РАСХОДОМЕР ЖИДКИХ И ГАЗОВЫХ СРЕД В НАПОРНЫХ ТРУБОПРОВОДАХ Российский патент 2013 года по МПК G01P5/24 

Изобретение относится к измерительной технике по ультразвуковым расходомерам, а именно к способам и устройствам измерения расхода объема и массы жидких и газовых сред в напорных трубопроводах круглого сечения.

Хорошо известен класс расходомеров ультразвукового типа, основанных на использовании эффекта Доплера, а также класс приборов, действующих на основе метода бокового «сноса» узкого ультразвукового луча в текущей среде.

Сущность доплеровского способа измерения скорости потока среды в трубопроводе состоит в следующем. Ультразвуковые импульсы, посылаемые по - или - против потока среды в трубопроводе рассеиваются примесями среды и частично отражаются обратно к излучающему преобразователю, имея сдвиг частоты, связанный со скоростью среды. Непосредственно в окрестности расположения излучателя отраженный ультразвуковой луч регистрируется приемным преобразователем. По частотному сдвигу сигнала расчетным путем определяется скорость потока среды, а также объемный расход.

Недостатком доплеровского способа измерения расхода текущей среды является присутствие в отраженном сигнале большого спектра частот шумового характера, связанного с флуктуациями примеси. Анализ такого сигнала представляет большие физико-технические трудности.

Хорошо известен также класс расходомеров, действующих на основе метода бокового сноса ультразвукового луча в текущей среде [Под редакцией И.П. Голяминой. Ультразвук. «Советская энциклопедия», Москва, 1979, с.300]. Данный метод реализуется следующим образом. Излучающий преобразователь генерирует ультразвуковые импульсы поперек трубы с текущей средой. Приемный преобразователь, расположенный на противоположной стороне трубы, состоит из двух чувствительных к ультразвуковым импульсам детекторов. Эти детекторы разносятся на некоторое расстояние друг от друга по направлению трубы симметрично относительно излучающего преобразователя. Ультразвуковой луч, снесенный потоком среды, возбуждает оба приемника ассиметрично. Математическая обработка этих сигналов по дифференциальной схеме дает искомую информацию о скорости потока.

Недостатком данного способа измерения является использование одновременно двух независимых приемных датчиков, которые из-за шумового колебания стенок трубы в широком спектре частот ограничивают точность измерения расхода среды.

К наиболее важным достоинствам ультразвуковых расходомеров относится возможность размещения их непосредственно на поверхности трубопровода, т.е. без врезки в трубу. По этой причине такие устройства в технической литературе часто называются накладными расходомерами. Они просты в монтаже и обслуживании. Точность измерения этих приборов также высока. В частности, существующие доплеровские устройства имеют относительную погрешность определения средней скорости потока среды в трубе ~ 1%; устройства с боковым сносом ~ 2% [Территория нефтегаза, 2008, №6, с.53].

Устройство на основе бокового сноса ультразвукового луча в текущей среде принимается нами за прототип.

Целью изобретения является повышение точности измерения скорости потока.

Целью изобретения является также расширение диапазона плотности измеряемых сред - от жидких - до газообразных без введения в процедуру измерения дополнительных устройств.

Поставленная цель достигается тем, что в основу работы излучающего преобразователя вводится новый принцип формирования ультразвуковых импульсных лучей, пересекающих трубу под углом а к диаметру трубы. Сущность этого принципа поясняется на фиг.1 и 2, где приняты следующие обозначения: БФП - блок формирования и приема сигналов, БУОС - блок управления и обработки сигнала, Т - труба; ⌀ - диаметр трубы; V - вектор скорости среды в трубе; И.Р. - импульсный ультразвуковой преобразователь; П.К. - пьезоэлектрические элементы излучения и приема импульсных ультразвуковых сигналов u₁ и u₂ с заданной длительностью τ; α - угол излучения ультразвуковых импульсов относительно диаметральной прямой линии ОО; a, b - траектории распространения ультразвуковых импульсов в неподвижной среде (V=0), находящейся в трубопроводе; a', b' - положение траекторий в движущейся среде (V≠0); c, d - траектории импульсов под малыми углами α генерации непосредственно в окрестности диаметральной линии ОО.

Импульсный ультразвуковой преобразователь, установленный на трубопроводе Т, выполнен в форме двустенного обода, имеющего геометрию поперечного сечения по форме велосипедного колеса. Между «ободами» предусмотрено свободное пространство (полость), заполненное звукопроводящей средой, например, типа трансформаторного масла.

