Ультразвуковий спосіб вимірювання витрат рідини в трубопроводі

1. Ультразвуковой способ измерения расхода жидкости в трубопроводе, включающий операции наклонного по отношению к потоку излучения ультразвуковых колебаний в транспортируемую жидкость, приема колебаний, формирования первого и второго сигналов, пропорциональных времени задержки колебаний от передающего преобразователя до приемного при излучении по потоку и против потока жидкости соответственно, последу 29777 СССР № 1030656 А, кл. G01F1/66, 23.07.1983. Бюл. №27. В данном способе приняты меры по уменьшению зависимости оценок скорости потока жидкости либо расхода от значения скорости ультразвука Vжидк . Способ включает операции наклонного по отношению к потоку излучения ультразвуковых колебаний в транспортируемую жидкость, приема колебаний, формирования первого и второго сигналов, пропорциональных времени задержки колебаний от передающего преобразователя до приемного при излучении по потоку и против потока жидкости соответственно, последующего формирования третьего сигнала, равного разности первого и второго сигналов, измерения фазовой скорости распространения ультразвука в жидкости вдоль стенки трубопровода, получения оценки расхода жидкости путем масштабирования третьего сигнала и коррекции оценки расхода по результатам измерения фазовой скорости распространения ультразвука в жидкости вдоль стенки трубопровода. Коэффициент масштаба при этом пропорционален S и обратно пропорционален Vжидк . Недостатком способа-прототипа является сравнительно низкая точность измерения расхода ввиду неполного устранения зависимости оценок расхода от значения скорости ультразвука Vжидк . Кроме того, для технической реализации дополнительной операции - измерения фазовой скорости распространения ультразвука вдоль стенки трубопровода - необходимо существенное усложнение ПЭА, монтируемых вне помещения на трубопроводе и соответственно работающих в неблагоприятных условиях. Это снижает надежность расходомеров, реализующи х способ-прототип. Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности измерений расхода жидкости в трубопроводе путем устранения зависимости оценок расхода от скорости распространения ультразвука в транспортируемой жидкости при одновременном упрощении устройства, реализующего способ. Поставленная задача решается тем, что в ультразвуковом способе измерения расхода жидкости в трубопроводе, включающем операции наклонного по отношению к потоку излучения ультразвуковых колебаний в транспортируемую жидкость, приема колебаний, формирования первого и второго сигналов, пропорциональных времени задержки колебаний от передающего преобразователя до приемного при излучении по потоку и против потока жидкости соответственно, последующего формирования третьего сигнала, равного разности первого и второго сигналов, дополнительно получают четвертый сигнал путем сложения первого и второго сигналов, определяют пятый сигнал, равный разности четвертого сигнала и сигнала, пропорционального удвоенному значению суммарной задержки сигнала вне жидкости, после чего формируют шестой сигнал, пропорциональный отношению пятого и третьего сигналов, при этом оценка расхода обратно пропорциональна шестому сигналу. Способ по второму варианту отличается тем, что в способе по п. 1 коэффициент масштаба пря мо пропорционален скорости распространения ультразвука в материале призмы электроакустического преобразователя и обратно пропорционален синусу угла при основании призмы упомянутого преобразователя. Для доказательства решения поставленной задачи рассмотрим фиг. 1 и выкладки, приведенные ниже. Ультразвуковые колебания, распространяющиеся в жидкости, заполняющей трубопровод, создаются двумя обратимыми (приемопередающими) электроакустическими преобразователями, размещенными на противоположных стенках трубопровода (на фиг. 1 показан только один – верхний - из ПЭА). Время распространения сигнала от ПЭА 1 до ПЭА 2 запишется в виде (1) Т=dТ+D/(Vж*Соsg), где g - угол наклона ультразвукового луча, создаваемого ПЭА 1 и 2, по отношению к поперечному сечению