УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ЖИДКИХ И ГАЗООБРАЗНЫХ СРЕД И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
ULTRASONIC METHOD OF MEASURING LIQUID AND GASEOUS MEDIA AND APPARATUS FOR REALISING SAID METHOD

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к ультразвуковым способам измерения расхода жидких и газообразных сред, и может быть использовано, например, в нефтяной и газовой промышленности.
Ультразвуковые устройства широко применяются для измерения расхода газов и жидкостей.
Известен ультразвуковой способ измерения расхода и меточный ультразвуковой расходомер (Патент РФ №2190192, опубл. 27.09.2002), где осуществляют измерение скорости потока посредством создания неоднородностей в потоке и измерения времени прохождения этими неоднородностями определенного расстояния в трубопроводе. Расходомер содержит расположенные на трубопроводе два импульсных ультразвуковых излучателя, подключенных к выходам импульсного генератора, две пары излучателей и приемников ультразвуковых колебаний, установленных на трубопроводе по потоку за импульсными ультразвуковыми излучателями, генератор, подключенный к двум излучателям ультразвуковых колебаний, два усилителя, соединенных с двумя приемниками ультразвуковых колебаний, блок управления и измерительно-вычислительное устройство.
Недостатком данного технического решения является то, что он может быть использован только для измерения расхода жидкости.
Разработаны способы и ультразвуковые расходомеры для измерения расхода не только жидкостей, но и газов. В большинстве таких систем применяют способ, известный как времяимпульсный метод измерения. Время прохождения ультразвуковым сигналом расстояния между передатчиком и приемником в случае, когда вектор скорости потока направлен от передатчика к приемнику, меньше, чем в случае, когда вектор скорости потока направлен от приемника к передатчику. Средняя скорость потока рассчитывается по величине разности между этими временами. Расход текущей среды определяют умножением измеренного значения средней скорости на площадь сечения трубопровода (В.Е.Сахаров и др. Измерение расхода с помощью ультразвука. Газовая промышленность, №3, 2004 г., стр. 52).
Известен, например, ультразвуковой способ измерения расхода жидких и/или газообразных сред (Патент РФ №2264602, опубл. 20.11.2005). В данном способе измерения расхода используют как минимум два электроакустических преобразователя, с помощью которых определяют разность времени прохождения ультразвуковых сигналов по потоку и против потока. Ультразвуковые волны проходят как напрямую от передающего к приемному преобразователю, так и претерпевают однократное или многократное отражение от внутренней поверхности трубопровода.
Известен, кроме того, ультразвуковой расходомер (Патент РФ №2264602, опубл. 20.11.2005), который содержит блок формирования и анализа электрических импульсов, связанный как минимум с двумя обратимыми электроакустическими преобразователями. Каждый преобразователь 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 перпендикулярна продольной оси трубопровода. Внешняя излучающая поверхность каждого электроакустического преобразователя совмещена с внутренней поверхностью трубопровода.
Особенностью рассмотренных выше способа и устройств является то, что для осуществления измерений необходим непосредственный контакт электроакустических преобразователей с измеряемой средой. Акустический контакт обеспечивается установкой преобразователей в специальные полости, которые «врезаны» в трубопроводный участок расходомера.
Поэтому недостатком таких расходомеров является их конструктивная и технологическая сложность, приводящая к удорожанию прибора и усложнению его технического обслуживания. Указанных недостатков лишены ультразвуковые способы измерения и расходомеры с накладными электроакустическими преобразователями, которые выбраны в качестве прототипа.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является ультразвуковой способ измерения расхода жидких и/или газообразных сред (Сайт ЗАО Комбит - 12.12.2002 http://www.kombit.ru), где подают сигнал определенной частоты на передающие ультразвуковые преобразователи. Преобразователи акустически согласованы со стенками трубы, благодаря колебаниям которой формируется результирующий широкий ультразвуковой сигнал (луч) в потоке газа. Луч распространяется через газ под углом к оси трубопровода, отражаются от противоположной стороны трубы и принимается приемными преобразователями. С передающих преобразователей ультразвуковой сигнал распространяются в направлении потока и против него между парами накладных широколучевых преобразователей - передающих и приемных, установленных на одной и той же стороне трубы на определенном расстоянии друг от друга. Таким образом движущийся поток в трубопроводе приводит к появлению разницы между временем прохождения луча вдоль и против потока, а величина разности пропорциональна средней по сечению скорости потока.
