МАССОВЫЙ РАСХОДОМЕР КОРИОЛИСОВА ТИПА
CORIOLIS-TYPE MASS FLOWMETER

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения массового расхода жидкостей, протекающих по трубопроводам, например, при транспортировке нефтепродуктов.
Известен массовый расходомер кориолисова типа, содержащий корпус в виде участка монтируемого трубопровода, присоединенный к корпусу впускной разъем, две прямые расходомерные трубки, обеспечивающие разделение потока на два равных потока, выпускной разъем, через который поток выходит из расходомера в трубопровод, возбудитель колебаний, расположенный в центре расходомерных трубок, генератор, выход которого подключен к возбудителю колебаний, два сенсорных приемника, расположенных на равных расстояниях от возбудителя, причем две прямые расходомерные трубки механически зажаты на обоих концах, образуя механическую осциллирующую систему, которая расположена аксиально-симметрично в корпусе, измеритель разности фаз, подключенный к выходам сенсорных приемников, первый и второй приемники температуры, установленные соответственно на корпусе и на механической колебательной системе, блок коррекции температуры, соединенный с входом измерителя разности фаз для исключения температурного влияния на результат измерений (Патент США №4768384, МПК G01F 1/84, 06.09.1988 г.).
Недостатком данного расходомера является то, что он обеспечивает компенсацию лишь ограниченного числа вредных факторов, влияющих на изменения модуля упругости расходомерной трубки. Он не учитывает возможные изменения температуры и давления, а также вариации плотности и вязкости протекающей через расходомерные трубки среды, что существенно ухудшает точность измерения массового расхода жидкости.
Наиболее близким к предлагаемому массовому расходомеру кориолисова типа по достигаемому техническому результату и технической сущности (прототипом) является известный массовый расходомер кориолисова типа, содержащий корпус в виде участка монтируемого трубопровода, присоединенный к корпусу впускной разъем, две прямые расходомерные трубки, обеспечивающие разделение потока на два равных потока, выпускной разъем, через который поток выходит из расходомера в трубопровод, возбудитель колебаний, расположенный в центре расходомерных трубок, генератор, выход которого подключен к возбудителю колебаний, два сенсорных приемника, расположенных на равных расстояниях от возбудителя, причем две прямые расходомерные трубки механически зажаты на обоих концах с образованием механической осциллирующей системы, которая расположена аксиально-симметрично в корпусе, блок вычисления передаточной функции, входы которого подключены к выходам возбудителя и сенсорных приемников, и блок аппроксимации эталонной функцией, соединенным с выходом блока вычисления передаточной функции, при этом в качестве генератора использован генератор широкополосного сигнала, а выход блока аппроксимации эталонной функцией соединен с управляющим входом генератора широкополосного сигнала (Патент РФ №2457443, МПК G01F 1/84, 20.01.2011 г.).
Недостатком данного устройства является то, что он не учитывает влияние газонасыщенности жидкости, которое может существенно искажать показания расходомера массового типа.
Наличие даже небольших газовых включений в жидкости изменяет ее характеристики, в первую очередь, сжимаемость жидкости. Если объемная концентрация газа в жидкости составляет один процент, то относительное изменение плотности составляет такую же величину, в то время как сжимаемость увеличивается в десятки раз (точное значение зависит от плотности жидкости и давления). Также имеет существенное значение радиус пузырьков газа: радиус пузырька считается малым, если он меньше резонансного для выбранной зондирующей частоты. В этом случае при возбуждении пузырька звуковой волной с выбранной частотой колебания пузырька не являются резонансными, т.е. изменение объемы пузырька мало по сравнению с его объемом. Для малых размеров радиуса пузырьков газа для расчета расхода жидкости можно применять средние по объему характеристики газонасыщеной среды: плотность, сжимаемость, скорость звука. При этом расходомер измеряет среднюю плотность жидкости и скорость потока, поэтому наличие газа в жидкости должно учитываться при расчете массового расхода. Если газовые пузырьки в жидкости имеют достаточно большой размер, такой что их колебания близки к резонансным, то зависимость параметров жидкости от ее плотности и скорости потока усложняется.
