СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ГАЗА В ТРУБОПРОВОДАХ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF MEASURING GAS FLOW IN PIPELINES AND DEVICE THEREFOR

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в устройствах для измерений расхода газа в трубопроводах.
Для измерения расхода газа в трубопроводах в настоящее время широко применяются ультразвуковые расходомеры, в основу работы которых положено измерение времени распространения ультразвука в направлении и против течения газа. К таким расходомерам можно отнести, например, ультразвуковой расходомер (п. РФ №2106603, G01F 1/66, опубл. 10.03.1998), а также устройство для измерения расхода газа и способ его измерения (п. РФ №2047097, G01F 1/66, опубл. 27.10.95). Приборы такого вида используют пары ультразвуковых преобразователей (УЗП), встроенных в стенку трубы.
Другой вид расходомеров использует пары накладных УЗП. Этот вариант приборов позволяет легко монтировать УЗП на трубопроводах без нарушения целостности трубы и остановки работы трубопровода, без размещения чувствительных элементов расходомера в потоке газа, не подвергая их, таким образом, возможному агрессивному воздействию среды и не создавая помех движению потока. Однако использование накладных УЗП затрудняется большой разницей акустических импедансов материала трубы и газа (более чем пять порядков). В результате в газ излучается, а затем в приемном УЗП принимается лишь ничтожная часть первоначально излученной ультразвуковой энергии. В то же время акустические колебания, возникающие в стенке трубы, во много раз превышают акустические колебания в газе и создают в точке приема мощные акустические колебания на рабочей частоте зондирующей посылки, мешающие выделению ослабленного, прошедшего через газ сигнала. Отражения ультразвуковых колебаний от неоднородностей стенки трубы (швы, фланцы, изгибы и т.д.), а также прохождение волн (из-за наличия боковых лепестков в диаграмме направленности УЗП) по спиральным траекториям по стенке трубы могут привести к появлению стационарных помех во временном интервале появления полезного сигнала в приемном УЗП, что нарушит нормальную работу прибора.
Известен способ измерения расхода газа и ультразвуковой газовый расходомер "Controlotron's WideBeam™, Cavity-Free™ Ultrasonic Flowmeters Achieve Process and Natural Gas Custody Transfer Accuracy and Performance" www.iceweb.com.au/flow/ultrasonicpapers/custodytransferaccperformance.pdf, принятый в качестве прототипа, в котором используются накладные УЗП, возбуждающие в стенке трубы волну Лэмба, которая далее возбуждает в газе продольную ультразвуковую волну. В этом случае труба используется как волновод ультразвуковой волны Лэмба и выполняет роль удлинителя эффективной излучающей поверхности подошвы самого УЗП. Бегущая вдоль образующей трубы волна Лэмба излучает в газ продольную ультразвуковую волну. Эта волна проходит через поток газа и возбуждает в противоположной стенке аналогичную волну Лэмба, которая далее движется по стенке в приемный УЗП. Находясь в газе, волна перемещается вместе с потоком и при выходе из газа на стенку трубы попадает в другую точку внутренней поверхности трубы. Далее «волноводное» свойство трубы переносит сигнал к приемному УЗП без дополнительных искажений. Кроме того, продольная волна в газе может быть отражена от противоположных стенок несколько раз и уже потом возбуждать в стенке трубы волну Лэмба, которая попадает по образующей трубопровода в приемный УЗП.
Нужно отметить, что в прототипе и в выпускаемых на основе метода приборах используются пары УЗП с традиционной организацией, каждый из которых состоит из пьезопластины, звукопровода и элементов крепления. Оба УЗП закрепляются либо на одной образующей трубы, либо на двух противоположных, находящихся в одной диаметральной плоскости. Волна Лэмба, имеющая из-за ограниченных размеров излучающей поверхности УЗП определенную расходящуюся диаграмму направленности, распространяется, в основном, вдоль образующей, излучая в газ ультразвуковую волну, которая пронизывает часть газового потока, симметричную относительно диаметральной плоскости, в которой установлены оба УЗП. Форма пучка излученной в газ волны представляет собой продольную вдоль трубы щель с убывающей к оси трубы и увеличивающейся после нее шириной.
