СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ГАЗА В ТРУБОПРОВОДАХ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2007 года по МПК G01F1/66 G01F15/04 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в устройствах для измерений расхода жидкости или газа в трубопроводных магистралях.

Для измерения расхода газа в трубопроводах в настоящее время широко применяются ультразвуковые расходомеры, в основу работы которых положено измерение времени распространения ультразвука в направлении и против течения газа или жидкости. К таким расходомерам можно отнести, например, ультразвуковой расходомер (патент РФ №2106603, G01F 1/66, опубл. 10.03.1998), а также устройство для измерения расхода жидкости или газа и способ его измерения (патент РФ №2047097, G01F 1/66, опубл. 27.10.95). Приборы такого вида используют ультразвуковые преобразователи (УЗП), встроенные в стенку трубы.

Другой вид расходомеров использует накладные УЗП. Этот вариант приборов позволяет легко монтировать УЗП на трубопроводах без нарушения целостности трубы и остановки работы трубопровода и поэтому наиболее перспективен. Однако использование накладных УЗП затрудняется большой разницей акустических импедансов материала трубы и газа (пять порядков). В результате в газ излучается, а затем принимается лишь ничтожная часть энергии. В то же время акустические колебания, возникающие в стенке трубы, во много раз превышают акустические колебания в газе, и потому возникает необходимость разнесения во времени моментов прихода этих сигналов в приемный УЗП. Отражения ультразвуковых колебаний от неоднородностей стенки трубы (швы, фланцы, изгибы и т.д.), а также прохождение волн по спиральным траекториям по стенке трубы могут привести к появлению стационарных помех во временном интервале появления полезного сигнала в приемном УЗП, что нарушит нормальную работу прибора.

Известен способ измерения расхода газа и ультразвуковой газовый расходомер (патент США №6626049, приоритет от 31.03.2000, G01F 1/66), выбранный в качестве прототипа, в котором используются накладные УЗП, возбуждающие в стенке трубы волну Лэмба, которая далее возбуждает в газе продольную ультразвуковую волну. Эта волна пробегает через поток и возбуждает в противоположной стенке волну Лэмба, принимаемую вторым УЗП. Далее, как и в расходомерах обычного типа, используется информация о времени распространения сигнала вверх и вниз по течению. Для уменьшения сигналов, распространяющихся по стенке трубы, используется демпфирующее покрытие, размещенное на поверхности трубы под ультразвуковыми преобразователями.

Недостатки данного способа и устройства описаны выше.

Задачей изобретения является преодоление трудностей измерения в тех случаях, когда уровень и временное расположение стационарных помех препятствует проведению измерений.

Согласно изобретению в способе измерения расхода газа в трубопроводах, заключающемся в возбуждении в газе продольных ультразвуковых волн по потоку и против него за счет возбуждения в стенке трубы волн Лэмба, выделении полезного сигнала, прошедшего через поток газа, измерении разности времен распространения сигнала по направлению потока и против него, вычислении скорости потока и определении величины расхода газа, для выделения полезного сигнала, прошедшего через поток газа, осуществляют компенсацию стационарных сигналов, распространяющихся по стенке трубы, для чего весь принятый в результате зондирования высокочастотный ультразвуковой импульс запоминают и затем вычитают из следующего принятого высокочастотного ультразвукового импульса, в результате чего устраняется стационарная составляющая, маскирующая полезный сигнал, прошедший через газ, а нестационарная составляющая полезного сигнала, обусловленная флуктуациями времени задержки и амплитуды, связанными с турбулентностью потока газа, выделяется, операцию выделения нестационарной части полезного сигнала повторяют несколько раз, результаты выделения возводят в квадрат и суммируют, полученный функционал является квадратом производной по времени полезного сигнала, в котором содержится вся необходимая временная информация о моменте приема сигнала, в результате чего становится возможным измерение скорости потока газа в условиях больших стационарных помех.

Устройство для измерения расхода газа в трубопроводах, включающее блок управления, два приемопередающих тракта, каждый из которых включает ультразвуковой преобразователь, установленный на стенке трубы, связанный с выходом передающего и входом приемного блоков, выход приемного блока подключен ко входу накопительного блока, выход которого является выходом тракта, подключенного к одному из входов блока вычисления скорости и расхода газа, в каждый тракт устройства введен блок компенсации сигнала-помехи, вход которого соединен с выходом приемного блока, а выход - со входом накопительного блока, при этом блок управления соединен с каждым блоком приемо-передающих трактов, с накопительным блоком и блоком вычисления скорости и расхода газа.

Блок компенсации представляет собой коммутатор, имеющий два сигнальных выхода, каждый из которых соединен со своим блоком памяти, выходы которых подключены к вычитающему устройству, выход которого подключен к арифметическому устройству, вычисляющему квадрат величины, получаемой от вычитающего устройства, а выход арифметического устройства подключен ко входу накопительного блока.

