СПОСОБ РАБОТЫ ПРЯМОТОЧНОГО ОДНОТРУБНОГО МАССОВОГО РАСХОДОМЕРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
OPERATING METHOD OF ONCE-THROUGH SINGLE-TUBE MASS FLOW METER, AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области измерения массового расхода жидкости с помощью расходомеров кориолисового типа, а именно прямоточных однотрубных массовых расходомеров.
Однотрубные прямоточные массовые расходомеры кориолисового типа имеют определенные преимущества перед другими массовыми расходомерами этого типа: простота очистки измерительной трубки от загрязнений без ее повреждения, малые потери давления на расходомере, меньшие поперечные габариты, облегчающие монтаж, а также монотонная и меньшая зависимость от двухфазности измеряемой жидкости.
Все современные расходомеры такого типа имеют следующие характерные черты. Колебания трубки происходят под действием узла возбуждения колебаний, обычно магнитоэлектрического типа, на собственной резонансной частоте, что достигается за счет двух узлов съема сигналов, именуемых адаптерами и расположенных в районе пучностей второй моды колебаний трубки, которые вместе с узлом возбуждения колебаний и электронным блоком образуют электромеханическую автоколебательную систему с регулировкой, то есть поддержанием амплитуды колебаний.
Если в колеблющейся трубке находится жидкость, то каждая частица жидкости совершает колебания со смещением, скоростью и ускорением, соответствующими характеристикам данной автоколебательной системы, причем колебательное ускорение обращается в ноль при прохождении нейтральной линии, так называемой нейтрали, то есть линии, проведенной через центр трубки в местах ее крепления к корпусу.
При движении жидкости вдоль трубки возникает новое ускорение, прямо пропорциональное произведению скорости движения жидкости на колебательную скорость этой жидкости, которое обычно называется ускорением Кориолиса. Значение и направление этого ускорения можно определить по формуле:
<mrow><msub><mi>a</mi><mi>k</mi></msub><mo>=</mo><mo>−</mo><mi>K</mi><mo>×</mo><msub><mi>V</mi><mrow><mi>к</mi><mi>о</mi><mi>л</mi></mrow></msub><mo>×</mo><msub><mi>V</mi><mn>0</mn></msub><mo>×</mo><mi>sin</mi><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi></mrow><mi>l</mi></mfrac><mo>×</mo><mi>χ</mi></mrow>
k
где a - ускорение Кориолиса,
K - коэффициент, зависящий от эпюры прогиба трубки,
кол
V - колебательная скорость,
<mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mi>к</mi><mi>о</mi><mi>л</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msubsup><mi>V</mi><mrow><mi>к</mi><mi>о</mi><mi>л</mi></mrow><mn>0</mn></msubsup><mo>×</mo><mi>cos</mi><mi>ω</mi><mi>t</mi></mrow>
,
где ω - круговая частота резонансных автоколебаний,
0
V - скорость жидкости,
l - длина трубки,
χ - координата вдоль трубки, χ [0; l].
k
Ускорение а лежит в плоскости колебательной скорости и имеет направление, соответствующее первой производной, по координате вдоль трубки, от эпюры этой скорости с минусом.
Наличие этого ускорения и соответствующей силы вызывает изгиб трубки, приблизительно, по второй моде свободных колебаний, причем максимум изгиба трубки приходится на максимум кориолисова ускорения и колебательной скорости при нейтральном, не отклоненном, положении трубки. Для измерения массового расхода используют следующий прием: с помощью двух адаптеров, расположенных в пучностях второй моды собственных колебаний трубки, измеряют разность фаз, пропорциональную величине изгиба трубки, и эту разность фаз делят на частоту собственных колебаний трубки. При этом получают величину Δt - промежуток времени, прямо пропорциональный массовому расходу жидкости и обратно пропорциональный жесткости трубки.
Вышеперечисленные черты свойственны всем массовым кориолисовым расходомерам и позволяют измерять массовый расход жидкостей с высокой точностью. Однако у однотрубных прямоточных массовых расходомеров имеются свои особенности, связанные с их конструкцией, а именно, необходимость жесткой заделки прямой трубки в корпусе, что приводит с одной стороны к зависимости жесткости трубки от разности температур корпуса и трубки из-за возникающих при таком креплении сжимающих и растягивающих усилий на трубке, а с другой стороны жесткость трубки меняется за период колебаний, принимая минимальное значение в нейтральном положении.