Далее, как и в расходомерах обычного типа, для вычисления скорости потока используется информация о времени распространения сигнала вверх и вниз по течению, в том числе и после нескольких отражений от стенки трубы.
Достоинством метода является явное повышение энергии ультразвукового сигнала, прошедшего через газ за счет излучения стенкой трубы продольной волны в газ. Для излучения в газ используется не только площадь башмака УЗП, имеющая очень ограниченный размер, но достаточно длинный участок стенки трубы во время движения по ней волны Лэмба. Причем указанное преимущество используется дважды: при излучении в газ и при приеме сигнала из газа.
Недостатками метода являются:
- все еще слабая энергонасыщенность сигнала, прошедшего через газ, обусловленная, во-первых, большой разницей акустических импедансов материала трубы и газовой среды и, во-вторых, расходимостью волны Лэмба относительно образующей стенки трубы, вдоль которой она распространяется, из-за ограниченных размеров применяемого УЗП, так что в приемный УЗП попадает лишь небольшая часть энергии, излученной передающим УЗП,
- высокий уровень стационарных помех, обусловленных, прежде всего, боковыми лучами волны Лэмба, которые, двигаясь по длинным спиральным траекториям, могут приходить в приемный УЗП примерно в то же время, что и полезный сигнал, прошедший через газ, и в силу значительно меньшего затухания при распространении по металлу иметь большую амплитуду, маскировать полезный сигнал и затруднять его выделение,
- ограниченность доли объема трубопровода, пронизываемой продольной ультразвуковой волной в газе, что несколько снижает представительность результатов измерений; можно представить себе случай, когда по каким-то причинам основная часть газового потока, несущая основную массу газа, смещена относительно диаметральной плоскости и не захватывается зондирующим пучком, что, естественно, сильно исказит результат.
Поскольку импеданс газовой среды сильно снижается с уменьшением давления, то указанные недостатки обуславливают ограничение метода, выражающееся в том, что минимальное давление газовой среды, при котором еще возможны измерения, находится на уровне 10-15 бар, т.е. измерения при более низких давлениях без применения других специальных мероприятий невозможны.
Задачами изобретения являются:
- повышение энергонасыщенности зондирующей ультразвуковой посылки с целью существенного увеличения амплитуды полезного сигнала, прошедшего через газ, причем не чисто экстенсивным путем, за счет увеличения амплитуды возбуждающего напряжения, а за счет физических приемов, позволяющих перестроить соотношение различных полезных и бесполезно расходуемых частей ультразвуковой энергии на разных стадиях прохождения сигнала от передающего до принимающего УЗП,
- снижение уровня стационарных помех, обусловленных прохождением излучения по спиральным траекториям в стенке трубы или отражением от различных неоднородностей в трубе,
- увеличение доли сечения газового потока, пронизываемого зондирующим пучком, а следовательно, и статистической представительности измерений.
Технический результат заключается в повышении точности измерения расхода за счет получения более мощного сигнала, проходящего через газ, при существенном ослаблении влияния на него стационарных помех.
Технический результат достигается тем, что в способе измерения расхода газа в трубопроводах, заключающемся в возбуждении в газе продольных ультразвуковых волн по потоку и против него за счет возбуждения в стенке трубы волн Лэмба, выделении сигнала, прошедшего через поток газа, измерении разности времен распространения сигнала по направлению потока и против него и определении величины расхода газа, возбуждают волну Лэмба кольцевой структуры с круговой симметрией относительно оси трубы, которая, в свою очередь, излучает продольную волну в газ, которая затем, пройдя через газ, возбуждает аналогичную волну Лэмба с круговой симметрией, которая достигает приемного УЗП, что обеспечивает увеличение мощности полезного сигнала и, соответственно, улучшение эксплуатационных характеристик расходомера.
