РАСХОДОМЕР ЖИДКИХ СРЕД В БЕЗНАПОРНЫХ ТРУБОПРОВОДАХ
FLUID MEDIUM FLOW METRE IN FREE-FLOW PIPELINES

Изобретение относится к измерительной технике по расходомерам, а именно к устройствам измерения объемного расхода жидких сред в открытых водоемах: каналах, безнапорных трубопроводах большого сечения и сточных лотках.
Известен класс электромагнитных (индукционных) расходомеров, работающих на основе использования эффекта магнитогидродинамической индукции электрических сигналов при движении проводящей жидкости в трубопроводах поперек направления магнитного поля. При этом сигнальные электроды расположены на противоположных концах диаметра трубопровода. Величина сигналов ЭДС пропорциональна скорости жидкости и, следовательно, ее расходу.
Расходомеры данного типа работают как на основе постоянного магнитного поля, так и переменного (в частности, импульсного магнитного поля). Важным положительным качеством расходомеров данного типа является возможность их работы в различных жидких средах, обладающих даже слабой электропроводностью. Однако этим устройствам присущи принципиальные недостатки, а именно возникновение в них химических процессов на электродах, приводящих к поляризации электродов и искажению измеряемых сигналов. Вместе с тем, при работе в переменных и импульсных полях возникают всевозможные электромагнитные наводки в электрических цепях измерительного устройства, составляющие трудно устранимые помехи при регистрации таких сигналов. Данный недостаток особенно сильно проявляется при работе расходомеров, где необходимо независимо и одновременно измерять как скорость потока жидкости, так и ее уровень. В частности, в известном электромагнитном расходомере [ГОС реестр РФ №19388-00] уровень жидкости измеряется автономным сенсорным датчиком давления. Такой датчик придает расходомеру ряд положительных качеств: компактность, сравнительную простоту устройства и удовлетворительную чувствительность. Вместе с тем, такой датчик чувствителен к электромагнитным наводкам, а также к изменению внешнего давления (в частности, атмосферного) и различным загрязняющим осадкам, выпадающим из текущей жидкости. Поэтому электромагнитные расходомеры в силу перечисленных причин сложны в устройстве и эксплуатации.
Укажем еще на один тип расходомера, который одновременно измеряет и скорость потока жидкости, и ее уровень [патент РФ на изобретение №2251080]. В таком расходомере функциональный блок измерения скорости потока жидкости выполнен в форме поворотной лопасти, один конец которой закреплен на оси вращения, а другой конец свободно погружен в жидкость. За счет скорости движения жидкость оказывает динамическое давление на лопасть и поворачивает ее относительно вертикали на определенный угол, пропорциональный скорости потока, которая достаточно точно измеряется. Второй функциональный измерительный блок расходомера выполнен в виде свободного поплавка, скрепленного с рычагом, который свободно поворачивается на оси вращения в вертикальной плоскости на угол α, пропорциональный уровню жидкости. По этим двум углам поворота α и β расчетно определяется уровень жидкости в канале, средняя скорость, расход и объем потока жидкости в канале. Такие расходомеры хорошо работают в каналах, на дне которых отсутствует или имеется стабильный уровень отложений. Однако увеличение уровня отложений выше установленного зазора между дном канала и нижним концом лопасти приводит к искажению результатов измерения параметров потока. Следует отметить, что увеличение уровня отложений на дне канала выше допустимых значений приводит к искажению измерения параметров потока при эксплуатации всех известных прототипов безнапорных расходомеров.
Особо подчеркнем известный класс расходомеров ультразвукового типа G01P 005/18; G01P 005/24.
В своей основе данные расходомеры работают на использовании эффекта Доплера и эффекта бокового скоса узкого ультразвукового луча в текущей среде [Под редакцией И.П.Голяминой. Ультразвук. «Советская энциклопедия», Москва, 1979, с.300].
