Ультразвуковой доплеровский расходомер двухфазной среды Российский патент 2024 года по МПК G01F1/66 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения расхода воды в системах теплоснабжения, технологических установках химической промышленности, дебита нефтяных скважин, в системах учета буровых растворов и стоков, а также для измерения расхода любых других жидкостей с газообразными включениями в виде пузырей или снарядов или без включений имеющих неоднородную структуру.

Известно устройство для измерения расхода жидкости в трубопроводе: ультразвуковой доплеровский расходомер многокомпонентной жидкости, описанный в патенте РФ №2126143 G01F 1/74.1/66, приор.02.03.98[1].

Его особенностью является размещение чувствительного элемента устройства внутри трубы с контролируемой жидкостью, что обусловлено низкой акустической прозрачностью многокомпонентной среды. В нем используется проточная измерительная камера, погруженная в поток и пропускающая через себя часть потока. На противоположных стенках камеры, находящихся на относительно небольшом расстоянии друг от друга, напротив друг друга размещены излучатель и приемник ультразвуковых колебаний, соединенные с блоком измерения и вычисления физических параметров, прошедшего через среду ультразвука. Пространство между излучателем и приемником образует т.н. контролируемый объем. При этом скорость движения среды определяется методом взаимной корреляции флюктуации амплитуды принимаемых ультразвуковых сигналов. Для этого в систему измерений дополнительно введена еще одна пара излучатель-приемник, расположенная на стенках камеры по ходу движения потока. Однако известное устройство имеет существенные недостатки.

Во-первых, определение скорости движения среды методом взаимной корреляции затруднено при нестационарном движении потока, особенно при попадании в измерительную камеру пузырьков газа, поскольку при этом не удается корректно определять максимум корреляционной функции. Во-вторых, предлагаемая в устройстве конструкция измерительной камеры имеет не обтекаемую форму и создает существенное гидродинамическое возмущение и торможение потока. Возникающие паразитные завихрения приводят к его нестационарной турбулизации, что затрудняет проведение измерений.

Поэтому это устройство неэффективно при использовании его на практике.

Наиболее близким по технической сущности и по реализации к предлагаемому изобретению и принятый нами за прототип является ультразвуковой доплеровский расходомер многокомпонентной жидкости, описанный в патенте РФ №2689250 G01F 1/74, 1/66, приор. 09.02.2018.

Этот расходомер также содержит проточную измерительную камеру, размещенную внутри трубопровода с потоком жидкости и пропускающую через себя часть потока. На противоположных стенках камеры напротив друг друга размещены излучатель и приемник ультразвука, соединенные с блоком измерения и вычисления физических параметров. В нем измерительная камера состоит из двух трубчатых герметизированных стержневых элементов, закрепленных на общей подвеске, расположенных параллельно друг другу на расстоянии от 3 до 15 мм и совместно образующих обтекаемую конфигурацию с возможностью протекания части потока между стержневыми элементами. При этом излучатель и приемник ультразвука размещены внутри первого и второго стержневых элементов друг против друга под углом отличным от нуля. Блок обработки содержит опорный генератор сигнала постоянной частоты, подключенный к излучателю ультразвука, усилитель принятого сигнала, соединенный с приемником ультразвука. При этом выход усилителя подключен к первому входу фазового смесителя сигналов, второй вход которого соединен с опорным генератором, выход смесителя через фильтр низких частот соединен с аналого-цифровым преобразователем, подключенным к блоку вычисления доплеровского сдвига частоты, например, на основе микропроцессора.

Однако известное устройство, принятое нами за прототип, также имеет существенные недостатки. Во-первых, при появлении в потоке газовых включений среда становится акустически не прозрачной, и прибор перестает функционировать. Во-вторых, среде с посторонними включениями поверхность стержневых элементов может покрываться несмываемым осадком, вследствие чего зазор между излучателем и приемником уменьшается и может исчезнуть полностью, что приводит к возникновению существенной погрешности измерений или даже выходу прибора из строя. В-третьих, при наличии пузырей в потоке происходит сепарация среды и затормаживание жидкой фазы двухфазного потока на поверхности трубчатых элементов, что приводит к смещению частотного доплеровского сдвига в сторону низких частот и возникновению погрешности измерения расхода.

