Устройство для измерения расхода в трубопроводах Советский патент 1986 года по МПК G01F1/66 

к акустическим rojiciBKaM 4 и5 преоб™ раэователь t, частотный измеритель 6, определяющий скорость распространения, ультразвука по потоку среды, и частотный измеритель 7, определяющий скорость против потока средаи Аналогичные действия производит ком- мутатор 10, подключающий к акустическим головкам 20 и 21 частотные

1272

измерители 12 и 13, Синхронизатор 14 посредством управления кОммутаторакн 3 и 10 обеспечивает разнесение по времени ультразвуковых сигналов, распространяющихся в зонах акустических преобразователей 1 и 9, что защищает иэмерители 6, 7, 1.2 и 13 от воздействия реве 6ерациояных помех. 1 ил.

Изобретение относится к ультразвуковой измерительной технике и может быть использовано в гидрометаллургической, химической, нефтяной и др. промьшшенности. Цель изобретения - уменьшение погрешности измерений. Распределение ультразвуковых импульсных сигналов, распространяющихся в зоне акустических преобразователей 1 и 9 по потоку среды и против, достигается коммутаторами 3 и 10, управляемыми синхронизатором 14. Коммутатор 3 поочередно под спючает to 00

Изобретение относится к ультразвуковой измерительной технике и может быть использовано в гидрО|Металлургической, химич-еской-, нефтяной и других отраслях промышленности для точного определения расхода жидких сред. Цель изобретения - уменьшение погрешности измерений расхода. На чертеже представлена блок-схема устройства. Работа устройства основана на следующем, В общем случае время распрософанешя ультразвукового сигнала по потоку контролируемой среды в плоскости измерительного сечения на расстоянии Y- от центра можно представить как i sincL с + V()cosc(, где V(X. ) - распределение скоростей в поперечном сечении трубопровода по координате X на расстоянии Y. , ot - угол наклона измерительной плоскости к оси оси Трубопровода, С - скорость ультразвука в среде. Разлозйнв подынтегральное вьфажение О) в ряд Тейлора по () с точностью до 3-го члена, получаем: 1Г V V t. -;г---;- (1 -- cosd.+ C-sinot + 7Т ) dX . GZX.sind - X. .(2) Соо уль ка про тел сре по На раз ная изм го зан ном тветственно spetta распространения тразвукового сигнала против потосредыt: Л- f 2L.,. COB.L г sinoi j С С2 J . fVdx.(3) -хдля ., кратных времени расстранения ультразвука в измериьном канале ХJС sincA г cosct г „ ;-1х- . jVdxf. -i, -1i - 1 г Введя обозначения V. . VdX ZA. J -2 -Xi 1 дняя скорость по лучу, V- 1Г- . - средний квадрат скорости лучу, разложение в ряд имеет вид: .i С s i-n d fl .U V cosoc 2Х, 1C , V Vj cosc , 1 - cosV -5Г )Ч основании последнего выражения ность частот л, пропорциональинтегральной скорости потока в еряемом канале, , 2|: 2V cos of. sinoi У- . cosf -sinci sin2o(. V(X,Y- )dX.. 4X2. Показания устройства, измеряющерасход с акустическим каналом, имакнцим i положение в измерител сеченииА а v(.)dX, где а. К ftf конструктивный 1 параметрi К. - константа, характеризующая конструктивные особенности прибора I Для измерительного устройства с акустическим каналом, расположенным , в диаметральной плоскости, R А, - а Jv(X,0) dX 2RV, . (5 Объемный расход R Q j V(X,Y)dXdY , (6 где V средняя no сечению скорость Взаимосвязь между значениями скорости, измеряемым ультразвуковым рас ходометром V и средней по сечению скоростью потока V, выражается через коэффициент В Эпюра скоростей для развитого . осесимметричного потока в трубопро воде описывается выражением V(r) V (1 - ) где V - местное значение скорости потока среды, измеренное по оси трубопровода; п - коэффициент, зависящий от числа Рейнольдса Re, В случае распределения скоростей согласно выражению (8) для измерени расхода с учетом изменения профиля скоростей потока достаточно двухканального устройства. Подставляя выражение (8) в (6), получаем Q ™ ш-т-ту т1Г) (9 а подставляя выражение (8) в (5) пр Y О и Y. 7 О, получаем соответственноА а 2R-V п + 1 fiMT . I А,, 2а 12 84 Задача точного определения расхода Q по вьфажению (9) сводится к нахождению неизвестных величин V и п, которые могут быть определены по показаниям двух счетчиков А и А описываемым уравнениями (10) и (11). Прямое решение этих уравнения требует применения сложного вычислительного устройства. Поэтому более простой алгоритм обработки сигналов получается подстановкой уравнения (10) в (9) и деления (10) на уравне 1ие (11), тогда: TTR 2п 2п + 1 1 п + 1 А. 4 А R п -/HlJo dx. Полученная система двух уравнений с двумя неизвестными Q и h позволяет определить искомые величины. Зная Aj из уравнения (13), находится п, подставляется в уравнение (12), находится истинное значение расхода Q. Следовательно, расход среды можно представить на основании уравнения (12) в виде: ,-i где К - коэффициент преобразования расходомера, зависящий от величины базы и положения акустического канала. - поправочный коэффициент, учитывающий изменение профиля