ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ПОТОКА ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ
MEASURING DEVICE FOR MEASURING FLOW RATE OF FLUID

Изобретение относится к измерительному устройству для измерения скорости потока текучей среды, текущей в направлении основного потока в круглой линии.
Для определения скорости потока текучей среды в линии, предпочтительно круглой трубе, помимо различных физических принципов известно применение ультразвуковых волн, испускаемых в линию. С помощью способа, основанного на разности времени прохождения, можно определить скорость потока текущей текучей среды и, таким образом, потока.
При этом ультразвуковые волны излучаются и принимаются с помощью пары ультразвуковых устройств, в частности ультразвуковых преобразователей, причем ультразвуковые устройства расположены на стенке линии напротив друг друга на концах измерительного пути, под наклоном к направлению основного потока или потока текучей среды.
Ультразвуковые волны, переносимые текучей средой, ускоряются в направлении потока и замедляются против направления потока. Полученная разность времени прохождения вычисляется с учетом геометрических размеров для получения средней скорости текучей среды, из которой определяется скорость потока текущей текучей среды.
Важной и сложной областью применения являются газомеры для трубопроводов природного газа, в которых из-за огромного количества перемещаемого газа и стоимости сырья самые незначительные отклонения в точности измерения могут приводить к довольно значительным различиям в стоимости, например, фактически перемещаемого и измеряемого количества. Это приводит к большим различиям в цене. Указанные выше измерительные устройства все чаще применяются для измерения больших объемов газа из-за их точности, отсутствия необходимости в техническом обслуживании и возможности самодиагностики при транспортировке и хранении газа.
Поскольку с помощью измерительного пути ультразвука скорость потока измеряется лишь в определенных местоположениях, в конечном итоге средняя скорость потока аппроксимируется по всему поперечному сечению потока. Таким образом, высокая точность может быть получена, только если поток обладает хорошей воспроизводимостью, то есть, например, имеет невозмущенный профиль потока, или если имеется множество измерительных путей, помогающих учесть возмущения.
При использовании множества измерительных путей на круглых линиях или трубах ультразвуковые устройства могут быть расположены на стенке круглых линий лишь таким образом, что образуются диаметральные измерительные пути. Это означает, что измерительные пути пересекаются в центре трубы, так что измерение всегда выполняется через центр трубы. Таким образом, сигнал измерения проходит через поперечное сечение потока, имеющее самый высокий градиент скорости, поскольку в ламинарном потоке распределение скорости текучей среды в круглой линии представляет собой параболу. Из-за этого сигнал измерения обеспечивает получение лишь неточного среднего значения скорости потока.
На фоне этого, для лучшего считывания профиля потока представляют интерес не круглые поперечные сечения потока в измерительной части измерительного устройства.
Таким образом, задачей изобретения является создание измерительного устройства для измерения скорости потока текучей среды, которое позволит повысить качество измерения скорости потока.
Данная задача решается с помощью измерительного устройства с признаками п. 1 формулы изобретения.
В связи с этим измерительное устройство согласно изобретению для измерения скорости потока текучей среды, текущей в направлении основного потока в круглой линии, содержит входную часть для направления текучей среды из круглой линии в измерительное устройство; выходную часть для направления текучей среды из измерительного устройства в круглую линию; измерительную часть для соединения входной части с выходной частью; по меньшей мере одно ультразвуковое устройство для испускания и/или приема ультразвуковых волн, причем ультразвуковое устройство расположено на стенке измерительной части; и блок обработки для выполнения измерения разности времени прохождения и для определения скорости потока, при этом входная часть имеет первую суперэллиптическую переходную форму, выходная часть имеет вторую суперэллиптическую переходную форму, и измерительная часть имеет прямоугольную форму, в частности с закругленными углами.
Таким образом, преимущество заключается в том, что для ламинарного потока обеспечивается особенно равномерная геометрия перехода от круглой линии к прямоугольной измерительной части заявленного измерительного устройства, в частности до прямоугольной измерительной части с закругленными углами, так что измерительное устройство согласно изобретению может иметь небольшую длину и вместе с этим обеспечивать выравнивание потока.