Средняя плотность жидкости, измеряемая расходомером акустическим способом, сильно отличается от фактической из-за влияния резонансных колебаний газовых пузырьков. Поэтому применение средних значений плотности и сжимаемости жидкости приводит к большим ошибкам при расчете расхода. Таким образом, показания массового расходомера корилисового типа должны быть скорректированы с учетом газонасыщенности жидкости, если газовые пузырьки достаточно малы, и должны считаться некорректными, если газовые пузырьки воздуха достаточно велики, чтобы зондирующая звуковая волна возбуждала их резонансные колебания.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерений массового расходомера кориолисового типа при измерении расхода жидкости за счет учета содержания в ней газа.
Технический результат достигается за счет того, что массовый расходомер кориолисова типа, содержащий корпус, присоединенный к корпусу впускной разъем, две прямые расходомерные трубки, обеспечивающие разделение на два равных потока, выпускной разъем, через который поток выходит из расходомера в трубопровод, возбудитель колебаний, расположенный в центре прямых расходомерных трубок, генератор широкополосного сигнала, выход которого подключен к возбудителю колебаний, два сенсорных приемника, расположенные на равных расстояниях от возбудителя, причем две прямые расходомерные трубки механически зажаты на обоих концах с образованием механической осциллирующей системы, которая расположена аксиально-симметрично в корпусе, блок вычисления передаточной функции, входы которого подключены к выходам возбудителя и сенсорных приемников, снабжен дополнительным установленным в корпусе трубопроводом, подключенным к выпускному разъему, дополнительным возбудителем колебаний, генератором узкополосного сигнала, выход которого соединен с входом дополнительного возбудителя колебаний, последовательно соединенными дополнительным сенсорным приемником, анализатором спектра, блоком вычисления концентрации газа в жидкости и блоком вычисления массового расхода жидкости, а также блоком интерполяции эталонной функции, вход которого подключен к выходу блока вычисления передаточной функции, а его выходы подключены к соответствующим входам генератора широкополосного сигнала и блока вычисления массового расхода жидкости, при этом дополнительный возбудитель колебаний и дополнительный сенсорный приемник расположены симметрично в центре боковой поверхности дополнительного трубопровода.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена блок-схема предложенного массового расходомера кориолисова типа. Устройство содержит корпус 1, присоединенный к корпусу 1 впускной разъем 2, две прямые расходомерные трубки 3 и 4, выпускной разъем 5, через который поток выходит из расходомера в трубопровод, генератор широкополосного сигнала 6, подключенный к его выходу возбудитель колебаний 7, сенсорные приемники 8 и 9, расположенные на равных расстояниях от возбудителя колебаний 7, последовательно соединенные блок вычисления передаточной функции 10 и блок интерполяции эталонной функции 11, при этом выходы сенсорных приемников 8 и 9 соединены с входом блока вычисления передаточной функции 10, а выход блока интерполяции эталонной функции 11 соединен с управляющим входом генератора широкополосного сигнала 6, дополнительный установленный в корпусе трубопровод 12, подключенный к выпускному разъему 5, дополнительный возбудитель колебаний 14, генератор узкополосного сигнала 13, выход которого соединен с входом дополнительного возбудителя колебаний 14, последовательно соединенные дополнительный сенсорный приемник 15, анализатор спектра 16, блок вычисления концентрации газа в жидкости 17 и блок вычисления массового расхода жидкости 18, при этом второй вход блока вычисления массового расхода жидкости 18 соединен с выходом блока интерполяции эталонной функции 11, а дополнительный возбудитель колебаний 14 и дополнительный сенсорный приемник 15 расположены симметрично в центре боковой поверхности дополнительного трубопровода 12.
