ВРЕЗНАЯ СЕКЦИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО РАСХОДОМЕРА Российский патент 2006 года по МПК G01F1/66 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в различных областях народного хозяйства в качестве ультразвукового датчика для измерения скорости потока, мгновенного либо интегрального (объемного) расхода жидкости в полностью заполненных (напорных) трубах.

Известен датчик расходомера, описанный в способе измерения скорости жидкости или газа в трубопроводе (патент Украины №40767, кл. G 01 F 1/66, БИ №7, 2001), содержащий корпус расходомера, в котором расположены два пьезоэлектрических элемента, при этом рабочие поверхности пьезоэлектрических элементов и поверхность корпуса датчика расходомера, которая непосредственно к ним прилегает и отделяет их от потока жидкости или газа, лежат на оси прохождения акустического сигнала, перпендикулярны к этой оси и вследствие этого параллельны друг другу, а ось акустического сигнала расположена под углом α к вектору скорости жидкости или газа.

Данный датчик расходомера так же, как и заявляемая врезная секция ультразвукового расходомера, содержит два приемопередающих электроакустических преобразователя (пьезоэлектрических элемента) и отрезок трубы (корпус датчика). Однако отсутствие двух сквозных отверстий, которые выполнены предложенным способом и в которые вмонтированы приемопередающие электроакустические преобразователи также предложенным способом, резко снижает точность определения расхода контролируемой среды, так как зондирование потока среды производится по прямой, проходящей через ось трубы.

Известен датчик ультразвукового расходомера (а.с. СССР №1714372, кл. G 01 F 1/66, БИ №7, 1992), содержащий мерный участок трубопровода с двумя электроакустическими преобразователями, установленными на входной и выходной части мерного участка, отражатели, установленные на внутренней поверхности мерного участка и выполненные в виде цилиндрических вставок, имеющих плоские отражающие основания, цилиндрические вставки снабжены кольцевыми уплотнениями и установлены в корпус мерного участка с зазором, причем высота цилиндрических вставок кратна длине волны λ в материале вставки, на основаниях вставок, противоположных отражающим, выполнены прямоугольные пазы, глубина, ширина и шаг которых кратны λ, при этом пазы расположены перпендикулярно продольной оси мерного участка.

Данный датчик расходомера так же, как и заявляемая врезная секция ультразвукового расходомера, содержит два приемопередающих электроакустических преобразователя и отрезок трубы, в котором выполнены два сквозных отверстия, в которые вмонтированы приемопередающие электроакустические преобразователи. Однако отсутствие ориентации излучающей плоскости каждого приемопередающего электроакустического преобразователя под углом α к его продольной оси, установки приемопередающих электроакустических преобразователей так, что центры их излучающих плоскостей находятся на одном уровне с внутренней поверхностью трубы и ориентированы относительного друг друга таким образом, чтобы между ними существовала акустическая связь (под указанными углами), резко снижает точность определения расхода контролируемой среды, так как зондирование потока среды производится по прямым, лежащим в осевой плоскости трубы.

Наиболее близкой к заявленной является врезная секция ультразвукового расходомера (патент Украины №36757 А, кл. G 01 F 1/66, БИ №3, 2001), которая состоит из двух приемопередающих датчиков, излучающая поверхность которых ориентирована по нормали к продольной оси, двух зеркал и отрезка трубы с внутренним диаметром D, в обеих стенках которого вдоль осевой линии на расстоянии 3·L друг от друга выполнены два сквозных отверстия, в отверстия на одной стороне трубы вмонтированы датчики, а на другой стороне - зеркала, которые соответствующим образом сориентированы для обеспечения акустической связи между датчиками по трем хордам, не лежащим в одной плоскости, при этом сквозные отверстия выполнены так, что их геометрические оси пересекаются в центре трубы под углом γ, а центры зеркал выступают на высоту Δ над внутренней поверхностью трубы.

Данная врезная секция ультразвукового расходомера так же, как и заявляемая врезная секция ультразвукового расходомера, содержит два приемопередающих электроакустических преобразователя (приемопередающих датчика) и отрезок трубы, в котором выполнены два сквозных отверстия, в которые вмонтированы приемопередающие электроакустические преобразователи, акустическая связь между которыми осуществляется по трем хордам, не лежащим в одной плоскости. Однако отсутствие ориентации излучающей плоскости каждого приемопередающего электроакустического преобразователя под углом α к его продольной оси, установки приемопередающих электроакустических преобразователей так, что центры их излучающих плоскостей находятся на одном уровне с внутренней поверхностью трубы и ориентированы относительного друг друга таким образом, чтобы между ними существовала акустическая связь, ведет к усложнению известной врезной секции ультразвукового расходомера и ухудшает отношение сигнал/шум в измерительном сигнале.

