МАССОВЫЙ РАСХОДОМЕР КОРИОЛИСОВА ТИПА
CORIOLIS-TYPE MASS FLOW METER

Настоящее изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения массового расхода жидкостей, протекающих по трубопроводам, например, при транспортировке нефтепродуктов.
Известные расходомеры, основанные на применении силы Кориолиса в колеблющихся трубках, через которые протекает жидкость, используются для измерения массового потока жидкости, ее плотности и некоторых других параметров. Работа измерительной системы происходит на определенной, обычно резонансной частоте одной из собственных мод колебаний измерительной колебательной системы, состоящей из одной или нескольких измерительных расходных трубок различных конфигураций (Патент США №4491025, МПК G01F 1/84, 01.01. 1985 г.).
В идеальном устройстве при отсутствии потока жидкости через трубку колебания разных точек измерительной (расходомерной) трубки происходят с одинаковой фазой. При появлении потока жидкости в результате давления движущихся частиц жидкости на стенки измерительных трубок колебания искажаются. Главный эффект, используемый для измерений, - появление разности фаз между колебаниями разных точек измерительной трубки. Измеряемая разность фаз пропорциональна массовому потоку жидкости. Коэффициент пропорциональности называется калибровочным расходным коэффициентом.
Недостатки такого типа измерительных устройств связаны с возможным появлением разного рода медленных и быстрых изменений (нестабильностей) в параметрах измерительной колебательной системы. Медленная нестабильность параметров может быть связана с изменением температурного поля, появлением механических напряжений в конструкции, с изменением упругости механических сочленений, с изменением поперечного сечения измерительных трубок и т.п. Быстрые изменения обусловлены как внешними вибрациями и ударами, так и внутренними резкими изменениями однородности потока жидкости (воздушные и газовые пузыри, твердые и жидкие включения). При всех этих факторах воздействия стабильность и точность измерений, проводимых традиционным способом, предполагающим неизменность параметров колебательной системы, может нарушаться.
Один из путей преодоления такого рода проблем - различные довольно многочисленные способы температурной компенсации, механической стабилизации и балансировки, акустической изоляции, выполненные в различных видах и комбинациях.
Измерительные приборы могут иметь как криволинейную трубку, так и прямолинейную расходомерную трубку. Те и другие типы расходомеров нуждаются в компенсации изменения модуля упругости расходомерной трубки с изменением температуры, внешних напряжений, внутреннего давления и по другим причинам. Большинство изобретений решают проблему компенсации лишь части воздействующих неблагоприятных факторов.
Известен массовый расходомер кориолисова типа, в котором специально подобранные форма колеблющейся трубки и места закрепления трубки максимально увеличивают акустическую изоляцию колеблющейся расходомерной трубки, повышая добротность колебательной системы. Изобретение обеспечивает хорошую защиту от вибрационных шумов, повышается стабильность работы и уменьшается энергопотребление измерительного устройства (Патент США №6477902, МПК G01F 1/84). Недостатком данного устройства является отсутствие защиты от существенных резких изменений плотности, давления и температуры протекающей жидкости.
Известен также массовый расходомер кориолисова типа, в котором для стабилизации коэффициента калибровки расходомера предложено использовать балансировочный стержень специальной конструкции, выполненный методом отливки и имеющий увеличенное число крепежных элементов, компенсирующих изменения плотности протекающей по расходомерной трубке жидкости (Патент РФ №2234684, МПК G01F 1/84, 13.01.2003 г.). Это изобретение, как и вышеперечисленные, не обеспечивает компенсации полного набора неблагоприятных факторов, приводящих к изменениям эффективного модуля упругости колебательной системы.
Известен массовый расходомер кориолисова типа, в котором для решения проблемы минимизации ошибок измерений, возникающих вследствие ухода параметров, в частности, изгибной жесткости расходной трубки от известных начальных значений, предложено измерять текущее значение изгибной жесткости и других параметров и по факту несовпадения этих значений, начального и текущего, сигнализировать о наличии ошибки и проводить корректировку калибровочного расходного коэффициента, причем текущую жесткость определяют путем решения модели с одной или несколькими степенями свободы с использованием прямых измерений жесткости или измерений передаточной функции частотного отклика колебательной системы. При этом способ измерения массового расхода жидкости основан на его пропорциональности разности фаз колебаний двух разных точек гармонически вибрирующей расходомерной трубки (Патент РФ №2324150, МПК G01F 1/84, 14.01.2006 г.). Недостаток данного устройства - погрешность измерений, возникающая вследствие того, что измерения жесткости проводятся без учета потока жидкости через расходомерную трубку, т.е. в условиях приостановки работы массового расходомера.