Устройство работает следующим образом. Жидкость поступает из магистрали во впускной разъем 2, выполненный в корпусе 1, и затем разделяется на два потока, движущихся по прямым расходомерным трубкам 3 и 4. После прохождения по расходомерным трубкам 3 и 4 два потока вновь объединяются в один поток на выпускном разъеме 5, соединенном с дополнительным трубопроводом 12, выполненным в корпусе 1, и, далее, по дополнительному трубопроводу 12 поступает в магистраль. С выхода генератора широкополосного сигнала 6 широкополосный сигнал с центральной частотой, приближенно равной одной из резонансных частот, соответствующих первой или второй моде изгибных колебаний прямых расходомерных трубок 3 и 4, подается на возбудитель колебаний 7, при этом в прямых расходомерных трубках 3 и 4 возбуждаются противофазные колебания, являющиеся механическим откликом на возбуждающее воздействие. Сенсорные приемники 8 и 9 принимают механические колебания, преобразовывая их в электрические сигналы, являющиеся функциями отклика колебательной системы.
При поступлении потока жидкости в последовательно соединенные впускной разъем 2, прямые расходомерные трубки 3 и 4 и выпускной разъем 5 величины сигналов на сенсорных приемниках 8 и 9 изменяются. Сигналы сенсорных приемников 8 и 9 и возбуждающий сигнал с возбудителя колебаний 7 поступают в блок вычисления передаточной функции 10. Вычисленная передаточная функция интерполируется в блоке интерполяции эталонной функции 11 теоретической эталонной передаточной функцией, содержащей несколько параметров, в частности значение резонансной частоты и эффективного массового расхода, не учитывающего наличие свободного газа. Теоретическая эталонная передаточная функция, связывающая амплитуды изгибных колебаний расходомерных трубок с амплитудой возбуждающего сигнала, определяется посредством решения уравнения поперечных колебаний трубки, заполненной движущейся жидкостью. Результат решения - комплексная функция частоты, явно зависящая от плотности среды, массового расхода и коэффициента потерь. В качестве примера ниже приведена мнимая часть этой функции
где  - нормированный массовый расход,
1
ω - резонансная частота колебаний первой симметричной моды,
L - длина измерительной трубки, U - скорость течения жидкости в измерительной трубке, m - погонная масса жидкости в трубке, М - суммарная погонная масса трубки (стенка трубки + жидкость), произведение U·m, входящее в параметр  является, по определению, массовым расходом жидкости,
1
2
1
Ω - нормированная на резонансную частоту ω частота, Ω - нормированная на резонансную частоту ω резонансная частота второй, антисимметричной моды, ε - коэффициент потерь колебаний на второй моде, К - коэффициент, зависящий от взаимного положения возбудителя колебаний и сенсорного приемника.
Под действием потока среды, протекающей через трубки, значение эффективного массового расхода среды передается на блок вычисления массового расхода жидкости 18. Значение резонансной частоты поступает в блок генерации широкополосного сигнала 6, задавая центральную частоту полосы возбуждения.
Поток жидкости после выхода из выпускного разъема 5 попадает в дополнительный трубопровод 12, установленный в корпусе 1. С выхода генератора узкополосного сигнала 13 подается сигнал на дополнительный возбудитель колебаний 14, который возбуждает колебания жидкости в дополнительном трубопроводе 12 с максимумом спектра в окрестности одной из критических частот. На критической частоте акустическая энергия, поступающая из возбудителя колебаний 14, не распространяется вдоль оси дополнительного трубопровода 12, поэтому наблюдается увеличение амплитуды звукового давления вблизи дополнительного возбудителя колебаний 14. Сигнал на выходе сенсорного приемника 15 пропорционален амплитуде звукового давления в жидкости в окрестности дополнительного возбудителя колебаний 14. Анализатор спектра 16 определяет критическую частоту по максимуму спектра сигнала, измеренного сенсорным приемником 15. Критическая частота однозначно связана со скоростью распространения звука в среде, которая, в свою очередь, однозначно связана с концентрацией газа. Используя эти связи, по значению критической частоты блок вычисления концентрации газа в жидкости 17 рассчитывает концентрацию газа в жидкости. Блок измерения концентрации газа в жидкости 17 формирует значение относительной концентрации газа в жидкости. Значение концентрации газа в жидкости и данные, полученные с блока интерполяции эталонной функции 11, передаются в блок вычисления массового расхода жидкости 18.
Таким образом, обеспечивается повышение точности измерения расхода жидкости в массовом расходомере кориолисова типа с учетом поправок при наличии свободного газа в жидкости.