СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО НАКЛАДНОГО ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА И ТЕЛО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЯ
METHOD AND SYSTEM FOR ULTRASONIC OVERHEAD FLOW MEASUREMENT AND BODY FOR MEASUREMENT

Настоящее изобретение относится к способу и системе для ультразвукового накладного измерения расхода с помощью измерения нецентральных путей (траекторий) звука, причем накладные ультразвуковые преобразователи закреплены на промежуточной детали (проставке) технологической трубы, упоминаемой далее как катушечный (цилиндрический) элемент. Кроме того, изобретение относится к телу для осуществления этого измерения.
Ультразвуковые накладные расходомеры широко используются во многих областях промышленности. Одно из их основных преимуществ состоит в том, что измерение расхода выполняется бесконтактным способом. В ультразвуковых накладных измерителях расхода в соответствии с основанным на времени распространения способом измеряется разница во времени распространения двух звуковых сигналов, распространяющихся по потоку и против потока, и на этой основе вычисляется объемный поток. Для этой цели два звуковых (электроакустических) преобразователя закреплены на стенке трубы, оба из которых могут работать в качестве передатчика и в качестве приемника. Звуковой преобразователь состоит из активного элемента, например, из пьезокерамики, который расположен на так называемом выступе (выносе) вперед звукового преобразователя таким образом, что распространение звука происходит под некоторым углом излучения. Генерация импульсов возбуждения для звуковых преобразователей и оценка принимаемых сигналов звуковых преобразователей происходит в измерительном преобразователе. Последний предоставляет измерительный канал для каждого звукового преобразователя. Разница во времени распространения зависит, в том числе, от средней скорости потока на пути звука, а также времени распространения звука в текущей среде (флюиде).
Для вычисления объемного потока должна быть выполнена аппроксимация от интеграла по пути к интегралу по поверхности. Это может привести к погрешностям в вычислении, особенно если профиль потока имеет неоднородности, которые вызваны, например, ответвлениями (коллекторами), отверстиями, фланцами и/или сварными швами в трубе. Кроме того, профиль потока зависит от вязкости и скорости потока среды и может устанавливаться ламинарным и турбулентным, хотя турбулентность является нормальным случаем.
Из уровня техники известны несколько подходов, чтобы обойти эти погрешности аппроксимации.
Существуют формулы, которые принимают во внимание дополнительные гидродинамические параметры при аппроксимации от интеграла по пути к интегралу по поверхности. Недостатком здесь является то, что эти параметры не всегда доступны.
Кроме того, можно противодействовать искажениям профилей потока посредством многоканальных измерительных устройств в различных плоскостях измерения.
Кроме того, могут задаваться длинные впускной и выпускной участки, которые устраняют нарушения в искаженном профиле потока.
Ультразвуковые однорядные устройства, которые установлены для измерений в трубе и, следовательно, могут достичь более высокой точности, могут использоваться, например, в качестве многолучевых устройств, чтобы измерять дополнительные интегралы по путям, которые проходят не через центр круглой трубы (например, в документе Krоhne DE 102007004936 A1). Эти интегралы по пути далее упоминаются как нецентральные пути звука. В однорядном ультразвуковом устройстве звук исходит как непосредственно направляемый от звуковых преобразователей в измерительную среду и снова входит и не использует никакого выноса вперед звукового преобразователя и не направленную по нормали стенку трубы для ввода/вывода звукового сигнала.
При применении накладных ультразвуковых измерительных датчиков, ввиду закона преломления Снеллиуса, не могут измеряться нецентральные пути звука. Из-за высоких различий в скоростях звука стенки трубы и технологической (рабочей) среды (в стали примерно 3000 м/с для сдвиговых волн и в жидкостях от 1000 до 2000 и в газах <1000), возможные углы выхода из среды измерения в трубу ограничены. Возможны только малые углы вне прямого нормального (перпендикулярного) выхода. Поэтому в круглой трубе могут измеряться только интегралы по путям, которые ведут через центр трубы. Однако неоднородности в профиле потока возникают особенно на краях.
Одно решение этой проблемы предложено в патенте DE 19808642 С1. Накладные ультразвуковые измерительные датчики используются на пяти- или многоугольном участке трубы (катушечном участке) вместо круглого участка трубы. Благодаря этой специальной системе, пути звука проходят также вне центра трубы и, таким образом, также проходят через краевые зоны профиля потока. Таким образом, возможно измерение нецентральных интегралов по путям.