трубопровода; D - внутренний диаметр трубопровода; Vж - скорость распространения ультразвука в перемещающейся жидкости (2) Vж=Vж0± V*Sing; Vж0 - скорость распространения ультразвука в неподвижной жидкости; V - скорость потока (знак "+" соответствует распространению ультразвука попутно с жидкостью, "-" - навстречу потоку); dТ - суммарная задержка сигнала вне жидкости (3) dТ=2*(tПЭА+tтруб ); tПЭА, tтруб - задержки сигнала в материале призмы ПЭА и стенке трубопровода соответственно. На основании (1) и (2) можно записать ST=2*dT+(D/Cosg)*{1/[Vж0+V*Sing]+1/[Vж0-V*Sing]}=2*dТ+2*Vж0*D/{Cosg)*[V2ж0-V2*Sin2g]}; (4) DT=(D/Cosg)*{1/[Vж0-V*Sing]-1/[Vж0+V*Sing]}= (5) =2*D*V*Sing/{Cosg)*[V2ж0-V2*Sin2g]}, где SТ - сумма времен задержек по- и против потока; DТ - разность времен задержек по и против потока. Вычитая из (4) задержки вне жидкости (3), получим тем самым сумму времен задержек в жидкости SТВ. А затем выполняя деление DT на SТВ, получаем (6) DТ/STВ=(V*Sing)/Vж0. Получим выражение для Sing, для чего обратимся к фиг. 1. Ультразвуковая волна, возбужденная электроакустическим элементом, распространяется в материале призмы ПЭА под углом a по отношению к нормали поверхности трубопровода (т.е. по отношению к сечению трубопровода). На границе раздела ПЭА - трубопровод происходит преломление ультразвукового луча, и в материале трубопровода луч распространяется под углом b по отношению к его сечению. Согласно закону Снеллиуса (см., например, книгу А.И. Тро фимова "Ультразвуковые системы контроля искривлений технологических каналов ядерных реакторов", М., Энергоатомиздат, 1994 г. - стр. 55) (7) Sina/Sinb=VПЭА/Vт р, 2 29777 где VПЭА, Vтp - скорость распространения ультразвука в материалах призмы ПЭА и трубопровода соответственно. При входе ультразвукового луча из материала трубопровода в жидкость также происходит преломление, и для угла g можно записать (8) Sinb/Sing=Vтр/Vж0. Из соотношений (7) и (8) следует (9) Sing=Sina*Vж0/VПЭА. Подставляя (9) в (6), получим (10) DT/STB=V*(Sina/VПЭА), откуда (11) V=(VПЭА/Sina)/(STB/DT). Как видно из (11), оценка скорости потока V не зависит от скорости ультразвука в жидкости, диаметра трубопровода или величины измерительной базы, а зависит только от характеристик ПЭА. Поскольку угол призмы a ПЭА при эксплуатации не изменяется, то V зависит лишь от скорости распространения ультразвука в материале ПЭА. Температурную стабильность VПЭА можно обеспечить путем соответствующего выбора материала призмы. Например, изменение скорости распространения ультразвука в призме ПЭА, изготовленной из полистирола, в рабочем диапазоне температур расходомера от 0 до 50°С не превысит 0,25% (см., например, книгу "Применение ультразвука в медицине. Физические основы". Перевод с англ. Под ред. Л.Р. Гаврилова. М., Мир, 1989 г. - рис. 5.3 на стр. 246-247). Ошибки недокомпенсации параметра tтруб , обусловленные его зависимостью от температуры, также практически не влияют на оценку V, ввиду малости параметра tтруб и тем более его температурных изменений по отношению к Т1 и Т2. Таким образом, в предлагаемом способе, включающем операции наклонного по отношению к потоку излучения ультразвуковых колебаний в транспортируемую жидкость, приема колебаний, формирования первого и второго сигналов, пропорциональных времени задержки колебаний от передающего преобразователя до приемного при излучении по потоку и против потока жидкости соответственно, последующего формирования третьего сигнала, равного разности первого и второго сигналов, с помощью последовательности вновь введенных операций - получения четвертого сигнала путем сложения первого и второго сигналов, определения пятого сигнала, равного разности четвертого сигнала и сигнала, пропорционального удвоенному значению суммарной задержки сигнала вне жидкости, последующего формирования шестого сигнала, пропорционального отношению пятого и третьего сигналов, и получения оценки расхода обратно пропорциональной шестому сигналу - полностью устраняется зависимость результатов измерения расхода от скорости распространения ультразвуковых волн