СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ВЕЩЕСТВА Российский патент 1999 года по МПК G01F1/84 G01F1/76 

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

Заявляемое изобретение направлено на решение задачи, заключающейся в обеспечении повышения точности измерений.

Известны способы измерения расхода вещества, использующие для этой цели различные измерения динамических характеристик потока вещества ([1], Кремлевский П. П. Измерение расхода многофазных потоков. - Л.: Машиностроение, 1982, с. 101).

Недостатком описанного аналога является то, что для реализации указанных методов чувствительные элементы приходится размещать в потоке вещества, что, с одной стороны, создает дополнительное сопротивление движению вещества и приводит к необходимости введения дополнительной мощности для обеспечения транспортировки вещества, а с другой стороны, поток вещества, воздействуя на чувствительные элементы, изменяет свои характеристики.

Известны также способы, не использующие чувствительные элементы, помещаемые в поток, так, например, используют радиоизотопное облучение вещества в потоке ([2], патент США N 3577158, G 01 N 23/12, 1971).

В этом способе поток вещества, расход которого измеряют, облучают быстрыми нейтронами от источника быстрых нейтронов и измеряют количество медленных нейтронов в точках, расположенных ниже по течению относительно источника быстрых нейтронов, по которому судят о расходе.

Недостатком этого аналога является низкая точность, обусловленная тем, что не учитывается влияние силы Кориолиса, которая возникает в результате взаимодействия движущегося потока с вращением Земли и, воздействуя на молекулы среды, вызывает перераспределение вещества вдоль направления действия этой силы.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является выбранный в качестве прототипа способ измерения расхода вещества, включающий пропускание измеряемого потока через измерительный участок трубопровода, расположенного на поверхности Земли горизонтально и ориентированного по отношению к меридиану под углом, отличным от 90 градусов, облучение измеряемого потока быстрыми нейтронами от источника быстрых нейтронов, расположенного на внешней поверхности измерительного участка трубопровода, и измерение его динамического параметра, по которому судят о расходе, причем в качестве динамического параметра измеряют разность счета медленных нейтронов в двух точках на внешней поверхности трубопровода, равноотстоящих от источника быстрых нейтронов ([3], патент РФ N 2085859, G 01 F 1/84, 1995). Сущность способа заключается в измерении разности счета медленных нейтронов, которая появляется в результате воздействия на вещество в трубопроводе силы Кориолиса, вызванной вращением Земли, причем, величина этой разницы пропорциональна измеряемому расходу.

У прототипа и заявляемого изобретения имеются следующие сходные существенные признаки: пропускание измеряемого потока через измерительный участок трубопровода, расположенный на поверхности Земли и ориентированный непараллельно относительно оси вращения Земли, облучение измеряемого потока быстрыми нейтронами и измерение счета медленных нейтронов в двух точках на внешней поверхности трубопровода, равноотстоящих от вертикальной плоскости, проходящей через продольную ось измерительного участка трубопровода, на одной линии, перпендикулярной к этой плоскости.

Недостатком прототипа является низкая точность измерений.

Указанный недостаток обусловлен тем, что в качестве параметра, по которому судят о расходе, измеряют разность счета медленных нейтронов в указанных точках. Но, как известно, интенсивность N потока медленных нейтронов, образующихся в результате замедления быстрых нейтронов атомами среды, определяется не только свойствами среды и расстоянием от источника излучения до рассматриваемой точки, но и мощностью Q нейтронного источника ([4], Ферронский В. И. Пенетрационно-каротажные методы инженерно-геологических исследований. - М.: Недра, 1969, с. 37):
N = Q • f(L_s,r),
где L_s - длина замедления нейтрона,
r - расстояние от источника излучения до рассматриваемой точки.

Очевидно, при изменении мощности Q применяемого источника, связанного, например, с заменой источника быстрых нейтронов на другой источник или с использованием источника с небольшим периодом полураспада ([5], Филлипов Е. М. и др. Нейтрон-нейтронный и нейтронно-гамма методы в рудной геофизике. - Новосибирск: Наука, 1972, с. 11-14) изменится и величина разности счета медленных нейтронов при неизменном массовом расходе исследуемой среды, что приводит к уменьшению точности измерений в прототипе.

Кроме того, указанное выше обстоятельство не позволяет использовать в прототипе источники быстрых нейтронов с ненормированным выходом быстрых нейтронов, например, использовать в качестве источника быстрых нейтронов космическое излучение, в результате взаимодействия которого с атмосферой Земли образуется нейтронное излучение, что ограничивает применение известного способа измерения расхода в областях, где использование промышленно-выпускаемых радиоактивных источников нежелательно (например, в пищевой промышленности).

Цель изобретения - повышение точности измерения расхода вещества.

