УЛЬТРАЗВУКОВОЙ РАСХОДОМЕР
ULTRASONIC FLOWMETER

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения скорости и расхода воздуха в тормозных пневмотрубопроводах железнодорожных (Ж/Д) составов, а также может быть использовано в любых трубопроводных магистралях.
Общей проблемой измерения параметров скорости потока (вода, газ и т.д.), таких как давление, скорость потока, в конечном итоге расход, например, в тормозной или питающей магистрали, главным является повышение точности измерений при сохранении приемлемой себестоимости для массового производства. Так для Ж/Д транспорта при наличии очень большого количества поездов, решение этой проблемы является актуальной задачей.
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 или жидкости. К таким расходомерам можно отнести, например, ультразвуковой расходомер (патент РФ №2106603, G01F 1/66, опубл. 10.03.1998), а также устройство для измерения расхода жидкости или газа и способ его измерения (патент РФ №2047097, G01F 1/66, опубл. 27.10.95). Приборы такого вида используют ультразвуковые преобразователи (УЗП), встроенные в стенку трубы.
Другой вид расходомеров использует накладные УЗП. Этот вариант приборов позволяет легко монтировать УЗП на трубопроводах без нарушения целостности трубы и остановки работы трубопровода и поэтому наиболее перспективен. Однако использование накладных УЗП затрудняется большой разницей акустических импедансов материала трубы и газа (пять порядков). В результате в газ излучается, а затем принимается лишь ничтожная часть энергии. В то же время акустические колебания, возникающие в стенке трубы, во много раз превышают акустические колебания в газе, и потому возникает необходимость разнесения во времени моментов прихода этих сигналов в приемный УЗП. Отражения ультразвуковых колебаний от неоднородностей стенки трубы (швы, фланцы, изгибы и т.д.), а также прохождение волн 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 (патент США №6626049, приоритет от 31.03.2000, G01F 1/66), выбранный в качестве прототипа, в котором используются накладные УЗП, возбуждающие в стенке трубы волну Лэмба, которая далее возбуждает в газе продольную ультразвуковую волну. Эта волна пробегает через поток и возбуждает в противоположной стенке волну Лэмба, принимаемую вторым УЗП. Далее, как и в расходомерах обычного типа, используется информация о времени распространения сигнала вверх и вниз по течению. Для уменьшения сигналов, распространяющихся по стенке трубы, используется демпфирующее покрытие, размещенное на поверхности трубы под ультразвуковыми преобразователями.
Недостатки данного способа и устройства описаны выше.
Известен «Ультразвуковой датчик расхода сжатого воздуха пневмосетей», применяемый на Ж/Д транспорте, для контроля состояния пневмосети локомотива и поезда (тормозной или питательной магистрали) путем определения скорости движения сжатого воздуха в трубопроводе известного диаметра, см. www.saut.ru.
Недостаток: большая погрешность измерения до 2 л/мин - это при максимальном расходе 100 л/мин, а при минимальном расходе 10 л/мин погрешность составляет до 20%.
Наиболее близким техническим решением является патент РФ №3213068 от 20.12.2007. «Способ измерения расхода газа в трубопроводах и устройство для его осуществления» Изобретение предназначено для измерения расхода в магистральных трубопроводах. Возбуждают продольные ультразвуковые волны по и против потока газа за счет возбуждения в стенке трубы волн Лэмба. Выделяют нестационарную составляющую полезного сигнала, прошедшего через газ, путем компенсации стационарных сигналов, распространяющихся по стенке трубы. Операцию выделения нестационарной части полезного сигнала повторяют несколько раз, результаты выделения возводят в квадрат и суммируют для получения функционала, являющегося квадратом производной по времени полезного сигнала. Устройство для реализации способа содержит два приемопередающих тракта, каждый из которых включает в себя ультразвуковой преобразователь, установленный на стенке трубы, передающий и приемный блоки, блок компенсации сигнала-помехи, накопительный блок. С каждым блоком приемопередающих трактов соединен блок управления, подключенный к блоку вычисления скорости и расхода газа. Изобретение обеспечивает повышение точности измерения в условиях больших стационарных помех.
Недостатком является высокая схемная сложность, т.к. применяется измерение по потоку и против потока и, в основном, технической задачей является повышение работоспособности в условиях больших стационарных помех.
Технической задачей изобретения является повышение точности измерения при минимизации аппаратурных затрат.
Технический результат достигается за счет использования многократного переотрожения зондирующего сигнала от внутренней поверхности трубопровода при создании оригинального математического аппарата вычисления скорости потока.