При специально сформированном некруглом участке трубы и отражателях внутри участка трубы также возможны интегралы по путям, которые проходят не только через центр участка трубы (DE 4336370 C1). Отражатели выполняются с дополнительными затратами (DE 102013105922 А1), или внутренняя стенка трубы в точно рассчитанных местах должна быть выполнена с отражающими поверхностями (DE 102011079250 A1).
GB 2521661 А описывает измеритель расхода с различными системами датчиков. При этом акустическое излучение передается и принимается. Датчики расположены снаружи вокруг трубы. Оцениваются измерительные пути вдоль центра трубы (по оси) и вне центра трубы (вне оси), чтобы различать ламинарные, турбулентные и переходные состояния. Главной целью этого изобретения является измеритель расхода, способный измерять также смешанные фазы, множественную фазу газа и жидкости, выше по потоку и ниже по потоку.
В US 2011/132102 А1 описан измеритель расхода, который содержит по меньшей мере один ультразвуковой преобразователь и блок оценки. Ультразвуковой преобразователь, соответственно, измерительная труба конструктивно подготовлена таким образом, что перпендикулярно излученная звуковая волна при переходе пограничного слоя из согласующего слоя/стенки трубы/ измерительной среды преломляется. Это осуществляется с помощью связывающего слоя. Связывающий слой представляет собой углубление во внутренней стенке трубы, которая, в свою очередь, имеет в поперечном сечении форму множества треугольников рядом друг с другом. За счет этого создаются пути звука, распространяющиеся по направлению и против направления потока, так что измерение разности во времени распространения возможно только с одним звуковым преобразователем и связывающим слоем.
Публикация DE 19503714 А1 описывает ультразвуковой измеритель расхода. Описывается, как за счет оптимизированного расположения пар датчиков можно минимизировать влияние поперечных потоков. При этом применяются по-разному расположенные плоскости излучения в общей сложности с тремя парами датчиков. Ни одна из этих плоскостей излучения не содержит нецентральные пути звука. Все плоскости проходят через центр трубы.
В документе WO 2006/007716 А2 раскрыт измерительный блок, который калибрует медицинские диагностические приборы. Диагностические приборы применяют способ формирования изображения с использованием ультразвука. Здесь показаны цилиндрические элементы, которые в блоке калибровки, формирующем изображение, имитируют кости или тому подобное.
US 4400803 А описывает эхолот/сонар, в котором с помощью специальной конструкции передатчика/приемника устанавливается желательный угол раскрыва звукового излучения, чтобы исследовать топологию морского дна. С помощью изогнутых отражателей рассеяние звуковых волн, подобно отражателю лампы, фокусируется.
В основе настоящего изобретения лежит задача предоставить систему и способ для измерения расхода, который устраняет недостатки предшествующего уровня техники и, кроме того, имеет высокую точность измерений в большом измерительном диапазоне даже в трудных условиях измерений и выполняет коррекцию профиля потока с дополнительным измерением нецентральных путей звука. Кроме того, задачей изобретения является предоставление тела для реализации измерения нецентральных путей звука.
Эта задача решается с помощью способа ультразвукового накладного измерения расхода с технологической трубой, через которую протекает жидкая или газообразная технологическая (рабочая) среда, и с использованием накладных ультразвуковых преобразователей. В способе принимаются во внимание как центральные пути звука, так и нецентральные пути звука. Способ характеризуется следующими этапами способа:
а. Ввод ультразвуковых волн в технологическую трубу и в рабочую среду посредством по меньшей мере одного работающего в режиме передачи накладного ультразвукового преобразователя.
b. Звуковые волны, которые пересекают центр технологической трубы, падают на противоположной стороне работающего в режиме передачи накладного ультразвукового преобразователя на по меньшей мере одно первое тело, которое расположено внутри технологической трубы и реализует измерение не проходящих через центр технологической трубы нецентральных путей звука, которые там рассеиваются во всем внутреннем пространстве технологической трубы.
с. Посредством меньшей мере одного второго тела, которое расположено со стороны внутренней стенки на технологической трубы и служит для реализации измерения нецентральных путей звука, предотвращается полное отражение рассеянных ультразвуковых волн при переходе границы рассеянными ультразвуковыми волнами от рабочей среды в технологическую трубу, так что рассеянные ультразвуковые волны могут покидать технологическую трубу.
d. Наконец, не испытывающие помех, проходящие через центр трубы ультразвуковые волны центральных путей звука принимаются посредством по меньшей мере одного первого работающего в режиме приема накладного ультразвукового преобразователя. Рассеянные ультразвуковые волны нецентральных путей звука принимаются посредством по меньшей мере одного второго работающего в режиме приема накладного ультразвукового преобразователя.