в контролируемой жидкости и тем гарантируется повышение точности измерений. Для пояснения предложенного способа рассмотрим пример его технической реализации. На фиг. 2 изображена блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ. Ультразвуковой бесконтактный расходомер состоит из двух обратимых электроакустических преобразователей 1 и 2, размещенных снаружи трубопровода на его противоположных стенках, блока 3 генерации и приема сигналов, блока формирования разности 4, сумматора 5 и вычислительного блока 6. Два приемопередающих входа блока 3 генерации и приема сигналов подключены к преобразователям 1 и 2, а два его выхода - к входам блока формирования разности 4 и сумматора 5. К первому и второму входам вычислительного блока 6 подключены выход блока формирования разности 4 и сумматора 5 соответственно. Вычислительный блок содержит первый делитель 7, сумматор 8, регистры постоянной памяти 9 и 10, а также второй делитель 11. При этом сумматор 8, делители 7 и 11 последовательно соединены. Первый вход сумматора 8, являющийся вторым входом вычислительного блока 6, подключен к выходу сумматора 5. Второй вход сумматора 8 подключен к выходу первого регистра постоянной памяти 9. Второй вход делителя 7, являющийся первым входом вычислительного блока 6, подключен к выходу блока формирования разности 4. Второй вход второго делителя 11 соединен с выходом второго регистра постоянной памяти 10. Выходом вычислительного блока и устройства в целом является выход второго делителя 11. Ультразвуковой бесконтактный расходомер работает следующим образом. Блок 3 генерации и приема сигналов вырабатывает электрические сигналы, например импульсы, под действием которых обратимыми электроакустическими преобразователями 1 и 2 поочередно излучаются ультразвуковые сигналы в трубопровод по - и против потока жидкости. После прохождения контролируемой жидкости ультразвуковые сигналы вновь преобразуются преобразователями 1 и 2 в электрические и воспринимаются блоком 3 генерации и приема сигналов, который производит формирование первого и второго сигналов, пропорциональных времени задержки колебаний от передающего преобразователя до приемного при излучении по потоку (Т1) и против потока (Т2) жидкости соответственно. Отметим, что в Т1 и Т2 входят составляющие dТ, вызванные задержками ультразвуковых сигналов в материале трубопровода (в двух стенках) и в электроакустических преобразователях 1 и 2. В блоках формирования разности 4 и в сумматоре 5 соответственно формируются третий сигнал, пропорциональный величине DТ=Т 2-Т1, и четвертый сигнал, пропорциональный величине SТ=Т 1+Т2. Сумматор 8 вырабатывает пятый сигнал пропорциональный разности четвертого сигнала и сигнала, пропорционального удвоенному значению суммарной задержки сигнала вне жидкости (2*dТ), значение которого хранится в первом регистре постоянной памяти 9. Это позволяет определить сумму задержек в жидкости (SТВ= =SТ-2*dТ). Отметим, что третий сигнал, пропорциональный DT и поступающий с вы хода блока 4, также не содержит составляющих за счет задержек в трубопроводе и в преобразователях (при вычитании составляющие dТ взаимно компенсируются). В первом делителе 7 формируется шестой сигнал, пропорциональный отношению пятого и третьего сигналов. В свою очередь на выходе второго делителя 11 вырабатывается сигнал, равный отношению сигнала, пропорционального масштабному коэффициенту Const1=VПЭA/Sina, зна 3 29777 чение которого хранится во втором регистре постоянной памяти 10, и шестого сигнала, поступающего с выхода блока 7. Таким образом, на выходе вычислительного блока 6, вырабатывается сигнал, равный скорости потока жидкости V. Если необходимо получить оценку расхода жидкости, то во второй регистр постоянной памяти 10 необходимо предварительно занести значение Const2=Const1*S*3600, где S - площадь поперечного сечения трубопровода, а 3600 - число секунд в часе. Фиг. 1 Фиг. 2 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2002 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 35 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 4