В основу предлагаемого изобретения поставлена задача упрощения конструкции врезной секции ультразвукового расходомера при одновременном улучшении отношения сигнал/шум в измерительном сигнале.

Поставленная задача решается тем, что в известной врезной секции ультразвукового расходомера, состоящей из двух приемопередающих электроакустических преобразователей и отрезка трубы, в котором вдоль образующей на заданном расстоянии относительно друг друга выполнены два сквозных отверстия, оси которых перпендикулярны к оси трубы и в которые вмонтированы приемопередающие электроакустические преобразователи с обеспечением акустической связи между ними по трем хордам, не лежащим в одной плоскости, установленные так, что центры их излучающих плоскостей находятся на одном уровне с внутренней поверхностью трубы, согласно изобретению излучающая плоскость каждого приемопередающего электроакустического преобразователя расположена под углом α к его продольной оси, лежащим в диапазоне от 30° до 60°, а приемопередающие электроакустические преобразователи ориентированы относительно друг друга таким образом, чтобы между ними существовала акустическая связь, при этом проекция нормали к излучающей плоскости каждого приемопередающего электроакустического преобразователя на горизонтальную плоскость, проходящую через ось трубы, образует угол β по отношению к оси трубы:

а расстояние R между центрами сквозных отверстий выбрано по соотношению

где D - внутренний диаметр отрезка трубы, L - расстояние вдоль осевой линии трубы между центрами двух отражающих областей на внутренней поверхности трубы или же центром области отражения и осью пьезоэлектрического преобразователя.

Введение во врезную секцию ультразвукового расходомера ориентации излучающей плоскости каждого приемопередающего электроакустического преобразователя под углом α к его продольной оси, лежащим в диапазоне от 30° до 60°, выбора расстояния между центрами отверстий по соотношению , позволяет упростить конструкцию за счет исключения двух зеркал, которые к тому же должны быть определенным образом ориентированы относительно друг друга, а также увеличить отношение сигнал/шум в измерительном сигнале за счет исключения двух отражений акустического сигнала от зеркал. Каждое отражение акустического сигнала от зеркала сопровождается потерями энергии, что ухудшает отношение сигнал/шум в измерительном тракте и приводит к обеднению высокочастотных составляющих в спектре сигнала, что затрудняет фиксацию положения сигнала на временной оси. Кроме того, исключение зеркал ведет к исключению на трассе распространения акустического сигнала двух "пассивных" участков (от соответствующего датчика до ближайшего зеркала на противоположной стороне трубы), ориентированных по нормали к вектору скорости потока, на которых скорость потока среды, расход которой измеряется, никак не влияет на скорость распространения акустического сигнала и которые поэтому для измерений являются бесполезными, но свой вклад в затухание сигнала вносят.

На чертежах приведены

фиг.1 - разрез заявляемой врезной секции плоскостью, проходящей через ось трубы и образующую цилиндрической поверхности трубы, по которой выполнены отверстия в трубе;

фиг.2 - разрез заявляемой врезной секции осевой плоскостью, перпендикулярной осям отверстий, в которые вмонтированы приемопередающие электроакустические преобразователи;

фиг.3 - поперечное сечение трубы, на котором показаны проекции трассы распространения ультразвукового сигнала между первым и вторым приемопередающими электроакустическими преобразователями;

фиг.4 - общий вид приемопередающего электроакустического преобразователя;

фиг.5 - поперечное сечение приемопередающего элемента электроакустического преобразователя.

Врезная секция ультразвукового расходомера (фиг.1) содержит отрезок трубы 1, первое 2 и второе 3 сквозные отверстия в отрезке трубы 1, расстояние между центрами которых составляет R, первый 4 и второй 5 приемопередающие электроакустические преобразователи, которые вмонтированы соответственно в первое 2 и второе 3 сквозные отверстия.