В предпочтительном варианте осуществления измерительное устройство согласно изобретению расположено в круглой линии соосно с основным потоком текучей среды.
Предпочтительно первая суперэллиптическая переходная форма входной части переходит от круглого поперечного сечения, соответствующего поперечному сечению круглой линии, в прямоугольное поперечное сечение, в частности с закругленными углами, соответствующее прямоугольной форме измерительной части, так что не возникает срыва потока при переходе текучей среды от круглой линии в прямоугольную измерительную часть измерительного устройства согласно изобретению, в частности в часть с закругленными углами.
Кроме того, вторая суперэллиптическая переходная форма выходной части измерительного устройства согласно изобретению предпочтительно переходит от прямоугольного поперечного сечения, в частности с закругленными углами, соответствующего прямоугольной форме измерительной части, в круглое поперечное сечение, соответствующее поперечному сечению круглой линии, так что на выходе измерительного устройства согласно изобретению не возникает завихрений.
а
Согласно дополнительному предпочтительному варианту осуществления суперэллиптическая переходная форма описывается с помощью формулы , где полуоси a(z), b(z) и показатель n(z) являются, соответственно, функциями координаты z, причем z представляет собой координату оси счетчика, указывающей направление основного потока, х и у - пространственные координаты, перпендикулярные оси z счетчика. В частности, в круглой части фланца показатель n(фланец)=2, а полуоси a(z) и b(z) равны радиусу фланца - (фланец) = b(фланец) = R. В области прямоугольной измерительной части, в частности в части с закругленными углами, значение n(измерительная часть) предпочтительно больше 2. Для хорошей аппроксимации в прямоугольной измерительной части предпочтительны значения n(измерительная часть) больше 5. Отношение полуосей а и b друг к другу определяет отношение сторон поперечного сечения измерительной части. В частности, стандартными значениями являются . Во входной или выходной части между частями фланца и измерительной частью значения полуосей a(z), b(z) и показателя n(z) изменяются непрерывно в зависимости от координаты z оси счетчика, за счет чего могут быть исключены большие градиенты в изменении контура переходной формы.
Кроме того, согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления ультразвуковое устройство расположено на стенке прямоугольной измерительной части измерительного устройства согласно изобретению, в частности части с закругленными углами, таким образом, что по меньшей мере один измерительный путь ультразвукового устройства направлен приблизительно параллельно боковой стенке прямоугольной измерительной части, в частности части с закругленными углами. Иными словами, измерительный путь выполнен так, что он наклонен вдоль оси z счетчика в направлении основного потока и по существу параллелен боковой стенке измерительной части.
Предпочтительно ультразвуковое устройство расположено на стенке прямоугольной измерительной части, в частности части с закругленными углами, таким образом, что в прямоугольной измерительной части, в частности части с закругленными углами, измерительный путь имеет секущее направление. В результате измерительный сигнал не проходит через поперечное сечение потока, имеющее самый высокий градиент скорости, так что улучшенная плотность считывания профиля потока может привести к более точному определению среднего значения скорости потока.
Предпочтительные варианты осуществления, усовершенствования и другие преимущества изобретения следуют из зависимых пунктов формулы изобретения, приведенного ниже описания и чертежей.
Изобретение раскрывается подробно ниже с помощью вариантов его осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи, где:
фиг. 1 - схематический трехмерный вид измерительного устройства согласно изобретению;
фиг. 2 - схематический вид сбоку измерительного устройства согласно изобретению, показанного на фиг. 1;
фиг. 3А - схематический вид в разрезе вдоль линии разреза А-А с фиг. 2;
фиг. 3В - схематический вид в разрезе вдоль линии разреза В-В с фиг. 2;
фиг. 3С - схематический вид в разрезе вдоль линии разреза С-С с фиг. 2.
На фиг. 1 показан схематический трехмерный вид предпочтительного варианта осуществления измерительного устройства 1 согласно изобретению, измеряющего скорость потока текучей среды F, текущей в направлении основного потока в круглой линии L. Текучая среда F может включать в себя, например, природный газ, нефть или т.п.
