СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ЖИДКИХ И ГАЗООБРАЗНЫХ СРЕД Российский патент 1998 года по МПК G01F1/66 

Использование - в расходометрии. Сущность изобретения: способ измерения жидких и газообразных сред заключается в том, что поток зондируют образованной наложением двух встречных плоских акустических волн с близкими между собой частотами интерференционной волной суммарной и разностной частот, по значениям частот которых определяют расход.

Изобретение относится к расходометрии и позволяет повысить точность измерения расхода жидких и газообразных сред с помощью акустических волн.

Известен способ измерения расхода [1] по смещению частот доплеровского типа, согласно которому расход определяется по величине изменения частоты бегущих плоских продольных акустических волн, возникающих при "схлопывании" - переносе части энергии цилиндрических волн, из приосевой области вблизи границы со средой без цилиндрических волн, через "торцевую" ее поверхность, в область без цилиндрических волн.

Однако в этом способе необходимо использование коротких импульсов и схемы отсчета определенного числа принимаемых волн с последующим запуском нового импульса, что ограничивает чувствительность способа и точность измерения расхода.

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 трубопровода, который в отличие от [1] может иметь произвольную форму: цилиндрическую, эллиптическую, прямоугольную и т.д., зондируется распространяющимися навстречу друг другу волнами с близкими частотами ω₁, ω₂, фронты которых заполняют все точки радиального сечения трубопровода, и по величине образуемых в области наложения первичных волн частот ω₁, ω₂, частот комбинационных волн - суммарной и разностной, определяется расход.

Сущность способа заключается в следующем. На измерительном участке трубопровода в заполняющей его среде создаются бегущие навстречу друг другу - встречные плоские волны с близкими между собой частотами ω₁, ω₂. В случае цилиндрического трубопровода, такие волны образуются при "схлопывании" на продольной цилиндрической оси цилиндрических же волн, излучаемых установленными со стороны внешней поверхности трубопровода, цилиндрическими излучателями акустических волн. Если трубопровод имеет не цилиндрическую форму, то подобные плоские волны образуются при введении, также со стороны внешней поверхности, плоских волн под острым углом к продольной оси участка трубопровода, на некотором расстоянии от места введения. Ввиду того, что наиболее распространенными являются цилиндрические трубопроводы, далее рассматриваются только цилиндрические трубопроводы (отличие заключается только в способе создания бегущих навстречу плоских акустических волн). В области наложения встречных первичных волн образуется интерференционная волна суммарной ω_c = ω₁+ ω₂ и разностной частот, имеющих резко отличающиеся скорости распространения: суммарной частоты и разностной Из приведенной зависимости для скорости волны суммарной частоты следует возможность неограниченно больших (с позиций "сплошной" среды) значений V_c; в этих выражениях c - скорость звука в среде. При движении среды в трубопроводе со скоростью U, частоты изменяются на величину, пропорциональную средней, по площади поперечного сечения трубопровода, скорости: или - расходу , где S - площадь поперечного (радиального) сечения трубопровода.

Таким образом, значение расхода определяется по изменению частоты комбинационных волн относительно частоты таких волн при неподвижной среде.

На чертеже представлена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Устройство содержит участок трубопровода 1, со стороны внешней поверхности которого, соосно с ним, устанавливаются на некотором расстоянии друг от друга два цилиндрических излучателя цилиндрических же волн 2, 2', соединенные через усилители сигналов 3, 3' с выходами генераторов электрических сигналов 4, 4'; между излучателями, также со стороны внешней поверхности устанавливается приемник акустических сигналов 5; последний может быть, например, таким же как и излучатели. Выход приемника сигналов 5 через усилитель 6 соединен со смесителем частот 7, на который одновременно подаются также и сигналы с генераторов 4, 4'. Выход смесителя 7 соединен через фильтр 8 с частотомером 9. Используется демпфирование - механическое и с помощью электронных схем.