Изобретение соответствует критерию «новизна», и из известного предыдущего уровня техники не выявлены заявляемые признаки, отличающие изобретение от прототипа. Следовательно, изобретение соответствует критерию «изобретательский уровень».

На фиг.1 представлена блок-схема ультразвукового расходомера, реализующего заявляемый способ измерения, на фиг.2 - схема блока компенсации, на фиг.3 - подробная блок-схема устройства - примера реализации, где:

1 - блок управления

2 - ультразвуковой преобразователь

3 - передающий блок

4 - приемный блок

5 - блок компенсации

6 - накопительный блок

7 - блок вычисления скорости и расхода газа

8 - коммутатор

9 - блок памяти

10 - вычитающий блок

11 - блок возведения в квадрат

12 - тактовый генератор

13 - формирователь управляющих сигналов

14 - модулятор

15 - программируемый усилитель

16 - АЦП.

Устройство для измерения расхода газа в трубопроводах включает блок управления 1, два приемопередающих тракта, каждый из которых включает ультразвуковой преобразователь 2, установленный на стенке трубы, который связан с выходом передающего 3 и входом приемного блоков 4. Выход приемного блока 4 подключен к входу блока компенсации 5, выход которого, в свою очередь, подключен к входу накопительного блока 6, выход которого является выходом тракта и подключен к одному из входов блока вычисления скорости и расхода газа 7.

Каждый из блоков компенсации 5 может представлять собой коммутатор 8, выходы которого подключены к входам двух блоков памяти 9, выходы которых подключены к входу вычитающего блока 10, выход которого подключен к входу блока возведения в квадрат 11.

Каждый приемный блок 4 может представлять собой программируемый усилитель 15, выход которого соединен со входом АЦП 16.

Блок управления 1 может представлять собой тактовый генератор 12, выход которого соединен с входом модулятора 14, выходы которого подключены к передающим блокам 3, выходы которых подключены к ультразвуковым преобразователям 2 и к входам программируемых усилителей 15. Выход тактового генератора 12 также подключен к входу формирователя управляющих сигналов 13, а его выходы соединены с блоками 15, 16, 8, 9, 10, 11, 6, 7.

В предлагаемых способе и устройстве для выделения полезного сигнала, прошедшего через поток газа, используется физическая разница в природе этого сигнала и стационарного сигнала-помехи, являющегося сложной суммой многократных отражений акустического сигнала от неоднородностей стенок трубы. В отличие от сигнала-помехи сигнал, прошедший через газ, всегда имеет некоторые флуктуации фазы и амплитуды даже при самых низких числах Рейнольдса, поскольку даже в чисто ламинарных потоках всегда имеется пульсационная составляющая (по разным источникам от 6 до 17%), скорость которой в некоторых пределах является случайной функцией времени.

Измерение времени прохождения ультразвукового пакета по направлению потока и против него и, соответственно, посылка зондирующего импульса могут осуществляться одновременно или по очереди обоими УЗП. Если выбирается режим поочередного зондирования, то сначала один УЗП становится передающим, а второй принимающим, а затем они меняются ролями. В случае одновременного зондирования оба УЗП излучают пакет одновременно, а затем переходят в режим приема. Поскольку в обоих случаях функционирование в обоих направлениях зондирования симметрично, то далее в тексте рассматривается работа только в одном направлении.

Устройство работает следующим образом.

Высокочастотный пакет колебаний, рождающийся в модуляторе 14, поступает через передающий блок 3 на передающий УЗП 2, который возбуждает в стенке трубы резонансным образом волну Лэмба, которая, перемещаясь вдоль образующей трубы, в свою очередь возбуждает продольную ультразвуковую волну в газе. Дойдя до противоположной стенки трубы, она возбуждает в ней аналогичную волну Лэмба, которая по стенке трубы достигает принимающего УЗП 2.

С принимающего УЗП 2 принятый сигнал поступает на входной усилитель 15 с программируемым коэффициентом усиления. С выхода программируемого усилителя 15 сигнал поступает на вход АЦП 16. Коэффициент усиления усилителя 15 устанавливается так, чтобы поддерживать уровень сигнала на входе АЦП 16 таким, чтобы он соответствовал примерно 2/3 динамического диапазона АЦП.

Далее с выхода АЦП 16 принятый, усиленный и преобразованный сигнал в виде последовательности чисел поступает на коммутатор 8 блока компенсации 5, который направляет эту последовательность по очереди в один из блоков памяти 9. Причем одна последовательность, соответствующая одному принятому пакету, запоминается целиком в одном блоке памяти, а следующая - в другом.

Далее с выхода блоков памяти 9 последовательности чисел, соответствующие принятым пакетам, поступают на блок вычитания 10, где производится последовательное вычитание чисел с одинаковыми номерами из двух входных последовательностей. В результате вычитания разность между стационарными помехами, положение которых относительно зондирующего импульса не изменяется при повторных зондированиях, оказывается нулевой. Сигналы, проходящие через поток газа в разные периоды повторения зондирующих импульсов, будут иметь отличающиеся фазы и амплитуды. Поэтому при вычитании они компенсироваться не будут.

