УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ ПОТОКА ГАЗОВОЙ СРЕДЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
ULTRASONIC METHOD OF DETERMINING FLOW RATE OF GAS MEDIUM AND APPARATUS THEREFOR

Изобретение относится к ультразвуковым способам определения скорости потока газовой среды и может быть использовано в нефтегазовой отрасли для измерения скоростей газовых потоков и, в частности, в пневмотахометрах - измерителях мгновенного значения объемного расхода газа даже в тех случаях, когда состав газа не определен.
Известны устройства для измерения скорости потока и объемного расхода газовых сред - расходомеры, счетчики расхода, - в которых реализован ультразвуковой способ измерения.
Несмотря на многообразие конкретных технических решений, основа известных способов заключается в том, что на мерном участке трубопровода устанавливают как минимум два обратимых электроакустических преобразователя, которые поочередно работают то в качестве приемника, то в качестве излучателя ультразвука, посылая пакеты колебаний то в направлении потока среды, то против потока, а по разнице во времени распространения ультразвука в направлении потока и против потока определяют скорость движения среды.
Известен способ (пат. РФ №2264602, кл. GO1F 1/66), характеризующийся тем, что распространение ультразвуковых колебаний в направлении потока и против потока осуществляется не только напрямую от одного электроакустического преобразователя к другому, но и путем многократного переотражения от внутренних стенок трубопровода, и измеряют время распространения как напрямую, так и в случае переотражений. Данное техническое решение учитывает различие скорости потока в различных точках сечения трубопровода. Однако по данному способу можно контролировать поток лишь той среды, скорость звука в которой заведомо известна. Кроме того, данный способ не позволяет реализовать удовлетворительное быстродействие, необходимое при использовании в устройствах контроля потоков газов, в которых быстро изменяется скорость, например в пневмотахометрах.
Известен способ, реализованный в устройстве (патент РФ №2165598, кл. GO1F 1/66, 15/04), где в измеряемом потоке имеются два обратимых электроакустических преобразователя, которые попеременно воздействуют друг на друга зондирующими электрическими импульсами длительностью, равной половине периода резонансной частоты. Измеряют время распространения звуковой волны в направлении потока и против направления потока, вычисляют скорость потока как функцию разницы между временными интервалами и скорость звука в потоке как функцию суммы этих интервалов. Одновременное измерение скорости звука дает возможность определять скорость потока газов и их смесей неизвестного состава или состава, изменяющегося при измерениях.
Недостатком данного способа является то, что он не позволяет получить удовлетворительное быстродействие, так как измерение временных интервалов осуществляется последовательно, с запоминанием предыдущего результата, а период повторения зондирующих импульсов должен быть больше времени, необходимого для затухания всех сопутствующих ультразвуковых реверберационных помех, и составляет несколько десятков миллисекунд. Необходимо также отметить, что возбуждение ультразвуковых колебаний зондирующими импульсами, равными половине периода резонансной частоты, крайне неэффективно, так как не используется резонансное усиление акустических колебаний электроакустическими преобразователями.
Известен ультразвуковой способ измерения скорости газа (RU 2193208, прототип), включающий процессы:
- генерирование ультразвуковых колебаний;
- прием ультразвуковых колебаний электроакустическими преобразователями;
- коммутация электроакустических преобразователей;
- измерение разности фаз электрических колебаний между сигналами от электроакустических преобразователей;
- вычисление скорости потока по разности фаз.
Особенность известного способа - необходимость переключения преобразователей в состояние передачи-приема. Измерение временных интервалов осуществляется последовательно, с запоминанием предыдущего результата, а период повторения зондирующих импульсов должен быть больше времени, необходимого для затухания всех сопутствующих ультразвуковых реверберационных помех.
Помимо этого, известный способ не предназначен для измерения скорости потока газов и их смесей неизвестного состава или состава, изменяющегося при измерениях.
Еще одним недостатком устройств, работающих на основе известных способов, является сложность сопутствующей электрической схемы. Для обеспечения функционирования устройств и получения конечного результата минимально необходимы формирование импульсов или пакетов колебаний, коммутация преобразователей с приема на передачу и обратно, измерение и вычисление временных интервалов.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является достижение технического результата, заключающегося в повышении быстродействия определения скорости потока газовой среды и представлении результатов в режиме реального времени за счет непрерывной регистрации простой электрической схемой параметров распространения бегущих ультразвуковых волн по направлению и против направления потока при измерении скорости потока газов и их смесей неопределенного состава или состава, изменяющегося при измерениях.