Излучающая плоскость каждого приемопередающего электроакустического преобразователя 4 и 5 ориентирована под углом α к его продольной оси. Приемопередающие электроакустические преобразователи 4 и 5 установлены таким образом, что центры их излучающих плоскостей находятся на одном уровне с внутренней поверхностью отрезка трубы 1 и ориентированы относительного друг друга таким образом, чтобы между ними существовала акустическая связь по трем хордам, не лежащим в одной плоскости. Для обеспечения существования акустической связи приемопередающие электроакустические преобразователи 4 и 5 установлены таким образом, что их диаграммы направленности ориентированы встречно друг другу, а проекция нормали к излучающей плоскости каждого из них на горизонтальную плоскость, проходящую через ось трубопровода, образует угол β по отношению к оси трубопровода.

На фиг.1 показаны также патрубки 6 и 7, области 8 и 9 на внутренней поверхности отрезка трубы 1, в которых происходит переизлучение сигнала и фланцы 10 и 11.

Патрубки 6 и 7 предназначены для предотвращения механических повреждений электроакустических преобразователей 4 и 5, они жестко соединены с отрезком трубы 1 (например, электросваркой). Патрубок 6 установлен так, что приемопередающий электроакустический преобразователь 4 находится внутри его, а патрубок 7 установлен так, что приемопередающий электроакустический преобразователь 5 находится внутри его.

На фиг.1 область 9 показана условно, так как в действительности она, как показано на фиг.2, находится на противоположной (ближней) стороне отрезка трубы 1.

Для облегчения монтажа в трубопровод врезная секция может быть оснащена фланцами 10 и 11 (по краям отрезка трубы 1).

Известны времяимпульсные расходомеры, позволяющие определить скорость потока V жидкости в трубопроводе на основании измерений времени распространения ультразвуковых колебаний по потоку жидкости и против него (см., например, книгу А.Ш.Киясбейли, А.М.Измайлов, В.М.Гуревич. Частотно-временные ультразвуковые расходомеры и счетчики. Москва, "Машиностроение", 1984 г.). Расход жидкости Q (м³/час) вычисляется путем умножения оценки скорости потока жидкости V (м/с) на константу 3600·S, где S - площадь внутреннего сечения трубы (м²), а 3600 - число секунд в часе. Преимуществами расходомеров этого типа являются продолжительный срок службы ввиду отсутствия движущихся частей, а также приемлемая погрешность в широком диапазоне расходов. В составе указанных времяимпульсных расходомеров используют в качестве датчиков врезные секции, которые представляют собой снабженный фланцами отрезок трубы, в котором при изготовлении жестко закреплена пара пьезоэлектрических преобразователей. Диаграммы направленности пьезоэлектрических преобразователей ориентированы встречно друг другу.

Известны врезные секции, в которых пьезоэлектрические преобразователи расположены на одной и той же либо на диаметрально противоположных сторонах трубы со взаимным сдвигом вдоль продольной оси (см. стр.44-46, фиг.23 книги А.Ш.Киясбейли, A.M.Измайлов, В.М.Гуревич. Частотно-временные ультразвуковые расходомеры и счетчики. Москва, "Машиностроение", 1984 г.). В этих врезных секциях ультразвуковой луч на пути от передающего пьезоэлектрического преобразователя до пьезоэлектрического преобразователя-приемника пересекает поток жидкости в диаметральном сечении один или несколько раз (с переотражениями от внутренней поверхности трубы). Недостатком врезных секций этого типа является сравнительно низкая точность измерения средней скорости потока, обусловленная тем, что усреднение выполняется не по двумерному полю скоростей (по всей площади поперечного сечения трубы), а только по линии диаметрального сечения. Поэтому измерения сопровождаются гидродинамической погрешностью, величина которой изменяется в зависимости от скорости потока, шероховатости внутренних стенок трубы и т.д.

Известно, что для осесимметричных потоков жидкости гидродинамическая погрешность может быть устранена практически полностью, если зондирование выполнять по хорде, которая пересекает трубу с удалением от центра трубы на половину радиуса. Если же нет уверенности в осесимметричном характере потока, рекомендуется выполнять зондирование потока жидкости по нескольким хордам, не лежащим в одной плоскости. Такое зондирование (по нескольким хордам) при использовании только одной пары приемопередающих пьезоэлектрических преобразователей можно обеспечить, если использовать переотражения ультразвукового луча в трубе (см. фиг.24, 25 на стр.47 упомянутой выше книги авторов А.Ш.Киясбейли и др.).

Принцип действия врезной секции ультразвукового расходомера состоит в следующем.