Наиболее близким к предлагаемому массовому расходомеру кориолисова типа по достигаемому техническому результату и технической сущности (прототипом) является известный массовый расходомер кориолисова типа, содежащий корпус в виде участка монтируемого трубопровода, присоединенный к корпусу впускной разъем, две прямые расходомерные трубки, обеспечивающие разделение потока на два равных потока, выпускной разъем, через который поток выходит из расходомера в трубопровод, возбудитель колебаний, расположенный в центре расходомерных трубок, генератор, выход которого подключен к возбудителю колебаний, два сенсорных приемника, расположенных на равных расстояниях от возбудителя, причем две прямые расходомерные трубки механически зажаты на обоих концах, образуя механическую осциллирующую систему, которая расположена аксиально симметрично в корпусе, измеритель разности фаз, подключенный к выходам сенсорных приемников, первый и второй приемники температуры, установленные соответственно на корпусе и на механической колебательной системе, блок коррекции температуры, соединенный с входом измерителя разности фаз для исключения температурного влияния на результат измерений (Патент США №4768384, МПК G01F 1/84, 06.09.1988 г.).
Недостатком данного расходомера является то, что он обеспечивает компенсацию лишь ограниченного числа вредных факторов, влияющих на изменения модуля упругости расходомерной трубки. Он не учитывает, например, в достаточной степени возможные изменения температуры и давления, а также вариации плотности и вязкости протекающей через расходомерные трубки среды, которые также могут существенно ухудшить точность измерения массового расхода.
Техническим результатом настоящего изобретения является создание устройства измерения массового расхода в расходомере кориолисова типа, обеспечивающего стабильную точность измерений, не зависящую от возможных отклонений параметров колебательной системы от первоначальных значений.
Технический результат достигается за счет того, массовый расходомер кориолисова типа, содержащий корпус в виде участка монтируемого трубопровода, присоединенный к корпусу впускной разъем, две прямые расходомерные трубки, обеспечивающие разделение потока на два равных потока, выпускной разъем, через который поток выходит из расходомера в трубопровод, возбудитель колебаний, расположенный в центре расходомерных трубок, генератор, выход которого подключен к возбудителю колебаний, два сенсорных приемника, расположенных на равных расстояниях от возбудителя, причем две прямые расходомерные трубки механически зажаты на обоих концах, образуя механическую осциллирующую систему, которая расположена аксиально симметрично в корпусе, снабжен блоком вычисления передаточной функции, входы которого подключены к выходам возбудителя и сенсорных приемников, и блоком аппроксимации эталонной функцией, соединенным с выходом блока вычисления передаточной функции, при этом в качестве генератора использован генератор широкополосного сигнала, а выход блока аппроксимации эталонной функцией соединен с управляющим входом генератора широкополосного сигнала.
0
Технический результат достигается посредством использования широкополосного (например, линейно- частотно-модулированного) возбуждающего сигнала, отклик на который колебательной системы, включающей расходомерную трубку, аппроксимируется эталонной функцией с несколькими подгоночными параметрами. Центральная частота широкополосного сигнала F приблизительно равна одной из частот собственных колебаний колебательной системы, соответствующих первой или второй моде изгибных колебаний расходомерных трубок. Полоса частот ΔF определяется диапазоном возможного ухода резонансных частот колебаний при отклонениях плотности измеряемой жидкости от номинальных значений. Эталонная функция является аналитическим решением физической модели колебательной системы, представляющей собой колеблющийся участок трубы, с определенными граничными условиями и с протекающей по расходомерной трубке жидкостью. Подгоночные параметры имеют определенный физический смысл. Они могут быть выражены через материальные параметры и геометрические размеры расходомерной трубки и параметры (плотность, вязкость и массовый расход) протекающей через расходомерную трубку жидкости. Процесс «измерения» состоит в определении подгоночных параметров. Подгонка проводится одним из известных методов, например методом наименьших квадратов, при аппроксимации амплитудно-частотного отклика измерительной колебательной системы эталонной функцией. Найденные параметры самосогласованным образом определяют как массовый расход протекающей по трубке жидкости, так и эффективные параметры колебательной системы, учитывающие возможные изменения плотности и вязкости протекающей через расходомерные трубки среды. Из самого способа «измерения» следует, что он не чувствителен к дрейфу или скачку параметров измерительной колебательной системы, т.к. величины этих параметров вычисляются при каждом отдельном «измерении» массового расхода, при этом найденные значения являются средними величинами за время действия возбуждающего импульса. Другими словами, математическая формула эталонной передаточной функции сравнения автоматически подстраивается при каждом измерении, учитывая возможные изменения в параметрах колебательной системы.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена блок-схема предложенного массового расходомера кориолисова типа. Устройство содержит корпус 1 в виде участка монтируемого трубопровода, присоединенный к корпусу 1 впускной разъем 2, расходомерные трубки 3 и 4, через которые поток разделяется на два равных потока, выпускной разъем 5, через который поток выходит из расходомера в трубопровод, две прямые расходомерные трубки 3 и 4 механически зажаты на обоих концах, образуя механическую колебательную систему, которая расположена аксиально симметрично в корпусе 1, возбудитель колебаний 6, генератор широкополосного сигнала 7, выход которого подключен к возбудителю колебаний 6, сенсорные приемники 8 и 9, расположенные на равных расстояниях от возбудителя 6, последовательно соединенные блок вычисления передаточной функции 10 и блок аппроксимации эталонной функцией 11, при этом выходы сенсорных приемников 8 и 9 соединены с входом блока вычисления передаточной функции 10, а выход блока аппроксимации эталонной функцией 11 соединен с управляющим входом генератора широкополосного сигнала 7.