Поставленная задача решается в ультразвуковом способе определения скорости потока газовой среды, в котором на мерном участке трубопровода устанавливают электроакустические преобразователи для излучения и приема ультразвука, анализируют электрические сигналы и определяют скорость потока.
На мерном участке создают измерительный канал, в середине измерительного канала располагают непрерывно излучающий электроакустический преобразователь, на концах измерительного канала, на одинаковом расстоянии от излучающего преобразователя располагают первый и второй приемные электроакустические преобразователи, измеряют разность фаз электрических сигналов, полученных на выходах первого и второго приемных электроакустических преобразователей, и рассчитывают скорость потока ν по формуле:
<mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mfrac><mi>м</mi><mi>с</mi></mfrac></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow>
где c - скорость звука в газовой среде,
;
21
φ - разность фаз, [°], электрических сигналов, полученных на выходах первого и второго приемных электроакустических преобразователей;
<mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mfrac><mn>1</mn><mi>с</mi></mfrac></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow>
f - частота ультразвука,
;
l - расстояние между первым и вторым приемными электроакустическими преобразователями, [м].
Размер сечения измерительного канала составляет не более половины длины волны ультразвука в контролируемой среде, а расстояние между излучающим и приемными электроакустическими преобразователями составляет, предпочтительно, 3÷10 длин волн;
На расстоянии, равном, предпочтительно, одной длине волны распространения ультразвука в воздухе, от первого или второго приемного электроакустического преобразователя размещают третий приемный электроакустический преобразователь, измеряют дополнительно разность фаз электрических колебаний, полученных от третьего и первого (или второго) приемных преобразователей, и рассчитывают скорость потока по формуле:
<mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>м</mi><mo>⋅</mo><mo>∘</mo></mrow><mi>с</mi></mfrac></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow>
где K - коэффициент,
, определяемый при тарировке;
23
φ - разность фаз, [°], на выходах третьего и второго (или первого) приемных электроакустических преобразователей.
Таким образом, отличительными признаками предлагаемого изобретения являются:
созданный на мерном участке трубопровода измерительный канал, расположенный в середине измерительного канала непрерывно излучающий электроакустический преобразователь, расположенные на концах измерительного канала, на одинаковом расстоянии от излучающего преобразователя, первый и второй концевые приемные электроакустические преобразователи, измерение разности фаз электрических сигналов, полученных на выходах первого и второго приемных электроакустических преобразователей, и расчет скорости потока ν по скорости звука в газовой среде, по разности фаз электрических сигналов, полученных на выходах первого и второго приемных электроакустических преобразователей, частоте ультразвука и расстоянию между первым и вторым приемными электроакустическими преобразователями, что соответствует формуле:
<mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mfrac><mi>м</mi><mi>с</mi></mfrac></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow>
где:c - скорость звука в газовой среде,
;
21
φ - разность фаз, [°], электрических сигналов, полученных на выходах первого и второго приемных электроакустических преобразователей;
<mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mfrac><mn>1</mn><mi>с</mi></mfrac></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow>
f - частота ультразвука,
;
l - расстояние между первым и вторым приемными электроакустическими преобразователями, [м];
размеры сечения измерительного канала, составляющие не более половины длины волны ультразвука в контролируемой среде, расстояние между излучающим и концевыми приемными электроакустическими преобразователями, составляющее, предпочтительно, 3÷10 длин волн;
размещение третьего приемного электроакустического преобразователя на расстоянии, предпочтительно, одной длины волны распространения ультразвука в воздухе от первого или второго приемного электроакустического преобразователя, измерение, дополнительно, разности фаз электрических колебаний, полученных от третьего и первого (или второго) концевых приемных преобразователей, и расчет скорости потока по разности фаз на выходах третьего и первого (или второго) концевого приемного преобразователя, что соответствует формуле:
<mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>м</mi><mo>⋅</mo><mo>∘</mo></mrow><mi>с</mi></mfrac></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow>
где K - коэффициент,
, определяемый при тарировке;
23
φ - разность фаз, [°], на выходах третьего и второго (или первого) приемных электроакустических преобразователей.
