ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО КОРИОЛИСОВА ТИПА
CORIOLIS-TYPE METER

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения массового расхода жидкостей, протекающих по трубопроводам, например, при транспортировке нефтепродуктов.
Известные измерительные расходомеры, основанные на применении силы Кориолиса в колеблющихся трубках, через которые протекает жидкость, используются для измерения массового потока жидкости, ее плотности и некоторых других параметров. Работа измерительной системы происходит на определенной, обычно резонансной частоте одной из собственных мод колебаний измерительной колебательной системы, состоящей из одной или нескольких измерительных расходных трубок различных конфигураций (патент США №4491025, МГЖ G01F 1/84, от 01.01.1985 г.).
В идеальном устройстве при отсутствии потока жидкости через трубку колебания разных точек измерительной (расходной) трубки происходят с одинаковой фазой. При появлении потока жидкости в результате давления движущихся частиц жидкости на стенки измерительных трубок колебания искажаются. Главный эффект, используемый для измерений, - появление разности фаз между колебаниями разных точек измерительной трубки. Измеряемая разность фаз пропорциональна массовому потоку жидкости. Коэффициент пропорциональности называется калибровочным расходным коэффициентом.
Недостатки такого типа измерительных устройств связаны с возможным появлением разного рода медленных и быстрых изменений (нестабильностей) в параметрах измерительной колебательной системы. Медленная нестабильность параметров может быть связана с изменением температурного поля, появлением механических напряжений в конструкции, с изменением упругости механических сочленений, с изменением поперечного сечения измерительных трубок и т.п. Быстрые изменения обусловлены как внешними вибрациями и ударами, так и внутренними резкими изменениями однородности потока жидкости (воздушные и газовые пузыри, твердые и жидкие включения). При всех этих факторах воздействия стабильность и точность измерений, проводимых традиционным способом, предполагающим неизменность параметров колебательной системы, может нарушаться.
Один из путей преодоления такого рода проблем - различные довольно многочисленные способы температурной компенсации, механической стабилизации и балансировки, акустической изоляции, выполненные в различных видах и комбинациях.
Измерительные приборы могут иметь как криволинейную трубку, так и прямолинейную расходомерную трубку. Те и другие типы расходомеров нуждаются в компенсации изменения модуля упругости расходомерной трубки с изменением температуры, внешних напряжений, внутреннего давления и по другим причинам. Большинство изобретений решают проблему компенсации лишь части воздействующих неблагоприятных факторов.
Известно измерительное устройство кориолисова типа, в котором специально подобранные форма колеблющейся трубки и места закрепления трубки максимально увеличивают акустическую изоляцию колеблющейся расходомерной трубки, повышая добротность колебательной системы. Изобретение обеспечивает хорошую защиту от вибрационных шумов, повышается стабильность работы, и уменьшается энергопотребление измерительного устройства (патент США №6477902, МПК G01F 1/84). Недостатком данного устройства является отсутствие защиты от существенных резких изменений плотности, давления и температуры протекающей жидкости.
Известно также измерительное устройство кориолисова типа, в котором для стабилизации коэффициента калибровки предложено использовать балансировочный стержень специальной конструкции, выполненный методом отливки и имеющий увеличенное число крепежных элементов, компенсирующих изменения плотности протекающей по расходомерной трубке жидкости (патент РФ №2234684, МПК G01F 1/84, 13.01.2003 г.). Это изобретение, как и вышеперечисленные, не обеспечивает компенсации полного набора неблагоприятных факторов, приводящих к изменениям эффективного модуля упругости колебательной системы.
Известно измерительное устройство кориолисова типа, в котором для решения проблемы минимизации ошибок измерений, возникающих вследствие ухода параметров, в частности изгибной жесткости расходной трубки, от известных начальных значений, предложено измерять текущее значение изгибной жесткости и других параметров и по факту несовпадения этих значений, начального и текущего, сигнализировать о наличии ошибки и проводить корректировку калибровочного расходного коэффициента, причем текущую жесткость определяют путем решения модели с одной или несколькими степенями свободы с использованием прямых измерений жесткости или измерений передаточной функции частотного отклика колебательной системы. При этом способ измерения массового расхода жидкости основан на его пропорциональности разности фаз колебаний двух разных точек гармонически вибрирующей расходомерной трубки (патент РФ №2324150, МПК G01F 1/84, 14.01.2006 г.). Недостатком данного устройства является значительная погрешность измерений из-за того, что измерения жесткости проводятся без учета потока жидкости через расходную трубку, т.е. в условиях приостановки работы массового расходомера.