На краях ободов по всему периметру преобразователя - левом и правом - симметрично установлены пьезоэлектрические плоские элементы П.К. для излучения ультразвуковых импульсов и приема ответных сигналов. На внешней и внутренней поверхностях пьезоэлектрических пластин нанесены электроды. Причем полярные электроды пьезоэлементов одного края преобразователя, например левого, электрически объединены между собой по всему периметру (поясу) «колеса» (на трубопроводе Т). Точно так же размещены пьезоэлектрические элементы и на втором краю обода - правом, и их полярные электроды электрически объединены. При этом система возбуждения «левых» электродов и «правых» электродов электрически изолирована между собой. Возбуждение «левых» и «правых» электродов осуществляется электрическими импульсами, соответственно, U₁ и U₂ независимо друг от друга.

Работа импульсного ультразвукового преобразователя осуществляется по принципу «реохорда». При этом полость преобразователя, закрепленного на трубопроводе Т, как показано на фиг.1, представляет собой объемный звукопровод, заполненный однородной звукопроводящей средой с симметрично закрепленными на его противоположных торцах по всему периметру (поясу) преобразователя пьзоэлементами П.К., с известным временем распространения ультразвукового сигнала между противоположно закрепленными пьзоэлементами. Зондирующий ультразвуковой импульс в звукопроводе возбуждается этими пьезоэлементами, на которые подаются электрические импульсы U₁ и U₂ с блока формирования и приема сигналов БФП с известной взаимной задержкой Δt=t₁-t₂, которая формируется блоком управления и обработки сигналов БУОС. Приемный ультразвуковой импульс в звукопроводе возбуждается зондирующим импульсом, прошедшим через трубопровод с канализируемой средой, при этом на противоположных пьезоэлементах формируются электрические сигналы U₁ и U₂, которые поступают в блок формирования и приема сигналов с взаимной задержкой, которая вычисляется в блоке управления и обработки сигналов. Время распространения зондирующего сигнала определяется интервалом времени между излученным (зондирующим) и принятым импульсами, а линейное расстояние, пройденное потоком в трубопроводе за это время, временным смещением в звукопроводе преобразователя между излученным и принятым ультразвуковыми сигналами. Из этих параметров вычисляется средняя скорость потока в трубопроводе, а по знаку задержки Δt - направление движения среды потока.

Работа ультразвукового импульсного преобразователя заключается в следующем. Электрический импульс U₁ подается на левый пьезоэлемент в момент времени t₁ и генерирует в преобразователе ультразвуковой импульс. Аналогично, такой же электрический импульс U₂ подается на правый пьезоэлемент в момент времени t₂ и генерирует в преобразователе ультразвуковой импульс. Два однотипных ультразвуковых импульса в полости преобразователя, заполненной звукопроводящей средой, движутся навстречу друг другу. Если импульсы U₁ и U₂ подаются на пьезоэлементы одновременно (t₁=t₂), то ультразвуковые импульсы входят в преобразователь одновременно и встретятся в середине преобразователя по линии ОО и соответственно создадут объемно-локализованное давление в звукопроводящей среде преобразователя, породив ударный ультразвуковой импульс с удвоенной амплитудой [… Ультразвук, … с.48, рис.10]. Этот ударный импульс поступает через стенку трубопровода в его объем.

В случае, если в трубопроводе среда неподвижна (V=0), то ударный ультразвуковой импульс будет двигаться одновременно со всей периферии преобразователя к центру осевой линии трубопровода (как бы фокусируясь на ней). Затем фронт волнового ультразвукового импульса будет продолжать свое движение по радиальным направлениям к периферии трубопровода, где и зарегистрируется в преобразователе в форме электрического сигнала. Будем считать, что время прохождения ультразвукового импульса через диаметр трубопровода со средой составляет t₀. Отразившись от поверхности стенки трубопровода, ультразвуковой импульс будет возвращаться по радиальным направлениям к исходным точкам излучения в преобразователе. Импульс придет к ним с уменьшенной амплитудой через время 2t₀ от момента их первичного излучения. Время 2t₀ является, фактически, реперным временем для определения абсолютной скорости звуковой волны в среде, находящейся в трубопроводе.

В случае же, если электрические импульсы U₁ и U₂ поступают на пьезоэлементы преобразователя с взаимной задержкой (t₁≠t₂), например t₂>t₁, то встреча ультразвуковых импульсов в звуководе преобразователя произойдет левее линии ОО, как показано на фиг.1. Эти электрические импульсы создадут объемно-ударный импульс, который войдет в среду трубопровода под углом α относительно линии 00, показанной на фиг.1. Если среда в трубопроводе покоится (V=0), то ультразвуковые импульсные лучи будут распространяться в форме пучка лучей, образующих поверхность конуса. Лучи сходятся в точке F, образуя фокус на осевой линии трубопровода левее линии ОО.

Проходя фокусную точку F, ультразвуковые лучи распространяются дальше по поверхности конуса до сечения трубопровода а-b. В данном поперечном сечении образуется основание конуса с диаметром, равным диаметру трубопровода ⌀. Эти ультразвуковые лучи не попадают в зону действия преобразователя и не регистрируются в нем. Лучи, отражаясь от стенки трубы, идут в сторону удаления от преобразователя, как видно из фиг.1. Подчеркнем здесь, что в неподвижной среде (V=0) конусы abF и Fdc являются равными как по величине поверхности, так и по объему. Эти геометрические соотношения служат реперными величинами для калибровки скорости среды.