Эти особенности создают, во-первых, проблему компенсации дополнительной зависимости жесткости трубки от температур корпуса и трубки, во-вторых, проблему сохранения характера движения трубки относительно нейтрального положения, поскольку именно в этом положении производится замер разности фаз, в этом положении кориолисовое ускорение максимально, а колебательное ускорение равно нулю. Этот характер движения, то есть прохождение трубки через нейтральное положение каждый период колебания, может быть нарушен по следующим причинам. Во-первых, поскольку свободно колеблющаяся трубка обладает несколькими степенями свободы, то она в общем случае колеблется не в одной плоскости, а описывает некоторую траекторию вокруг нейтральной линии, причем эта траектория, особенно при наличии сжимающей силы, может быть энергетически более выгодной, и значит, более устойчивой, чем колебания в одной плоскости, кроме того, ни адаптеры, ни узлы возбуждения известных типов не обладают достаточной селективностью для поддержания колебаний в одной плоскости. Во-вторых, воздействие вибрации, которое, с учетом вышеизложенных факторов, может произвольно изменять траекторию движения трубки. В-третьих, возможная двухфазность жидкости, создающая, кроме эффектов, общих для всех кориолисовых массовых расходомеров, неравномерность распределения массы жидкости по длине и сечению трубки, которое создает эффект, аналогичный воздействию вибрации. Именно малая помехозащитность от вышеперечисленных факторов является главной особенностью и проблемой однотрубных прямоточных массовых расходомеров.
Решение этих проблем в современных однотрубных прямоточных расходомерах осуществляется по следующим направлениям.
Наличие сжимающих и растягивающих усилий на трубке, изменяющих ее жесткость, учитывается во всех современных конструкциях расходомеров с помощью измерения температур в нескольких точках трубки и корпуса и внесения поправок на измерение расхода и плотности расчетным путем в электронном блоке (см., напр., US 7658116, опубл. 09.02.2010, или US 7490521, опубл. 17.02.2009, или US 7654153, опубл. 02.02.2010). Кроме того, путем выбора материала трубок и корпуса добиваются расширения температурного диапазона. Для этих целей в некоторых расходомерах используют титан, который обладает хорошей коррозионной стойкостью и малым коэффициентом линейного расширения (см., напр., RU 2381458, опубл. 10.02.2010).
Борьба с вибрационными помехами - это основное направление увеличения точности измерения расхода и плотности однотрубными прямоточными расходомерами. Она проводится по следующим основным направлениям. Во-первых, во всех современных расходомерах этого типа проводится уравновешивание трубки с помощью колеблющейся в противофазе массы, с которой связаны катушки адаптеров и узла возбуждения. Такое уравновешивание позволяет приблизить характеристики однотрубных расходомеров по стойкости к вибрации к характеристикам двухтрубных расходомеров. Однако при изменении плотности жидкости в трубке уравновешивание частично нарушается. Во-вторых, принимаются меры по стабилизации плоскости колебаний трубки, которые сводятся, в основном, к увеличению жесткости трубки в плоскости, перпендикулярной плоскости колебаний. Поскольку колебания в этой плоскости становятся более энергозатратными, амплитуда их уменьшается. Такой эффект достигается конфигурацией перемычек, расположенных вблизи мест крепления концов трубок и жестко соединенных с корпусом, а также конструкцией уравновешивающего устройства с тем же принципом действия. В-третьих, используется дополнительный корпус, подвешенный внутри наружного на гибких трубопроводах, а внутри дополнительного корпуса расположен сам расходомер. Таким образом производится разгрузка расходомера от внешней вибрации.
Недостатком всех вышеперечисленных аналогов является то, что примененные способы и средства борьбы с вибрационной помехой относятся к пассивным методам защиты и позволяют уменьшить, иногда значительно, влияние вибрации на работу расходомера, но не исключить его в основном, поскольку не обладают свойством адаптивности к величине, направлению и характеру вибрации.
