователя массового расхода, отличающийся тем, что указанные детекторы размещены с возможностью измерения количества медленных нейтронов в двух равноотстоящих от источника быстрых нейтронов точках на внешней поверхности измерительного участка, расположенного на поверхности Земли и ориентированного по отношению к меридиану под углом, отличным от 90^o, для возникновения кориолисова ускорения.