Указанная совокупность отличительных признаков позволяет достичь технического результата, заключающегося в быстродействии определения скорости потока газовой среды и представлении результатов в режиме реального времени за счет непрерывной регистрации простой электрической схемой параметров распространения бегущих ультразвуковых волн по направлению и против направления потока.
Технический результат достигается тем, что во время измерения на выходах первого и второго концевых приемных преобразователей непрерывно присутствует параметр (разность фаз), пропорциональный мгновенному значению скорости потока (формула 1). Периодичность считывания этой информации ограничивается произведением периода ультразвуковых колебаний на добротность электроакустических преобразователей. В практических случаях этот предел составляет единицы миллисекунд и является показателем быстродействия.
На выходах третьего и второго (первого) концевых приемных преобразователей непрерывно присутствует параметр (разность фаз), определяющий мгновенное значение c скорости звука:
Подстановка этого значения c из формулы (3) в формулу (1) приводит к формуле (2)
Периодичность считывания этой информации также ограничивается произведением периода ультразвуковых колебаний на добротность электроакустических преобразователей.
Очевидно также, что нет необходимости непрерывно измерять скорость звука. Замеры скорости звука и скорости потока могут осуществляться поочередно одним и тем же средством измерения разности фаз, что упрощает электрическую схему, но обеспечивает функционирование и получение результата измерения в режиме реального времени при практически мгновенных изменениях состава газовой среды.
Таким образом, достигается определение мгновенных значений скорости потока газовой среды с повышенным быстродействием и упрощается электрическая схема.
23
Необходимо дать дополнительное толкование упомянутого ранее признака, в характеристике которого использовано определение «предпочтительный». Предпочтительность расстояния между вторым и третьим электроакустическими преобразователями, равного длине волны распространения ультразвука в воздухе, объясняется тем, что первое слагаемое в знаменателе формулы (2) равно полному периоду, то есть 360°, а отсчет разности фаз φ начинается от нуля. Это также удобно при первичной наладке и контроле устройства, реализующего данный способ. Предпочтительность воздушной среды объясняется как наибольшей скоростью звука в воздухе по сравнению с другими, измеряемыми, например пневмотахометрами, газами, так и наибольшей доступностью этой рабочей среды.
В предлагаемом способе также существенно, чтобы характерный размер поперечного сечения измерительного канала не превышал половину длины волны ультразвука в среде, а это не всегда приемлемо из-за аэродинамического сопротивления потоку. Далее, способ осуществим, если в измерительном канале реализуется режим бегущей волны, без отражений, а это не всегда выполняется при конечной длине измерительного канала. Эти вопросы найдут свое разрешение в соответствующих признаках устройства, характеристика которого дается ниже.
Заявляемый способ реализован в устройстве.
Известно устройство (патент РФ №2165598, кл. G01F 1/66 от 26.04.2001 г.), характеризующееся тем, что оно содержит мерный участок трубопровода с датчиком давления и двумя встроенными ультразвуковыми преобразователями, опорный генератор электрических ультразвуковых колебаний, таймер, формирователь зондирующих импульсов, схему сложения, последовательно соединенные аналоговый коммутатор, триггер, счетчик импульсов, схему вычитания и арифметическое устройство; в устройство также введены последовательно соединенные N-параллельно включенных блоков памяти, второй коммутатор, последовательно связанные блок определения типа газовой среды, блок кода стандартной плотности, делитель кодов и суммирующе-регистрирующее устройство.
Известно устройство (патент РФ №2165598 C1, кл. G01F 1/66), характеризующееся тем, что оно не позволяет получить удовлетворительное быстродействие, так как измерение временных интервалов осуществляется последовательно, с запоминанием предыдущего результата, а период повторения зондирующих импульсов должен быть больше времени, необходимого для затухания всех сопутствующих ультразвуковых реверберационных помех, и составляет несколько десятков миллисекунд. Необходимо также отметить, что возбуждение ультразвуковых колебаний зондирующими импульсами, равными половине периода резонансной частоты, крайне неэффективно, так как не используется резонансное усиление акустических колебаний электроакустическими преобразователями.
Еще одним недостатком устройства является относительная сложность сопутствующей электрической схемы. Для обеспечения функционирования устройств и получения конечного результата минимально необходимо формирование импульсов или пакетов колебаний, коммутация преобразователей с приема на передачу и обратно, измерение, сложение и вычитание временных интервалов с последующими сравнениями и вычислениями.