Для того, чтобы ультразвуковое накладное измерение расхода согласовать с различными рабочими средами с их различными скоростями звука, накладные ультразвуковые датчики могут сдвигаться по продольной оси технологической трубы на наружной стороне трубы. Посредством удлиненной, цилиндрической или частично цилиндрической формы тел для реализации измерения нецентральных путей звука поддерживается соотнесение накладных ультразвуковых датчиков с указанными телами, так как они расположены в продольном направлении на внутренней стенке трубы.
Указанная задача также решается с помощью системы для ультразвукового накладного измерения расхода, содержащей технологическую трубу, через которую протекает жидкая или газообразная рабочая среда, и содержащей накладные ультразвуковые преобразователи с по меньшей мере одной парой звуковых преобразователей, состоящей из работающего в режиме передачи накладного ультразвукового преобразователя и первого работающего в режиме приема накладного ультразвукового преобразователя. Пара звуковых преобразователей применяется для измерения не испытывающих помех, проходящих через центр трубы путей звука, так называемых центральных путей звука. Накладные ультразвуковые преобразователи прикреплены к технологической трубе.
По меньшей мере, один другой, работающий в режиме приема накладной ультразвуковой преобразователь расположен на технологической трубе. Он принимает пути звука, которые, проходят не через центр технологической трубы, так называемые нецентральные пути звука. В соответствии с изобретением по меньшей мере, два тела для реализации измерения нецентральных путей звука расположены со стороны внутренней стенки на технологической трубе, при этом по меньшей мере одно тело для реализации измерения нецентральных путей звука в технологической трубе расположено по диагонали напротив работающего в режиме передачи накладного ультразвукового преобразователя, чтобы поступающие там звуковые волны рассеивать во всем внутреннем пространстве технологической трубы. Второе тело для реализации измерения нецентральных путей звука расположено в технологической трубе перед вторым работающим в режиме приема накладным ультразвуковым преобразователем, чтобы воспринимать часть рассеянных звуковых волн и проводить через стенку технологической трубы ко второму работающему в режиме приема накладному ультразвуковому приемнику.
Предпочтительным образом, применяемые накладные ультразвуковые преобразователи представляют собой работающие как в режиме приема накладные ультразвуковые преобразователи, так и работающие в режиме передачи накладные ультразвуковые преобразователи.
Указанная задача также решается посредством тела для реализации измерения нецентральных путей звука при ультразвуковом накладном измерении расхода. Соответствующее изобретению тело расположено вдоль продольной оси технологической трубы. Предпочтительным образом, удлиненное тело выполнено цилиндрическим или частично цилиндрическим или в форме трубки, причем его диаметр меньше, чем диаметр технологической трубы. Соответствующее изобретению тело в примерах осуществления выполнено в форме полной трубки или в форме половинной трубки.
Тело в одном другом примере осуществления выполнено как сплошной материал или может быть заполнено жидкой или газообразной средой.
За счет неразъемного соединения, например, соединения сваркой, клеем и/или заклепками, тело закреплено со стороны внутренней стенки на технологической трубе.
Тела для реализации измерения нецентральных путей звука могут быть интегрированы в простой катушечный (цилиндрический) участок, основной элемент которого является прямой стандартной встроенной трубчатой арматурой. В результате, ультразвуковой способ с наложением может комбинироваться с использованием катушечного участка.
Форма и ориентация соответствующих изобретению тел вдоль трубы допускает универсальное использование для всех круглых стандартных технологических труб. Путем осевого сдвига накладных ультразвуковых преобразователей вдоль технологической трубы на наружной стенке трубы в осевом направлении, вся конструкция может быть адаптирована для всех рабочих сред с различными скоростями звука. За счет удлиненной формы тела для реализации измерения нецентральных путей звука действие тел при осевом смещении накладного ультразвукового преобразователя вдоль технологической трубы не теряется.
Тела соответствующей изобретению системы обеспечивают возможность того, что нецентральные пути звука вводятся в рабочую среду и выводятся из нее. Эти нецентральные пути звука позволяют, наряду с обычным способом сканирования (считывания) путей звука, которые ведут через центр технологической трубы, дополнительное сканирование профиля потока. Тем самым возможно точное измерение объемного потока рабочей среды способом на основе разности времен распространения.