Известно измерительное устройство кориолисова типа, содежащее 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 устройства является то, что оно обеспечивает компенсацию лишь ограниченного числа вредных факторов на изменения модуля упругости расходомерной трубки. Оно не учитывает, например, в достаточной степени возможные одновременные изменения температуры и давления в жидкости, вариации плотности и вязкости протекающей через расходомерные трубки среды, которые также могут существенно ухудшить точность измерения массового расхода.
Наиболее близким к предлагаемому устройству по достигаемому техническому результату и технической сущности (прототипом) является известное измерительное устройство кориолисова типа, содержащее 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 изгибных колебаний, расположенный в центре расходомерных трубок, генератор широкополосного сигнала, выход которого подключен к возбудителю изгибных 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, блок вычисления передаточной функции изгибных колебаний, входы которого подключены к выходам возбудителя и сенсорных приемников, и блок аппроксимации эталонной функцией, соединенный с выходом блока вычисления передаточной функции, при этом выход блока аппроксимации эталонной функцией соединен с управляющим входом генератора широкополосного сигнала (патент РФ №2457443, МПК G01F 1/84, приоритет от 20.01.2011 г.).
Недостатком данного устройства является то, что в нем в силу отсутствия измерителя температуры в недостаточной степени обеспечена компенсация температурных изменений разности фаз при нулевом потоке и калибровочного расходного коэффициента, а также невозможность одновременно с измерением массового расхода и плотности жидкости измерять вязкость и температуру жидкости без использования термодатчиков.
Техническим результатом изобретения является повышение точности и стабильности измерений физических параметров жидкости за счет улучшенной компенсации температурного дрейфа нулевой разности фаз и калибровочного расходного коэффициента, а также обеспечение возможности одновременно с измерением массового расхода и плотности жидкости измерять вязкость и температуру жидкости без использования термодатчиков.
Технический результат достигается за счет того, что измерительное устройство кориолисова типа, содержащее 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 изгибных колебаний, расположенный в центре расходомерных трубок, генератор широкополосного сигнала, выход которого подключен к возбудителю изгибных 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, блок вычисления передаточной функции изгибных колебаний, входы которого подключены к выходам возбудителя и сенсорных приемников, и блок аппроксимации эталонной функцией, соединенный с выходом блока вычисления передаточной функции изгибных колебаний, при этом выход блока аппроксимации эталонной функцией соединен с управляющим входом генератора широкополосного сигнала, снабжено возбудителем крутильных колебаний, вмонтированным между расходомерными трубками во впускном разъеме, приемником крутильных колебаний, вмонтированным симметрично между расходомерными трубками в выпускном разъеме, блоком вычисления передаточной функции крутильных колебаний с подключенным к его выходу блоком аппроксимации крутильных колебаний, а также блоком вычисления температуры, при этом генератор широкополосного сигнала выполнен двухканальным с обеспечением генерации на первом канале сигнала в окрестности резонансной частоты изгибных колебаний, а на втором канале - в окрестности резонансной частоты крутильных колебаний, причем выход второго канала подключен к возбудителю крутильных колебаний, приемник крутильных колебаний соединен с входом блока вычисления передаточной функции крутильных колебаний, входы блока вычисления температуры подключены к соответствующим выходам блоков аппроксимации изгибных и крутильных колебаний, а его выходы подключены к соответствующим входам блоков вычисления передаточных функций изгибных и крутильных колебаний.