Наиболее близким техническим решением к изобретению является патент РФ №2396518, защищающий устройство для определения скорости потока газовой среды, состоящее из
- мерного участка трубопровода;
- электроакустических преобразователей;
- генератора электроакустических колебаний ультразвуковой частоты;
- электронного блока анализа электрических колебаний.
Недостатки известного устройства:
- относительная сложность сопутствующей электрической схемы;
- коммутация электроакустических преобразователей с приема на передачу и обратно.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является достижение технического результата, заключающегося в повышении быстродействия определения скорости потока газовой среды и представлении результатов в режиме реального времени за счет непрерывной регистрации простой электрической схемой параметров распространения бегущих ультразвуковых волн; дополнительным техническим результатом является упрощение схемы измерения за счет использования бегущей волны в измерительном канале одновременно по направлению и против направления потока.
Поставленная задача решается в устройстве определения скорости и объема потока газовой среды, включающем мерный участок трубопровода, электроакустические преобразователи, генератор электрических колебаний ультразвуковой частоты и электронный блок анализа электрических колебаний, характеризующийся тем, что
мерный участок состоит из шунтирующего канала и измерительного канала, в середине длины которого расположен излучающий электроакустический преобразователь, а на концах измерительного канала, на равных расстояниях от излучающего преобразователя, расположены первый и второй приемные электроакустические преобразователи;
измерительный канал имеет размер поперечного сечения не более половины длины волны ультразвука в газовой среде, к его концам присоединены трубки того же сечения из звукопоглощающего материала, а расстояние между излучающим и приемными электроакустическими преобразователями составляет, предпочтительно, 3-10 длин волн ультразвука в газовой среде;
на расстоянии, предпочтительно, одной длины волны в воздухе от первого или второго приемного электроакустического преобразователя расположен третий приемный электроакустический преобразователь, и выходы всех упомянутых преобразователей соединены с электронным блоком, который содержит
генератор ультразвуковой частоты, питающий излучатель, источник управляющего напряжения, коммутатор, измеритель разности фаз, запоминающее устройство, вычислительное устройство и устройство индикации,
причем первый (или второй) приемники ультразвука соединены с измерителем разности фаз непосредственно, а третий и второй (или первый) приемники ультразвука соединены с измерителем разности фаз через коммутатор, коммутатор соединен с запоминающим устройством, выход которого соединен с входом вычислительного устройства, выход вычислительного устройства соединен с входом устройства индикации, выход источника управляющего напряжения соединен с коммутатором и запоминающим устройством.
Отличительными признаками предлагаемого изобретения являются:
третий приемный электроакустический преобразователь, расположенный на расстоянии, предпочтительно, одной длины волны в воздухе от первого или второго приемного электроакустического преобразователя;
соединение выходов упомянутых преобразователей с электронным блоком, который содержит генератор ультразвуковой частоты, питающий излучатель, источник управляющего напряжения, коммутатор, измеритель разности фаз, запоминающее устройство, вычислительное устройство и устройство индикации;
причем первый (или второй) приемники ультразвука соединены с измерителем разности фаз непосредственно, а третий и второй (или первый) приемники ультразвука соединены с измерителем разности фаз через коммутатор, коммутатор соединен с запоминающим устройством, выход которого соединен с входом вычислительного устройства, выход вычислительного устройства соединен с входом устройства индикации, выход источника управляющего напряжения соединен с коммутатором и запоминающим устройством.
Указанная совокупность отличительных признаков позволяет достичь технического результата, заключающегося в повышении быстродействия определения скорости потока газовой среды и представлении результатов в режиме реального времени за счет непрерывной регистрации простой электрической схемой параметров распространения бегущих ультразвуковых волн по направлению и против направления потока; дополнительным техническим результатом является упрощение схемы измерения за счет использования бегущей волны в измерительном канале.
Устройство работает следующим образом.
Генератор ультразвуковой частоты питает излучатель, от которого бегущие ультразвуковые волны непрерывно распространяются по направлению и против направления потока, и затухают в трубках для входа и выхода газа; первый, второй и третий приемники ультразвука фиксируют ультразвуковые волны, причем посредством источника управляющего напряжения и коммутатора на вход измерителя разности фаз подают сигналы либо от третьего и второго (или первого) приемников, либо от первого и второго приемников - разность фаз, преобразованная в цифровой код, считывается поочередно со скоростью до 100 раз в секунду через равные промежутки времени и запоминается в запоминающем устройстве, а вычислительное устройство осуществляет действия над этими значениями разностей фаз с целью расчета мгновенных значений скорости звука в газовой среде и передачи этих данных в устройство индикации, где они отображаются в реальном масштабе времени.
