Ультразвуковой способ измерения расхода Советский патент 1992 года по МПК G01F1/66 

Изобретение относится к акустическим измерениям и м,ожет быть использовано для измерения расхода, скорости потока, скорости ультразвука, температуры и других параметров движущихся сред в трубопроводах при контроле за ходом технологических процессов.

. Известен способ измерения расхода, основанный на двухканальном наклонном под разными углами по отношению к потоку излучения в направлении потока ультразвуковых колебаний в контролируемую среду, приеме колебаний, определении величины расхода по параметрам принятых сигналов. Недостатком известного способа является ограниченная точность измерений, обусловленная изменением угла ввода ультразвукового луча в поток контролируемой среды при колебаниях температуры, давления и солевого состава (концентрации примесей).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является ультразвуковой способ измерения расхода, заключающийся в наклонном и перпендикулярном по отношению к потоку излучения ультразвуковых колебаний в контролируемую среду, приеме колебаний, определении величины расхода по параметрам принятых сигналов.

Недостатком этого способа является ограниченная точность измерения из-за колебаний скорости ультразвука в контролируемой среде, обусловленного колебаниями температуры, давления и солевого состава. Колебания скорости ультразвука в контролируемой средр и стенках трубопровода приводят к изменениям угла преломле2

Ю V

ния ультразвукового луча на границе стенка трубопровода - контролируемая среда и контролируемая среда - стенка трубопровода. При этом угол ввода ультразвукового луча о поток может изменяться на несколько градусов и вносить существенную погрешность измерений.

Цель изобретения - уменьшение погрешности измерения за счет определения действительного значения угла ввода колебаний в поток.

Поставленная цель достигается тем, что согласно ультразвуковому способу измерения расхода, заключающемуся в наклонном и перпендикулярном по отношению к потоку излучении ультразвуковых колебаний в контролируемую среду, приеме колебаний, определении величины расхода по параметрам принятых сигналов, осуществляют прием колебаний, отраженных от границы стенка трубопровода - контролируемая среда, принимают отраженные эхо-импульсы от границ перехода стенка трубопровода - контролируемая среда и контролируемая среда - стенка трубопровода при перпендикулярном излучении и определяют откорректированное значение угла ввода колебаний в поток по выражению

/Зж arcsin

ж Тг

ст2

Тж ГСТ1

где 1ж. 1ст2 - внутренний диаметр и толщина стенки трубопровода соответственно;

тст1, тст2 i тж - время прохождения колебаний соответственно толщины стенки под углом к оси трубопровода, перпендикулярно к потоку и в жидкости по внутреннему диаметру трубопровода.

Сущность способа заключается в следующем.

На стенке трубопровода устанавливают два обратимых раздельно-сбвмещенных пьезопреобразозателя, позволяющих зондировать исследуемый поток ультразвуковыми импульсами, направляемыми под углом а относительно вектора скорости потока. Зондирование проводят в направлении потока и против направления потока. Эти пьезопреобразователи обеспечивают прием прошедших через исследуемый поток, а также прием прошедших через стенку трубопровода ймгтуттьеов и отраженных от ее границ с жидкостью. Кроме того, на стенке трубопровода устанавливают обратимый широкополосный пьезопреобразователь, позволяющий ввод ультразвуковых импульсов в стенку трубопровода, и исследуемый поток перпендикулярно относительно оси

:

трубопровода и прием отраженных эхо-импульсов от границ перехода стенка трубопровода - жидкость и жидкость - стенка трубопровода.

Излучающим пьезоэлементом раздельно-совмещенного пьезопреобразователя, возбуждаемым импульсным генератором, вводят через стенку трубопровода в направлении потока акустическую волну импульсных сигналов, Ультразвуковые импульсные сигналы направляют под углом относительно вектора скорости потока. Импульсный сигнал, прошедший стенку трубопровода, частично отражается от границы перехода

стенка трубопровода - жидкость. Эхо-импульсы отраженного сигнала принимаются приемным пьезоэлементом этого же раздельно-совмещенного пьезопреобразователя, а импульсные сигналы, прошедшие

поток, принимаются приемным пьезоэлементом второго раздельно-совмещенного пьезопреобразователя. Аналогично осуществляется ввод через стенку трубопровода акустической волны импульсных сигналов

против направления потока При этом излучающие и приемные пьезоэлементы раздельно-совмещенных пьезопреобразо- вателей соответственно принимают и излучают ультразвуковые импульсные сигналы.