Трасса распространения акустического сигнала показана на фиг.1 и 2. При измерении времени распространения сигнала в одном направлении (например, по потоку жидкости) излученный пьезоэлектрическим преобразователем 4 ультразвуковой сигнал сквозь жидкость распространяется к области 8, отражается от металла в направлении к области 9. От области 9 сигнал отражается в направлении пьезоэлектрического преобразователя 5, который его принимает. При измерении времени распространения сигнала в другом направлении (против потока жидкости) излученный пьезоэлектрическим преобразователем 5 ультразвуковой сигнал сквозь жидкость распространяется к области 9, отражается от металла в направлении к области 8. От области 8 сигнал отражается в направлении пьезоэлектрического преобразователя 4, который его принимает.

На фиг.4 дан эскиз пьезоэлектрических преобразователей, используемых в заявляемой врезной секции. Излучающая поверхность каждого пьезоэлектрического преобразователя ориентирована под углом α к его продольной оси (см. фиг.5), величина которого выбирается в пределах от 30° до 60°.

Угол α - параметр конструкции пьезоэлектрического преобразователя - определяет расстояние между сквозными отверстиями во врезной секции и, следовательно, ее длину.

Проекция на поперечное сечение трубы трассы распространения ультразвукового сигнала между первым 4 и вторым 5 пьезоэлектрическими преобразователями (см. фиг.3) представляет собой равносторонний треугольник, то есть зондирование потока жидкости в обоих направлениях выполняется по трем хордам. Проекция на ось трубы расстояния между центрами двух отражающих областей на внутренней поверхности трубы или же центром области отражения и осью пьезоэлектрического преобразователя на фиг.1 обозначена L и равна где D - внутренний диаметр отрезка трубы врезной секции ультразвукового расходомера.

На фиг.2 показана взаимная ориентация пьезоэлектрических преобразователей 4 и 5, которые должны быть установлены в трубу так, чтобы максимумы их диаграмм направленности были направлены навстречу друг другу под углами β к продольной оси трубы для обеспечения акустической связи между ними, при этом угол β определяется по формуле .

Юстировка врезной секции ультразвукового расходомера обеспечивается путем поворота датчиков 4 и 5 вокруг продольной оси.

Изобретение предназначено для измерения скорости, мгновенного либо интегрального расхода жидкости (нефти и продуктов ее переработки) в полностью заполненных (напорных) трубопроводах. Устройство включает в себя отрезок трубы, в котором вдоль образующей на заданном расстоянии R относительно друг друга выполнены два сквозных отверстия, оси которых перпендикулярны к оси трубы. В отверстия вмонтированы приемопередающие электроакустические преобразователи, установленные так, что центры их излучающих плоскостей находятся на одном уровне с внутренней поверхностью трубы. Излучающая плоскость каждого из указанных преобразователей расположена под углом 30°-60° к его продольной оси, что обеспечивает акустическую связь по трем хордам. Расстояние R выбрано по приведенной формуле. Устройство имеет простую конструкцию и обеспечивает улучшенное отношение сигнал/шум в измерительном сигнале. 5 ил.

Врезная секция ультразвукового расходомера, состоящая из двух приемопередающих электроакустических преобразователей и отрезка трубы, в котором вдоль образующей на заданном расстоянии относительно друг друга выполнены два сквозных отверстия, оси которых перпендикулярны оси трубы и в которые вмонтированы приемопередающие электроакустические преобразователи с обеспечением акустической связи между ними по трем хордам, не лежащим в одной плоскости, установленные так, что центры их излучающих плоскостей находятся на одном уровне с внутренней поверхностью трубы, отличающаяся тем, что излучающая плоскость каждого приемопередающего электроакустического преобразователя расположена под углом α к его продольной оси, лежащим в диапазоне от 30 до 60°, а приемопередающие электроакустические преобразователи ориентированы относительного друг друга таким образом, чтобы между ними существовала акустическая связь, при этом проекция нормали к излучающей плоскости каждого приемопередающего электроакустического преобразователя на горизонтальную плоскость, проходящую через ось трубы, образует угол β по отношению к оси трубы:

а расстояние R между центрами сквозных отверстий выбрано по соотношению

где D - внутренний диаметр отрезка трубы, L - проекция на ось трубы расстояния между осью пьезоэлектрического преобразователя и центром отражающей области на внутренней поверхности трубы.