УЛЬТРАЗВУКОВОЙ РАСХОДОМЕР
ULTRASONIC FLOWMETER

Изобретение относится к расходоизмерительной технике, в частности, к конструкциям ультразвуковых расходомеров жидкости, основанных на измерении разности времен прохождения ультразвуковых колебаний по потоку и против него, для трубопроводов малого диаметра, и может найти применение в нефтяной, химической и атомной отраслях промышленности, а также в теплоэнергетике.
L
Известен времяимпульсный ультразвуковой расходомер, содержащий мерный участок трубопровода, измерительный блок и два электроакустических преобразователя, установленные друг за другом по потоку на одной стороне трубопровода, для излучения ультразвуковых сигналов под углом α к оси потока и их приема после отражения от внутренней поверхности противоположной стороны трубопровода, при этом электроакустические преобразователи подключены к измерительному блоку [1]. В известном ультразвуковом расходомере разность времен Δτ перемещения ультразвуковых колебаний по потоку и против него по трассе их распространения длиной L, связанная со средней скоростью потока V, определяется уравнением
где с - скорость распространения ультразвуковых колебаний в неподвижной измеряемой жидкости; α - угол трассы распространения ультразвуковых колебаний к оси потока, L - длина трассы распространения ультразвуковых колебаний, которая для использованной в известном ультразвуковом расходомере схемы установки электроакустических преобразователей с отражением ультразвукового сигнала от внутренней поверхности трубопровода диаметром D, равна 2 D / sin α.
-6
-7
-8
-10
Среднее значение Δτ лежит в пределах 10 - 10с, а погрешность его измерения для обеспечения приемлемой точности ультразвукового расходомера в широком диапазоне расходов должна быть не более 10 - 10с [2].
Однако увеличение значения Δτ в предложенном ультразвуковом расходомере за счет увеличения в два раза длины трассы L в соответствии с уравнением (1) не позволяет в полной мере снизить погрешность измерения. Это связано с тем, что наряду с увеличением длины L отражение ультразвуковых колебаний от внутренней поверхности трубопровода сопровождается потерями акустической энергии и значительным уменьшением отношения сигнал/шум в измерительном тракте, в результате чего снижается точность фиксации значения Δτ измерительным блоком, и как следствие точность известного ультразвукового расходомера. Кроме того, его применение затруднено для трубопроводов, имеющих на внутренней поверхности слой коррозии или твердых отложений.
Наиболее близким аналогом заявленному техническому решению является ультразвуковой расходомер для трубопроводов малого диаметра, содержащий измерительный участок, соединенный через входной и выходной патрубки с трубопроводом, и два приемопередающих электроакустических преобразователя, подключенных к электронному блоку [3].
В известном ультразвуковом расходомере с ультразвуковым излучением, направленным вдоль оси потока, измерительный участок с входным и выходным патрубками образуют П-образное колено, в угловых соединениях которого установлены два приемопередающих электроакустических преобразователя. При течении потока в местах соединения измерительного участка с патрубками происходит двойное резкое изменение его направления, что вызывает отрыв потока от внутренней стенки коленного соединения с образованием вихревой зоны, распространяющейся по всей длине измерительного участка, существенно сокращающей сечение основного потока. Интенсивное вихреобразование в зоне установки электроакустических преобразователей приводит к рассеиванию на возникающих возмущениях ультразвуковых волн, ослабляя, распространяющиеся по измерительному участку ультразвуковые сигналы, и искажая их форму, что приводит к увеличению погрешности измерения расхода, а также сокращению диапазона измерения расходов вследствие относительно высокого значения его минимального расхода, при имеющейся значительной длине измерительного участка.
Задачей изобретения является повышение точности предложенного ультразвукового расходомера, а также расширение его диапазона измерения расходов за счет уменьшения минимального значения расхода.
Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, состоит в повышении точности ультразвукового расходомера, а также расширении диапазона измерения расходов за счет уменьшения минимального значения расхода.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в известном ультразвуковом расходомере для трубопроводов малого диаметра, содержащем измерительный участок, соединенный через входной и выходной патрубки с трубопроводом, и два приемопередающих электроакустических преобразователя, подключенных к электронному блоку, согласно заявленному изобретению, измерительный участок выполнен в виде двух полуцилиндрических сегментов, гладко сопряженных с плоскими стенками, образующими проточную часть измерительного участка, представляющую собой узкую внутреннюю полость с шириной меньшей диаметра трубопровода, высотой превышающей его диаметр, и имеющую площадь поперечного сечения, равную площади поперечного сечения трубопровода, при этом контур поперечного сечения узкой внутренней полости имеет форму замкнутой плоской экстремальной кривой, состоящей из двух противоположно-расположенных полуокружностей, сопряженных с двумя параллельными отрезками прямых, расстояние между которыми равно ширине узкой внутренней полости проточной части измерительного участка, входной и выходной патрубки находятся на одной оси и их внутренние поверхности плавно сопрягаются соответственно с началом и концом узкой внутренней полости измерительного участка, причем площадь поперечного сечения патрубков по всей их длине равна площади поперечного сечения трубопровода, два приемопередающих электроакустических преобразователя расположены на наружных поверхностях противоположных полуцилиндрических сегментов измерительного участка под углом к его оси.
Отличительными признаками согласно изобретения является то, что измерительный участок выполнен в виде двух полуцилиндрических сегментов, гладко сопряженных с плоскими стенками, образующими проточную часть измерительного участка, представляющую собой узкую внутреннюю полость с шириной меньшей диаметра трубопровода, высотой превышающий его диаметр, и имеющую площадь поперечного сечения, равную площади поперечного сечения трубопровода, при этом контур поперечного сечения узкой внутренней полости имеет форму замкнутой плоской экстремальной кривой, состоящей из двух противоположно-расположенных полуокружностей сопряженных с двумя параллельными отрезками прямых, расстояние между которыми равно ширине узкой внутренней полости проточной части измерительного участка, входной и выходной патрубки находятся на одной оси и их внутренние поверхности плавно сопрягаются соответственно с началом и концом узкой внутренней полости измерительного участка, причем площадь поперечного сечения патрубков по всей их длине равна площади поперечного сечения трубопровода, два приемопередающих электроакустических преобразователя расположены на наружных поверхностях противоположных полуцилиндрических сегментов измерительного участка под углом к его оси.
Выполнение измерительного участка в виде двух полуцилиндрических сегментов, гладко сопряженных с плоскими стенками, образующими проточную часть измерительного участка, представляющую собой узкую внутреннюю полость с шириной меньшей диаметра трубопровода, высотой превышающей его диаметр, и имеющую площадь поперечного сечения, равную площади поперечного сечения трубопровода, и расположение двух приемопередающих электроакустических преобразователей на наружных поверхностях противоположных полуцилиндрических сегментов измерительного участка под углом к его оси обеспечило увеличение длины трассы L распространения ультразвуковых колебаний по потоку и против потока за счет увеличения высоты внутренней полости по сравнению с диаметром трубопровода D.
В результате с учетом (1) при одной и той же скорости потока V увеличивается значение разности времен Δτ перемещения ультразвуковых колебаний по потоку и против него, что позволило снизить погрешность ее измерения и, следовательно, повысить точность предложенного ультразвукового расходомера. С другой стороны, при минимально возможном значении Δτ, фиксация которого обеспечивается электронным блоком, увеличение длины трассы L привело к снижению минимальных значений измеряемой скорости потока и расхода жидкости, определяемого по минимальному значению скорости потока и известной площади поперечного сечения внутренней полости измерительного участка. Таким образом, следствием снижения минимального расхода явилось расширение диапазона измеряемых расходов в сторону его минимального значения.