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена блок-схема предложенного измерительного устройства кориолисова типа. Устройство содержит корпус 1 в виде участка монтируемого трубопровода, присоединенный к корпусу 1 впускной разъем 2, расходомерные трубки 3 и 4, через которые поток разделяется на два равных потока, выпускной разъем 5, через который поток выходит из расходомера в трубопровод, две прямые расходомерные трубки 3 и 4 механически зажаты на обоих концах, образуя механическую осциллирующую систему, которая расположена аксиально симметрично в корпусе 1, возбудитель изгибных колебаний 6, генератор широкополосных сигналов 7, выполненный двухканальным с обеспечением генерации на первом канале сигнала в окрестности резонансной частоты изгибных колебаний, а на втором канале - в окрестности резонансной частоты крутильных колебаний, первый выход которого подключен к возбудителю изгибных колебаний 6, сенсорные приемники 8 и 9, расположенные на равных расстояниях от возбудителя 6, последовательно соединенные блок вычисления передаточной функции изгибных колебаний 10 и блок аппроксимации эталонной функцией 11, при этом выходы сенсорных приемников 8 и 9 соединены с входом блока вычисления передаточной функции 10, а выход блока аппроксимации эталонной функцией 11 соединен с управляющим входом генератора широкополосного сигнала 7, а также возбудитель крутильных колебаний 12, вмонтированный между расходомерными трубками 3 и 4 во впускном разъеме 2, приемник крутильных колебаний 13, вмонтированный симметрично между расходомерными трубками 3 и 4 в выпускном разъеме 5, блок вычисления передаточной функции крутильных колебаний 14 с подключенным к его выходу блоком аппроксимации канала крутильных колебаний 15, а также блок вычисления температуры 16, при этом выход второго канала генератора широкополосного сигнала 7 подключен к возбудителю крутильных колебаний 12, приемник крутильных колебаний 13 соединен с входом блока вычисления передаточной функции крутильных колебаний 14, входы блока вычисления температуры 16 подключены к соответствующим выходам блоков аппроксимации изгибных и крутильных колебаний 11 и 15, а его выходы подключены к соответствующим входам блоков вычисления передаточной функции изгибных и крутильных колебаний 10 и 14.
изг
1
2
±
1
2
-
+
изг
-
+
изг
1,2
1,2
<mrow><msub><mi>D</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>A</mi><mo>−</mo></msub><mrow><mo>(</mo><mi>ω</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>A</mi><msub><mrow><mrow><mo>(</mo><mi>ω</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>г</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>D</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>A</mi><mo>−</mo></msub><mrow><mo>(</mo><mi>ω</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>A</mi><mrow><mo>(</mo><mi>ω</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow>
Устройство работает следующим образом. Широкополосный сигнал a(t) центральной частотой, приближенно равной одной из резонансных частот, первой или второй моды изгибных колебаний расходомерных трубок 3 и 4, подается на возбудитель изгибных колебаний 6 с первого выхода генератора широкополосных сигналов 7, при этом в расходомерных трубках 3 и 4 возбуждаются противофазные изгибные колебания, являющиеся механическим откликом на возбуждающее воздействие. Сенсорные приемники 8 и 9 принимают изгибные колебания, преобразовывая их в электрические сигналы, являющиеся комплексными функциями амплитудно-частотного отклика колебательной системы, соответственно а(t) и a(t). При возникновении потока жидкости через впускной разъем 2, расходомерные трубки 3 и 4 и выпускной разъем 5 сигналы с приемных сенсоров 8 и 9 изменяются. Главным изменением, вызванным потоком, является появление в функции амплитудно-частотного отклика мнимой части, т.е. сигнала, сдвинутого по фазе на 90° по отношению к сигналу без потока. Эти сигналы и возбуждающий сигнал с возбудителя 6 поступают в блок вычисления передаточной функции 10. В этом блоке на первом этапе вычисляются сумма и разность сигналов, снятых с сенсорных датчиков, A(t)=a±(t)±a(t)). На втором этапе производится операция вычисления передаточной функции. Функционирование устройства возможно в двух вариантах: в частотном диапазоне, включающем окрестность резонансной частоты первой моды и второй моды. В первом варианте на втором этапе вычисляется передаточная функция, имеющая вид
, где A(ω), A(ω), A(ω) - комплексные Фурье-образы соответствующих сигналов a(t), a(t), a(t). Во втором варианте при работе в окрестности второго резонанса предпочтительнее использование функции в виде
. Затем выделяются действительные и мнимые части передаточных функций: ReD и ImD.