Наиболее близким к заявляемому устройству является ультразвуковой расходомер (Сайт ЗАО Комбит - 12.12.2002 http://www.kombit.ru), содержащий накладные ультразвуковые датчики - излучатели и приемники, установленных на трубопроводе на определенном расстоянии друг от друга. Излучатели подключены к генератору, а к приемникам подключены усилители, соединенные с измерительным блоком. Измерительный блок представляет данные измерения как в цифровой, так и в аналоговой форме и снабжен регистратором данных для их хранения.
Недостатком данного способа и устройства является то, что в этом случае отсутствует строгое формирование измерительного луча, а образуется пучок когерентных измерительных лучей, который и называется широким лучом. В результате использования такого протяженного в пространстве луча возникает неопределенность в определении расстояния, которое проходит луч, что ведет к снижению точности измерений.
Задачей данного изобретения является разработка способа и создание устройства для измерения расхода жидких и газообразных сред с помощью накладных электроакустических преобразователей, позволяющих повысить точность измерения расхода.
Решение поставленной задачи для способа достигается тем, что подают сигнал определенной частоты на передающие преобразователи, установленные на поверхности трубопровода на одинаковом расстоянии друг от друга вдоль его оси. Благодаря интерференции волн, возбуждаемых преобразователями, в измеряемой среде формируют результирующий ультразвуковой сигнал. Прием результирующего сигнала приемными преобразователями, также установленными на поверхности трубопровода на одинаковом расстоянии друг от друга вдоль его оси, и определение параметров принимаемого сигнала, по которым вычисляют скорость и расход текущей среды в трубопроводе. Новым является то, что подачу сигнала производят с изменением во времени разности фаз между сигналами, поступающими на передающие преобразователи, изменяют при этом направление результирующего ультразвукового сигнала с передающих преобразователей и осуществляют его сканирование вдоль оси трубопровода. Амплитуда сигнала, принимаемого приемными преобразователями, зависит от направления результирующего сигнала. Регистрируют изменение амплитуд сигналов, принимаемых приемными преобразователями. Определяют амплитуду, соответствующую минимальному значению суммарного сигнала с двух соседних преобразователей и определяют разность фаз, соответствующую данному минимальному значению, по которой вычисляют скорость и расход текущей среды.
Решение поставленной задачи для устройства достигается за счет того, что ультразвуковой расходомер содержит ультразвуковые преобразователи - передающие и приемные, установленные на поверхности трубопровода на одинаковом расстоянии друг от друга вдоль его продольной оси, генератор электрических колебаний, делитель сигнала, подключенные к передающим преобразователям, усилители сигналов и блоки обработки сигналов, соединенные с приемными преобразователями, а также блок управления, соединенный с генератором и блоками обработки сигналов. Новизна устройства состоит в том, что передающие преобразователи подключены к генератору через фазовращатели, соединенные также с блоком управления.
В известных авторам источниках патентной и научно-технической информации не найдены подобные способы и устройства для измерения расхода жидких и газообразных сред.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема, поясняющая процесс осуществления способа, где представлены диаграммы направленности результирующего ультразвукового сигнала в зависимости от разности фаз сигнала, подаваемого на передающие приемники. На фиг.2 представлены графики амплитуды сигналов с двух соседних приемных преобразователей в зависимости от направления ультразвукового сигнала, т.е. угла α диаграммы направленности результирующего ультразвукового сигнала к поверхности трубопровода, и амплитуда их суммарного сигнала. На фиг.3 отображены диаграммы направленности результирующего ультразвукового сигнала при нулевой (v=0) и отличной от нуля (v≠0) скоростях потока среды в трубопроводе. На фиг.4 представлена блок-схема ультразвукового расходомера.