Из существующего уровня техники известен выбранный в качестве наиболее близкого аналога однотрубный прямоточный массовый расходомер, содержащий чувствительный элемент в виде прямой трубки, жестко закрепленной по концам в корпусе, размещенный в середине трубки узел возбуждения колебаний и два узла адаптеров, размещенные в пучностях второй моды свободных колебаний трубки, а также электронный блок, связанный с узлами возбуждения колебаний и адаптеров и включающий блок возбуждения основных колебаний и блок обработки и индикации информационных сигналов (см., напр., RU 2298165, опубл. 10.05.2006).
Из того же источника информации известен способ работы однотрубного прямоточного расходомера, заключающийся в том, что чувствительный элемент устройства в виде прямой трубки приводит в колебательное движение в основной плоскости на собственной частоте с помощью размещенных на нем двух узлов адаптеров и узла возбуждения колебаний магнитоэлектрического типа, измеряют разность фаз, возникающую на узлах адаптеров при прохождении жидкости через чувствительный элемент, и преобразуют ее в значение массового расхода.
При этом в данном техническом решении чувствительному элементу придаются, помимо изгибных колебаний, крутильные колебания с возможностью скручивания трубы в соответствии с естественной формой крутильных колебаний вокруг ее продольной оси, при этом труба равнонаправленно закручивается по всей ее длине. Недостатком данного технического решения является отсутствие контроля за колебаниями в плоскости, перпендикулярной плоскости колебаний (квадратурной плоскости), что приводит, с учетом малой селективности адаптеров к квадратурной скорости, к большим погрешностям измерения расхода при воздействии вибрационного фактора.
Задачей, на решение которой направлено настоящее техническое решение, является повышение точности прямоточных однотрубных массовых расходомеров кориолисового типа в условиях воздействия вибрации различного происхождения, в том числе, и при прохождении двухфазной жидкости по трубке, а также расширение диапазона применения по температуре и виду жидкости.
Поставленная задача в части способа решается за счет того, что в способе работы однотрубного прямоточного расходомера, заключающемся в том, что чувствительный элемент устройства в виде прямой трубки приводят в колебательное движение в основной плоскости на собственной частоте с помощью размещенных на нем двух узлов адаптеров и узла возбуждения колебаний магнитоэлектрического типа, измеряют разность фаз, возникающую на узлах адаптеров при прохождении жидкости через чувствительный элемент, и преобразуют ее в значение массового расхода, согласно изобретению, чувствительному элементу придают дополнительно колебания, обеспечивающие ему суммарно с основными колебаниями вращательное прецессионное движение по отношению к нейтрали, причем дополнительные колебания придают в квадратурной плоскости, перпендикулярной основной, с амплитудой, равной амплитуде основных колебаний, и регулируемой с помощью фазового детектора и управляемого фазовращателя фазой, при этом для придания чувствительному элементу колебательных движений в основной и квадратурной плоскостях усиленные и суммированные сигналы с основных и квадратурных адаптеров соответственно через соответствующие авторегуляторы усиления и усилители мощности подают на катушки возбуждения основных и квадратурных колебаний узла возбуждения колебаний.
