РАСХОДОМЕР
FLOWMETRE

Изобретение относится к области высокоточных методов измерения расхода прокачиваемых через трубопроводы жидкостей или газов. Под расходом понимается объем или количество жидкости или газа, протекающего в единицу времени по каналу транспортировки.
Изобретение может найти применение в медицинском приборостроении, в нефтяной и газовой промышленности, а также в любых установках, содержащих каналы транспортирования жидкостей или газов.
z
z
Известно устройство, содержащее приемно-излучающие элементы (датчики), предназначенные для генерации и регистрации ультразвуковых импульсов, распространяющихся в измерительных плоскостях, и определяющее расход с помощью цилиндрического расходомера круглого сечения по результатам одного диаметрального измерения [1]. При этом прямая линия, соединяющая датчики, находится в измерительной плоскости, пересекающей сечение трубы по диаметру. Предполагается, что распределение аксиальной компоненты по сечению трубы является радиально симметричным ν(x, y)=ν(r), что часто выполняется с достаточно большой точностью. Однако, даже при этом предположении
z
т.е. расход Q не выражается точно через среднюю скорость , являющуюся результатом измерения. Это заставляет использовать поправочные коэффициенты, зависящие от диаметра трубы и диапазона изменения ν(r).
Известно устройство по патенту США 4646575, реализующее принцип многоплоскостных измерений, т.е. определяющее расход по результатам измерений в нескольких параллельных измерительных плоскостях [2].
z
При этом вычисление интеграла (1) для произвольного распределения ν(x, y) сводится к численному вычислению одномерного интеграла
Соответствующий расходомер содержит несколько пар приемно-излучающих элементов, вмонтированных в стенки расходомера и находящихся в измерительных плоскостях, параллельных оси расходомера и друг другу.
Так как количество измерительных плоскостей, вообще говоря, невелико, применение обычных формул численного интегрирования, таких, как правила трапеций или Симпсона, дает невысокую точность, что является недостатком устройства по патенту США 4646575.
Повысить точность численного интегрирования позволяет применение квадратурных формул Ньютона, Чебышева и Гаусса [2]. Известно устройство по патенту РФ 2189014, использующее квадратурные формулы в многоплоскостных измерениях [5].
Недостатком расходомера по патенту РФ 2189014 является то, что при данном количестве измерительных плоскостей n количество пар приемно-излучающих элементов также должно быть равно n. В то же время желательно уменьшить количество пар приемно-излучающих элементов (вплоть до одной пары) при сохранении достаточно высокого порядка квадратурной формулы, так как точность численного вычисления интеграла (2) возрастает с ростом n (количества проходов ультразвукового импульса через сечение трубы).
В качестве прототипа выбрано устройство, определяющее расход с помощью цилиндрического расходомера круглого сечения по результатам одного диаметрального измерения [6].
Задача изобретения - повышение точности определения расхода прокачиваемых через трубы круглого сечения газов или жидкостей при использовании времяпролетных ультразвуковых измерений за счет добавления отражателей, формирующих специальную траекторию ультразвукового импульса, позволяющую применить квадратурные формулы численного интегрирования при наличии всего одной пары приемно-излучающих элементов.
Это достигается тем, что используется только одна пара приемно-излучательных элементов на концах специально подобранной траектории ультразвукового импульса, сформированной дополнительными отражательными площадками, и применяется квадратурная формула Чебышева, позволяющая выполнить численное интегрирование аналоговым способом непосредственно в процессе измерения полного времени пролета ультразвукового импульса по траектории.