Устройство для измерения расхода газа в трубопроводе состоит из пары накладных УЗП для возбуждения в трубопроводе и приема волн Лэмба из трубопровода. Пьезопластины и звукопроводы УЗП имеют кольцевую конструкцию. Звукопроводы состоят из цилиндрической части, торцевая поверхность которой сопрягается с рабочей плоскостью пьезопластины, и конусной части, обеспечивающей поворот цилиндрического ультразвукового пучка и ввод его в стенку трубы под необходимым углом.
Каждый преобразователь может состоять из двух сборок, симметричных относительно диаметральной плоскости, при этом каждая сборка состоит из пьезопластины в виде полукольца и сопряженного с ней звукопровода в виде полукольца, стянутых хомутами и образующих кольцевые структуры.
Предложенные способ и устройство имеют следующие преимущества:
- во-первых, максимально используется поверхность трубы, доступная для передачи ультразвуковой энергии в стенку трубы и из стенки трубы, что, в принципе, позволяет увеличить мощность излучаемого и принимаемого сигнала,
- во-вторых, диаграмма направленности каждого из пары кольцевых УЗП с круговой симметрией относительно оси, будучи развернутой на плоскости, соответствует излучателю и приемнику с «неограниченным» поперечным размером, у которой отсутствуют боковые лепестки, что исключает излучение и прием спиральных волн, и, соответственно, потери сигнала из-за расходимости ультразвукового пучка по сравнению с традиционными УЗП, используемыми в прототипе,
- в-третьих, в силу значительного увеличения энергонасыщенности сигнала (примерно в 700-900 раз) и значительного подавления спиральных помех появляется возможность регистрировать полезные сигналы после нескольких отражений (например, после 32 отражений); при этом зарегистрированный полезный сигнал несет информацию по более длинному «простреливаемому» объему газа, что, с одной стороны, повышает статистическую ценность одного цикла измерения и, с другой стороны, увеличивающееся при этом время нахождения сигнала в газе, и, соответственно, большее общее время прохождения сигнала от передающего УЗП до приемного позволяет измерять его с меньшей относительной ошибкой,
- в-четвертых, зондирующий ультразвуковой сигнал пронизывает все сечение трубы, повышая, таким образом, статистическую представительность измерений.
Таким образом, по сравнению с прототипом в предлагаемом способе для выделения сигнала, прошедшего через поток газа, используется, с одной стороны, существенно более мощный сигнал, проходящий через газ, а с другой стороны - существенно ослабляется влияние на него стационарных помех, обусловленных спиральными траекториями распространения волн Лэмба.
Измерение времени прохождения ультразвукового пакета по направлению потока и против него и, соответственно, посылка зондирующих импульсов может осуществляться одновременно или по очереди обоими УЗП пары. Если выбирается режим поочередного зондирования, то сначала один УЗП становится передающим, а второй принимающим, а затем они меняются ролями. В случае одновременного зондирования оба УЗП излучают пакет одновременно, а затем переходят в режим приема. Поскольку в обоих случаях функционирование в обоих направлениях зондирования симметрично, то далее в тексте рассматривается работа только в одном направлении.
На фиг. 1 изображено устройство для измерения расхода газа в трубопроводе, на фиг. 2 - вариант устройства, в котором преобразователь может состоять из двух сборок, где
1 - трубопровод с газом,
2 - кольцевая пьезопластина,
3 - звукопровод,
4 - отражающая конусная поверхность звукопровода,
5 - звукопровод в виде полукольца,
6 - пьезопластина в виде полукольца,
7 - стягивающий хомут.
Устройство работает следующим образом (см. фиг. 1).