Для текущей среды в трубопроводе (WO) ультразвуковые лучи а-b, входящие в трубу под разными углами, будут сноситься в сторону потока среды в трубопроводе. При этом исходно-входящие «точки» d и с при заданном угле α «остаются» на стенке трубы без движения. В свою очередь, точки а и b будут при этом симметрично смещаться в сторону текущей среды, проходя последовательно отметки (a, b); (a', b'); (c, d); (e, f); (ОО) и далее по течению среды в трубе.

В зоне действия преобразователя отраженные от стенки трубопровода импульсные ультразвуковые лучи будут регистрироваться «левыми» и «правыми» пьезоэлементами преобразователя в форме электрических импульсов. Зная величину взаимной задержки между возбуждающими импульсами Δt=t₁-t₂ и приемными импульсами Δt=t₁-t_2, углы выхода и входа для каждого ультразвукового импульса и время их движения туда-обратно, а также зная характерную скорость ультразвука в среде трубопровода, находится искомая скорость самой среды, усредненная по сечению трубопровода. Подчеркнем, что ультразвуковые лучи в виде сплошного веера «перекрывают» весь диаметр трубы. Этот фактор позволяет эффективно получить высокую точность скорости потока в трубопроводе.

Для тех же целей - повышение точности измерения скорости потока среды в трубопроводе - в электронном блоке управления и обработки сигналов оптимизируется время взаимной задержки между возбуждающими импульсами U₁ и U₂, длительность ультразвуковых импульсов и их частота. В частности, характерная частота ультразвуковых импульсов составляет несколько килогерц, а их длительность - в пределах 10^-7-10^-6 сек.

Для проверки работоспособности предлагаемого устройства ультразвукового расходомера для жидких и газовых сред было проведено моделирование по определению средней скорости потока жидкости (воды) и газа (атмосферного воздуха) в трубе. Численный эксперимент подтвердил основные физико-технические положения работы данного устройства. Вместе с тем в стендовом опыте проверен также принцип сложения двух ультразвуковых импульсов для образования суммарного импульса с заданной амплитудой (вплоть до удвоенного значения).

Данный вариант осуществления изобретения не исключает иных вариантов устройства ультразвукового расходомера в пределах формулы изобретения.

Таким образом, изобретение в техническом и функциональном отношении значительно упростилось по сравнению с прототипом. Изобретение приобрело также большую надежность в работе, простоту эксплуатации и расширенный динамический диапазон точного измерения расхода протекающих сред в трубопроводах.

Изобретение относится к измерительной технике по ультразвуковым расходомерам, а именно к способам и устройствам измерения расхода объема и массы жидких и газовых сред в напорных трубопроводах круглого сечения. Устройство содержит ультразвуковой реохорд для трансформации электрических импульсов в ультразвуковые импульсы, а также для приема ответных ультразвуковых сигналов и трансформации их в электрические сигналы. Реохорд выполнен в форме двустенного «обода» с геометрией, аналогичной «велосипедному колесу». «Обод» закрепляется на поверхности трубопровода по типу кольца. Реохорд состоит из системы пьезоэлектрических пластин, размещенных по всему периметру трубы в виде пояса. Вся система пьезоэлементов одновременно посылает ультразвуковые импульсы в трубу и получает ответные ультразвуковые сигналы, которые трансформируются в реохорде в электрические сигналы. Обработка этих сигналов в электронном блоке дает информацию о точности и скорости течения среды в трубопроводе. Технический результат - повышение точности измерений скорости потока жидких и газообразных сред в напорных трубопроводах, упрощение конструкции и расширение функциональных возможностей. 2 ил.

Расходомер жидких и газовых сред в напорных трубопроводах, содержащий ультразвуковые излучающий преобразователь и приемный преобразователь, а также электронный блок формирования и приема сигналов и блок управления и обработки сигналов, отличающийся тем, что излучающий и приемный преобразователи выполнены в виде единого функционального устройства, работающего по принципу «реохорда», в котором имеются пьезоэлектрические преобразователи ультразвуковых и электрических импульсов, причем устройство конструктивно имеет форму двустенного «обода» с геометрией, аналогичной «велосипедному колесу», плоскость которого заполнена звукопроводящей средой, на краях которого по всему периметру преобразователя симметрично закреплены пьезоэлектрические элементы в виде двух параллельных поясов, при этом преобразователь в рабочем состоянии закреплен на трубопроводе, и к его пьезоэлектрическим элементам подключен электронный блок формирования и приема сигналов, к которому подключен блок управления и обработки сигналов.