Задачей предлагаемого изобретения является создание устройства, позволяющего эффективно и достоверно осуществлять измерение расхода двухфазной газожидкостной среды.

Поставленная задача решается благодаря устройству, содержащему измерительный зонд, состоящий из трубчатого герметизированного стержневого элемента с установленным в нем пьезопреобразователем. Зонд, обтекаемый потоком жидкости, закреплен на подвеске, размещен внутри трубопровода и соединен с блоком измерения и вычисления физических параметров,

На внешней поверхности пьезопреобразователя, ориентированного навстречу потоку прикреплен волноводный элемент в виде призмы с наклонной поверхностью, образующей обтекаемую конфигурацию при этом блок обработки содержит генератор сигнала постоянной частоты, подключенный через резистор к преобразователю ультразвука и к первому входу фазового смесителя сигналов, второй вход фазового смесителя сигналов соединен с преобразователем ультразвука, при этом выход смесителя через фильтр и усилитель низких частот соединен с аналого-цифровым преобразователем, подключенным к блоку вычисления доплеровского сдвига частоты, например, на основе микропроцессора.

Одним из отличительных признаков изобретения, определяющим иной, по сравнению с прототипом, подход к измерению расхода, является применение одностержневого зонда обтекаемой формы, не создающего торможения потока в лобовой его части и практически полностью устраняющим недостатки, присущие прототипу. Такой результат достигается за счет применения в конструкции зонда призматического волноводного элемента ориентированного острой гранью навстречу потоку и блока обработки сигнала, работающим с единственным пьезопреобразователем в режиме излучение-прием.

В предполагаемом изобретении регистрируется сигнал, отражающийся от двигающихся в потоке жидкости неоднородностей: пузырьков газа, флоккул эмульсии, механических примесей и т.п. Используется опорный генератор непрерывного действия, частота которого выбирается близкой к резонансной частоте излучателя-приемника ультразвука. Принятый сигнал поступает на второй вход фазового смесителя. На первый вход смесителя подается сигнал опорного генератора. Отфильтрованный сигнал низкой доплеровской частоты, представляющий собой разность между излученным и принятыми сигналами, после усиления поступает на вход аналого-цифрового преобразователя и затем в блок вычисления на основе микропроцессора.

Поскольку в потоке жидкости практически всегда имеются рассеиватели той или иной природы (взвешенные частицы, турбулентные вихри, пузырьки газа), сигнал, излученный навстречу потоку, отражается от рассеивателей и возвращается к пьезопреобразователю, сигнал на выходе смесителя присутствует практически всегда.

Разработчики исследовали эффективность работы устройства в потоке двухфазной среды, состоящей из воды в смеси с воздухом. Было обнаружено, что предлагаемое техническое решение обеспечивает получение качественного принимаемого сигнала на всех исследованных режимах и позволяет устойчиво определять расход смеси не зависимо от количества и величины пузырей в потоке.

В патентной и научно-технической литературе не обнаружены сведения о заявляемом объекте изобретения с аналогичной совокупностью существенных признаков.

Для иллюстрации практической реализации предлагаемого ультразвукового доплеровского расходомера двухфазной среды представлен чертеж (Фиг. 1).

Внутри трубопровода 1 в потоке двухфазной среды 2 размещен измерительный зонд 3, включающий трубчатый стержневой элемент 4 и пьезопреобразователь 5. Измерительный зонд 3 закреплен на подвеске 6. На внешней поверхности пьезопреобразователя 5 закреплен волноводный элемент 7 в виде треугольной призмы. Пьезопреобразователь 5 подключен к генератору сигнала постоянной частоты 8 через резистор 9. К двум выводам резистора 9 подключены оба входа фазового смесителя 10. Выход смесителя 10 через фильтр 11 и усилитель 12 низких частот соединен с аналого-цифровым преобразователем (АЦП) 13, который подключен к блоку вычисления доплеровского сдвига частоты 14.