В предложенном ультразвуковом расходомере контур поперечного сечения узкой внутренней полости имеет форму замкнутой плоской экстремальной кривой, состоящей из двух противоположно-расположенных полуокружностей, сопряженных с параллельными отрезками прямых, расстояние между которыми равно ширине узкой внутренней полости проточной части измерительного участка.
Приведенная форма замкнутой экстремальной кривой является решением вариации изопериметрической задачи по определению формы замкнутой кривой, охватывающей заданную площадь, при наименьшем значении ее длины, с учетом заданных ограничений, полученным с учетом методов решения задач на максимум и минимум, рассмотренным в [4].
Так как площадь поперечного сечения узкой внутренней полости S задана и равна площади поперечного сечения трубопровода, а длина экстремальной замкнутой кривой F, охватывающей эту площадь, с учетом заданных ограничений минимальна, гидравлический радиус R, представляющий собой отношение площади S к длине кривой F, R=S/F имеет максимальную величину [5].
В результате чего, потери давления ΔР при прохождении потока жидкости через узкую внутреннюю полость измерительного участка, в этих условиях, ограничены минимальным значением.
Предлагаемое изобретение иллюстрируются чертежами на фиг. 1-3.
На фиг. 1 схематически изображен ультразвуковой расходомер, где пунктирной линией обозначена трасса распространения ультразвуковых колебаний под углом α к оси потока со скоростью V; на фиг. 2 представлен разрез А-А, выполненный на фиг. 1; на фиг. 3 показана аксонометрия ультразвукового расходомера.
Ультразвуковой расходомер содержит измерительный участок 1, соединенный через входной 2 и выходной 3 патрубки с трубопроводом (не показан), а также два приемопередающих электроакустических преобразователя подключенных к электронному блоку 6.
Измерительный участок 1 выполнен в виде двух полуцилиндрических сегментов, гладко сопряженных с плоскими стенками, образующими проточную часть измерительного участка, представляющую собой узкую внутреннюю полость 7 с шириной меньшей диаметра трубопровода, высотой превышающей его диаметр, и имеющую площадь поперечного сечения, равную площади поперечного сечения трубопровода.
Контур 8 поперечного сечения узкой внутренней полости имеет форму замкнутой плоской экстремальной кривой, состоящей из двух противоположно-расположенных полуокружностей, сопряженных с двумя параллельными отрезками прямых, расстояние между которыми равно ширине узкой внутренней полости 7 проточной части измерительного участка 1. Входной 2 и выходной 3 патрубки находятся на одной оси и их внутренние поверхности плавно сопрягаются соответственно с началом и концом узкой внутренней полости проточной части измерительного участка 1, при этом площадь поперечного сечения патрубков 2 и 3 по всей их длине равна площади поперечного сечения трубопровода. Два приемопередающих электроакустическим преобразователя 4 и 5 расположены на наружных поверхностях противоположных полуцилиндрических сегментов измерительного участка 1 под углом α к его оси.
Ультразвуковой расходомер работает следующим образом.
С выхода электронного блока 6 на электроакустические преобразователи 4, 5 поочередно подаются электрические импульсы, которые возбуждают ультразвуковые колебания, распространяющиеся между ними в проточной части измерительного участка 1 по направлению потока и против него вдоль трассы длиной L, расположенной под углом α к оси потока. С помощью электронного блока 6 измеряется разность времен Δτ перемещения ультразвуковых колебаний по потоку и против него, связанная со средней скоростью потока зависимостью (1). Затем по известной площади поперечного сечения проточной части вычисляется расход измеряемой жидкости. Выполнение узкой внутренней полости 7 проточной части с высотой, превышающей диаметр трубопровода D, и площадью поперечного сечения, контур которого имеет форму замкнутой плоской экстремальной кривой 8, равной площади поперечного сечения трубопровода, позволило увеличить длину трассы L распространения ультразвуковых колебаний по потоку и против него по сравнению с устройством-прототипом. В результате с учетом (1) при одной и той же скорости потока V увеличивается значение разности времен Δτ, что обеспечило снижение погрешности ее измерения и, следовательно, повышение точности предложенного ультразвукового расходомера. Также при минимально возможном значении Δτ, фиксация которого обеспечивается электронным блоком 6, увеличение длины трассы L привело к снижению минимальных величин измеряемой скорости потока и расхода жидкости. Следствием снижения минимального расхода явилось расширение диапазона измеряемых расходов в сторону его минимального значения.
