СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ И КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ПОТОКА ЖИДКОСТИ ИЛИ ГАЗА В СОСУДЕ С УПРУГИМИ СТЕНКАМИ Российский патент 2001 года по МПК G01F1/66 

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться в системах контроля и измерения скорости и расхода жидких и газообразных продуктов, транспортируемых по трубопроводам. Возможные области приложения данного изобретения: производство и транспортировка нефте- и газопродуктов, водоснабжение, производство медицинской техники и биомедицина.

Большинство известных способов измерения скорости и расхода жидкостей в трубопроводах, не связанных с механическим возмущением потока и нарушением целостности трубопровода, основаны на использовании ультразвуковых датчиков [см. Биргер А.Б., Брашников И.С. Ультразвуковые расходомеры. М.: Металлургия, 1964 г.]. При этом импульсный сигнал, посылаемый ультразвуковым генератором, проходит через транспортируемую среду, измеряется время его прохождения и сравнивается с временем прохождения аналогичного сигнала в противоположном направлении. Для этого используют измерительную схему с несколькими акустическими каналами (минимум двумя) [см. авт. св. СССР N 1247659, кл. G 01 F 1/66, 01.07.83, опубл. 30.07.86. Бюл. N 28; N 1453178, кл. G 01 F 1/66, 04.06.79, опубл. 23.01.89. Бюл. N 3] или в схеме с одним каналом изменяют относительное направление ультразвуковой волны и потока [см. авторское свидетельство СССР N 1206618, кл. G 01 F 1/66, 22.12.83, опубл. 23.01.86. Бюл. N 3].

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ измерения расхода жидкостей [см. авторское свидетельство СССР N 1247659, кл. G 01 F 1/66 от 01.07.83, опубл. 30.07.86 Бюлл. N 28.], включающий излучение ультразвукового импульса по потоку и против потока жидкости под разными углами к оси потока и определение разности времен прохождения этими импульсами базового расстояния.

Описанный способ измерения использует следующие положения.

1. Предполагается, что сигнал, проходящий в исследуемой среде, не искажается и не задерживается из-за влияния стенок сосуда, что не соответствует действительности, т. к. стенки обладают конечной упругостью и колебания плотности среды вызывают колебания стенок. Кроме того, затухание ультразвука приводит к тому, что основная мощность волны сосредоточена именно вблизи стенок.

2. Использование некоторой формулы пересчета разности времен распространения импульсов в измеряемую величину.

Недостатками данного способа является сложность реализации и недостаточная точность измерений, обусловленная не учетом упомянутых выше факторов и приближенным характером формулы пересчета.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности при упрощении реализации способа за счет использования зависимости скорости распространения упругих волн в стенках сосуда от скорости потока жидкости в сосуде.

Поставленная задача решается тем, что в способе измерения и контроля параметров (скорости и расхода) потока жидкости или газа в сосуде с упругими стенками, включающем возбуждение упругих волн в форме импульса по потоку и против потока, измерение времени прохождения импульсом базового расстояния от излучателя до приемника в двух направлениях: вдоль и против потока, определение величины скорости и расхода по разности времен прохождения этими импульсами базового расстояния, ультразвуковые импульсы возбуждают в стенках сосуда, при этом пара излучатель-приемник расположена на одноименной стенке сосуда, а скорость потока V определяют из соотношения:
V = 2(2π)⁴ΔtT^-2L⁶RS^-1λ^-4,
где:
S - расстояние между одноименным источником и приемником;
Δt - разность времен прохождения двумя импульсами базового расстояния по и против потока;
λ - длина упругой волны в стенке трубопровода, являющейся несущей импульса;
T = (ρ/E)^1/2a - единица размерности времени;
L = [ρah/(2ρ_o)]^1/2 - единица размерности длины;
R = ρ2o

/[3(1-μ²)ρ²] - величина, определяющая степень взаимодействия волн в жидкости и упругих волн в стенках сосуда, т.н. цилиндрическая жесткость;
ρ - плотность материала стенок;
ρ_o - плотность жидкости или газа;
а - радиус сосуда;
h - толщина стенок сосуда;
E - модуль Юнга материала стенок сосуда;
μ - коэффициент Пуассона материала стенок сосуда.