Способ осуществляется следующим образом.
На поверхности трубопровода 1 (фиг.1) установлены ультразвуковые передающие преобразователи 2, расположенные на одинаковом расстоянии d друг от друга. На преобразователи 2 подают когерентный электрический сигнал определенной частоты, но различающийся между собой по фазе. На поверхности трубопровода 1 расположены также приемные преобразователи 3, также находящиеся на одинаковом расстоянии d друг от друга. Приемные преобразователи могут быть расположены на противоположной поверхности трубопровода 1. Так как в преобразователях используют обратимые электроакустические процессы, в ходе измерения передающие преобразователи попеременно становятся приемными и наоборот. Величина разности фаз φ между сигналами, подаваемыми на соседние преобразователи, одинакова. Передающие преобразователи возбуждают в среде, текущей по трубопроводу, когерентные ультразвуковые волны с различными фазами. Интерференция этих волн приводит к образованию в транспортируемой по трубопроводу среде результирующего ультразвукового сигнала (луча). При этом направление луча зависит от разности фаз между передающими преобразователями. Если длина ультразвуковой волны, возбуждаемой в среде, имеет величину λ, то угол α между осью диаграммы направленности ультразвукового луча и нормалью к поверхности трубопровода составляет (Справочник по радиоэлектронным устройствам. Т.1 / Бурин Л.И., Васильев В.П. и др. - М.: Энергия, 1978):
где φ - разность фаз между сигналами, подаваемыми на соседние преобразователи, d - расстояние между преобразователями.
0
n
1
При подаче сигнала на передающие преобразователи (фиг.1) с разностью фаз θ и ϑ направление диаграммы направленности результирующего ультразвукового сигнала будет иметь углы α и β - кривые 4 и 5 соответственно. Таким образом, изменяя во времени разность фаз между передающими преобразователями, меняют направление результирующего ультразвукового луча и осуществляют его сканирование в плоскости, содержащей ось трубопровода и линию, по которой размещены передающие преобразователи. Амплитуда принимаемого приемным преобразователем сигнала зависит от направления луча (фиг.2). Максимальной амплитуде соответствует такое направление луча, когда ось диаграммы направленности луча совпадает с центром приемного преобразователя 3. Таким образом, изменяя разность фаз и направление результирующего ультразвукового луча, регистрируют изменение амплитуды сигнала на приемных преобразователях. Для повышения точности определения положения луча используют суммирование амплитудных сигналов от двух любых расположенных рядом друг с другом приемных преобразователей 3. Определяют амплитуду, соответствующую минимальному значению этого суммарного сигнала. При этом минимум суммарного сигнала соответствует такому положению ультразвукового луча, когда ось диаграммы направленности луча попадает посередине между центрами приемных преобразователей. На фиг.2 кривая 6 - амплитуда сигнала одного приемного преобразователя, кривая 7 - амплитуда сигнала рядом стоящего приемного преобразователя, кривая 8 - амплитуда суммарного сигнала от двух приемных преобразователей, точка 9 соответствует минимальному значению суммарного сигнала. Направление результирующего ультразвукового луча при определенной разности фаз зависит также от скорости текущей среды в трубопроводе. На фиг.3 представлены диаграммы направленности 10, 11 при наличии ν>0 и отсутствии ν=0 в трубопроводе течения среды для определенной разности фаз φ между передающими преобразователями. Таким образом, изменяя направление луча при различных скоростях потока можно фиксировать его в пространстве в одном и том же положении, соответствующем минимальному значению суммарного сигнала с двух соседних приемных преобразователей. При этом разной скорости потока ν будут соответствовать различные значения разности фаз φ. Если (фиг.3) нулевой скорости потока ν=0, т.е. при отсутствии текущей среды в трубопроводе, соответствует величина разности фаз φ, а при наличии текущей среды ν>0, т.е. некоторой ненулевой скорости потока ν соответствует величина разности фаз φ, то скорость потока, усредненная по данному сечению, может быть вычислена по следующей формуле:
зв
где ν - скорость звука в среде, перемещаемой по трубопроводу, d - расстояние между ультразвуковыми преобразователями.