Оценка эффективности предложенного ультразвукового расходомера
Оценка эффективности предложенного ультразвукового расходомера может быть получена при сравнении его метрологических характеристик - погрешности измерения и минимального значения измеряемого расхода для трубопроводов малого диаметра, с аналогичными характеристиками устройства-прототипа.
Устройство-прототип представляет собой времяимпульсный ультразвуковой расходомер с ультразвуковым излучением, направленным вдоль оси потока, имеющий измерительный участок, выполненный но П-образной схеме, длина которого достигает 10 D, где D, значение его диаметра, равное диаметру трубопровода лежит в пределах от 15 до 40 мм. Метрологические характеристики устройства-прототипа соответствуют типовым значениям ультразвукового расходомера модели UFM003.
3
В устройстве-прототипе, диаметр которого вследствие значительной длины его измерительного участка, ограничен величиной 40 мм, минимальное значение расхода для этого диаметра составляет 0.16 м/ч, при погрешности измерения 5%.
3
В предложенном ультразвуковом расходомере ввод ультразвуковых колебаний в проточную часть измерительного участка осуществляется под углом α к оси потока, с помощью двух накладных приемопередающих электроакустических преобразователей, расположенных на наружных поверхностях противоположных полуцилиндрических сегментов измерительного участка по углом α к его оси. Основным преимуществом применения накладных электроакустических преобразователей является возможность измерения расхода жидкости в трубопроводе без нарушения его целостности, что имеет важное значение для областей использования предложенного расходомера. При этом также исключается образование свободных карманов в стенке трубопровода, в котором устанавливаются врезные электроакустические преобразователи. Наличие этих карманов вызывает вихреобразование в потоке и искажение профиля скоростей, что снижает точность измерения, а в результате засорения карманов возможно нарушение работы расходомера. Однако накладные электроакустические преобразователи, используемые, например, в первичном преобразователе ультразвукового расходомера типа УРСВ-510 предназначены для применения на трубопроводах диаметром D, равным 50 мм и выше, для которого значение минимального расхода составляет 0.5 м/ч при погрешности измерения не более 2%.
3
Исходя из рассмотрения представленных метрологических характеристик расходомера-прототипа, а также условия возможности применения накладных электроакустических преобразователей только для трубопроводов с диаметром D, равным 50 мм и выше следует, что при большей эффективности предложенного расходомера по сравнению с устройством-прототипом, его применение для трубопровода диаметром D, равным 50 мм, позволит обеспечить измерение минимального расхода, значение которого меньше минимального расхода устройства-прототипа, равного 0.16 м/ч, установленного в трубопроводе диаметром 40 мм, при большей точности измерения.
Определение метрологических характеристик предложенного ультразвукового расходомера
т
Проточная часть измерительного участка предложенного расходомера представляет собой узкую внутреннюю полость 7, контур поперечного сечения которой 8 имеет форму замкнутой плоской экстремальной кривой (фиг. 2), состоящей из двух противоположно-расположенных полуокружностей, диаметром d, сопряженных с двумя параллельными отрезками прямых, длиной а, расстояние между которыми d равно ширине узкой внутренней полости 7, меньшей диаметра трубопровода D, высотой Н внутренней полости 7, превышающей его диаметр D, и площадью поперечного сечения внутренней полости S, охваченной замкнутой плоской экстремальной кривой 8, длиной F, равной площади S поперечного сечения трубопровода.
При этом геометрические параметры поперечного сечения узкой внутренней полости определяются следующими выражениями.
Площадь S поперечного сечения к узкой внутренней полости:
т
2
где S=πD/4 - площадь поперечного сечения трубопровода.