Поставленная задача в части устройства решается за счет того, что в однотрубном прямоточном массовом расходомере, содержащем чувствительный элемент в виде прямой трубки, жестко закрепленной по концам в корпусе, размещенный в середине трубки узел возбуждения колебаний и два узла адаптеров, размещенные в пучностях второй моды свободных колебаний трубки, а также электронный блок, связанный с узлами возбуждения колебаний и адаптеров и включающий блок возбуждения основных колебаний и блок обработки и индикации информационных сигналов, согласно изобретению, каждый узел адаптеров состоит из четырех основных и квадратурных адаптеров, попарно расположенных в проходящей по продольной оси трубки основной плоскости и перпендикулярной ей квадратурной плоскости, каждый из адаптеров состоит из магнита, жестко закрепленного на трубке и размещенного в катушке, закрепленной в корпусе, при этом катушки адаптеров, лежащих в одной плоскости, соединены последовательно, а магниты помещены в катушки одноименными полюсами, узел возбуждения колебаний состоит из четырех размещенных в катушках возбуждения основных и квадратурных колебаний магнитов, расположенных, закрепленных и соединенных между собой аналогично адаптерам, электронный блок дополнительно содержит блок возбуждения квадратурных колебаний и блок фазовой коррекции, при этом блок возбуждения основных колебаний содержит усилители сигналов основных адаптеров, входы которых соединены с выходами основных адаптеров, а выходы - с сумматором сигналов основных колебаний, выход которого через авторегулятор усиления и усилитель мощности основных колебаний подключен к катушкам возбуждения основных колебаний, блок возбуждения квадратурных колебаний содержит усилители сигналов квадратурных адаптеров, входы которых соединены с выходами квадратурных адаптеров, а выходы - с сумматором сигналов квадратурных колебаний, выход которого связан с первым входом авторегулятора усиления, выход которого, через усилитель мощности квадратурных колебаний, подключен к катушкам возбуждения квадратурных колебаний, блок фазовой коррекции содержит фазовый детектор, входы которого соединены с выходами сумматоров сигналов основных и квадратурных колебаний, а выход - с первым входом управляемого фазовращателя, второй вход которого, через неуправляемый фазовращатель соединен с выходом сумматора сигналов основных колебаний, выход управляемого фазовращателя соединен со вторым входом авторегулятора усиления квадратурных колебаний, блок обработки и индикации информационных сигналов своими входами соединен с выходами усилителей сигналов основных адаптеров.
Основные и квадратурные адаптеры каждого узла адаптеров расположены попарно на одной прямой симметрично относительно продольной оси трубки.
Основные и квадратурные адаптеры каждого узла адаптеров расположены в одной плоскости, перпендикулярной основной и квадратурной плоскостям.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков способа и устройства для его осуществления, является создание активного противодействия влиянию вибрации путем придания трубке расходомера дополнительных гармонических квадратурных колебаний в плоскости, перпендикулярной основной, управляемых по амплитуде и фазе со сдвигом на π/2 относительно основных колебаний таким образом, что трубке придают вращательное прецессионное движение по отношению к нейтрали, для чего в заявленном устройстве каждый узел адаптеров снабжен квадратурными адаптерами, расположенными в проходящей по продольной оси трубки в квадратурной плоскости, перпендикулярной основной, а узел возбуждения колебаний снабжен размещенными в катушках возбуждения квадратурных колебаний двумя магнитами, расположенными, закрепленными и соединенными между собой аналогично квадратурным адаптерам, при этом электронный блок дополнительно содержит блок возбуждения квадратурных колебаний и блок фазовой коррекции, кроме того, с целью повышения селективности узлов адаптеров и узлов возбуждения, необходимой для работы блока фазовой коррекции, все основные и квадратурные адаптеры и основные и квадратурные катушки узла возбуждения колебаний расположены симметрично относительно оси трубки, причем, одноименные катушки и адаптеры узлов соединены последовательно.
Сущность заявленного устройства поясняется чертежами, не охватывающими и, тем более, не ограничивающими объем притязаний по данному решению, а лишь являющимися иллюстрирующими материалами частного случая выполнения устройства.
На фиг.1 изображена траектория движения частицы жидкости в колеблющейся трубке;
на фиг.2 изображена траектория движения частицы жидкости во вращающейся трубке;
на фиг.3 изображено устройство однотрубного прямоточного массового расходомера кориолисового типа;
на фиг.4 изображен разрез по А-А на фиг.3;
на фиг.5 изображена блок схема электронного блока расходомера.
Рассмотрим траектории движения частицы жидкости в колеблющейся и во вращающейся прецессионно трубке (см. фиг.1, 2). Все скорости и ускорения лежат в одной плоскости.
На чертежах имеются следующие обозначения:
к
а- кориолисовое ускорение,
0
V - скорость частицы вдоль трубки,
кол
кол
V и а - соответственно, скорость и ускорение в колебательном движении частицы.
л
V - линейная скорость частицы по окружности,
ц
а - центростремительное ускорение частицы.
