УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ЖИДКИХ И/ИЛИ ГАЗООБРАЗНЫХ СРЕД И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
ULTRASONIC PROCEDURE FOR MEASUREMENT OF FLOW RATE OF LIQUID AND/OR GASEOUS MEDIUMS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к ультразвуковым способам измерения расхода жидких и/или газообразных сред и устройствам для его осуществления.
Известен ультразвуковой частотно-импульсный способ измерения расхода, заключающийся в образовании в одном измерительном канале двух синхроколец, включающих излучение ультразвуковых колебаний по потоку измеряемой среды и против него, прием прошедших среду колебаний и преобразование их в электрический сигнал, причем в каждом синхрокольце электрические сигналы передаются по линии связи, измерение частоты следования сигналов в каждом синхрокольце и определение величины расхода производят по разности измеренных частот (см. пат. РФ №2104498, кл. G01F 1/66, от 16.02.03).
Однако известный способ не обеспечивает достаточную точность измерения среды, так как измерение производится лишь по результатам анализа электрических сигналов, преобразованных от ультразвуковых колебаний, прошедших напрямую от преобразователя к преобразователю, что снижает функциональные возможности способа и не дает определение скорости потока в разных точках сечения трубы.
Известен ультразвуковой частотно-импульсный расходомер, содержащий преобразователь расхода, выполненный в виде двух электроакустических преобразователей, установленных на измерительном участке трубопровода и связанных с электронным блоком линией связи, а также асинхронные переключатели, установленные параллельно входу и выходу линии связи (см. пат. РФ №2104498, кл. G01P 1/66, от 16.02.03)
Однако известное устройство не обеспечивает достаточную точность измерения расхода среды, так как не дает определение скорости в разных точках сечения трубы.
Известен ультразвуковой расходомер, содержащий первый и второй пьезоизлучатели, установленные на измерительном участке трубопровода под углом к его оси, усилитель мощности, через первый умножитель частоты соединенный со вторым пьезоизлучателем, генератор непрерывных колебаний, два фильтра, первый фазовращатель, соединенный с первым входом фазометра, второй умножитель частоты, соединенный со вторым входом фазометра, выход которого соединен с индикатором, первый и второй пьезоприемники, первый и второй усилители ограничители, второй фазовращатель, модулятор и генератор прямоугольных импульсов (см. авт.св. СССР №1599659, кл. G01F 1/66, 22.09.87).
Однако и это известное устройство не обеспечивает высокую точность измерения расхода среды, так как измерение производится только по одному пути прохождения ультразвуковых колебаний в измерительном участке трубопровода и не производится по другим участкам. Поэтому не обеспечивается измерение эпюры скорости потока по сечению трубы.
Кроме того, в известных технических решениях оси диаграмм направленности ультразвуковых излучателей не перпендикулярны к продольной оси трубопровода, а внешние излучающие поверхности не совмещены с внутренней поверхностью трубопровода. Это приводит к искажению профиля потока и накапливанию загрязнения на поверхностях ультразвуковых приемопередатчиков.
По технической сущности наиболее близким к предложенному способу является способ измерения расхода жидких и/или газообразных сред, характеризующийся тем, что он включает излучение ультразвуковых колебаний по потоку или против потока измеряемой среды, прием прошедших среду колебаний с преобразованием в электрические сигналы и излучение ультразвуковых колебаний против потока или по потоку измеряемой среды, прием прошедших среду колебаний с последующим преобразованием в электрические сигналы, анализ вышеуказанных электрических сигналов для определения разности времен прохождения ультразвуковых колебаний по потоку и против него для вычисления расхода среды, при этом используют как минимум два обратимых электроакустических преобразователя, каждый из которых имеет диаграмму направленности с углом раствора не менее 60° в разных плоскостях сечения и расположен на измерительном участке трубопровода таким образом, что ось диаграммы направленности преимущественно перпендикулярна к продольной оси трубопровода, первый обратимый электроакустический преобразователь смещен относительно второго по направлению потока на расстояние не более 2.5 D, где D - диаметр трубопровода, причем вышеупомянутый анализ производят как электрических сигналов, преобразованных от ультразвуковых колебаний, прошедших напрямую от преобразователя к преобразователю, так и/или электрических сигналов - от ультразвуковых колебаний, прошедших через однократное и/или многократное отражение от внутренней поверхности трубопровода (см. международную заявку PCT/RU 2003/000091 от 03.03.2005).