Настоящее изобретение будет объяснено более подробно на примерах осуществления. На чертежах показано следующее:
Фиг.1 - схема системы для ультразвукового накладного измерения расхода с тремя накладными ультразвуковыми преобразователями и двумя телами для реализации измерения нецентральных путей звука через технологическую трубу,
Фиг.2a - схема системы для ультразвукового накладного измерения расхода с четырьмя накладными ультразвуковыми преобразователями и четырьмя телами для реализации измерения нецентральных путей звука, представление в сечении технологической трубы,
Фиг.2b - схема системы для ультразвукового накладного измерения расхода с четырьмя накладными ультразвуковыми преобразователями и четырьмя телами для реализации измерения нецентральных путей звука, пространственное представление вдоль технологической трубы,
Фиг.2c - схема системы для ультразвукового накладного измерения расхода с четырьмя накладными ультразвуковыми преобразователями и двумя телами для реализации измерения нецентральных путей звука, представление в сечении технологической трубы,
Фиг.2d - схема системы для ультразвукового накладного измерения расхода с четырьмя накладными ультразвуковыми преобразователями и четырьмя телами для реализации измерения нецентральных путей звука с не испытывающим помех центральным путем звука, представление в сечении технологической трубы,
Фиг.3 - тела для реализации измерения смещенных от центра путей звука в разных вариантах осуществления.
Соответствующая изобретению система для ультразвукового накладного измерения расхода содержит технологическую трубу 1, заполненную рабочей средой 2, по меньшей мере три накладных ультразвуковых преобразователя U, которые выполнены как передатчик и/или приемник, и по меньшей мере два тела K для реализации измерения нецентральных путей 32 звука. При этом накладные ультразвуковые преобразователи U находятся вне технологической трубы 1 на ее наружной стенке. Тела K для реализации измерения нецентральных путей 32 звука расположены внутри технологической трубы 1 на ее внутренней стенке. Система предпочтительно образована в форме катушечного участка, причем технологическая труба 1 имеет, как правило, круглое поперечное сечение.
S
E
E
S
E
S
E
E
E
E
На фиг.1 показана схема соответствующей изобретению системы для ультразвукового накладного измерения расхода с тремя накладными ультразвуковыми преобразователями U, причем по меньшей мере один накладной ультразвуковой преобразователь представляет собой работающий в режиме передачи накладной ультразвуковой преобразователь U1 и два других работающих в режиме приема накладных ультразвуковых преобразователь U1, U2. Кроме того, два выполненных как удлиненные трубки тела K для реализации измерения нецентральных путей 32 звука в разных углах, например, 180° и 270°, расположены в осевом направлении на внутренней стенке трубы. Накладные ультразвуковые преобразователи U расположены со стороны внешней стенки на технологической трубе таким образом, что работающий в режиме передачи накладной ультразвуковой преобразователь U1 расположен противоположно первому работающему в режиме приема накладному ультразвуковому преобразователю U1, так что между накладными ультразвуковыми преобразователями U1 и U1 реализуется однопутная система. Как в случае системы без тел K для реализации измерения нецентральных путей 32 звука, звуковые волны передаются и принимаются через центр технологической трубы 1, так называемые центральные пути 31 звука. В технологической трубе 1 находится проходящее параллельно стенке трубы, расположенное на внутренней стенке технологической трубы 1 у накладного ультразвукового преобразователя U1 первое тело K1 для реализации измерения нецентральных путей 32 звука, посредством которого поступающие туда звуковые волны центральных путей 31 звука рассеиваются и излучаются во всем телесном угле внутреннего пространства трубы. Часть рассеянных звуковых волн, так называемых нецентральных путей 32 звука, достигает второго тела K2. На внешней стенке технологической трубы 1 расположен второй накладной ультразвуковой преобразователь U2 в режиме приема, соотнесенный со вторым телом K2 для реализации измерения нецентральных путей 32 звука. Второе тело K2 воспринимает нецентральные звуковые волны 32. Тем самым предотвращается полное отражение ультразвуковых волн при переходе границы звуковыми волнами от рабочей среды 2 к технологической трубе 1, так что рассеянные звуковые волны могут выходить из технологической трубки 1, чтобы иметь возможность обнаруживаться вторым накладным ультразвуковым преобразователем U2.