Для достижения поставленной цели заявляемое изобретение "Способ измерения расхода вещества" включает следующие общие выраженные определенными понятиями существенные признаки, совокупность которых направлена на решение только одной связанной с целью изобретения задачи: пропускание измеряемого потока через измерительный участок трубопровода, расположенный на поверхности Земли и ориентированный непараллельно относительно оси вращения Земли, облучение измеряемого потока быстрыми нейтронами и измерение счета N₁, N₂ медленных нейтронов в двух точках на внешней поверхности трубопровода, равноотстоящих от вертикальной плоскости, проходящей через продольную ось измерительного участка трубопровода, на одной линии, перпендикулярной к этой плоскости, причем для облучения быстрыми нейтронами используют естественный нейтронный фон атмосферы, а величину расхода m_в определяют из выражения:
m_в = k₁ • N₁/N₂ - k₂,
где k₁, k₂ - коэффициенты пропорциональности.

По отношению к прототипу у заявляемого изобретения имеются следующие отличительные признаки: в качестве параметра, по которому судят о расходе, измеряют отношение счета медленных нейтронов, измеренных в указанных точках; кроме того, в качестве источника быстрых нейтронов может быть использовано космическое излучение.

Между отличительными признаками и целью изобретения существует следующая причинно-следственная связь: измерение в качестве параметра, по которому судят о расходе, отношения счета медленных нейтронов, измеренных в указанных точках, повышает точность измерений, так как отпадает необходимость учитывать изменение мощности источника быстрых нейтронов; к тому же, возможность использования источника с ненормированным выходом быстрых нейтронов, а именно космического излучения, позволяет расширить сферы практического применения предлагаемого способа измерения расхода веществ.

Для осуществления облучения быстрыми нейтронами можно использовать любые широко распространенные источники быстрых нейтронов ([6], Источники альфа-, бета-, гамма- и нейтронного излучений. Каталог. - M.: В/О "Изотоп", 1980, с. 69-74).

Для осуществления измерения счета медленных нейтронов можно использовать широко распространенные счетчики медленных нейтронов СНМ-17 ([7], Счетчик СНМ-17. Технические условия ОДО 339.071 ТУ).

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

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

Совокупность существенных признаков, характеризующих сущность изобретения, в принципе может быть многократно использована в измерительной технике при измерении массового расхода потока веществ с получением технического результата, заключающегося в проведении измерений с учетом изменения мощности используемого источника быстрых нейтронов, обуславливающего обеспечение достижения поставленной цели - повышение точности измерений расхода веществ, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "промышленная применимость".

Сущность изобретения поясняется графическими материалами, на которых изображено:
на фиг. 1 - общий вид варианта реализации предложенного способа;
на фиг. 2 - разрез по A-A.

Заявляемый "Способ измерения расхода вещества" может быть реализован с помощью следующих материальных объектов: измерительный участок 1 магистрального трубопровода, источник 2 быстрых нейтронов, счетчики 3 и 4 медленных нейтронов, электронный блок 5, регистрирующее устройство 6.

Обозначено: вектор относительной линейной скорости потока вещества; вектор линейной скорости вращательного движения Земли; угловая скорость Земли на широте нахождения измерительного участка трубопровода; N₁ - количество медленных нейтронов в западном направлении; N₂ - количество медленных нейтронов в восточном направлении.

Так, например, согласнo формуле изобретения заявляемого способа процесс измерения расхода вещества целесообразно осуществить следующим образом: пропустить измеряемый поток через измерительный участок 1 трубопровода, расположенный на поверхности Земли и ориентированный непараллельно относительно оси вращения Земли (на фиг. 1 угол между векторами равен 90 градусам); облучить измеряемый поток быстрыми нейтронами от источника 2 быстрых нейтронов, расположенного на внешней поверхности измерительного участка трубопровода; измерить счетчиками 3 и 4 счет медленных нейтронов в двух точках на внешней поверхности трубопровода, равноотстоящих от источника 2 быстрых нейтронов; измерить отношение счета медленных нейтронов, измеренных в указанных точках; по измеренному отношению счета медленных нейтронов определить величину расхода.

Быстрые нейтроны, испускаемые источником 2, обладают способностью проникать через поверхность трубопровода, причем потеря энергии нейтронов при этом будет незначительна. В результате взаимодействия быстрых нейтронов с веществом, протекающим через трубопровод, образуются медленные нейтроны. Распределение медленных нейтронов по сечению трубопровода носит равномерный характер, и если вещество неподвижно, т.е. расход вещества равен нулю, то счетчики 3 и 4 медленных нейтронов зафиксируют одинаковое количество нейтронов N₁ ^o и N₂ ^o, их отношение будет равно единице, а выражение (N₁ ^o/N₂ ^o - 1) будет равно 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 действующая на вещество и на образовавшиеся медленные нейтроны. Величина этой силы равна:
F_к= m_в•a_к= m_в•2•W_пер•V_отн•sinα,
где m_в - масса вещества,
a_к - 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 воздействуя на медленные нейтроны, вызывает их перераспределение по сечению трубопровода вдоль направления действия силы при этом счетчики 3 и 4 фиксируют соответственно количество нейтронов N₁ и N₂, а их отношение будет пропорционально воздействующей силе F_к:

где N₁ и N₂ - соответственно количество зафиксированных медленных нейтронов в западном и восточном направлениях,
K₁ - коэффициент пропорциональности, величина которого определяется используемыми конкретными счетчиками и геометрией измерения.

