РАСХОДОМЕР ЖИДКИХ И ГАЗОВЫХ СРЕД В НАПОРНЫХ ТРУБОПРОВОДАХ
FLOWMETRE FOR FLUIDS AND GASES IN PRESSURE PIPELINES

Изобретение относится к измерительной технике по ультразвуковым (у.з.) расходомерам, а именно к способам и устройствам измерения расхода объема и массы жидких и газовых сред в напорных трубопроводах круглого сечения.
Хорошо известен класс расходомеров у.з. типа, основанных на использовании эффекта Доплера, а так же класс приборов, действующих на основе метода бокового «сноса» узкого у.з. луча в текущей среде.
Сущность доплеровского способа измерения скорости потока среды в трубопроводе состоит в следующем. У.з. импульсы, посылаемые по или против потока среды в трубопроводе, рассеиваются примесями среды и частично отражаются обратно к излучающему преобразователю, имея сдвиг частоты, связанный со скоростью среды. Непосредственно в окрестности расположения излучателя отраженный у.з. луч регистрируется приемным преобразователем. По частотному сдвигу сигнала расчетным путем определяется скорость потока среды, а также объемный и массовый расход.
Недостатком доплеровского способа измерения расхода текущей среды является присутствие в отраженном сигнале большого спектра частот шумового характера, связанного с флуктуациями примеси. Анализ такого сигнала представляет большие физико-технические трудности.
Хорошо известен также класс расходомеров, действующих на основе метода бокового сноса у.з. луча в текущей среде [Под редакцией И.П.Голяминой. Ультразвук. «Советская энциклопедия», Москва, 1979, с.300]. Данный метод реализуется следующим образом. Излучающий преобразователь генерирует у.з. импульсы поперек трубы с текущей средой. Приемный преобразователь, расположенный на противоположной стороне трубы, состоит из двух чувствительных детекторов к у.з. импульсам. Эти детекторы разносятся на некоторое расстояние друг от друга по направлению трубы симметрично относительно излучающего преобразователя. У.з. луч, снесенный потоком среды, возбуждают оба приемника ассиметрично. Математическая обработка этих сигналов по дифференциальной схеме дает искомую информацию о скорости потока.
Недостатком данного способа измерения является использование одновременно двух независимых приемных датчиков, которые из-за шумового колебания стенок трубы в широком спектре частот ограничивают точность измерения расхода среды.
К наиболее важным достоинствам у.з. расходомеров относится возможность размещения их непосредственно на поверхности трубопровода, т.е. без врезки в трубу. По этой причине такие устройства в технической литературе часто называются накладными расходомерами. Они просты в монтаже и обслуживании. Точность измерения этих приборов также высока. В частности, существующие доплеровские устройства имеют относительную погрешность определения средней скорости потока среды в трубе ~1%; устройства с боковым сносом ~2% [Территория нефтегаза, 2008, № 6, с.53].
Устройство на основе бокового сноса у.з. луча в текущей среде принимается нами за прототип.
Целью изобретения является повышение точности измерения скорости потока.
Целью изобретения является также расширение диапазона плотности измеряемых сред - от жидких до газообразных - без введения в процедуру измерения дополнительных устройств.
Поставленная цель достигается тем, что в основу работы излучающего преобразователя вводится новый принц формирования у.з. импульсных лучей, пересекающих трубу под углом α к диаметру трубы.
1
2
Сущность этого принципа поясняется на фиг.1. Рисунок изображен в горизонтальной плоскости осевого сечения трубы, где приняты следующие обозначения: Т1 - труба; ⌀ - диаметр трубы; V - вектор скорости среды в трубе; И.П.2 - излучающий преобразователь; И.Э.3 - излучающий элемент объемных у.з. волн, выполненный в виде упругого стержня (или трубки, заполненной жидкостью) с заданным прогибом в форме отрезка дуги. Причем кривизна дуги и ее длина пропорциональны максимально используемому углу входа α у.з. импульса в трубу. При этом геометрический центр излучающего преобразователя и центр приемного преобразователя размещены на поверхности трубы в диаметрально противоположных точках; П.П.4 - приемный преобразователь; Λ - у.з. импульс, входящий в излучающий элемент с правого торца; Λ - с левого торца; Тр - траектория у.з. импульса в трубе под углом α к диаметру трубы; δ* - упреждающий «снос» среды.
1
1
2
2
1
2
1
2
Принцип работы такого устройства состоит в следующем. У.з импульс Λ входит в излучающий элемент и.э. в момент времени t, а импульс Λ - в момент времени t. Если импульсы Λ и Λ входят в излучающий элемент одновременно (t=t), то они встретятся в середине элемента и совместно создадут объемно-локализованное давление с удвоенной амплитудой […Ультразвук, … с.48, рис.10].
В случае, если среда в трубе неподвижна (V=0), то ударный у.з. импульс войдет в трубу со средой, пересечет ее по диаметру и будет зарегистрирован приемником п.п. Траектория движения этого импульса в трубе с неподвижной средой будет представлять прямую линию АВ, ортогональную оси трубы.