a
a
a
a
a
a
1
2
±
1
2
Устройство работает следующим образом. Широкополосный сигнал (t) с центральной частотой, приближенно равной одной из резонансных частот, соответствующих первой или второй моде изгибных колебаний расходомерных трубок, подается на возбудитель 6 с выхода генератора широкополосного сигнала 7, при этом в расходомерных трубках 3 и 4 возбуждаются противофазные колебания, являющиеся механическим откликом на возбуждающее воздействие. Сенсорные приемники 8 и 9 принимают механические колебания, преобразовывая их в электрические сигналы, являющиеся функциями амплитудно-частотного отклика колебательной системы, соответственно (t) и (t). При возникновении потока жидкости через впускной разъем 2, расходомерные трубки 3 и 4 и выпускной разъем 5 сигналы с приемных сенсоров 8 и 9 изменяются. Главным изменением, вызванным потоком, является появление в функции амплитудно-частотного отклика мнимой части, т.е. сигнала, сдвинутого по фазе на 90° по отношению к сигналу без потока. Эти сигналы и возбуждающий сигнал с возбудителя 6 поступают в блок вычисления передаточной функции 10. В этом блоке на первом этапе вычисляются сумма и разность сигналов, снятых с сенсорных датчиков (t)=(t)±(t). На втором этапе производится операция вычисления передаточной функции. Функционирование устройства возможно в двух вариантах: в частотном диапазоне, включающем окрестность резонансной частоты первой моды и второй моды. В первом варианте на втором этапе вычисляется передаточная функция, имеющая вид
-
+
-
+
a
a
a
где А(ω), A(ω), A(ω) - комплексные Фурье - образы соответствующих сигналов (t), (t), (t). Во втором варианте при работе в окрестности второго резонанса предпочтительнее использование функции в виде
1,2
1,2
Затем выделяются действительные и мнимые части передаточных функций: Re D и Im D.
1,2
1,2
В блоке аппроксимации эталонной функцией 11 производится операция аппроксимации экспериментальных данных, представленных в виде Im D, с помощью эталонной функции. Эталонная функция является аналитическим решением задачи колебаний участка трубы с потоком жидкости внутри него (М.А.Миронов, П.А.Пятаков, А.А.Андреев. Вынужденные колебания трубы с потоком жидкости. Акустич. ж. 2010, т.56, №5, с.1-9). Эталонная функция, используемая для аппроксимации Im D, является функцией круговой частоты ω. Она имеет следующий вид:
1,2
1,2
0
1,2
где U - параметр, пропорциональный массовому расходу, ε - параметр потерь, ω - резонансные частоты, В, С - параметры, определяющие свойства колебательной системы. Параметры B, C, U, ω, ε, являясь подгоночными, определяются при аппроксимации полученных данных эталонной функцией одним из известных методов, например методом наименьших квадратов. Если при изменении массового расхода параметры колебательной системы меняются, то это находит отражение в изменении соответствующих подгоночных параметров. При проведении каждой операции аппроксимации на выходе вычислительного блока 11 формируется полный набор «измеренных» параметров среды и колебательной системы. Вычисленное значение резонансной частоты поступает в блок генерации широкополосного сигнала 7 возбуждения для подстройки центральной частоты в соответствии с равенством F=ω/2π.
Таким образом, предложенный массовый расходомер кориолисова типа обеспечивает стабильную точность измерений, не зависящую от возможных изменений параметров колебательной системы.