Расходомер встраивается в трубопровод, представляя собой после этого часть трубопровода. Измерения в расходомере производятся в измерительных плоскостях, параллельных оси расходомера. Регистрируя разность времен пролета ультразвуковых импульсов в измерительных плоскостях в прямом и обратном направлениях, можно вычислить расход жидкости или газа. Количество измерительных плоскостей может меняться от одной (одноплоскостные измерения) до нескольких (многоплоскостные измерения). При этом каждой измерительной плоскости обычно соответствует отдельная пара ультразвуковых приемно-излучательных элементов (датчиков), что делает расходомер достаточно сложным, громоздким и дорогим.
z
Определение объема прокачиваемых через трубы круглого сечения газов или жидкостей при использовании времяпролетных ультразвуковых измерений сводится к вычислению двумерного интеграла от аксиальной (вдоль трубы) компоненты скорости потока ν(x, y), в общем случае неоднородной по плоскости сечения трубы S [4, 5]:
Для ультразвуковых времяпролетных измерений приближенно с точностью до малых порядка
1
2
где c - скорость звука в неподвижной среде, L - расстояние между ультразвуковыми приемно-излучательными элементами, Δt - разность времен прохождения ультразвукового импульса от датчика A до датчика A в прямом и обратном направлениях, и  - средняя скорость потока в измерительной плоскости с расстоянием ξ от оси трубы с радиусом R:
При этом возможен как отражательный режим, когда датчики находятся с одной стороны трубы, а отражательная площадка находится на другой стороне трубы, так и трансмиссионный режим, когда датчики находятся по разные стороны трубы.
z
z
j
Если распределение аксиальной компоненты по сечению расходомера является радиально симметричным ν(x, y)=ν(r), то измерительные плоскости с одним и тем же расстоянием от оси расходомера ξ ничем не будут отличаться друг от друга (это расстояние необходимо отсчитывать от оси расходомера по перпендикуляру к измерительной плоскости). Переписывая (2) с учетом (4), получим
где α - угол между траекторией ультразвукового импульса и осью расходомера.
Для использования квадратурных формул необходим набор измерений в измерительных плоскостях, находящихся от оси расходомера на расстояниях, соответствующих узлам квадратурной формулы. При этом квадратурная формула будет выглядеть следующим образом:
j
где n - количество измерительных плоскостей, ξ - расстояние j-й измерительной плоскости от оси трубы (узлы квадратурной формулы),
j
λ - коэффициенты квадратурной формулы. При этом даже небольшое увеличение количества измерительных плоскостей приводит к резкому повышению точности результата.
j
Для квадратурных формул Чебышева все λ равны друг другу. Тогда
j
j
j
1
2
1
3
2
1
4
2
3
1
5
2
4
3
1
6
2
5
3
4
1
7
2
6
3
5
4
1
9
2
8
3
7
4
6
5
где Δt(ξ) - разность времен прохождения j-го отрезка траектории. Таким образом, сумма в (8) представляет собой общую разность времен прохождения импульса по специальной траектории в виде ломаной линии, характеризующейся тем, что каждый ее отрезок лежит в измерительной плоскости, находящейся от оси расходомера на расстоянии ξ, равном узлу квадратурной формулы Чебышева, причем длина j-го отрезка траектории равна , где α - угол между каждым отрезком траектории и осью расходомера. Известно, что задача Чебышева имеет решение только для n=2, 3, 4, 5, 6, 7, 9, причем узлы ξ квадратурной формулы могут быть найдены численно [7, 8]. При этом для n=2: ξ=ξ=0,5774R; для n=3: ξ=ξ=0,7071R, ξ=0; для n=4: ξ=ξ=0,7947R, ξ=ξ=0,1876R; для n=5: ξ=ξ=0,8325R, ξ=ξ=0,3746R, ξ=0; для n=6: ξ=ξ=0,8662R, ξ=ξ=0,4225R, ξ=ξ=0,2666R; для n=7: ξ=ξ=0,8839R, ξ=ξ=0,5297R, ξ=ξ=0,3239R, ξ=0; для n=9: ξ=ξ=0,9116R, ξ=ξ=0,6010R, ξ=ξ=0,5288R, ξ=ξ=0,1679R, ξ=0.
