СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОФИЛЯ СКОРОСТИ ПОТОКА ЖИДКОСТИ В СЕЧЕНИИ ТРУБОПРОВОДА Российский патент 1999 года по МПК G01P5/00 G01F1/66 

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к способам определения профиля скорости потока жидкости для полностью заполненных жидкостью трубопроводов вблизи различного рода гидравлических сопротивлений, которые делают поток асимметричным, с помощью просвечивания потока ультразвуковыми волнами. Предлагаемый способ может быть применен для повышения точности измерений расхода ультразвуковыми расходомерами либо любыми другими, принцип действия которых основан на измерении локальной скорости жидкости в случаях измерения расхода вблизи различных гидравлических сопротивлений, искажающих профиль потока жидкости. Способ реализуется путем нахождения поправочного коэффициента для точного измерения расхода жидкости.

Известен способ определения профиля скорости потока жидкости [1, 3], основанный на непосредственном измерении локальных скоростей жидкости по сечению трубопровода. По результатам измерения определяются профиль скорости потока жидкости, средняя скорость жидкости по сечению трубопровода. Локальные скорости могут быть замерены с помощью трубки Пито или миниатюрной турбинки.

Недостатками известного способа определения профиля скорости потока являются:
- необходимость встраивания в трубопровод специального устройства, обеспечивающего возможность перемещения чувствительного элемента внутри трубопровода с заданной точностью, при этом каждое устройство предназначено для определенного диаметра трубопровода. Трудоемкость этой операции столь велика, что не представляется возможным использовать ее в промышленных условиях;
- влияние измерительного устройств на профиль скорости потока, что приводит к дополнительным погрешностям;
- возможность проведения измерений только для чистых жидкостей.

Близким к предлагаемому способу определения профиля скоростей потока является способ, используемый при создании преобразователя расхода с несколькими парами приемоизлучающих головок [4], позволяющий учесть и оценить профиль потока жидкости с несимметричной эпюрой скоростей при измерении расхода.

Однако этот преобразователь расхода имеет ограниченное число пар приемоизлучающих головок и не может дать достаточно точные результаты для потоков с достаточно сложным профилем.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ определения профиля скоростей потока жидкости в трубе [5], где с целью определения несимметричного относительно трубы профиля скоростей потока источник излучения перемещают в плоскости, характеризующейся максимальной величиной площади сечения пространственной эпюры скоростей. При этом указанную плоскость выбирают путем поворота вспомогательного источника ультразвуковых волн вокруг трубы до получения максимума отклонения характеристики движения ультразвуковой волны по сравнению с покоящейся жидкостью.

Недостатком известного способа является невозможность получения приемлемой точности в условиях различных исследуемых сред.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является создание способа определения профиля скорости протока жидкости вблизи различных гидравлических сопротивлений, искажающих профиль потока жидкости, без нарушения целостности трубопровода.

Решение поставленной задачи достигается возможностью использования ультразвуковых расходомеров с накладными ультразвуковыми сенсорами (расходомеры, у которых выходной сигнал пропорционален средней скорости потока по ультразвуковому лучу, проходящему от излучающего сенсора к принимающему).

Способ определения профиля скорости потока жидкости в сечении трубопровода состоит в том, что с помощью ультразвукового излучения измеряют среднюю скорость потока по определенным направлениям через определенные углы относительно центральной оси трубопровода, определяют зависимость скорости от угла, рассчитывают по уравнениям Салами [2] зависимость скорости от угла по тем же направлениям, сравнивают полученную зависимость с расчетными, выбирают из расчетных зависимостей ту, которая наиболее близка к полученной экспериментально, находят соответствующее ей определенное аналитическое уравнение Салами, которое и будет описывать профиль потока данной жидкости в данном трубопроводе с высокой точностью.

По предлагаемому способу сенсоры устанавливаются в диаметральной плоскости на наружной поверхности исследуемого трубопровода. Снимается ряд показаний прибора (V_ср) при перемещении ультразвуковых сенсоров через определенные углы (Q) относительно центральной оси трубопровода (приблизительно через 10^o) (фиг. 1).

Строится зависимость относительной средней скорости от угла перемещения (фиг. 2).

В результате анализа 20-ти уравнений Салами [2], описывающих 20 реальных профилей потока, строятся 20 расчетных зависимостей средней скорости от угла перемещения относительно центральной оси трубопровода.

Выбирается расчетная зависимость, наиболее по форме близкая к экспериментальной. Данная расчетная зависимость соответствует определенному математическому уравнению Салами.

Это уравнение и будет описывать конкретный исследуемый профиль потока и позволит найти среднюю скорость потока жидкости по сечению трубопровода на данном конкретном участке трубопровода даже при отклонении потока в сечении от параллельно-струйности при высоком уровне турбулентности.

Техническим результатом от использования изобретения является повышение точности определения профиля скоростей потока в условиях отсутствия протяженных прямолинейных участков трубопровода.

Источники информации
1. Расход воды в напорных трубопроводах ГОСТ 8.439-81.

2. Применение компьютера для измерения асимметричного потока в круглых трубопроводах. Salami Z.A. "Trans. Inst. MC Vol 6. N 4 July - Sept 1984".

3. П. П. Кремлевский "Расходомеры и счетчики количества" (-Ленинград: Машиностроение, 1989 г.).

4. Ультразвуковой расходомер, авт. св. N 569854, Е.А. Борисевич, Н.Г. Кокшин, А.Г. Сафин, М.Б. Шахмаев.

5. Способ определения профиля скоростей потока жидкости в трубе. Заявка ФРГ N 4430223 A1, Changmin Technology Co., 1995.

С помощью ультразвукового излучения измеряют скорости потока по определенным направлениям через определенные углы относительно центральной оси трубопровода. Определяют зависимость скорости от угла. Рассчитывают аналогичные зависимости по уравнениям Салами, описывающим различные реальные профили потока, и в результате сравнения полученной и расчетных зависимостей находят наиболее близкое к полученной зависимости уравнение Салами, соответствующее профилю скорости потока жидкости в контролируемом сечении. Изобретение обеспечивает повышение точности измерения расхода жидкости в условиях отсутствия протяженных прямолинейных участков трубопровода. 2 ил.

Способ определения профиля скорости потока жидкости в сечении трубопровода, заключающийся в измерении с помощью ультразвукового излучения скорости потока по определенным направлениям через определенные углы относительно центральной оси трубопровода, отличающийся тем, что определяют зависимость скорости от угла, рассчитывают аналогичные зависимости по уравнениям Салами и в результате сравнения полученной и расчетных зависимостей находят наиболее близкое к полученной зависимости уравнение Салами, соответствующее профилю скорости потока жидкости в контролируемом сечении.