Однако данный способ не позволяет сместить один электроакустический преобразователь относительно второго по направлению потока на расстояние более 2.5 D, где D - диаметр трубопровода, и, как следствие, не обеспечивает достаточную точность измерения малых расходов на трубопроводах малого диаметра, тем самым не обеспечивает достаточный динамический диапазон измеряемых расходов с приемлемой точностью.
По технической сущности наиболее близким к предложенному устройству является ультразвуковой расходомер, характеризующийся тем, что он содержит блок формирования и анализа электрических импульсов, электрически связанный как минимум с двумя обратимыми электроакустическими преобразователями, каждый из которых имеет диаграмму направленности излучения и приема с углом раствора не менее 60° в плоскостях сечения и расположен на измерительном участке трубопровода таким образом, что ось диаграммы направленности преимущественно перпендикулярна к продольной оси трубопровода, первый обратимый электроакустический преобразователь смещен относительно второго по направлению потока на расстояние не более 2.5D, где D - диаметр трубопровода, причем внешняя излучающая поверхность каждого обратимого электроакустического преобразователя преимущественно совмещена с внутренней поверхностью трубопровода (см. международную заявку PCT/RU 2003/000091 от 03.03.2005).
Однако данное устройство не обеспечивает достаточную точность измерения малых расходов на трубопроводах малого диаметра, при диаметрах измерительного участка меньше 150 миллиметров и скорости потока меньше одного метра в секунду, тем самым не обеспечивает достаточный динамический диапазон измеряемых расходов с приемлемой точностью.
Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения расхода жидкой и/или газообразной среды в большом динамическом диапазоне расходов.
Достигается это тем, что ультразвуковой способ измерения расхода жидких и/или газообразных сред, согласно первому изобретению, включает излучение ультразвуковых колебаний по потоку измеряемой среды и против него, прием прошедших среду колебаний и преобразование их в электрические сигналы с последующим их анализом, при этом используют как минимум два обратимых электроакустических преобразователя, расположенных на диаметрально противоположных образующих измерительного участка трубопровода и смещенных относительно друг друга вдоль его оси на расстояние от 2 до 10 D, где D - диаметр измерительного участка, причем по центру измерительного участка вдоль оси установлена акустически непрозрачная перегородка, длиной превышающая расстояние между электроакустическими преобразователями с отверстием в центре между ними, ось диаграммы направленности электроакустических преобразователей в поперечном сечении трубопровода перпендикулярна к поверхности перегородки, а анализ производят как электрических сигналов, преобразованных от ультразвуковых импульсов, прошедших через отверстие в пластине напрямую от преобразователя к преобразователю, так и/или электрических сигналов - от ультразвуковых импульсов, прошедших через однократное и/или многократное отражение от поверхности перегородки и от внутренней поверхности трубопровода.
Согласно второму изобретению технический результат достигается тем, что ультразвуковой расходомер содержит блок формирования и анализа электрических импульсов, своими входами-выходами электрически связанный как минимум с двумя обратимыми электроакустическими преобразователями, расположенными на диаметрально противоположных образующих измерительного участка трубопровода и смещенными относительно друг друга вдоль его оси на расстояние от 2 до 10 D, где D - диаметр измерительного участка, по центру которого вдоль оси установлена акустически непрозрачная перегородка, длиной превышающая расстояние между электроакустическими преобразователями с отверстием в центре между ними, при этом оси диаграмм направленности электроакустических преобразователей в поперечном сечении трубопровода перпендикулярны к поверхности перегородки, кроме того, блок формирования и анализа электрических импульсов содержит контроллер, электрически связанный как минимум с двумя канальными приемопередатчиками, двумя АЦП, генератором импульсов, индикатором и узлом интерфейса, причем генератор импульсов электрически связан с канальными приемопередатчиками, каждый из которых взаимосвязан с соответствующим АЦП и с соответствующим входом - выходом электрической связи блока формирования и анализа электрических импульсов с обратимым электроакустическим преобразователем, а также оси диаграмм направленности электроакустических преобразователей преимущественно перпендикулярны к продольной оси трубопровода и поверхности перегородки, причем внешняя излучающая поверхность каждого электроакустического преобразователя преимущественно совмещена с внутренней поверхностью трубопровода с обеспечением прохождения ультразвукового импульса от одного электроакустического преобразователя к другому через отверстие в перегородке после 2n-кратного отражения от поверхности перегородки и внутренней поверхности трубопровода, где n - целое число, от 1 до 20, а также электроакустические преобразователи расположены таким образом, что внешняя излучающая поверхность каждого электроакустического преобразователя совмещена с соответствующей противоположно расположенной поверхностью перегородки, измерительный участок трубопровода и перегородка могут быть изготовлены из металла и/или пластика, а на поверхности перегородки перпендикулярно оси трубопровода расположены канавки овальной формы, количество и местоположение которых определяется количеством отражений ультразвукового импульса от поверхности перегородки и внутренней поверхности трубы по пути распространения ультразвукового импульса от одного электроакустического преобразователя к другому.