Способ измерения расхода жидких и газообразных сред осуществляется следующим образом. С выходов генераторов 4, 4', после усиления в 3, 3', на разнесенные на расстояние l излучатели 2, 2' подают электрические сигналы в виде волн с близкими между собой частотами ω₁, ω₂ или импульсов с заполнениями на таких же частотах, возбуждающие в заполняющей трубопровод среде цилиндрические волны, генерирующие в свою очередь при "схлопываниях" на продольной оси трубопровода фронтов сходящихся цилиндрических волн, бегущие вдоль трубопровода плоские акустические волны с теми же частотами ω₁, ω₂ и антипараллельными волновыми векторами:
На участке 1 трубопровода, между сечениями а и б образуется поле плоских интерференционных волн комбинационных частот: с волновым вектором при ω₁ > ω₂. Волны частот распространяясь в среде трубопровода, возбуждают волны тех же частот и того же направления распространения в стенке трубопровода. В результате, на устанавливаемый со стороны внешней поверхности трубопровода приемник сигналов 5 будут поступать сигналы частот которые, после усиления в 6, прохождения через смеситель 7 и фильтр 8, попадают на частотомер 9, регистрирующий разность частот равную разности между частотами получаемыми с генераторов 4, 4', и частотами волн, прошедших через среду (звездочка у символа - зависимость от U).

Движение среды в трубопроводе со скоростью U сопровождается изменением частот комбинационных волн:


в приближенных равенствах которых использовано обычно выполняющееся условие: U•с^-1<< 1.

Изменение частот комбинационных волн приведет к появлению в 7 нескомпенсированной разности определяемой выражением:

Из (3), по значению определяется скорость U, а вместе с ней и расход.

Величина определяет и чувствительность способа. Из (3) видно, что чувствительность способа чрезвычайно высока даже на частоте В связи с этим представляется возможным измерение потоков со скоростями течения менее 10^-3 м/с. Для сравнения заметим, что, например, с помощью современных ультразвуковых методов возможно измерение расхода потоков, имеющих скорости не менее 1,0-1,5 м/с.

С учетом выражений (1-3), статическая характеристика устройства, на основе нового способа имеет вид:

где определяется с помощью частотомера, а значения известны.

Применение предлагаемого способа определения расхода позволяет повысить точность измерения расхода за счет следующих основных факторов: использования плоских волн, заполняющих все точки поперечного сечения трубопровода и несущих информацию об интегральных по площади сечения значениях скоростей, с учетом любых особенностей в форме профиля скоростей потока; сверхвысокой чувствительности, исключения дополнительных погрешностей, обусловленных сложными схемами, за счет предельной простоты принципа, электронной схемы измерения расхода, отсутствия механических систем.

Источники информации
1. Колмаков И. А., Самарцев В.В. Патент РФ N 2047098, кл. G 01 F 1/66, 1995, бюл. 30.

Измерение расхода осуществляется по измерению частот комбинационных волн - суммарной и разностной частоты. Используются акустические волны с близкими между собой частотами, распространяющиеся навстречу друг другу. фронты которых заполняют все точки поперечного сечения трубопровода. Возбуждение зондирующих и прием информационных сигналов осуществляется со стороны внешней поверхности трубопровода (бесконтактность способа, целостность трубопровода не нарушается). Предлагаемый способ обладает сверхвысокой чувствительностью, обусловленной сверхбыстрым распространением волн суммарной частоты, позволяющей измерять расход потоков, имеющих скорости менее 10^-3 м/с. Способ отличает простота принципа измерения и электронной схемы, что исключает дополнительные (схемные) погрешности и увеличивает надежность работы расходомера на его основе. 1 ил.

Способ измерения расхода жидкой и газообразной сред, основанный на регистрации и измерении частот колебаний в потоке среды акустических волн, образуемых при зондировании поперечного сечения потока в трубопроводе акустическими волнами за счет воздействия на поток излучателями цилиндрических акустических волн, отличающийся тем, что создают в потоке среды вдоль трубопровода встречные плоские акустические волны с близкими между собой частотами и регистрируют величины суммарной и разностной частоты вторичных акустических колебаний, по которым определят величину расхода.