Исходя из этого

где

Таким образом, изменения массового расхода, связанные с изменением массы или скорости потока и обуславливающие вследствие этого изменение счета медленных нейтронов, будут однозначно связаны с величиной изменения отношения счета медленных нейтронов в точках измерения. В то же время изменения в счете медленных нейтронов, связанные с изменением мощности источника излучения, будут компенсированы, так как значения N₁ и N₂ изменяются на одну и ту же величину.

Указанные выше доводы позволяют использовать в качестве источника быстрых нейтронов источник с переменным во времени и пространстве выходом быстрых нейтронов. Например, можно использовать космическое излучение, в результате взаимодействия которого с атмосферой Земли образуется нейтронное излучение. Количество образовавшихся при этом быстрых нейтронов превышает количество тепловых нейтронов на порядок ([8], Горшков Г.В. и др. Естественный нейтронный фон атмосферы и земной коры. - М.: Атомиздат, 1966, с. 84).

Следовательно, дополнительное количество тепловых нейтронов, образующихся в результате взаимодействия быстрых нейтронов с ядрами атомов среды исследуемого потока, может быть надежно идентифицировано и измерено, при этом необходимая точность измерения массового расхода достигается в результате применения описанного выше способа измерения, причем точки измерения счета медленных нейтронов располагают равноотстоящими от вертикальной плоскости, проходящей через продольную ось измерительного участка трубопровода, на одной прямой линии, перпендикулярной к этой плоскости.

Таким образом, предлагаемый способ измерения расхода позволяет использовать естественный нейтронный фон атмосферы для измерения массового расхода веществ в областях, где использование промышленно-выпускаемых радиоактивных источников нежелательно (например, в пищевой промышленности).

Как показали результаты предварительных расчетов при использовании заявляемого способа обеспечивается достижение следующих показателей: повышение точности измерений расхода веществ; при этом обеспечивается повышение точности непрерывного измерения расхода веществ до 0,2%.

Согласно данным проведенных исследований заявляемое изобретение может быть использовано в народном хозяйстве и в сравнении с прототипом обладает следующими преимуществами: повышение точности измерения расхода в 1,2 раза; улучшение эксплуатационных характеристик за счет возможности выбора в качестве источника быстрых нейтронов любого из известных источников быстрых нейтронов; расширение сферы практического применения способа за счет использования в качестве источника быстрых нейтронов естественного нейтронного фона атмосферы.

Заявляемый "Способ измерения расхода вещества" представляет значительный интерес для народного хозяйства, так как позволит улучшить процесс учета расхода веществ за счет более точного измерения расхода и обеспечить охрану природы в целях улучшения естественной среды, окружающей человека, за счет использования для измерения естественных свойств атмосферы Земли.

Заявляемое решение не оказывает отрицательного воздействия на состояние окружающей среды.

Изобретение может быть использовано при измерении массового расхода потоков веществ, транспортируемых по трубам большого диаметра, например в магистральных нефтепроводах и газопроводах, в пищевой промышленности. Измеряемый поток пропускают через измерительный участок трубопровода, расположенный на поверхности Земли и ориентированный непараллельно относительно оси ее вращения, облучают измеряемый поток быстрыми нейтронами и измеряют счет медленных нейтронов в двух точках на внешней поверхности трубопровода, равноотстоящих от вертикальной плоскости, проходящей через продольную ось измерительного участка. За счет Кориолисова ускорения, вызванного вращением Земли, появляется изменение в счете медленных нейтронов, при этом отношение счета зарегистрированных медленных нейтронов пропорционально измеряемому расходу. В качестве источника быстрых нейтронов используют космическое излучение, в результате взаимодействия которого с атмосферой Земли образуется нейтронное излучение. Изобретение обеспечивает повышение точности измерения. 2 ил.

Способ измерения расхода вещества, включающий пропускание измеряемого потока через измерительный участок трубопровода, расположенный на поверхности Земли и ориентированный непараллельно относительно оси вращения Земли, облучение измеряемого потока быстрыми нейтронами и измерение счета N₁, N₂ медленных нейтронов в двух точках на внешней поверхности трубопровода, равноотстоящих от вертикальной плоскости, проходящей через продольную ось измерительного участка трубопровода, на одной линии, перпендикулярной к этой плоскости, отличающийся тем, что для облучения быстрыми нейтронами используют естественный нейтронный фон атмосферы, а величину расхода m_в определяют из выражения
m_в = K₁ • N₁/N₂ - K₂,
где K₁, K₂ - коэффициенты пропорциональности.