0
1
Таким образом, для определения скорости текущей среды определяют значение φ и φ. Для этого изменяют разность фаз сигналов, поступающих на передающие преобразователи, фиксируют амплитуды сигналом с двух соседних приемных преобразователей и определяют значение разности фаз при получении минимального значения амплитуды суммарного сигнала от этих преобразователей. По полученным данным по формуле (2) рассчитывают значение скорости потока. Объемный расход рассчитывается как произведение средней скорости потока и площади сечения трубопровода.
Ультразвуковой расходомер содержит (фиг.4) трубопровод 1, передающие 2 и приемные 3 ультразвуковые преобразователи и совокупность электронных узлов, обеспечивающих формирование электрических сигналов, подаваемых на передающие преобразователи 2, и обработку электрических сигналов, поступающих от приемных преобразователей 3. Приемные и передающие преобразователи расположены на поверхности трубопровода 1 на одинаковом расстоянии друг от друга и образуют «линейки», ориентированные вдоль оси трубопровода. Линейки передающих и приемных преобразователей 2, 3 могут быть установлены на противоположных поверхностях трубопровода. В состав электронных узлов расходомера входят: генератор электрических колебаний 12, делитель сигнала 13, имеющий n каналов, соответствующих количеству передающих преобразователей 2, фазовращатели 14, включенные между делителем сигнала 13 и передающим преобразователем 2, блок управления 15, соединенный с генератором 12 и фазовращателями 14. К приемным преобразователям 3 подключены усилители сигнала 16 и блоки обработки сигнала 17, соответствующие по количеству приемным преобразователям 3, соединенные с блоком управления 15. В общем случае количество передающих преобразователей n и количество приемных преобразователей m могут быть не равны.
Устройство работает следующим образом.
1
0
n
Генератор 1 формирует сигналы определенной частоты, подаваемые через делитель сигнала 13 на ультразвуковые передающие преобразователи 2. Блок управления 15 подает управляющие сигналы U на фазовращатели 14, которые в зависимости от сигнала управления обеспечивают формирование заданного блоком управления 15 сдвига фаз между сигналами, подаваемыми на передающие преобразователи 2. Передающие преобразователи 2 возбуждают в стенке трубопровода 1 колебания, которые в свою очередь вызывают появление ультразвуковой волны в транспортируемой среде. Благодаря интерференции этих волн в среде создают результирующий ультразвуковой сигнал (луч), направление которого зависит от сдвига фаз между передающими преобразователями. Ультразвуковой сигнал создает в стенке трубопровода колебания, которые, в свою очередь, возбуждает колебания в приемных преобразователях 3. Электрические сигналы с приемных преобразователей 3 поступают на усилители 16 и после усиления подаются на входы блоков обработки сигнала 17, которые осуществляют их преобразование в цифровую форму. Оцифрованные амплитудные сигналы I подают на вход блока управления 15. Амплитуда колебаний, возбуждаемых в приемных преобразователях 3, имеет максимум в случае, когда ось диаграммы направленности ультразвукового луча попадает в центр приемного преобразователя 3 (фиг.2). При сканировании ультразвукового луча по линейке приемных преобразователей 3 блок управления 15 фиксирует величину разности фаз φ, при которой значение суммы амплитуд сигналов с двух соседних приемных преобразователей имеет минимум. Величину φ заранее определяют калибровкой расходомера при нулевой скорости потока. Таким образом, поскольку остальные величины, входящие в соотношение (2), известны, блок управления по этому соотношению осуществляет вычисление скорости потока ν.
Достоинством данного способа и реализующего его устройства является повышение точности измерений, так как при их реализации исключается влияние угловых размеров ультразвукового луча.