При этом измерительное устройство 1 расположено в круглой линии L соосно с основным потоком текучей среды F.
Измерительное устройство 1 содержит часть F1 фланца, соединяющую измерительное устройство 1 с круглой линией L и направляющую текучую среду F из круглой линии L в измерительное устройство 1.
К части F1 фланца примыкает входная часть Е измерительного устройства 1, имеющая первую суперэллиптическую переходную форму, проходящую от начала входной части Е до измерительной части М измерительного устройства 1. При этом первая суперэллиптическая переходная форма переходит от круглого поперечного сечения Q части F1 фланца в прямоугольное поперечное сечение R, причем ниже под "прямоугольным" поперечным сечением R подразумевается, что поперечное сечение R имеет предпочтительно прямоугольную форму с приблизительно параллельными друг другу краями и закругленными углами. В частности это означает, что поперечное сечение R имеет визуально прямые параллельные края.
Измерительная часть М измерительного устройства 1 имеет прямоугольную форму, имеющую прямоугольное поперечное сечение R, при этом скорость потока текучей среды F измеряется внутри измерительной части М измерительного устройства 1. К измерительной части М измерительного устройства 1 примыкает выходная часть А измерительного устройства 1, причем к выходной части А примыкает часть F1 фланца, направляющая текучую среду F из измерительного устройства 1 обратно в круглую линию L, и скорость потока текучей среды F определяется в измерительной части М измерительного устройства 1. Иными словами, измерительная часть М измерительного устройства 1 соединяет входную часть Е с выходной частью А измерительного устройства 1.
Выходная часть А измерительного устройства 1 имеет вторую суперэллиптическую переходную форму, проходящую от прямоугольной измерительной части М измерительного устройства 1 до конца измерительного устройства 1 и соединенную с круглой линией L. При этом вторая суперэллиптическая переходная форма переходит от прямоугольного поперечного сечения R в круглое поперечное сечение Q, соответствующее круглому поперечному сечению круглой линии L.
В рамках данного изобретения переходная форма означает конструктивное исполнение формы входной части Е или выходной части А измерительного устройства 1. Как правило, эта форма соответствует не усеченному полому конусу, а скорее суперэллиптической полой усеченной части.
Суперэллиптическая переходная форма описывается с помощью формулы , где a(z), b(z) являются полуосями суперэллиптической переходной формы. Полуоси a(z) и b(z) являются функциями z, то есть координаты оси z счетчика, указывающей в направлении основного потока, при этом х и у являются пространственными координатами, перпендикулярными оси z счетчика. Показатель n(z) также является функцией координат оси z счетчика, указывающей в направлении основного потока. При этом под полуосями a(z) и b(z) следует понимать характеристические радиусы суперэллипса. Иными словами, при наблюдении в продольном направлении измерительного устройства 1 вдоль оси z счетчика в направлении основного потока, значения полуосей a(z), b(z) и показателя n(z) непрерывно изменяются от начала входной части Е до конца выходной части А.
В частности в круглой части F1 фланца измерительного устройства 1 показатель n(z) равен 2, а полуоси a(z) и b(z) равны радиусу фланца. В области приблизительно прямоугольной измерительной части М значение показателя n(z) больше 2, причем для хорошей аппроксимации в прямоугольной измерительной части М предпочтительны значения n больше 5. Отношение полуосей a(z) и b(z) друг к другу определяет отношение сторон поперечного сечения измерительной части М. Типичными значениями являются .
Другими словами, во входной и выходной части Е, А между частью F1 фланца и измерительной частью М значения полуосей a(z), b(z) и показателя n(z) изменяются непрерывно в зависимости от z, так что может быть достигнута суперэллиптическая переходная форма измерительного устройства 1.
На стенке измерительной части М измерительного устройства 1 расположено по меньшей мере одно ультразвуковое устройство 2, испускающее и/или принимающее ультразвук, так что скорость потока текучей среды F определяется не показанным блоком обработки на основе сигнала измерения ультразвукового устройства 2. При этом блок обработки выполняет определение скорости потока посредством измерения разности времени прохождения.