Одновременно обратимым широкополосным пьезопреобразователем вводят в стенку трубопровода акустическую волну импульсных сигналов перпендикулярно относительно оси трубопровода

Эхо-импульсы, отраженные от границ перехода стенки трубопровода - жидкость и жидкость - стенка трубопровода принимают тем же пьезопреобразователем. Время гст1 прохождения импульсным

сигналом толщины 1Ст1 стенки под углом к поверхности трубопровода определяется выражением

т , - 7ст1-

V-CT

(1)

где Сет - скорость ультразвука в материале- стенки трубопровода

Время гст2 прохождения импульсным 50 сигналом толщины 1Ст2 перпендикулярно к поверхности трубопровода определяется выражением

w-пИ-.и

При известном значении толщины 1Ст2 стенки трубопровода определяют расстояние 1Ст1 по отношению тст2 к ты

21ст1 1ст2 „, ,у

т- тт sln а

LCT1ст1

(3)

Величина базы L в потоке жидкости определяется выражением

Изобретение может быть использовано в измерителях расхода жидких и газообразных сред. Цель изобретения - увеличение точности измерения за счет определения истинного значения измерительной базы при изменениях параметров окружающих сред. По предложенному способу сигнал излучается под углом к направлению потока и перпендикулярно к направлению потока. С помощью преобразователей принимаются ультразвуковые сигналы, отраженные от границ раздела стенка трубопровода - измеряемая среда при наклонном излучении, и сигналы, отраженные от границ раздела стенка трубопровода - измеряемая среда и измеряемая среда - стенка трубопровода при перпендикулярном к потоку излучении. По величинам задержек ультразвуковых сигналов при наклонном и перпендикулярном к потоку излучении по математической формуле определяется истинное значение величины измерительной базы. Это значение используется для определения скорости или расхода жидкости или газа в трубопроводе, что повышает измерения. 2 ил. to С

где Ос - угол преломления излученной аку- сти«-еской волны импульсных сигналов на границе перехода пьезоэлемент - стенка трубопровода.

Из выражения (3) находят

Icrl

1ст2 ТЫ Гст2

Угол падения излученной акустической волны импульсных сигналов на границу перехода стенка трубопровода - жидкость с учетом выражения (3)определяется выражением

ГСТ2

- arcsln

ГСт1

(5)

Время гж прохождения импульсным сигналом толщины 1Ж жидкости, перпендикулярно вектору скорости потока, определяется выражением

Тж

21Ж

Сж

где Сж -скорость ультразвука в жидкости.

Угол ввода акустической волны импульсных сигналов в поток жидкости опре- .деляется выражением (закон Снелиуса)

8|П/Ь-« Ј С,

Ост

1 4- U I

Из выражения (7) определяют угол$«.

л , Сж /5Ж - arcsln&-

Ост

(7)

arcsin

1ж ;.1ст2 ГСт2 1ст2 ж Гст1

arcsm

1ж tcст2

1ст2 Тж Тст1

Угол наклона а базы L раздельно- совмещнных пьезопреобразователай к вектору скорости потока определяется выражением

1ж %Тст2

a 90°-$K 90°-arcsin

1ст2 Тж Тст1

,- (S)

-

I

cos ( arcsln )

V1ст2 ж ГСТ1

(10)

(4)

кой пеь с е5)

ым диля(6)

15

20

25

10

С учетом текущего значения базового расстояния L между излучающим пьеэоэле- ментом одного раздельно-совмещенного пьезопреобразователя и приемным пьезоэ- лементом другого раздельно-совмещенного пьезопреобразователя, в каждом 1-м цикле измерения судят о расходе потока по известным алгоритмам работы измерителя.

Предложенный ультразвуковой способ измерения расхода отличается от известного тем, что дополнительно осуществляют прием колебаний, отраженных от границы стенка трубопровода - контролируемая среда, принимают отраженные эхо-импульсы от границы перехода стенка трубопровода- контролируемая среда и контролируемая среда-стенка трубопровода при перпендикулярном излучении и определяют значение угла ввода колебаний в поток по выражению

arcsln

1ж -т

т2

1ст2 ж ст1

«.

(8)

но- й к вы

(S)

(7) 35

40

45

50

55

где 1Ж, 1ст2 - внутренний диаметр и толщина стенки трубопровода соответственно;

Гст1, гст2 , гж - время прохождения колебаний соответственно толщины стенки под углом к оси трубопровода, перпендикулярно к потоку и а жидкости по внутреннему диаметру трубопровода.

Известными ультразвуковыми методами измерения расхода с компенсацией изменений скорости ультразвука не обеспечивается возможность определения текущего значения угла ввода ультразвукового луча в контролируемый поток, а также текущего значения величины базы между пьезопреобразователями в потоке контролируемой жидкости.

В известных технических решениях используют усредненные в определенных пределах значения изменений угла ввода ультразвукового луча в поток или значения температурных коэффициентов, что не обеспечивает необходимой точности измерений.

На фиг.1 представлена схема акустического блока для иллюстрации предлагаемого способа; на фи(.2 - упрощенная блок-схема.

Устройство ультразвукового измерения расхода содержит обратимый пьезопреоб- разователь 1, установленный на внешней поверхности стенки мерного участка трубопровода 4, по которому протекает контролируемая среда 5, например вода, два раздельно-совмещенные пьезопреобразо- ватели 2 и 3, содержащие обратимые пье- зопреобразователи 2а и За и приемные пьезопреобразователи 26 и 36 установленные также на мерном участке трубопровода 4, два блока б и 7 обработки сигналов и цифровое вычислительное устройство 8.

Предлагаемый способ реализуют следующим образом.