Доплеровский метод измерения состоит в следующем. Ультразвуковые импульсы, посылаемые по или против потока среды на заданном «отрезке» трубы приобретают временной сдвиг, а также фазовый и частотный набеги, которые пропорциональны скорости потока. Из этих данных расчетно определяется расход жидкости. Однако данный метод чувствителен к различным загрязнителям текущей среды, которые порождают шумовой фон, затрудняющий прием и обработку сигналов.
В случае использования метода «бокового сноса» ультразвукового луча в текущей среде его реализация осуществляется следующим образом. Излучающий преобразователь генерирует ультразвуковые импульсы поперек трубы с текущей средой. Придя на противоположную сторону трубы, импульсы приобретают снос потоком среды в сторону ее движения. Величина сноса ультразвукового импульса пропорциональна скорости потока. По величине этого сноса расчетно находятся скорость течения жидкости и объем расхода. Аналогичным образом часто определяется также скорость потока по сносу ультразвукового импульса вдоль потока. Для этой цели ультразвуковые импульсы поочередно направляются в текущую среду как вдоль ее потока, так и против потока. Регистрируя время прохождения ультразвуковых импульсов «туда» и «обратно», расчетно определяют скорость потока и объем его расхода.
Рассмотренные два метода измерения скорости сноса жидких потоков привлекательны тем, что функциональные измерительные блоки при этих измерениях могут находиться вне объема текущей жидкости. В жидкость направляются лишь ультразвуковые импульсы и по их «реакции» расчетно определяются скорость потока и объем его расхода.
К настоящему времени подобные расходомеры широко входят в практику измерения расхода жидких и газовых сред, текущих в напорных трубопроводах [Территория нефтегаз, 2008 г., №6, с.53].
К наиболее важным достоинствам ультразвуковых расходомеров подобного класса является возможность размещения расходомеров непосредственно на поверхности трубы. При этом ультразвуковые импульсы для измерения параметров текущей среды в трубе направляются в трубу через ее стенку. Вывод ультразвуковых импульсов, несущих информацию о параметрах текущей среды, осуществляется также через стенку трубы.
Данный прогрессивный метод измерения скоростных и других характеристик текущей среды успешно реализуется лишь в напорных трубопроводах.
В случае же безнапорных трубопроводов уровень текущей жидкости может принимать любые значения в пределах диаметра трубы и содержит, как правило, в себе неконтролируемые различные примеси. Вместе с тем, в безнапорных трубопроводах площадь сечения трубы может изменять свое значение из-за отложений, которые образуются на дне трубы в процессе выпадения различных примесей, содержащихся в текущей среде. Следует подчеркнуть также, что в безнапорных трубопроводах исключительно велики динамические диапазоны изменения потоков среды: по скорости от 0,01 м/с до 4 м/с, по толщине текущего слоя среды от 1-3 см до величины диаметра трубопровода.
Указанные выше динамические диапазоны разброса скоростей и объема текущей среды препятствуют прямому переносу упомянутого прогрессивного метода на безнапорные трубопроводы.
Мы принимаем все же указанный прогрессивный метод в качестве прототипа.
Целью изобретения является адаптирование методов и технических средств измерения характеристик жидких сред, текущих в напорных трубопроводах, к условиям работы в безнапорных трубопроводах. Такое адаптирование направлено на повышение точности измерения различных параметров текущих сред (скорости и объема расхода в широком диапазоне их значений), а также для контроля технического состояния трубопровода.
Поставленная цель достигается тем, что в основу работы излучающего преобразователя вводится новый принцип формирования ультразвуковых импульсных лучей, пересекающих трубопровод под разными углами к диаметру трубопровода. Сущность этого принципа поясняется на фиг.1 и 2, где приняты следующие обозначения:
1 - трубопровод с внутренним диаметром Dу:
1
2
2 - преобразователи электрических ультразвуковых импульсных сигналов; O и O - их условные центры;
3 - блок управления, приема и обработки сигналов;
4 - блок измерения уровня жидкости;
5 - блок измерения средней скорости потока жидкости;
2
6 - текущая среда с толщиной слоя h;
0
h - высота жесткого подвеса у.з. преобразователя;
1
h - уровень текущей среды относительно положения преобразователей;
3
h - толщина слоя донных отложений на дне трубы;
- вектор скорости потока жидкой среды;
α, β, γ - углы падения, отражения и преломления ультразвуковых лучей, ход направления которых обозначен стрелками;
z, x - вертикальная и горизонтальная оси координат;
А, В, С, D, Е - характерные точки падения, отражения и преломления ультразвуковых лучей;
L - расстояние между ультразвуковыми преобразователями 2.