Высокочастотный пакет ультразвуковых колебаний, рождающийся в пьезопластине 2 (на фиг. 1 передающей является правая пьезопластина) вследствие подачи на нее пакета электрических колебаний от выходных каскадов электронной части расходомера (на фиг. не приводится), распространяется внутри и вдоль цилиндрической части звукопровода 3 (параллельно оси трубопровода) до конусной отражающей поверхности 4, отразившись от которой, распространяется далее в виде пучка конусной формы, подходящего к поверхности трубы 1 под углом α, необходимым для возбуждения в стенке трубы 1 заданной волны Лэмба. При этом ультразвуковой пучок является в каждом сечении звукопровода симметричным относительно оси, т.е. равномерным вдоль любой окружности с центром на оси, пересекающей трубопровод 1 и звукопровод 3 в плоскости, нормальной к оси трубы 1. Аналогичным свойством обладает и возбужденная в стенке трубы 1 волна Лэмба, т.е. она симметрична относительно оси трубы, и амплитуда и фаза вдоль любой окружности с центром на оси, пересекающей трубопровод 1 и звукопровод 3 в плоскости, нормальной к оси, имеют постоянную величину. Таким образом, в силу конструктивной симметрии кольцевого УЗП ультразвуковые лучи волны Лэмба не расходятся, а движутся параллельно друг другу вдоль образующих стенки трубопровода 1. При этом практически вся ультразвуковая энергия, излученная в стенку трубы 1, за исключением потерь на естественное затухание в материале, достигает принимающего кольцевого УЗП, не уменьшаясь из-за расходимости пучка, как это имеет место в УЗП прототипа.
Возбужденная в стенке трубы 1 волна Лэмба с круговой симметрией относительно оси, перемещаясь вдоль образующих трубы 1, в свою очередь, возбуждает продольную ультразвуковую волну в газе, которая движется под некоторым углом β к оси трубы 1, и фронт которой также представляет конусную поверхность, с равномерной плотностью ультразвуковой энергии вдоль любой окружности (с центром на оси) на поверхности этого конуса. Дойдя до противоположной стенки трубы 1, продольная волна из газа возбуждает в ней аналогичную волну Лэмба, которая по стенке трубы 1 достигает звукопровода 3 и пьезопластины 2 принимающего УЗП (слева на фиг. 1). Т.е. и полезный сигнал, прошедший через газ, имеет симметрию относительно оси и также имеет по сравнению с прототипом с парой традиционных УЗП повышенный уровень энергии. Движение ультразвуковой энергии в виде волны Лэмба в стенке трубы или в виде продольной волны в звукопроводе и в газе на фигуре показано стрелками.
Одновременно из-за симметрии УЗП относительно оси трубопровода проявляется другое полезное свойство кольцевого УЗП - резкое снижение уровня излучения ультразвуковой энергии по спиральным траекториям и, как следствие, пониженный уровень стационарных помех. По существу, возможность абсолютного их подавления ограничивается только неравномерностью электромеханических свойств пьезопластин и неидеальным исполнением элементов звукопровода.
Полученные таким образом временные отметки далее традиционным способом используются для вычисления скорости потока газа и его объемного расхода.
В процессе применения ВУЗП может возникнуть ситуация, когда по условиям эксплуатации исключается возможность установки кольцевых УЗП пары натягиванием через торцы трубопровода. В этом случае может быть применена конструкция, приведенная на фиг. 2, представляющая собой пару одинаковых кольцевых УЗП, каждый из которых состоит из двух одинаковых сборок, полученных разрезанием исходной конструкции на фиг. 1 по диаметральной плоскости. Каждая сборка состоит из пьезопластины 6 в виде полукольца и звукопровода 5 в виде сопряженного с ней полукольца. После накладки обеих сборок каждого УЗП пары на поверхность трубы они стягиваются хомутом 7 и образуют полную кольцевую структуру, обладающую всеми вышеприведенными достоинствами.