Сущность изобретений заключается в том, что выполнение предлагаемого устройства вышеописанным образом позволяет значительно увеличить расстояние между электроакустическими преобразователями вдоль оси измерительного участка, а это дает возможность увеличить разрешающую способность измерения скорости потока, тем самым расширить диапазон измеряемых расходов в сторону малых расходов.
Кроме того, перегородка с поперечными канавками, установленная на оси измерительного участка трубопровода, обладает эффектом фокусирования излучаемого ультразвуковыми преобразователями акустического сигнала, что приводит к увеличению отношения сигнал - шум принимаемого сигнала и, как следствие, повышению достоверности и точности измерения в широком динамическом диапазоне расходов.
Перегородка на оси измерительного участка к тому же выполняет функцию струевыпрямления и выравнивания потока, что также приводит к повышению точности вычисления расхода и снижению требований к длине прямых участков трубопровода до измерительного участка и после него.
Сравнение предложенного способа и устройства с ближайшими аналогами позволяет утверждать о соответствии критерию «новизна», а отсутствие в аналогах отличительных признаков говорит о соответствии критерию «изобретательский уровень».
Предварительные испытания позволяют судить о возможности широкого промышленного применения.
На фиг.1 представлена конструкция предлагаемого устройства и его функциональная блок-схема, а на фиг.2 и 3 - варианты расположения электроакустических преобразователей на рабочем участке с перегородкой.
Ультразвуковой способ измерения расхода жидких и/или газообразных сред включает излучение ультразвуковых колебаний по потоку измеряемой среды или против потока, прием прошедших среду колебаний, преобразование в электрические сигналы и запоминание их, излучение ультразвуковых колебаний против потока измеряемой среды или по потоку, прием прошедших среду колебаний, преобразование в электрические сигналы и запоминание их, а также анализ вышеуказанных электрических сигналов для определения разности времен прохождения ультразвуковых колебаний по потоку и против него для вычисления расхода среды.
При этом используют как минимум два обратимых электроакустических преобразователя, расположенных на диаметрально противоположных образующих измерительного участка трубопровода и смещенных относительно друг друга вдоль его оси на расстояние от 2 до 10 D, где D - диаметр измерительного участка, на оси которого установлена акустически непрозрачная перегородка, длиной превышающая расстояние между электроакустическими преобразователями с отверстием в центре между ними, при этом ось диаграммы направленности электроакустических преобразователей преимущественно перпендикулярна к поверхности перегородки, а их внешняя излучающая поверхность преимущественно совмещена с внутренней поверхностью измерительного участка.
Следует отметить, что анализ производят как электрических сигналов, преобразованных от ультразвуковых импульсов, прошедших через отверстие в перегородке напрямую от преобразователя к преобразователю, так и/или электрических сигналов от ультразвуковых импульсов, прошедших через (2n)-кратное отражение от поверхностей перегородки и (2n)-кратное отражение от внутренней поверхности измерительного участка, где n - целое число от 1 до 20.
Ультразвуковой расходомер содержит блок (1) формирования и анализа электрических импульсов, электрически связанный как минимум с двумя обратимыми электроакустическими преобразователями (2 и 3), расположенными на диаметрально противоположных образующих измерительного участка трубопровода (4) и смещенными относительно друг друга вдоль его оси (6) на расстояние от 2 до 10 D, где D диаметр измерительного участка.
По центру измерительного участка вдоль его оси (6) установлена акустически непрозрачная перегородка (15) с отверстием (16) посередине и, длиной превышающая расстояние между акустическими преобразователями. Установка и укрепление перегородки (15) могут быть осуществлены путем склеивания или сварки. Кроме того, (фиг.3) первый и второй электроакустические преобразователи (2 и 3) могут быть установлены с диаметрально противоположных сторон измерительного участка таким образом, что их внешние излучающие поверхности преимущественно совмещены с противоположными поверхностями перегородки (15), установленной на оси (6) измерительного участка, длиной превышающей расстояние между электроакустическими преобразователями, с отверстием (16) в центре между ними, а ось диаграммы направленности электроакустических преобразователей (16) преимущественно перпендикулярна поверхности перегородки (15).