Для решения поставленной задачи предлагается ультразвуковой расходомер сжатого воздуха пневмосети поезда, содержащий задающий генератор, излучающую часть, приемную часть и два пьезоэлектрических преобразователя, отличающийся тем, что дополнительно содержит первый усилитель, второй усилитель - малошумящий, выделитель первой конфигурации, выделитель второй конфигурации, измеритель задержки первой конфигурации, измеритель задержки следующей конфигурации и вычислитель - микроконтроллер - МК со следующими соединениями: выход задающего генератора через первый усилитель соединен с задающим ПЭПом, также выход первого усилителя соединен с синхро-выходами обоих измерителей задержек, выход задающего ПЭПа через пневмо-трубопровод соединен с выходом приемного ПЭПа, выход которого через малошумящий усилитель соединен с сигнальными выходами выделителей первой и следующих конфигураций, а их выходы через измерители задержки первой и следующих конфигурации соответственно соединены с выходами МК, выходы которого являются выходами расходомера.
На фиг. 1 показана структурная электрическая схема изобретения, на фиг. 2 изображен ход лучей от первого ПЭП до второго для первой и третьей конфигурации лучей (переотражений), на фиг. 3 - вид принимаемого сигнала и его спектр.
На фиг. 1 изображено:
1 - ультразвуковой генератор,
2 - первый усилитель,
3 - пьезоэлектрический первый преобразователь (ПЭП) - передающий,
4 - ПЭП приемный,
5 - измерительная среда (контролируемая среда),
6 - второй усилитель малошумящий (МШУ),
7 - выделитель первой конфигурации путей сигнала от первого ПЭП до второго («V» конфигурация),
8 - выделитель следующей конфигурации путей сигнала от первого ПЭП до второго («3V» конфигурация),
9 - измеритель задержки первой конфигурации,
10 - измеритель задержки следующей конфигурации,
11 - вычислитель скорости потока и расхода воздуха.
синх
зад
Схема на фиг. 1 имеет следующие соединения: выход задающего генератора ультразвукового сигнала (1) через усилитель (2) соединен с передающим (первым) ПЭПом (3) также выход первого усилитель (2) шиной частотной синхронизации (f) соединен с входами измерителей задержек (9) и (10), выход первого ПЭП (3) через измерительную среду (4) пневмотрубопровода соединен со вторым (приемным) ПЭП (5), выход последнего, чрез малошумящий усилитель (6), соединен с выходами выделителя первой конфигурации (7) и следующей конфигурации (8), выходы которых, чрез измерители задержек (τ) (9) и (10) соединены с выходами вычислителя потока (11), а его выход является выходом схемы.
Расходомер работает следующим образом. В основу работы положено использование эффекта многократного переотражение зондирующих ЛЧМ сигналов по потоку для исключения необходимости коммутации по потоку - против потока, которое вызвает усложнение алгоритмов и времени обработки, а значит и погрешности измерения. В этом случае исключается возникновение при коммутации неоднозначности, т.е. уход нуля.
Известны основные параметры:
- Диаметр трубопровода, φ.
- Расстояние между первым и вторым ПЭП, В.
- принятое фиксируемое число переотражений (количество т.н. «V» конфигураций).
Оцениваемые параметры.
п
τ - задержка сигнала при заданном числе переотражений.
Вычисляемые:
0
Скорость звука в потоке С,
п
Скорость потока υ.
Примем ∅=В. Проведя необходимые измерения и вычисления (порядок вывода формул опустим) получаем следующее выражение:
где
i
j
n и n - заданные числа переотражений (нечетное).
i
K - отношение первого переотражения к его задержке
j
K - отношение второго переотражения к его задержке
Зная диаметр трубопровода и вычислив скорость потока по известной формуле определяется расход воздуха (газа).
Схемно, расходомер работает следующим образом. Колебания генератора ультразвуковых частот усиливаются и возбуждают первый передающий ПЭП, который излучает эти колебания через верхнюю стенку трубопровода. Излучаемые колебания отражаются от нижней (противоположной) стенки и переотражения происходят по «V» и многогранным «kV» конфигурациям, где k=1,2,3…. На фигуре 1 показаны, использованные, в пояснении к заявке «V» и «3V» конфигурации акустических путей. Сигналы выбранных конфигураций принимаются и усиливаются МШУ и поступают на блоки выделителей конфигураций, где также измеряется их задержка по отношению к зондирующему сигналу, после чего происходит вычисление на МК скорости потока и расхода воздуха, а эти данные поступают потребителю (машинисту, диспетчеру и т.д.).
Преимущества предлагаемого расходомера:
- отсутствие элементов внутри трубопровода;
- обеспечение точности измерения расхода 0,5 л/мин в диапазоне расходов от 10 до 1000 л/мин
- обеспечиваются особенностями ультразвукового расходомера и специально разработанными алгоритмами измерений.
Такое схемное решение, наряду с оригинальным вычислительным аппаратом, позволяет создать достаточно простой и удачный прибор с низкой себестоимостью, т.е. полное соответствие основному экономическому постулату « стоимость - эффективность»
Полунатурное моделирование и испытания экспериментального образца с указанными выше техническими характеристиками, подтверждает правильность выбранного технического решения.