Как показано на схематичном виде сбоку с фиг. 2, прямоугольная измерительная часть М измерительного устройства 1 обеспечивает возможность расположения ультразвукового устройства 2 на стенке таким образом, что по меньшей мере один измерительный путь 2а ультразвукового устройства 2 направлен параллельно боковой стенке прямоугольной измерительной части М измерительного устройства 1. В частности обеспечивается секущее направление измерительного пути ультразвукового устройства 2 в прямоугольной измерительной части М измерительного устройства 1, так что измерительный сигнал измерительного устройства 1 может быть детектирован по всему профилю потока текучей среды F. Иными словами, измерительный путь 2а наклонен относительно направления F основного потока вдоль оси z счетчика и параллелен боковой стенке прямоугольной измерительной части М с закругленными углами, при этом имеется в виду боковая стенка, на которой не установлено ультразвуковое устройство 2.
Иными словами, измерительный путь или измерительные пути 2а ультразвукового устройства 2 могут быть выровнены параллельно друг другу и могут не пересекаться в центре круглой линии L. Это позволяет лучше считывать профиль потока текучей среды F и, следовательно, получать более точное значение скорости потока текучей среды F.
Схематические виды в разрезе на фиг. 3А, 3В поясняют конструктивное исполнение измерительного устройства 1 согласно изобретению. На фиг. 3А показан схематический вид в разрезе входной части Е измерительного устройства 1 вдоль линии разреза А-А. Поперечное сечение Q входной части Е в этом положении является круглым и по существу соответствует поперечному сечению круглой линии L.
В этом положении входная часть Е измерительного устройства 1 имеет первую суперэллиптическую переходную форму, так что на конце входной части Е и на переходе от входной части Е к измерительной части М измерительного устройства 1 первая суперэллиптическая переходная форма имеет прямоугольное поперечное сечение R, как показано на фиг. 3В. Благодаря этому обеспечивается равномерный переход с постоянной площадью поперечного сечения по всему пути потока измерительного устройства 1, так что в профиле потока текучей среды F, в частности внутри измерительной части М измерительного устройства 1, отсутствует турбулентность. Иными словами, не образуется возмущений в профиле потока текучей среды F при переходе текучей среды F от круглой линии L в измерительную часть М измерительного устройства 1.
Измерительная часть М измерительного устройства 1 сохраняет прямоугольное поперечное сечение R вплоть до соединения с выходной частью А измерительного устройства 1. Выходная часть А измерительного устройства 1 начинается с прямоугольным поперечным сечением R и имеет вторую суперэллиптическую переходную форму, так что на конце выходной части А измерительного устройства снова имеется круглое поперечное сечение Q, соответствующее круглому поперечному сечению Q круглой линии L.
Благодаря этому предотвращается срыв потока текучей среды F вдоль всего измерительного устройства 1 согласно изобретению, так что качество измерения скорости потока текучей среды F может быть повышено.
Благодаря прямоугольному поперечному сечению R измерительной части М измерительного устройства 1 можно расположить ультразвуковые устройства 2 рядом друг с другом вдоль внешней стенки прямоугольной измерительной части М измерительного устройства 1, как показано на фиг. 3С. В результате измерительный путь 2а ультразвукового устройства 2 может иметь секущее направление в прямоугольной измерительной части М измерительного устройства 1, причем измерительные пути 2а проходят параллельно боковой стенке прямоугольной измерительной части М измерительного устройства 1, и боковая стенка перпендикулярна стенке измерительной части М измерительного устройства 1, на котором расположены ультразвуковые устройства 2.
В отличие от диаметрального направления измерительного пути из уровня техники, секущие измерительные пути 2а ультразвуковых устройств 2 измерительного устройства 1 с фиг. 3С охватывают весь поперечный разрез потока текучей среды, так что измерительный сигнал измерительного устройства 1 согласно изобретению может обеспечить более точное среднее значение скорости потока.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
1
измерительное устройство
2
ультразвуковое устройство
2а
измерительный путь
А
выходная часть
Е
входная часть
F
текучая среда
F1
часть фланца
L
линия
М
измерительная часть
Q
круглое поперечное сечение
R
прямоугольное поперечное сечение
х, у, z
координатные оси