Графические изображения
1
2
На фиг.1 показана схема ультразвуковых времяпролетных измерений: A, A - датчики; L - расстояние между датчиками вдоль оси расходомера; ξ - расстояние от оси расходомера до измерительной плоскости.
1m
2m
1n
2n
1n
2n
1m
2m
На фиг.2 показана схема многоплоскостных ультразвуковых времяпролетных измерений. Показаны только две измерительные плоскости - диаметральная AA и измерительная плоскость AA (A, A, A, A - датчики).
1
2
3
4
5
На фиг.3 показана схема обычных многоплоскостных ультразвуковых времяпролетных измерений в сечении расходомера (P, P, P, P, P - измерительные плоскости).
На фиг.4 показана схема ультразвуковых времяпролетных измерений в сечении предлагаемого расходомера для трех измерительных плоскостей: 1 - датчик, 2 - отражательная площадка.
1
2
На фиг.5 показана схема ультразвуковых времяпролетных измерений в предлагаемом расходомере для трех измерительных плоскостей (показано расположение измерительных плоскостей; A, A - датчики, B - отражательные площадки).
На фиг.6 показаны схемы ультразвуковых времяпролетных измерений в сечении предлагаемого расходомера для n=2, 4, 5, 6, 7 и 9 измерительных плоскостей.
j
Предлагаемый встраиваемый в трубопровод расходомер содержит одну пару вмонтированных в стенки измерительного расходомера приемно-излучательных элементов и несколько отражательных площадок, формирующих специальную траекторию ультразвукового импульса в виде ломаной линии, характеризующейся тем, что каждый ее отрезок лежит в измерительной плоскости, находящейся от оси расходомера на расстоянии ξ, равном узлу квадратурной формулы Чебышева, и позволяющую применить квадратурную формулу численного интегрирования. Генерируются и регистрируются только два ультразвуковых импульса в прямом и обратном направлениях. Разность времен распространения пропорциональна расходу прокачиваемых через трубопровод жидкости или газа, вычисленного с высокой точностью соответствующей квадратурной формулы Чебышева.
Хотя отражатели могут иметь разнообразную форму, наиболее практично выполнять их в виде плоских отражательных площадок.
1
1
2
1
2
3
Предположение о радиальной симметрии измеряемого потока позволяет для n=2, 4, 6 использовать только половину траектории, что уменьшает количество отражателей с 1, 3, 5 до 0, 1, 2 соответственно. При этом зарегистрированную разность времен прохождения ультразвукового импульса необходимо увеличить вдвое. Таким образом, для n=2 траектория состоит из одного отрезка, находящегося от оси расходомера на расстоянии: ξ=0,57747R, для n=4 траектория состоит из двух отрезков, находящихся от оси расходомера на расстояниях: ξ=0,7947R, ξ=0,1876R; для n=6 траектория состоит из трех отрезков, находящихся от оси расходомера на расстояниях: ξ=0,8662R, ξ=0,4225R, ξ=0,2666R.
Источники информации
1. Lynnworth L.C. Ultrasonic measurements for process control: Theory, techniques, applications. New York, Academic, 1989.
2. Патент США 4646575, МПК: G01F 1/66, НПК: 073.861.31.
3. Патент РФ 2189014, МПК: G01F 1/66 (30.06.2000).
4. Рычагов М.Н. Ультразвуковые измерения потоков в многоплоскостных измерительных модулях. Акустический журнал, 1998, т.44, №6, с.829-836.
5. Терещенко С.А., Рычагов М.Н. Акустическая многоплоскостная расходометрия на основе методов квадратурного интегрирования. Акустический журнал, 2004, т.50, №1, с.116-122.
6. Lynnworth L.C. Ultrasonic measurements for process control: Theory, techniques, applications. New York, Academic, 1989. P.21, fig.2-2 - прототип.
7. Бахвалов Н.С.Численные методы. М., Наука, 1973. - 632 с.
8. Справочник по специальным функциям. Под ред. М.Абрамовица и И.Стиган. М., Наука, 1979 - 832 с.