Принцип работы обсуждаемого расходомера рассмотрим на двух частных случаях.
А. жидкая среда в трубе неподвижна
. Расстояние L между ультразвуковыми преобразователями 2 задано конструктивно. Задано также расстояние H между центрами ультразвуковых преобразователей и дном трубы по вертикали.
0
1
2
1
1
0
Уровень жидкости в трубе может определяться двумя независимыми методами. Первый из них - зондирование поверхности среды по типу эхолота и с помощью ультразвуковых импульсов по вертикали, проходящих через ультразвуковые преобразователи. Второй метод определения уровня жидкости осуществляется путем измерения угла β, который образуется между вертикалью и траекторией луча O-F-O, где точка F - место отражения ультразвукового луча от поверхности жидкой среды. В этом случае h=OF·sinβ.
2
1
1
2
3
Толщина слоя жидкой среды h определяется методом вертикального зондирования с помощью ультразвуковых импульсов от преобразователей 2. Ультразвуковой импульс, распространяясь, например, от преобразователя 2 с центром в точке O, проходит путь от точки O до поверхности жидкости, где луч частично отражается и регистрируется в этом же преобразователе. Прошедшая часть мощности луча в жидкую среду движется в ней вглубь и достигает поверхности слоя отложений на дне грубы; частично отражается обратно и также регистрируется этим же преобразователем. Проходящая же часть луча в слое отложений доходит до внутренней границы трубы, часть луча отражается от нее и возвращается в исходный преобразователь, где также регистрируется. При заданном диаметре трубы Dу, зная время выхода зондирующего импульса из ультразвукового преобразователя, а также время регистрации прихода отраженных сигналов при типовой табличной скорости распространения ультразвуковых сигналов через жидкую среду, расчетно определяются толщина слоя жидкости h, толщина слоя донных отложений h и типовая скорость распространения сигнала в слое отложений.
Рассмотрим теперь схему распространения ультразвуковых лучей в неподвижной среде
, изображенной па фиг.1, которая должна использоваться затем в рабочем режиме расходомера, т.е. при
1
1
2
1
2
2
1
2
В силу симметрии схемы распространения ультразвуковых лучей относительно вертикали по оси Z ультразвуковой луч, выходящий, например, из ультразвукового преобразователя 2 с центром в точке О под углом β, распространяется от точки O до ультразвукового преобразователя с центром в точке O по траектории O-A-B-C-D-E-O. Такое симметричное «замыкание» траекторией цепочки обеспечивается вариацией угла β с помощью преобразователей 2. На границах перехода разных сред ультразвуковой луч всякий раз преломляется (и частично отражается) и достигает второго преобразователя в точке O. Общее время прохождения луча от O до O складывается из суммы времен движения по отдельным цепочкам.
В силу принципа обратимости скорости движения ультразвуковых сигналов «туда» и «обратно» времена их взаимно равны. Эта инвариантная величина позволяет дополнительно уточнять среднюю скорость движения жидкой среды по трубопроводу.
Б. Жидкая среда в трубопроводе находится в движении
, т.е. расходомер находится в рабочем режиме. Динамика геометрии распространения ультразвуковых лучей для данного режима работы расходомера представлена на фиг.2. Из этой схемы видно, что общая «картина» распространения улыразвуковых лучей практически сохранилась, что и для случая
Однако в этом режиме происходит системный продольный снос данной «геометрии» в сторону течения среды на величину СС*. Из данной величины расчетным путем находится средняя скорость течения среды в трубопроводе.