Работает устройство следующим образом. Под воздействием сигнала опорного генератора постоянной частоты f₀ 8 пьезопреобразователь 5 формирует плоскую акустическую волну в волноводном элементе 7. Волна, падая на скошенную поверхность волноводного элемента, претерпевает преломление и под углом β к оси трубопровода 1 излучается в поток среды 2.

На Фиг. 2 приведен пример, когда волноводный элемент, изготовленный из оргстекла в виде призмы, направляет ультразвуковой луч под углом к оси потока воды. В данном случае при выборе угла призмы 40° в соответствие с законом Снеллиуса угол направления луча β составит 25°. Акустическая энергия отражается от рассеивателей и ее часть возвращается обратно через волноводный элемент 7 к пьезопреобразователю 5. Частота принятого сигнала f₁ отличается от опорной на величину доплеровского смещения из-за движения среды относительно излучателя-приемника. Этот сигнал поступает на смеситель 10. Смеситель вырабатывает сигнал разностной частоты Δf=(f₁-f₀), который после фильтрации от высокочастотных компонент фильтром 11 и усиления в усилителе низких частот 12 поступает на вход АЦП 13. Сигналы с выхода АЦП обрабатываются в вычислительном блоке 14 по программе «зашитой» в микропроцессоре. Например, согласно следующему алгоритму. Задается пороговый уровень, разделяющий принятые сигналы на сигналы высокого уровня и сигналы, уровень которых близок к нулю, т.е. шумовые. В те интервалы времени, когда сигнал оказывается выше порогового уровня, принятый сигнал обрабатывается и находится разностная частота Δf. Эта величина пропорциональна скорости движения жидкой фазы. Скорость движения жидкости определяется согласно соотношению:

w=2 (Δf/f₀) с cosβ,

где с - скорость звука в контролируемой жидкости;

Затем определяется доля времени, в течение которого амплитуда принятого сигнала ниже порогового уровня. Фактически эта величина равна доле времени, в течение которого в контролируемом объеме находилась газовая «пробка», т.е. объемному газосодержанию:

ϕ=Т/Т₀,

где Т и Т₀ - время, в течение которого амплитуда принятого ультразвукового сигнала ниже порогового уровня, и время измерения, соответственно.

Объемный расход жидкости находится по формуле:

Qж=(1-ϕ) w S k₁,

где k₁ - корректирующий коэффициент, учитывающий профиль скорости среды в трубопроводе, влияние зонда на поток и другие эффекты, определяется при калибровке прибора.

Существенным отличием предлагаемого технического решения от известных, заключается в том, что исключается торможение потока на поверхности излучателя-приемника за счет установки призматического элемента уголкового типа ориентированного острым углом навстречу потоку. В известных конструкциях ориентация излучающей поверхности излучателя-приемника навстречу потоку обусловлена необходимостью передачи акустической энергии в среду. Но в двухфазном потоке происходящее торможение на поверхности плохо обтекаемой излучающей поверхности приводит к сепарации жидкой фазы на последней, волнообразованию и появлению низкочастотных флюктуаций доплеровского спектра. В результате спектр смещается в низкочастотную область и прибор вырабатывает неправильный, заниженный по скорости сигнал.

В предложенной конструкции за счет обтекаемой формы призматического волноводного элемента торможение и сепарация потока на поверхности ориентированной навстречу потоку практически отсутствует. При этом обеспечивается эффективная передача энергии в среду, практически навстречу потоку (в приведенном выше примере (см. фиг. 2) cos25°=0,906.

Автором был изготовлены и испытаны опытные образцы расходомера, в котором реализовано предлагаемое техническое решение.