1,2
1,2
В блоке аппроксимации 11 над экспериментальными данными, представленными в виде ImD, производится операция аппроксимации с помощью эталонной функции. Эталонная функция является результатом аналитического решения задачи колебаний участка трубы с потоком жидкости внутри него (М.А.Миронов, П.А.Пятаков, А.А.Андреев. Вынужденные колебания трубы с потоком жидкости. Акустич. ж. 2010, т.56, №5, с.1-9). Эталонная функция, используемая для аппроксимации ImD, является функцией круговой частоты ω. Она имеет следующий вид:
<mrow><mi>Im</mi><msub><mi>D</mi><mrow><mn>1,2</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mi>C</mi><mo>+</mo><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mfrac><mrow><msup><mi>ω</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><msub><mi>ω</mi><mrow><mn>1,2</mn></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>U</mi><mo>+</mo><msub><mi>B</mi><mi>ε</mi></msub></mrow><mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mfrac><mrow><msup><mi>ω</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><msub><mi>ω</mi><mrow><mn>1,2</mn></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mi>ε</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac></mrow>
,
1,2
1,2
0
1,2
где U - параметр, пропорциональный массовому расходу, ε - параметр потерь, ω - резонансные частоты, B, C - параметры, определяющие свойства колебательной системы. Параметры B, C, U, ω, ε, являясь подгоночными, определяются при аппроксимации полученных данных эталонной функцией одним из известных методов, например методом наименьших квадратов. Если при изменении массового расхода параметры колебательной системы меняются, то это находит отражение в изменении соответствующих подгоночных параметров. При проведении каждой операции аппроксимации на выходе вычислительного блока 11 формируется полный набор «измеренных» параметров среды и колебательной системы. Вычисленное значение резонансной частоты поступает в блок генерации широкополосных сигналов 7 для подстройки центральной частоты в соответствии с равенством F=ω/2π.
крут
3
крут
3
крут
3
3
2
3
<mrow><msub><mi>D</mi><mn>3</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>A</mi><mn>3</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>ω</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>A</mi><mrow><mi>к</mi><mi>р</mi><mi>у</mi><mi>т</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mi>ω</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow>
Аналогичные преобразования производятся в канале крутильных колебаний. Широкополосный сигнал a(t) с центральной частотой, приближенно равной резонансной частоте первой моды крутильных колебаний расходомерных трубок 3 и 4, подается на возбудитель крутильных колебаний 12 со второго выхода генератора широкополосных сигналов 7, при этом в расходомерных трубках 3 и 4 возбуждаются противофазные крутильные колебания, являющиеся механическим откликом на возбуждающее воздействие. Сенсорный приемник 13 принимает крутильные колебания, преобразовывая их в электрический сигнал a(t). При возникновении потока жидкости сигнал с приемного сенсора 13 изменяется. Изменения в электрическом сигнале, вызванные потоком, в отличие от изменений сигнала в канале изгибных колебаний не зависят от скорости потока, а являются лишь следствием изменения температуры, вязкости и плотности жидкости. В блоке вычисления передаточной функции 14 производятся операции частотной фильтрации, вычисления комплексных Фурье-образов A(ω), A(ω) сигналов a(t), a(t) и передаточной функции канала крутильных колебаний
. В блоке 15 выполняется аппроксимация модуля вычисленной передаточной функции |D| с помощью эталонной функции, соответствующей простейшей колебательной системе. Подгоночные параметры, соответствующие резонансной частоте ω и параметру потерь ε, вычисленные при аппроксимации методом наименьших квадратов, определяют в соответствии с калибровочными зависимостями первое приближение к температуре и вязкость жидкости.
<mrow><msqrt><mrow><mi>ρ</mi><mi>η</mi></mrow></msqrt></mrow>
Измеренные в канале обработки изгибных колебаний параметр плотности ρ и в канале обработки крутильных колебаний параметр вязкости η используются в блоке 16 для вычисления поправки второго приближения к значению температуры. Эта поправка учитывает возможные изменения в плотности и вязкости жидкости и пропорциональна
. Коэффициент пропорциональности находится при калибровке измерительного устройства. Найденное таким образом значение температуры используется для введения компенсаций при температурном дрейфе фазы и температурном изменении расходного коэффициента.
Изобретение позволяет решить две задачи. Во-первых, расширить функциональные возможности измерительного устройства, взятого за прототип, путем добавления к функциям измерения массового потока и плотности еще и измерения параметров вязкости и температуры. Во-вторых, обеспечить улучшенную температурную компенсацию значения массового расхода для измерительного устройства кориолисова типа, причем без использования датчиков температуры.