На внешней поверхности мерного участка трубопровода 4 устанавливают обратимый пьезопреобразователь 1, гео- метричеЪкая ось которого перпендикулярна геометрической оси трубопровода 4. Раздельно-совмещенные пьезопреобразователи 2 и 3 устанавливают так, что обратимые пьезопреобразователи 2а и За образуют измерительную базу L, расположенную под углом у к вектору скорости потока.

Пьезопреобразовэтель 1 возбуждают короткими электроакустическими импульсами с импульсного генератора блока 6 обработки сигналов. Эхо-импульсы, отраженные от границ перехода стенка трубопровода 4 - контролируемая среда 5 и контролируемая среда 5 - стенка трубопровода 4, принимают пьезопреобразователем 1, а затем они поступают на вход блока 6 обработки сигналов. Измеренные времена Тст2 иГж, определяемые, соответственно, выражениями (2) и (6) в блоке 6 обработки сигналов В ЦИфрОВОМ ВИДе Мст2 Јст2 И NX

гж, последовательно поступают на первый вход цифрового вычислительного устройства 8. При возбуждении обратимого пьезопреобразователя, например 2а, раздельно-совмещенного пьезопреобразо- вателя 2, ультразвуковой импульсный сигнал вводят в стенку трубопровода 4 под углом Ос, где он частично отражается от границы перехода стенка трубопровода 4 - контролируемая среда5и принимается при- емным пьезопреобразователем 26 того же раздельно-совмещенного пьезопреобразователя 2 (фиг.1) и поступает на первый вход блока 7 обработки сигналов. Измеренное время тст1 в блоке 7 обработки сигналов, определяемое выражением (1), в цифровом виде NCTI гст1 поступает на второй вход цифрового вычислительного устройства 8. которое работает по алгоритму

ML

I .

Мж

CoS ( arcsin ., Мж N4 )

vМст2 NX NCT1

cos(arcsln , ж )

V1ст2 Тж Гст1

NCT1

-(11)

Измеренное текущее значение базы ML L поступает в блок памяти цифрового вычислительного устройства 8.

При последовательном возбуждении обратимых пьезопреобразователей 2а и За

часть акустической энергии волны импульсного сигнала проходит контролируемую среду 5 Против и по направлению потока (фиг.2). При этом блок 7 обработки сигналов осуществляет измерение времени гл и г Б

задержки зондирующих сигналов соответственно против направления и по направлению потока. Измеренные времена Гд и Tg, определяемые выражениями

ТА

ТБ

Сж - v cosy

L Сж + v cosy

(12)

(13)

где v - скорость потока, в цифровом виде NA ТА и NB т Б,, поступают на третий вход цифрового вычислительного устройства 8,

При этом с учетом текущего значения базового расстояния в каждом 1-м цикле измерения NA ГА и NB ТБ СУДЯТ ° дина- м.йческих характеристиках потока, например расхода.

Следовательно, в предложенном способе обеспечена возможность измерения расхода в трубопроводах с учетом изменения угла ввода ультразвукового луча в поток контролируемой среды при колебаниях температуры, давления и солевого состава, что позволяет уменьшить погрешность измерения.

Экспериментально установлено, например, что при диаметре трубопровода, равно 100 мм, и установленном угле ввода ультразвукового луча в поток, равном 60°, базе L между пьезопреобразователями, равной 200 мм, изменение угла ввода ультразвукового луча на 2° дает изменение базы на 13 мм, а изменение угла ввода на 3° уже дзет изменение базы 20,2 мм. Соответственно изменяется угол у наклона базы L (фиг.2).

Таким образом, по сравнению с известными техническими решениями в предложенном способе исключается погрешность измерения, обусловленная изменением угла ввода ультразвукового луча в поток, чем увеличивается точность измерения.

Использование способа измерения расхода особенно полезно при контроле за ходом технологических процессов и управлении динамической скоростью пото- ков.

Формула изобретения Ультразвуковой способ измерения расхода, заключающийся в наклонном и пер- пендикулярном по отношению к потоку излучении ультразвуковых колебаний в контролируемую среду, приеме колебаний, определении величины расхода по параметрам принятых сигналов, отличающий- с я тем, что, с целью уменьшения погрешности измерения путем определения действиФиг.1

тельного значения угла ввода колебаний в поток, осуществляют прием колебаний, отраженных от границы стенка трубопровода - контролируемая среда, принимают отраженные эхо-импульсы от границ перехода стенка трубопровода - контролируема среда и контролируемая среда - стенка трубопровода при перпендикулярном излучении и определяют откорректированное значение угла ввода колебаний в поток по выражению

Дк arcsir

ж

Гст2

1ст2 Тж ГСт1

где 1Ж, 1ст - внутренний диаметр и толщина стенки трубопровода соответственно;

tcri, гст2 . 7Ж - время прохождения колебаний соответственно толщины стенки под.углом к оси трубопровода, перпендикулярно к потоку и в жидкости по внутреннему диаметру трубопровода.

ЛЭ2 ЛПЗ

L МММ HcrZ cT2

Фиг. 2