Последовательность чисел с выхода блока вычитания 10 поступает на блок возведения в квадрат 11, где каждая разность последовательности возводится в квадрат. Возведение в квадрат выполняется, чтобы привести все числа разностных последовательностей к одному знаку, и исключить их полную или частичную компенсацию при последующем суммировании.

Далее последовательность квадратов подается в накопительный блок 6, где накапливается последовательность сумм квадратов. Последняя является числовым представлением квадрата производной принимаемого сигнала, помноженной на некоторый постоянный коэффициент, величина которого зависит от турбулентности потока газа и количества накопленных циклов. Эта последовательность чисел содержит всю необходимую информацию для определения момента прихода сигнала в принимающий УЗП 2.

С выхода накопительного блока 6 последовательность накопленных сумм квадратов передается в блок вычисления скорости и расхода газа 7, в котором выполняются все традиционные вычисления, в результате которых вычисляется скорость потока газа и его объемный расход.

Блок управления 1 содержит тактовый генератор 12, модулятор 14 и формирователь управляющих сигналов, которые определяют поведение всех блоков устройства. Ключевым требованием к тактовому генератору является высокая стабильность фазы, поскольку последняя непосредственно определяет временную идентичность последовательных излучаемых и принимаемых пакетов колебаний и точную привязку чисел последовательностей, представляющих пакет после аналого-цифрового преобразования, к общей временной шкале.

Изобретение предназначено для измерения расхода в магистральных трубопроводах. Возбуждают продольные ультразвуковые волны по и против потока газа за счет возбуждения в стенке трубы волн Лэмба. Выделяют нестационарную составляющую полезного сигнала, прошедшего через газ, путем компенсации стационарных сигналов, распространяющихся по стенке трубы. Операцию выделения нестационарной части полезного сигнала повторяют несколько раз, результаты выделения возводят в квадрат и суммируют для получения функционала, являющегося квадратом производной по времени полезного сигнала. Устройство для реализации способа содержит два приемопередающих тракта, каждый из которых включает в себя ультразвуковой преобразователь, установленный на стенке трубы, передающий и приемный блоки, блок компенсации сигнала-помехи, накопительный блок. С каждым блоком приемопередающих трактов соединен блок управления, подключенный к блоку вычисления скорости и расхода газа. Изобретение обеспечивает повышение точности измерения в условиях больших стационарных помех. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ измерения расхода газа в трубопроводах, заключающийся в возбуждении в газе продольных ультразвуковых волн по потоку и против него за счет возбуждения в стенке трубы волн Лэмба, выделении полезного сигнала, прошедшего через поток газа, измерении разности времен распространения сигнала по направлению потока и против него, вычислении скорости потока и определении величины расхода газа, отличающийся тем, что для выделения полезного сигнала, прошедшего через поток газа, осуществляют компенсацию стационарных сигналов, распространяющихся по стенке трубы, для чего весь принятый в результате зондирования высокочастотный ультразвуковой импульс запоминают и затем вычитают из следующего принятого высокочастотного ультразвукового импульса, в результате чего устраняется стационарная составляющая, маскирующая полезный сигнал, прошедший через газ, а нестационарная составляющая полезного сигнала, обусловленная флуктуациями времени задержки и амплитуды, связанными с турбулентностью потока газа, выделяется, операцию выделения нестационарной части полезного сигнала повторяют несколько раз, результаты выделения возводят в квадрат и суммируют, полученный функционал является квадратом производной по времени полезного сигнала, в котором содержится вся необходимая временная информация о моменте приема сигнала, в результате чего становится возможным измерение скорости потока газа в условиях больших стационарных помех.2. Устройство для измерения расхода газа в трубопроводах, включающее блок управления, два приемопередающих тракта, каждый из которых включает ультразвуковой преобразователь, установленный на стенке трубы, связанный с выходом передающего и входом приемного блоков, выход приемного блока подключен ко входу накопительного блока, выход которого является выходом тракта, подключенного к одному из входов блока вычисления скорости и расхода газа, отличающееся тем, что в каждый тракт устройства введен блок компенсации сигнала-помехи, вход которого соединен с выходом приемного блока, а выход - со входом накопительного блока, при этом блок управления соединен с каждым блоком приемопередающих трактов, с накопительным блоком и блоком вычисления скорости и расхода газа.3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что блок компенсации представляет собой коммутатор, имеющий два сигнальных выхода, каждый из которых соединен со своим блоком памяти, выходы которых подключены к вычитающему устройству, выход которого подключен к арифметическому устройству, вычисляющему квадрат величины, получаемой от вычитающего устройства, а выход арифметического устройства подключен ко входу накопительного блока.