2
Однако в тех случаях, когда уровень текущей среды в трубе очень низок, т.е. h≈1-3 см, и скорость потока мала - V≈0,01 м/сек, то в данном устройстве реализован также и второй диапазон измерения для столь слабых потоков среды. Технически это достигается тем, что ультразвуковые лучи, генерируемые ультразвуковым преобразователем 7, закрепленным перпендикулярно потоку, направляются по внутренней поверхности трубы в ее диаметральной плоскости, как показано на фиг.3. Лучи пробегают текущую среду, которая движется вдоль трубы, поперек скорости течения. Ультразвуковой луч, проходя расстояние, равное хорде l (фиг.3), приобретают снос вдоль течения на величину ΔX вдоль оси трубы. Ультразвуковой луч продолжает движение по второму кругу, третьему и т.д. В каждом обороте кругового движения ультразвуковой луч смещается по винтовой линии в сторону течения жидкости. Это смещение регистрируется ультразвуковыми датчиками, закрепленными на внутренней стенке трубопровода симметрично, относительно преобразователя 7. По этой информации определяется скорость и направление потока жидкости.
Основным новым техническим узлом, разработанным для данного типа расходомера, является преобразователь электрических и ультразвуковых импульсных сигналов - для излучения и приема сигналов. Преобразователь изображен на фиг.4. Здесь приняты следующие обозначения:
1
2
8 - ультразвуковые излучающие элементы, работающие в режиме передачи и приема ультразвуковых сигналов, на электроды которых подаются электрические импульсы Λt и Λt;
9 - канал распространения ультразвуковых сигналов, выполненный в форме полого кольца;
10 - внешнее ограничительное кольцо конструкции;
11 - внутреннее ограничительное кольцо, выполненное из жесткого диэлектрического материала;
12 - боковые ограничительные стенки конструкции;
13 - прокладка из звукопоглощающего материала.
1
2
Ультразвуковые излучающие элементы 8 под воздействием электрических импульсов Λt и Λt, подаваемых на их электроды с заданной задержкой по времени, генерируют ультразвуковые импульсы, которые распространяются по кольцу 9 навстречу друг другу. В заданной точке кольца ультразвуковые импульсы встречаются и создают новый ультразвуковой импульс с удвоенной амплитудой, который излучается в радиальном направлении через стенку 10 во внешнее пространство. Фактически, такой излучатель действует по принципу работы «реохорда». Сформированный таким образом ультразвуковой луч на выходе преобразователя может быть направлен под любым заданным углом в пределах 2π радиан, как указано на фиг.4. В свою очередь, внешний ультразвуковой сигнал, поступая в преобразователь, создает в нем в точке входа импульсное давление, которое затем распространяется по кольцу 9 в противоположных направлениях. Под воздействием этого сигнала в ультразвуковых излучающих элементах 8 формируются электрические импульсы с некоторой взаимной задержкой, пропорциональной длине плеч «реохорда». По взаимной временной задержке этих сигналов и их знаку определяется направление, по которому поступил ультразвуковой сигнал на преобразователь.
По излучаемым и принимаемым ультразвуковым сигналам в результате их расчетной обработки находится вся необходимая информация о текущей среде: уровне, средней скорости, расходе, направлении потока жидкости, а также, в ряде случаев, о составе жидкой среды, толщине и структуре донного отложения.
-7
-6
Рекомендуемый режим работы ультразвукового преобразователя таков: характерная частота ультразвуковых импульсов должна составлять несколько килогерц, а длительность - в пределах 10-10 сек.
Для проверки работоспособности предлагаемого устройства ультразвукового расходомера жидких сред в безнапорных трубопроводах было проведено численное моделирование по определению средней скорости потока жидкости 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 ультразвуковых расходомеров в пределах формулы изобретения.
Таким образом, изобретение в техническом и функциональном отношениях приобрело новый качественный уровень работы расходомера жидких сред в безнапорных трубопроводах.
Устройство приобрело высокую эффективность работы в расширенном динамическом диапазоне скоростей потока жидких сред и точного измерения объемов их расхода, а также высокую надежность функционирования в широком спектре диаметров существующих трубопроводов.