Кроме того, возможен вариант реализации способа, когда для возбуждения и приема ультразвуковой волны используют вторую пару излучатель-приемник, при этом излучатель и приемник второй пары расположены в обратном по отношению к первой паре порядке, на одинаковом базовом расстоянии.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где 1 - сосуд с упругими стенками; 2, 3 - источники импульсного сигнала; 4, 5 - приемники импульсного сигнала.

Способ осуществляется следующим образом. На одноименных стенках трубы 1, в которой распространяется поток жидкости или газа со скоростью V, на одинаковом расстоянии друг от друга расположено по паре датчиков, два из которых 2, 3 используются как источники импульсного сигнала, и два - 4, 5 - как приемники. Сигнал, посылаемый источником 2 и принимаемый приемником 4, распространяется в стенке сосуда в направлении вдоль потока, а сигнал, посылаемый источником 3 и принимаемый приемником 5, распространяется в стенке против потока. Измеряемой величиной является разность времен Δt распространения двух сигналов, возникающая из-за разности скоростей волн, распространяющихся в противоположных направлениях. Определение скорости потока выполняется в соответствии c формулой (1) (в единицах СИ). При этом зависимость скорости упругой волны в стенке сосуда от скорости потока в сосуде позволяет применить схему измерения, при которой ультразвуковая волна распространяется вдоль стенки сосуда, а не под углом к ней, как в известных решениях. Исключение из расчетной формулы угла между направлением распространения ультразвуковой волны и направлением скорости потока позволяет повысить точность измерения.

Зная величину скорости потока в трубопроводе и площадь сечения трубопровода, легко определить расход и выполнить контроль за ним.

Экономический эффект от использования изобретения достигается за счет учета дополнительных факторов, приводящих к более точной оценке измеряемых величин и за счет упрощения конструкции измерительной схемы.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения расходов в трубопроводах, где установка датчиков традиционных расходомеров затруднена. Способ измерения и контроля параметров потока жидкости или газа в сосуде с упругими стенками включает возбуждение упругих волн в форме импульсов по потоку и против потока, измерение времени прохождения импульсами базового расстояния от излучателя до приемника в двух направлениях: вдоль и против потока, определение величины скорости и расхода по разности времен прохождения этими импульсами базового расстояния. Особенность способа состоит в том, что ультразвуковые импульсы возбуждают в упругих стенках сосуда, при этом пару излучатель-приемник располагают на одноименной стенке сосуда, а скорость потока V определяют из приведенного в описании математического соотношения. Для возбуждения и приема ультразвуковой волны используют вторую пару излучатель-приемник, при этом излучатель и приемник второй пары расположены в обратном по отношению к первой паре порядке на одинаковом базовом расстоянии. Такое решение позволяет повысить точность измерений при упрощении реализации способа. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ измерения и контроля параметров потока жидкости или газа в сосуде с упругими стенками, включающий возбуждение упругих волн в форме импульсов по потоку и против потока, измерение времени прохождения импульсами базового расстояния от излучателя до приемника в двух направлениях: вдоль и против потока, определение величины скорости и расхода по разности времен прохождения этими импульсами базового расстояния, отличающийся тем, что ультразвуковые импульсы возбуждают в упругих стенках сосуда, при этом пару излучатель-приемник располагают на одноименной стенке сосуда, а скорость потока V определяют из соотношения
V = 2(2π)⁴ΔtT^-2L⁶RS^-1λ^-4,
где S - расстояние между одноименным источником и приемником;
Δt - разность времен прохождения двумя импульсами базового расстояния по и против потока;
λ - длина упругой волны в стенке трубопровода, являющейся несущей импульса;
T = (ρ/E)^1/2a - единица размерности времени;
L = [ρah/(2ρ_o)]^1/2 - единица размерности длины;
R = ρ2o

/[3(1-μ²)ρ²] - величина, определяющая степень взаимодействия волн в жидкости и упругих волн в стенках сосуда, т.н. цилиндрическая жесткость;
ρ - плотность материала стенок;
ρ_o - плотность жидкости или газа;
a - радиус сосуда;
h - толщина стенок сосуда;
E - модуль Юнга материала стенок сосуда;
μ - коэффициент Пуассона материала стенок сосуда. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для возбуждения и приема ультразвуковой волны используют вторую пару излучатель-приемник, при этом излучатель и приемник второй пары расположены в обратном по отношению к первой паре порядке на одинаковом базовом расстоянии.