Пример конкретного осуществления изобретения поясняется следующими фигурами графических изображений.
Фиг.1. Схема устройства для осуществления ультразвукового способа определения скорости и объемов потока газовой среды
Базовым конструкционным элементом является шунтирующий элемент 5, к которому присоединены входной и выходной патрубки 6, мерный участок трубопровода и полукольцо 7 с измерительным каналом 8. Перечисленные детали выполнены, например, из алюминиевого сплава. На полукольце измерительного канала имеются четыре углубления, по два с каждой стороны, в которых закреплены электроакустические преобразователи 1, 2, 3 и 4 посредством резиновых втулок 9. Электроакустические преобразователи пьезоэлектрического типа сообщаются с измерительным каналом посредством отверстий 10. Продолжением измерительного канала являются две газозаборные трубки 11, которые выполняют также функцию поглощения звука.
Поток газа, поступающий во входной патрубок, разветвляется на два потока. Основной объем проходит по шунтирующему каналу и выходит через выходной патрубок. Меньший объем проходит через измерительный канал. Скорости движения газа в патрубках и в измерительном канале приблизительно равны, а скорости потока (объемные скорости) соотносятся как площади сечений шунтирующего и измерительного каналов. Ультразвук, возбуждаемый электроакустическим преобразователем 4, распространяется в оба конца измерительного канала в виде бегущей волны и принимается симметрично расположенными приемными преобразователями 1 и 2 и преобразователем 3. В отсутствие движения среды, в силу симметрии разность фаз колебаний на выходах преобразователей 1 и 2 равна нулю. При движении среды, например, слева направо сигнал в преобразователе 2 получает опережение на часть периода колебаний, а в преобразователе 1 такой же величины -  запаздывание. При выборе расстояния по каналу между излучателем 4 и преобразователями 1 и 2 использовался следующий подход. Исходной величиной является максимальная скорость потока, которую нужно измерить. Если максимальная скорость движения среды в измерительном канале составляет, например, 1/10 от скорости звука, то естественно расположить преобразователи на расстоянии не более 10 длин волн. В этом случае разность фаз не превысит 360 град., что технически легко измерить.
Фиг.2. Функциональная электрическая схема для случая применения устройства в качестве пневмотахометра.
С помощью функциональной схемы (фиг.2) рассмотрим использование описанного устройства как пневмотахометра. Схема состоит из нескольких функциональных устройств, включающих приемные электроакустические преобразователи 1, 2 и 3, излучающий электроакустический преобразователь 4, подключенный к генератору колебаний ультразвуковой частоты 5, коммутатора 6, измерителя разности фаз 7, запоминающего устройства 8, вычислительного устройства 9, устройства индикации 10 и источника управляющего напряжения 11. В зависимости от управляющего напряжения, ноль или единица, посредством коммутатора на вход измерителя разности фаз подаются сигналы либо от преобразователей 1 и 2 либо от преобразователей 2 и 3. В измерителе разность фаз, информация, преобразованная в цифровой код, считывается со скоростью 100 измерений в секунду через равные промежутки времени. Далее положим, условно, что ноль управляющего напряжения соответствует паузе, а единица соответствует фазе выдоха. Во время паузы обрабатывается сигнал с преобразователей 2 и 3 (измерение скорости звука c), а в устройстве 8 происходит запоминание результатов измерения:
23
21
В начале фазы выдоха управляющее напряжение принимает значение единицы, через коммутатор проходят сигналы от преобразователей 1 и 2 (измерение скорости потока), а на выходе устройства 8 выдается запомненный результат измерения φ и текущее значение φ. В вычислительном устройстве осуществляются действия над этими значениями с целью расчета мгновенных значений скорости ν потока газовой среды:
В устройстве индикации результаты расчета мгновенных значений скорости ν потока газовой среды представляются в виде графика зависимости от реального времени, а результаты вычисления скорости звука - в виде численных значений.
От третьего и второго (или первого) преобразователей определяется вторым измерителем разности фаз. Вычислительное устройство осуществляет действия над измеренными значениями разности фаз в соответствии с формулой (2) с целью расчета мгновенных значений скорости потока среды и передачи результатов в устройство индикации, где они отображаются в реальном масштабе времени.