Высота Н поперечного сечения узкой внутренней полости:
Длина F замкнутой плоской экстремальной кривой 8, охватывающей площадь S поперечного сечения узкой внутренней полости:
Гидравлический радиус R поперечного сечения узкой внутренней полости:
Согласно (1), для времяимпульсных ультразвуковых расходомеров с вводом ультразвуковых колебаний в измерительный участок под утлом к оси потока, минимально возможная величина разности времен Δτ перемещения ультразвуковых колебаний по потоку и против него, фиксация которой обеспечивается электронным блоком, соответствует минимальным значениям скорости потока и расхода. Минимальная величина Δτ также определяется длиной трассы L распространения ультразвуковых колебаний, которая для известного ультразвукового расходомера пропорциональна диаметру D трубопровода, на котором он установлен, а для предложенного ультразвукового расходомера, установленного на трубопроводе этого же диаметра D, длина трассы L пропорциональна высоте H поперечного сечения узкой внутренней полости проточной части измерительного участка, которая определяется из неравенства:
min1
3
где Q=0.5 м/ч - значение минимального расхода для известного ультразвукового расходомера, установленного на трубопроводе с диаметром D, равным 50 мм;
min2
3
Q=0.16 м/ч - значение минимального расхода устройства - прототипа, установленного на трубопроводе, диаметром 40 мм.
Подставляя в (6) численные значения, получаем
Н>50⋅0.5/0.16=156.25 мм.
Принимаем для Н значение 156.4 мм.
min
Применение предложенного ультразвукового расходомера позволило увеличить длину трассы L по сравнению с применением известного ультразвукового расходомера пропорционально отношению H/D, что привело к снижению измеряемого предложенным расходомером значения расхода Q до величины
min
min1
3
Q=QD⋅/Н=0.5⋅50/156.4=0.15 м/ч,
3
что меньше значения минимального расхода, равного 0.16 м/ч, для устройства-прототипа, установленного на трубопроводе, диаметром 40 мм.
Определим численных значения геометрических параметров поперечного сечения узкой внутренней полости.
Т
2
2
После подстановки в (2) значения S=3.14⋅50/4=1962.5 мм и в (3) значения Н=156.4 мм из решения системы уравнений (2) и (3) определим значения диаметра d и длины отрезка а, равные соответственно 12.8 и 143.6 мм.
При этом длина F замкнутой плоской экстремальной кривой составит (4)
F=3.14⋅12.8+2⋅143.6=327.39 мм,
а значение гидравлического радиуса R (5) будет равно
R=1962.5/327.39=6 мм.
3
3
Следовательно предложенный ультразвуковой расходомер имеет большую эффективность по сравнению с устройством-прототипом, так как его применение для трубопровода диаметром D, равным 50 мм, обеспечило возможность измерения минимального расхода, величиной 0.15 м/ч, что меньше величины минимального расхода 0.16 м/ч для устройства-прототипа, установленного в трубопроводе диаметром D, равным 40 мм, при меньшей погрешности измерения, значение которой для предложенного ультразвукового расходомера составляет 2%, а для устройства-прототипа 5%.
Таким образом предложенное изобретение позволяет повысить точность ультразвукового расходомера, а также расширить диапазон измерения расходов за счет уменьшения минимального значения расхода.
Литература
1. Патент RU 2275603, МПК G01F 1/66, опубликован 27.04.2006. Бюл. №12.
2. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества веществ: Справочник: кн. 2. - СПб.: Политехника, 2004. - 412 с.
3. Авт.св. СССР 918790, Кл. G01F 1/66, опубликовано 07.04.82. бюл. №13.
4. Тихомиров В.М. Рассказы о максимумах и минимумах. - М.: Наука, 1986. - 192 с.
5. Федяевский К.К. Гидромеханика / К.К. Федяевский, Я.И. Войткунский, Ю.И. Фаддеев. - Ленинград.: изд-во «Судостроение», 1968. - 568 с.