к
кол
кол
к
кол
кол
Как уже отмечалось выше, главной проблемой однотрубных прямоточных расходомеров является отсутствие контроля за колебаниями в квадратурной плоскости, что приводит с учетом малой селективности адаптеров к квадратурной скорости к большим погрешностям измерения расхода однотрубными расходомерами при воздействии вибрационного фактора. Придание расходомерной трубке вращательного прецессионного движения, движения вращения детской скакалки, означает контроль за всей траекторией ее движения и, следовательно, активную компенсацию вибрационного фактора. Эффект от вращательного прецессионного движения трубки поясняется на фиг.2, где изображены траектории движения частицы жидкости, при колебательном и вращательном движении трубки соответственно с возникающими при этом скоростью и ускорением. При колебательном движении (фиг.1) вектор кориолисова ускорения а лежит в одной плоскости и на одной линии с вектором колебательной скорости V и колебательного ускорения а, при этом направление вектора а соответствует знаку первой производной от эпюры колебательной скорости вдоль трубки, то есть на одной половине трубки он положительный, а на другой отрицательный, относительно вектора скорости V и ускорения а.
к
кол
кол
Это дает возможность разделить эффекты, вызванные этими ускорениями, поскольку при определении разности фаз, которая прямо пропорциональна массовому расходу жидкости, кориолисовые ускорения складываются, а колебательные вычитаются. Однако это не так, при наличии вибрации, поскольку, во-первых, ускорения а и а уже не лежат в одной плоскости и на одной линии, а разность фаз начинает зависеть от а и вибрационных ускорений, во-вторых, за счет малой селективности адаптеров в плоскости колебаний, скорости вибрационной помехи непосредственно влияют на разность фаз.
к
ц
кол
ц
л
ц
Если трубке придать вращательное движение (фиг.2), то вектор кориолисова ускорения а и вектор центростремительного ускорения а (заменяющий в данном случае а) первоначально взаимоперпендикулярны и а не влияет на измерение разности фаз. Кроме того, линейная скорость V и, следовательно, а поддерживаются постоянными электронным блоком, тем самым активно противодействуют вибрационным помехам различного происхождения, в том числе, и вызванных двухфазностью жидкости.
л
кол
Большая помехозащищенность расходомера с вращающейся прецессионно трубкой может быть истолкована и с энергетической точки зрения: при одинаковой амплитуде вращательного и колебательного движения трубки линейная скорость V (жидкости и трубки) в несколько раз больше средней колебательной скорости V, соответственно, при вращательном движении, значительно больше и энергия трубки, а при той же энергии вибрационных возмущений, они оказывают меньшее воздействие на работу расходомера.
Вращательное прецессионное движение трубки обеспечивается с помощью однотрубного прямоточного массового расходомера, который содержит чувствительный элемент в виде прямой трубки 1, жестко закрепленной по концам в корпусе 2, размещенный в середине трубки 1 узел 3 возбуждения колебаний и два узла 4 адаптеров и электронный блок (на фиг.3 условно не показан). Электронный блок связан с узлом 3 возбуждения колебаний и узлами 4 адаптеров.
Узлы 4 адаптеров (фиг.3, 4) размещены в пучностях второй моды свободных колебаний трубки 1. Каждый узел 4 адаптеров состоит из четырех адаптеров: двух основных адаптеров 5 и двух квадратурных адаптеров 6. Адаптеры 5, 6 попарно расположены в перпендикулярных относительно друг друга плоскостях. Основные адаптеры 5 расположены в проходящей по продольной оси трубки 1 основной плоскости, а квадратурные адаптеры 6 расположены в квадратурной плоскости, перпендикулярной основной и также проходящей по продольной оси трубки 1. Каждый из адаптеров 5, 6 состоит из магнита 7, жестко закрепленного на трубке 1 и размещенного в катушке 8, закрепленной в корпусе 2. Катушки 8 одноименных адаптеров, лежащих в одной плоскости, соединены последовательно, а магниты 7 помещены в катушки 8 одноименными полюсами. Основные адаптеры 5 каждого узла 4 адаптеров расположены на одной прямой симметрично относительно продольной оси трубки, в одной основной плоскости. Квадратурные адаптеры 6 каждого узла 4 адаптеров расположены на одной прямой симметрично относительно продольной оси трубки, в одной квадратурной плоскости, перпендикулярной основной.
