ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ СПОСОБ КОНТРОЛЯ СКОРОСТИ ПОТОКА ЖИДКИХ СРЕД В ТРУБОПРОВОДАХ
HYDROACOUSTIC METHOD OF MONITORING FLOW RATE OF LIQUID MEDIA IN PIPELINES

Изобретение относится к области гидроакустической метрологии, а именно измерению параметров гидроакустического поля с помощью приемоизлучающих электроакустических преобразователей (ЭАП) в жидкой, прокачиваемой в трубах среде и может быть использовано в целях контроля скорости потока и объемов прокачиваемых сред.
Предмет предлагаемого изобретения (способ измерения скорости потока жидких сред) нашел свою реализацию как в виде результатов теоретических исследований, так и на практике - в виде специальных устройств, в частности, широко известны такие устройства с реализованными аналогами данного изобретения, как, например, бытовые и промышленные счетчики объемов прокачиваемых по трубопроводам газа, воды или горючего, использующие встроенные в эти среды механические и акустические датчики скорости потока жидких сред, причем последние могут быть и внешними, но имеющими акустико-механический контакт с трубопроводом. В литературных источниках отмечается использование и других полей, характеристики которых могут изменяться в зависимости от динамического состояния среды, например измерение скорости потока электропроводящих сред в магнитном поле по контролю индуцируемой при этом эдс [1-3].
Гидроакустические аналоги [4-9] имеют в своей основе различные виды контроля характеристик гидроакустического поля, создаваемого излучающими ЭАП в прокачиваемой среде, с помощью расположенных на определенном расстоянии от излучателей приемных ЭАП, а также электронных устройств, которые генерируют ультразвуковой сигнал, подаваемый на излучатель, и проводят анализ принятого приемником сигнала по его частотно-фазовым и корреляционно-временным параметрам. Главной характеристикой таких аналогов, реализуемой в конструкциях контролирующих устройств, является использование доплеровского эффекта - свойства изменения величины суммарного вектора скорости звука в прокачиваемой среде, воздействующего на приемный ЭАП, в зависимости от взаимного расположения векторов скорости звука в неподвижной среде и скорости потока среды, а именно, увеличение его при их совпадении и уменьшение - при противоположных направлениях последних, что приводит к флюктуациям указанных выше параметров принимаемого сигнала, используемых в целях контроля, в конечном итоге, скорости потока и объемов прокачиваемых сред.
В качестве прототипа изобретения выбран наиболее близкий к последнему из перечисленных аналогов способ контроля частотно-фазового сдвига, вызванного доплеровским эффектом между излученным и принятым сигналами, или коэффициента взаимной корреляции между ними [9], реализованный в портативном одноканальном ультразвуковом расходомере. Определение «одноканальный» принят в этом источнике для устройства, в состав которого кроме электроакустических излучателя и приемника а также электронных устройства излучения, обработки и отображения принятого сигнала, включен участок контролируемой среды, в то время как названное определение может быть отнесено к гидроакустическому каналу в целом, фактически включающем электрические каналы излучения, приема и объединяющую их в одну цепь водную среду.
Как нетрудно видеть, аппаратурная реализация приведенных аналогов, также как и выбранного прототипа, характеризуется необходимостью применения двухканальной схемы - наличием каналов излучения и приема, включающих электроакустические излучатели и приемники и соответствующие им электронные устройства излучения, обработки и отображения принятого сигнала. Преобладающее большинство реализации способов, принятых в качестве аналогов, имеют в своей основе использование встраиваемых гидроакустических датчиков внутри трубопроводов с соблюдением жестких требований по их взаимному расположению, что уменьшает их надежность и ремонтопригодность, а также полностью исключает такое необходимое в некоторых случаях свойство, как мобильность. Исключение составляет цитированный выше источник [9], в котором представлено описание реализации способа с «времяпролетным корреляционным измерением» в автономном устройстве. Однако, как правило, конструкция подобных устройств представляет собой встраиваемые в трубопровод блоки, обеспечивающие получение и передачу потребителям информацию по контролируемому параметру.
Техническим результатом изобретения является существенное упрощение реализуемых по заявляемому способу устройств со значительным снижением затрат на проектирование, разработку, а также установку и эксплуатацию, что повлечет за собой повышение их надежности, в общем смысле, и ремонтопригодности, в частном. Что касается такого параметра, как точность измерений, то реальные требования потребителей могут быть удовлетворены выбором конструкции электроакустических излучателей и соответствующим электронным обеспечением.
Указанный результат достигается использованием известного свойства электроакустических излучателей изменять свое сопротивление излучения, имеющее, как правило, комплексный характер, в соответствии с изменением характеристик среды - плотности, температуры и давления. Следовательно, контролируя соотношение величин активной и реактивной частей составляющих сопротивления излучения, можно получать информацию о характеристиках среды и их динамике, т.е. в нашем случае скорости потока при прокачивании жидких сред в трубопроводах. Наиболее полно указанное соотношение при работе генератора на комплексную нагрузку характеризует фазовый сдвиг между подводимым к излучателю электрическим напряжением и потребляемым им током, что и определяет выбор его (фазового сдвига) в качестве контролируемого параметра, в предлагаемом способе контроля потока жидких сред в трубопроводе.
Сопоставительный анализ предлагаемого способа с рассмотренными аналогами показывает, что заявляемый способ содержит, во-первых, результат решения известной задачи - оперативного контроля скорости потока жидких сред в трубопроводах - с новым объектом контроля, а именно электронной частью канала излучения гидроакустических сигналов, во-вторых, обоснование выбора нового контролируемого параметра - фазового сдвига между подводимым к излучателю напряжением и потребляемым им током и наконец, в-третьих, новую форму реализации этого способа - установку излучателя с акустико-механической связью с звукопроводящим трубопроводом на внешней его поверхности.
Практическая реализация данного изобретения может быть достигнута достаточно просто - исключением канала приема и введением устройства контроля обозначенного выше существенного отличительного признака (фазового сдвига) в канал излучения одного из аналогов.
Источники информации
1. Паршин В.М. Приборы и методы комплексных поточных измерений вязкости, плотности и скорости движения жидкости. М., Мет. 1990.
2. Гост 001.017.120.010 Измерение параметров потока жидкости в закрытых каналах.
3. Расходомеры. Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия, 1966, т.4, с.375.
7
4. Патент US №4032259, МПК G01F 1/66, 28.06.1977.
7
5. Патент РФ №2018089, МПК G01F 1/66, 15.08. 1994.
7
6. Патент РФ №2209401, МПК, G01F 1/66, 06.07.2001.
7
7. Патент РФ №2180432, МПК G01F 1/66, 10.02.2002.
7
8. Патент РФ №2210062, МПК G01F 1/66, 11.06.2003.
9. Портативный одноканальный ультразвуковой расходомер с графическим дисплеем KATFlow 200. Каталог фирмы Inno-Tech (http://www. inno-tech.ru/catalog/1/19).