потока среды. Значение п и, следовательно, величина поправочного коэффициента В определяются из уравнения (13) по отношению частот измерительных каналов Aj . Техническая реализация точного определения поправочного коэффициента Б из уравнения (13) представляет существенную трудность и связана с необходимостью применения сложного вычислительного устройства. Математическое моделирование зависимости поправочного коэффициента В от т на основании уравнения (12) и (13) для всевозможных значений п, эквивалентных реальным значею«ям чисел Рейнольдса турбулентных пото- , что зависимость В ков, показывает от -г является близкой к линейной А, для всех возможньпс значений чисел Рейнольдса, Основываясь на характере зависимости, поправочный коэффициент В выражается через отношение частот измерительных каналов в виде уравнения для прямой линии ,е« вгде B(j - смещение, tgB тангенс угла наклона прямой Уравнение (14) приобретает вид: А -tgB где К, - нормированный козффихц ент преобразования расходомера; b - постоянный коэффициент, Ультразвуковой расходомер содержит акустический преобразователь 1 расхода,;расположенный в диаметральной плоскости трубопровода 2, комму татор 3j подсоединенньй двумя входа ми к акустическим головкам 4 и 5 преобразователя 1, а выходами - к первог у 6 и второму 7 частотным изм рителям скорости ультразвука, выход которых подключены к входам первого формирователя 8 разности частот. Кроме того, в расходомер введены второй аку тический преобразователь 9 расхода, второй коммутатор 10, второй формирователь 11 разности частот, третий 12 и четвертый 13 частотные измерители скорости ультразвука, синхрони затор 14, а также последовательно соединенные делитель-формирователь 15 временных интервалов, схема И 16 счетчик 17 с предустановкой, регист 18 памяти и делитель 19 частоты с управляемым коэффициентом делеишя, причем второй акустический преобраз ватель 9 расхода расположен в плоскости, параллельной диаметральной,и подключен акустическими головками 2 и 21 к второму коммутатору 10, выхо дами связанному через третий и четвертый частотные измерители 12 и 13 скорости ультразвука с входами второ1 го формирователя И разности частот. Один выход первого формирователя 8 разности частот подключен к входу делителя-формирователя 15 временных интервалов, второй - к счетному входу делителя 19 частоты с управляемым коэффициентом деления, а выход второго формирователя 11 разности частот подключен к второму входу схемы И 16, при этом второй и третий выхоы делителя-формирователя 15 временных интервалов подсоединены к счетчику 17 с предустановкой и к регистру 18 памяти, выходы синхронизатора 14 связаны с управляющими входами комм таторов 3 и 10, а выход делителя 49 частоты с управляемым коэффициентом деления подключен к частотомеру 22, Ультразвуковой расходомер работает следующим образом. Распред,еление ультразвуковых импульсных сигналов, распространяющихся в зоне акустических преобразователей 1 и 9 по потоку среды и против него, достигается коммутаторами 3 и 10, управляемыми синхронизатором 14« Основньи назначением KOMivdyTaTopa 3 является поочередное подключение к акустическим головкам 4 и 5 преобразователя -1 частотного измерителя 6, определяющего скорость распространения ультразвука по потоку среды, и частотного измерителя 7, определяющего скорость распространения ультразвука против потока среды. Такие же действия производит и коммутатор 10, который поочередно подключает к акустическим головкам 20 и 21 преобразователя 9 частотный измеритель 12, определяющий скорость распространения ультразвука по потоку среды, и частотный измеритель 13, определяющий скорость распространения ультразвука против потока среды. Синхронизатор 14 посредством управления коммутаторами 3 и 10 обеспе швает разнесение по времени всех ультразвуковых сигналов, распространяющихся в зонах акустических преобразователей t и 9 как по потоку среды, так и против него. Это необходимо для защиты измерителей 6, 7, 12 и 13 от воздействия реверберацконнык помех, что обеспечивает бапьшое отношение сигнал/помеха и дает возможность получить высокую точность изм рений. Формировйтель 8 разности частот находит разностную частоту двух сиг налов один из которых поступает с частотного измерителя 6 скорости ультразвука по потоку среды, а второй - с частотного измерителя 7 ско рости ультразвука против потока сре ды. Поэтому формирователь 8 разност 4gLCTOT фактически определяет раз, ность скорости ультразвука по пото-ку среды и против него в диаметраль ном сечении трубопровода и вырабаты вает в частотном виде в соответствии с уравнением (10) по{газання А,, пропорциональные интегральной скорости потока по пути распространения ультразвукового луча от акустической головки 4 к акустической головке 5 и наоборот. Формирователь t1 разности частот аналогично находит раэнрстнул) частот двух сигналов, один из которьк посту пает с частотного