Узел 3 возбуждения (фиг.3) колебаний состоит из четырех размещенных в катушках 9 возбуждения основных колебаний и в катушках 10 возбуждения квадратурных колебаний магнитов 11, 12 соответственно. Все они расположены, закреплены и соединены между собой аналогично адаптерам 5, 6.
Электронный блок (фиг.5) включает блок возбуждения основных колебаний, блок возбуждения квадратурных колебаний, блок фазовой коррекции, блок обработки и индикации информационных сигналов (БОИИС).
1
Блок возбуждения основных колебаний содержит усилители 13 сигналов (УС) основных адаптеров, входы которых соединены с выходами основных адаптеров 5, а выходы - с сумматором 14 сигналов (Σ) основных колебаний, выход которого через авторегулятор 15 усиления (АРУ) и усилитель 16 мощности основных колебаний (УМ) подключен к катушкам 9 возбуждения основных колебаний.
2
Блок возбуждения квадратурных колебаний содержит усилители 17 сигналов (УС) квадратурных адаптеров, входы которых соединены с выходами квадратурных адаптеров 6, а выходы - с сумматором 18 сигналов (Σ) квадратурных колебаний, выход которого связан с первым входом авторегулятора 19 усиления (АРУ), выход которого, через усилитель 20 мощности квадратурных колебаний (УМ), подключен к катушкам 10 возбуждения квадратурных колебаний.
Блок фазовой коррекции содержит фазовый детектор 21 (ФД), входы которого соединены с выходами сумматоров 14, 18 сигналов (Σ) основных и квадратурных колебаний, а выход - с первым входом управляемого фазовращателя 22 (УФВ), второй вход которого, через неуправляемый фазовращатель 23 (НФВ) соединен с выходом сумматора 14 сигналов (Σ) основных колебаний, выход управляемого фазовращателя 22 (УФВ) соединен со вторым входом авторегулятора 19 усиления (АРУ) квадратурных колебаний.
Блок 24 обработки и индикации информационных сигналов (БОИИС) своими входами соединен с выходами усилителей 13 сигналов (УС) основных адаптеров.
Однотрубный прямоточный массовый расходомер с активным подавлением вибрационных помех работает следующим образом.
1
2
1
2
Сигналы с основных адаптеров 5 и квадратурных адаптеров 6 узлов 4 адаптеров усиливаются посредством усилителей сигналов 13, 17 и через автоматические регуляторы 15, 19 усиления, обеспечивающие заданные амплитудные режимы колебаний (V, V) по основной и квадратурной координате, поступают через соответствующие усилители 16, 20 мощности на узел 3 возбуждения основных и квадратурных колебаний, в результате трубка 1 расходомера начинает колебаться на собственной частоте с одинаковыми амплитудами в основной и квадратурной плоскости. Для того чтобы эти колебания носили вращательный прецессирующий характер, необходим сдвиг фаз на величину π/2 относительно основных колебаний на катушках 10 возбуждения квадратурных колебаний, который достигается с помощью неуправляемого фазовращателя 23, служащего для установки начального сдвига фаз сигналов возбуждения основного и квадратурного контура, фазового детектора 21, который генерирует сигнал рассогласования фаз от заданного значения в основном и квадратурном контуре, и управляемого фазовращателя 22, который поддерживает заданное значение сдвига фаз (π/2, то есть 90°) между основным и квадратурным контуром при изменении плотности измеряемой среды и воздействии вибрационных помех. Неуправляемый фазовращатель 23, фазовый детектор 21 и управляемый фазовращатель 22 включены на вход авторегулятора 19 усиления квадратурных колебаний. При этом трубка совершает вращательное прецессионное движение относительно нейтрали. При прохождении потока жидкости через трубку 1, между сигналами на входном и выходном узлах 4 адаптеров возникает разность фаз, которая обрабатывается в блоке 24 обработки и индикации информационных сигналов, который по входящей в него частоте разности фаз сигналов адаптеров 5, 6, температурам t, t трубки 1 и корпуса 2 вычисляет именованные значения массового расхода и плотности (G, ρ).