1
2
1
2
1
2
В случае же, если у.з. импульсы Λ и Λ входят в излучающий элемент в разное время (t≠t), например t>t, то встреча данных импульсов в излучающем элементе и.э. произойдет левее точки А, как показано на фиг.1. Вновь возникший суммарный у.з. импульс, траектория которого в неподвижной среде (V=0) будет представлять прямую линию АС, имеющей угол наклона α к прямой АВ.
1
2
1
2
0
Расстояние между точками С и В, обозначенное как δ*, будем считать упреждающим сносом у.з. луча навстречу потоку. Если среда в данном случае подвижная (V=0), то траектория луча будет представлять кривую, как показано на фиг.1 сплошной линией. Варьируя соотношение времени t/t, всегда можно получить ту искомую кривую «сноса», которая заканчивается в точке В приемного преобразователя с «выдачей» сигнала. Поэтому, зная момент приема сигнала, а также место и время излучения у.з. импульса по соотношению времени t/t, расчетно вычисляется величина δ* и угол α. Расчетно определяется также средняя скорость потока в трубе по простой формуле  где t - время распространения у.з. импульса от точки излучения до точки приема; k - поправочный коэффициент. В него входят поправки, связанные с геометрией излучающего элемента и углами преломления у.з. импульсов на границах перехода различных материальных сред. В электронном блоке при обработке сигналов учитываются также температура измеряемой текущей среды, с которой связана плотность среды, и соответственно скорость распространения у.з. импульсов.
Вместе с тем, в целях повышения точности измерения дополнительно используется реперно-временная метка, которая образуется в момент излучения у.з. импульса. Часть энергии этого импульса проходит через измеряемую текущую среду, а вторая часть - реперная - по стенке трубы в поперечном сечении до приемного преобразователя.
-6
-7
Отметим дополнительно, что сама процедура измерения скорости потока также направлена на повышение точности измерения и состоит в следующем. По мере вхождения у.з. импульсов в окрестность точки приемного преобразователя, т.е. при δ*→0, электронный блок управления уменьшает длительность у.з. импульсов, и, следовательно, их протяженность до геометрических размеров меньше размера «входного окна» приемного преобразователя. При этом частота следования импульсов составляет несколько килогерц, а их длительность варьируется в пределах τ≈10 сек - 10 сек.
Фактически, данный принцип обработки сигналов сходен с методом обработки информации в процессе прожекторного поиска цели. «Обзорный» поиск осуществляется широким лучом до «захвата цели». Затем телесный угол излучения зондирующих импульсов резко сужается; частота их следования увеличивается, и длительность уменьшается, что в совокупности обеспечивает получение высокой точности координат цели.
В соответствии с решаемой задачей создания у.з. расходомера для жидких и газообразных сред учтем одно важное практическое обстоятельство, а именно: максимальная скорость течения жидких сред в трубопроводах обычно не превышает величины 10 м/с. В случае же газовых потоков максимальная скорость доходит до 100 м/с. Поэтому для жидких потоков в трубах диаметра ~100 см упреждающий максимальный «снос» 5 характеризуется - например, для воды - величиной ~ 1,3 см. В случае же газовых потоков максимальный упреждающий снос δ* для того же диаметра трубы достигает ≈30 см. Поэтому угол наклона α траектории луча для жидких сред составляет ≈1°. Следовательно, кривизна прогиба излучающего элемента очень мала, и для практики можно принять геометрию данного элемента в виде прямого стержня или трубки длиной 1,5÷2 см, заполненной жидкостью. Для газовых сред упреждающий снос δ* достигает величины ≈30 см и угол наклона α≈20°. Кривизна геометрии излучающего элемента определяется данными параметрами. При этом длина дуги составляет ≈3 см.
В этой связи на фиг.1 представляет геометрию у.з. расходомера для газовых сред.
Геометрия же у.з. расходомера для жидких сред с точностью до принятого приближения представлена на фиг.2, где даны теже обозначения, что и на фиг.1.
Для проверки работоспособности предлагаемого устройства у.з. расходомера для жидких и газообразных сред было проведено моделирование определения средней скорости потока жидкости (воды) и газа (атмосферного воздуха) в трубе. Численный эксперимент подтвердил основные физико-технические положения работы данного устройства. Вместе с тем в стендовом опыте проверен также принцип сложения двух у.з. импульсов для образования суммарного импульса с удвоенной амплитудой в заданном месте среды, находящейся в трубке. Результаты подтвердили высокую эффективность действия используемого принципа сложения объемных у.з. сигналов.
Данный вариант осуществления изобретения не исключает иных вариантов устройства у.з. расходомера в пределах формулы изобретения.
Таким образом, изобретение в техническом и функциональном отношении значительно упростилось по сравнению с прототипом. Изобретение приобрело также большую надежность в работе, простоту эксплуатации и расширенный динамический диапазон точного измерения расхода протекающих сред.