При этом производят анализ сигналов, преобразованных от ультразвуковых импульсов, прошедших через отверстие в перегородке как через двукратное отражение от внутренней поверхности измерительного участка, так и/или сигналов от ультразвуковых импульсов, прошедших (2n+2)-кратное отражение от внутренней поверхности измерительного участка и (2n)-кратное отражение от поверхностей перегородки, где n - целое число от 1 до 20.
Блок (1) формирования и анализа электрических импульсов содержит контроллер (7), электрически связанный как минимум с двумя канальными приемопередатчиками (8 и 9), двумя АЦП (10 и 11), генератором импульсов (12), индикатором (13) и узлом (14) интерфейса. Контроллер (7) может быть реализован на сигнальном процессоре фирмы «Моторола» DSP56311.
Канальные приемопередатчики (8, 9) предназначены для приема и усиления электрических сигналов от электроакустических преобразователей (2, 3), а также усиления сигналов генератора импульсов (12) и согласования с электроакустическими преобразователями (2, 3).
Электрические сигналы, усиленные канальными приемопередатчиками (8, 9), преобразуются аналого-цифровыми преобразователями (10, 11) в цифровые сигналы для последующей обработки контроллером (7). Блок питания на фиг.1 отсутствует, но он может быть расположен как в блоке (1), так и вне его.
Узел (14) интерфейса обеспечивает связь устройства посредством стандартных интерфейсов RS232 или RS485, а также M-Bus. Результаты измерения отображаются на индикаторе, а также могут быть переданы посредством каналов связи в систему сбора информации.
Устройство работает следующим образом.
Под управлением программы, записанной в ПЗУ контроллера (7), запускается генератор импульсов (12), с одного из выходов которого прямоугольные импульсы поступают на вход канального приемопередатчика (8), усиленный им электрический сигнал поступает на электроакустический преобразователь (2), который преобразует этот сигнал в ультразвуковые колебания среды в измерительном участке трубопровода.
После n-кратного отражения от внутренней поверхности измерительного участка и от поверхности перегородки (15), прохождения через отверстие в перегородке (15) и n-кратного отражения от внутренней поверхности рабочего участка и поверхности перегородки (15), где n - любое целое число от 1 до 20, ультразвуковой сигнал попадает на электроакустический преобразователь (3), преобразуется им в электрический сигнал и поступает на вход канального приемопередатчика (9), усиленный им сигнал преобразуется аналого-цифровым преобразователем (11) в цифровой код и запоминается в оперативной памяти контроллера (7).
Аналогично после поступления импульсов с генератора импульсов (12) на второй канальный приемопередатчик (9) и с его выхода на электроакустический преобразователь (3), после n-кратного отражения от внутренней поверхности измерительного участка и поверхности перегородки, прохождения через отверстие в перегородке (15) и n-кратного отражения от поверхности измерительного участка и поверхности перегородки (15), где n - любое целое число от 1 до 20, ультразвуковой сигнал попадает на электроакустический преобразователь (2), преобразуется им в электрический сигнал, усиливается канальным приемопередатчиком (8), преобразуется аналого-цифровым преобразователем (10) в цифровой код и записывается в ОЗУ контролера (7). В контроллере (7) производится анализ принятых сигналов для определения разности времен прохождения ультразвуковых колебаний по потоку и против потока и вычисления скорости и расхода среды.
Преимуществом предлагаемой конструкции является увеличение расстояния между датчиками вдоль оси потока и, как следствие, увеличение разрешающей способности на малых расходах а, следовательно, увеличение динамического диапазона и точности измерения расхода. Благодаря перегородке (15), установленной на оси (6) измерительного участка, происходит выделение акустических импульсов по выбранному акустическому пути (17), вследствие фокусирующего эффекта, который может быть дополнительно увеличен с помощью канавок (18) овальной формы на поверхности перегородки (15). Кроме того, перегородка (15) на оси измерительного участка к тому же выполняет функцию струевыпрямления и выравнивания потока, что также приводит к повышению точности вычисления расхода и снижению требований к длине прямых участков трубопровода до измерительного участка и после него.
Таким образом, в предложенных изобретениях достигается поставленный технический результат.