E/S
S/E
S/E
E/S
S/E
E/S
E/S
E/S
S/E
S/E
S/E
E/S
S/E
E/S
На фиг.2a и 2b показан соответствующий изобретению нецентральный катушечный участок с четырьмя накладными ультразвуковыми преобразователями U и четырьмя трубчатыми телами K для реализации измерения нецентральных путей 32 звука. На фиг.2а показано представление в сечении технологической трубы 1. Накладные ультразвуковые преобразователи U, которые в этом варианте осуществления могут одновременно быть работающими в режиме приема накладными ультразвуковыми преобразователями U и работающими в режиме передачи накладными ультразвуковыми преобразователями U, расположены напротив на внешней стенке технологической трубы 1, причем следующие пары расположены напротив друг друга: накладной ультразвуковой преобразователь U1 и накладной ультразвуковой преобразователь U1, накладной ультразвуковой преобразователь U2 и накладной ультразвуковой преобразователь U2. Внутри технологической трубы 1, четыре тела K расположены в осевом направлении, причем они расположены параллельно стенке трубы, проходя, например, в углах 0°, 90°, 180° и 270° на внутренней стенке технологической трубы 1. С каждым телом K для реализации измерения нецентральных путей 32 звука соотнесен накладный ультразвуковой преобразователь U, причем тело K1 находится у накладного ультразвукового преобразователя U1, тело K2 - у накладного ультразвукового преобразователя U2, тело K3 - у накладного ультразвукового преобразователя U1 и тело K4 - у накладного ультразвукового преобразователя U2. За счет такой системы (компоновки), в дополнение к центральным путям 31 звука, которые образуют противоположные пары накладных ультразвуковых преобразователей U1/U1 и U2/U2, также измеряются нецентральные пути 32 звука. В пространственном представлении на фиг.2b, соответствующие центральные пути 31 звука и нецентральные пути 32 звука между накладными ультразвуковыми преобразователями U схематично изображены вдоль продольной оси технологической трубы 1.
S/E
E/S
E
S
S
E
Простая и надежная система показана на фиг.2с. Пара накладных ультразвуковых преобразователей U1/U1 измеряет исключительно центральные пути 31 звука. Вдоль этих центральных путей 3 звука не расположены тела K для реализации измерения нецентральных путей 32 звука. Для измерения нецентральных путей 32 звука в этой системе используется пара накладных ультразвуковых преобразователей U2/U2. Нецентральные пути 32 звука генерируются телом K1, которое рассеивает звуковые сигналы накладного ультразвукового преобразователя U2 внутри трубы 2, и воспринимаются телом K2, в результате чего накладной ультразвуковой преобразователь U2, который соотнесен с телом K2 для реализации измерения нецентральных путей 32 звука, может обнаруживать нецентральные пути 32 звука.
S/E
E/S
S/E
E/S
На фиг.2d показана одна другая система, аналогичная с фиг.2с. Здесь дополнительно расположены еще два тела K. Сохраняется концепция, состоящая в том, что центральные пути 31 звука пары накладных ультразвуковых преобразователей U2/U2 не испытывают помех от тел K для реализации измерения нецентральных путей 32 звука. Дополнительные тела K3 и K4 позволяют измерять дополнительные нецентральные пути 32 звука посредством накладных ультразвуковых преобразователей U2/U2.
На фиг.3 показаны различные формы выполнения тел K для реализации измерения нецентральных путей 32 звука, причем тело Kа выполнено как трубка, заполненная рабочей средой 2, тело Kb выполнено как стержень из сплошного материала, например стали, тело Kc выполнено как трубка, заполненная воздухом и тело Kd, выполнено как половинная трубка, заполненная воздухом. Также возможны варианты выполнения в форме половинной трубки, заполненной рабочей средой 2, или из сплошного материала, которые здесь не показаны.
Так как в вышеизложенной детально описанной системе и детально описанном способе речь идет о примерных вариантах осуществления, они могут быть модифицированы специалистами обычным образом в широком объеме без отклонения от объема настоящего изобретения. В частности, конкретные варианты осуществления системы могут быть реализованы в иной форме, чем описано здесь. Кроме того, система может быть реализована в другой форме, если это необходимо по причинам возможностей компоновки или по конструктивным причинам. Кроме того, формы единственного числа не исключают того, что соответствующие признаки могут присутствовать и во множестве.
Обозначения ссылочных позиций
1 технологическая труба
2 рабочая среда
3 пути звука
31 центральные пути звука
32 нецентральные пути звука
K тела для реализации измерения нецентральных путей 32 звука (K1, K2, K3, K4)
Kа тело в форме трубки, заполненной рабочей средой 2
Kb тело в форме стержня из сплошного материала
Kс тело в форме трубки, заполненной воздухом
Kd тело в форме половинной трубки, заполненной воздухом
U ультразвуковой преобразователь
S
S
U работающий в режиме передачи накладной ультразвуковой преобразователь (U1)
E
Е
Е
U работающий в режиме приема накладной ультразвуковой преобразователь (U1, U2)
S/E
E/S
E/S
S/E
E/S
S/E
U/U работающие в режиме передачи и приема накладные ультразвуковые преобразователи (U1, U1, U2, U2).