измерителя 12 скорости ультразвука по потоку среды, а второй - с частотного излеритепя 13 скорости ультразвука против потока среды. Поэтому формирователь 11 фактически определяет разность скорости ультразвука по потоку среды и против него в периферийном сечении трубопровода на расстоянии, соответствуйщем установке пьезопреобразователей от оси трубопровода, и вьфабатьюает в частотном виде в соответствии с уравнением (t1) показания Aj, пропорциональные интегральной скорости потока по пути распространения ультразвукового луча от акустической головки 20 к акустической головке 21 и наоборот, В качестве формирователей 8 и 11 разностных час тот могут быть применены как аналогичные дискриминаторы частот, так и импульсные формирующие каскады, пред ставляюпр1е собой D-триггеры. Значение частоты А подается с формирователя 8 разности частот на делитель-формирователь 15 временных интервалов, а значение частоты А на схему И 16, Делитель-формировател 15 формирует временной интервал Т, длительность которого равна Т п-т-, где п - целое число периодов выбранное из условия обеспечения необходимой точности, а схема И 16 является схемой совпадения, которая пропускает на выход частоту Ар в течение времени Т. В результате на выходе схемы И 16 формируется количество импульсов, пропорциональное в соответствии с уравнением (13) отношеАнию А . Далее счетчик 17 с 1 предустановкой подсчитывает значение Ъ - Aj путем вычитания из предустановочной величины Ь, предварительно занесенной в счетчик 17 по входам параллельной записи, изверяемой величинь А j, подающейся в виде импульсов на его счетный вход. Следовательно, делитель-формирователь 15 временных интервалов, схема И 16 и счетчик 17 с предустановкой определяют фактически величину b - А„ входящую в формулу (16). Полученный результат b - А, фиксируется по каждому такту измерений в регистре 18 памяти, выходы которого подключены к управляющим входам делителя 19 с управляемым коэффициентом деления. Поступающая с выхода формирователя 8 разности частот на счетный вход делителя 19 информационная частота А диаметрального измерительного канала делится на величину Ъ - А 2, в соответствии с формулой (16), В результате образуется новое значение частоты, связан-, ное с точньи значением расхода Q через коэффициент пропорциональности К, . Величина, этой частоты регистрируется частотомером 22 в соответствующих единицах расхода среды. Для обеспечения соответствующих метрологических характеристик точные -значения коэффициентов Ь и К, определяются и уточняются для каждой пары акустических преобразователей 1 и 9 с учетом индивидуальной геометрии. Это производится путем калибровки и тарировки расходомера по двум измеренным значениям расхода при различных числах Рейнольдса потока среды. Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет максимально минимизировать число измерительных каналов, значительно упростить структурную схему прибора и значительно повысить точность измеений, что достигается простотой определения линейной поправки на проиль потока среды. 912 Формула изобретения Устройство для измерения расхода в трубопроводах, содержащее первый акустический преобразователь расхода с дв}гмя акустическими головками, расположенный в диаметральной плоскости трубопровода, первый ко1 мутатор, подсоединенный двумя входами к акустическим головкам первого преобразователя, а выходами - к первому и второму частотным измерителям скорости ультразвука, выходы которых подключены к входам первого формирователя pasHoctM частот, и частотомер, отличающееся тем, что, с целью уменьшения погрешности измерений, в него введены второй акустический преобразователь расхода с двумя акустическими головками, второй коммутатор, второй.формирователь разности частот, третий и четвертый частотные измерители скорости ультразвука, синхронизатор, а также последовательно соединенные делитель-формирователь временных интервалов, схема И, счетчик с предустановкой, регистр памяти, делитель частоты с управляемь1м коэффициенто г деления, причем второй акустический преобразователь расхода расположен в плоскости, параллельной диаметральной, и подключен акустическими головками к второму коммутатору, выходами связанному через третий и четвертьй частотные измерители скорости ультразвука с входами второго формирователя разности частот, один выход первого формирователя разности частот подключен к входу делителяформирователя временных интервалов, другой выход - к счетному входу делителя частоты с управляемым коэффициентом деления, а выход второго формирователя разности частот подклнзчен к второму входу схемы И, при этом второй и третий выходы делителя-формирователя временных интервалов подсоединенык счетчику с предустановкой и к регистру памяти, выхоы синхронизатора связаны с управлякяции входами коммутаторов, а выход делителя астоты с управляемым коэффициентом деения подключен к частотомеру.