В нем измерительный зонд состоит из стальной трубы диаметром 5 мм изготовленный из стали 0Х18Н10Т. Внутри на подложке из фольгированного стеклотекстолита закреплен пьезоэлемент диаметром 4 мм из керамики ЦТС-19. Пьезоэлемент выполнен выступающим наружу, защищен фольгой из нержавеющей стали и к его внешней обкладке приклеен волноводный элемент в виде треугольной призмы. Внутренний объем трубы заполнен эпоксидной смолой. Острая вершина призмы ориентирована навстречу потоку. Рабочая частота - 2 МГц. Зонд установлен в горизонтальной трубе с внутренним диаметром 50 мм.

Блок обработки и измерения сигналов смонтирован во взрывозащищенном корпусе. В нем используется современные микроэлектронные компоненты и микропроцессор фирмы Atmel.

Испытания приборов были проведены на стенде с водяной средой с возможностью впрыска воздуха. Показана устойчивая и надежная работа расходомера в диапазоне расходов 2-10 м³/час. Таким образом, подтверждена правильность выбранных нами технических решений, представленных в данной заявке.

На рисунке фиг. 3а), б) приведены доплеровские спектры на выходе усилителя низкой частоты при различных расходах воды и при подаче воздуха, т.е. в двухфазном потоке. (Для сравнения на фиг. 3 (фиг. 3в) приведены спектры, полученные с использованием датчика с плоской лобовой поверхностью, т.е. без волноводного призматического элемента). Видим значительное смещение спектра в низкочастотную область, существенно увеличивающееся с ростом расхода воздуха. Это смещения спектра обусловлено торможением потока на поверхности датчика и блокировкой проникновения ультразвука через двухфазную газо-жидкостную среду).

Источники информации:

1. Патент РФ №2126143 G01F 1/74, от 2.03.1998.

2. Патент РФ №2689250 G01F 1/74, от 9.02.2018.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения расхода воды в системах теплоснабжения, технологических установках химической промышленности, дебита нефтяных скважин, в системах учета буровых растворов и стоков, а также для измерения расхода любых других жидкостей с газообразными включениями в виде пузырей или снарядов или без включений имеющих неоднородную структуру. Устройство содержит измерительный зонд, состоящий из трубчатого герметизированного стержневого элемента с установленным в нем пьезопреобразователем, закрепленным на подвеске и размещенным внутри трубопровода обтекаемый потоком жидкости. Преобразователь соединен с блоком измерения и вычисления физических параметров. На внешней поверхности пьезопреобразователя, ориентированного навстречу потоку прикреплен волноводный элемент в виде призмы с наклонной поверхностью, образующий обтекаемую конфигурацию. Блок обработки содержит генератор сигнала постоянной частоты, подключенный через резистор к преобразователю ультразвука и к первому входу фазового смесителя сигналов, второй вход фазового смесителя сигналов соединен с преобразователем ультразвука, выход смесителя через фильтр и усилитель низких частот соединен с аналого-цифровым преобразователем, подключенным к блоку вычисления доплеровского сдвига частоты, например, на основе микропроцессора. Технический результат – обеспечение возможности более эффективно и с меньшими погрешностями определять расход двухфазной газо-жидкостной среды. 3 ил.

Ультразвуковой доплеровский расходомер двухфазной среды, содержащий измерительный зонд, состоящий из трубчатого герметизированного стержневого элемента с установленным в нем пьезопреобразователем, закрепленным на подвеске и размещенным внутри трубопровода обтекаемый потоком жидкости, соединенный с блоком измерения и вычисления физических параметров, отличающийся тем, что на внешней поверхности пьезопреобразователя, ориентированного навстречу потоку прикреплен волноводный элемент в виде призмы с наклонной поверхностью, образующий обтекаемую конфигурацию, при этом блок обработки содержит генератор сигнала постоянной частоты, подключенный через резистор к преобразователю ультразвука и к первому входу фазового смесителя сигналов, второй вход фазового смесителя сигналов соединен с преобразователем ультразвука, при этом выход смесителя через фильтр и усилитель низких частот соединен с аналого-цифровым преобразователем, подключенным к блоку вычисления доплеровского сдвига частоты, например, на основе микропроцессора.