Врізна секція для ультразвукового витратоміра

1. Врізна секція для ультразвукового витратоміра, яка складається з двох приймально-передаючих датчиків, дво х дзеркал і відрізка труби з внутрішнім діаметром D, в обох стінках якої виконані два наскрізних отвори на відстані 3×L один від одного вздовж осьової лінії, в отвори на одній сто роні труби вмонтовані датчики, а на другій стороні - дзеркала, які відповідним чином зорієнтовані для забезпечення акустичного зв'язку між датчиками по трьох хордах, яка відрізняється тим, що перший та другий наскрізні отвори виконані так, що їх геометричні осі перетинаються в центрі труби під кутом g, а центри дзеркал виступають на висоту D над вн утрішньою поверхнею труби. 2. Врізна секція по п.1, яка відрізняється тим, що кут g вибирають по співвідношенню: Винахід відноситься до галузі вимірювальної техніки і може бути використаний в різних галузях народного господарства при вимірюванні швидкості потоку, миттєвих або інтегральних (об'ємних) витрат рідини, яка переміщується в повністю заповнених (напірних) труба х. Відомі ультразвукові так звані timе-transit витратоміри, які дозволяють оцінити швидкість потоку V рідини в трубі на основі вимірювань часу розповсюдження ультразвукових коливань по потоку рідини і навпроти потоку (дивись, наприклад, книгу: А.Ш.Киясбейли, А.М.Измайлов, В.М.Гуревич. Частотно-временные ультразвуковые расходомеры и счетчики. Москва: Машиностроение, 1984). Оцінка витрат Q (м 3 /год) обчислюється перемноженням оцінки швидкість потоку рідини V (м/с) на константу 3600×S, где S - площа внутрішнього поперечного перетину труби, а 3600 - кількість секунд в годині. Перевагами витратомірів цього типу є значний строк служби завдяки відсутності рухомих деталей, а також порівняно мала похибка в широкому діапазоні витрат. Витратомір періодично формує електричні імпульси, які почергово подаються в один чи другий ПЕА - перетворювач електроакустичний (далі по тексту - датчик), де перетворюються в ультразвукові коливання. Два датчики повинні бути встановлені на протилежних стінках трубопроводу так, щоб забезпечити похиле (під кутом a по відношенню до поздовжньої осі трубопроводу) зондування. Ультразвукові сигнали почергово випромі нюються першим датчиком та приймаються другим, і навпаки. Витратомір вимірює час розповсюдження ультразвукового сигналу між датчиками. По різниці часу розповсюдження обчислюється оцінка швидкості потоку рідини, яка переміщується по трубопроводу. Для вводу ультразвукових коливань в рідину в згаданих витратомірах використовують як накладні приймально-передаючі датчики, які монтуються на зовнішній поверхні труби під час пуско-налагоджувальних робіт, так і врізні секції, що являють собою відрізок труби з внутрішнім діаметром D, на якому пара датчиків жорстко закріплена в заводських умовах при виготовленні. Перевагою врізних секцій є потенційно більш висока, ніж при використанні накладних датчиків, точність вимірювання. Дійсно, акустичний зв'язок між накладними датчиками забезпечується лише в тому випадку, якщо вони розміщені строго по осьовій лінії на одній або на діаметрально протилежних сторонах труби; при цьому кут входу ультразвука в рідину складає 15... 20 град по відношенню до поверхні труби. У врізних секціях за рахунок ускладнення конструкції можна організувати акустичний зв'язок між датчиками не тільки в діаметральній площині труби, але і по хорді, причому практично під любим кутом, в тому числі і вздовж осі труби. Через те, що на час розповсюдження ультразвукового сигналу впливає лише проекція вектора швидкості потоку на трасу сигналу, то чутливість витратоміра UA (11) 36757 (13) A D - 30). 2 × (D - 2 × D ) (19) g (град) = 2 × (arcsin 36757 з накладними датчиками по відношенню до параметру, що вимірюється (швидкості потоку) в 3 - 4 рази нижча, ніж для врізної секції, в якій сигнал розповсюджується вздовж осі. Відомі врізні секції, в яких датчики розташовані на одній і тій же або на діаметрально протилежних сторонах труби на деякій відстані один від одного вздовж її поздовжньої осі (див. стор. 44 - 46, мал. 23 книги: А.Ш.Киясбейли, А.М.Измайлов, В.М.Гуревич. Частотно-временные ультразвуковые расходомеры и счетчики. Москва: Ма шиностроение, 1984). В цих врізних секціях ультразвуковий сигнал на шляху від передаючого датчика до датчикаприймача перетинає потік рідини в діаметральній площині один або кілька разів (з віддзеркаленнями від внутрішньої поверхні труби). Даний пристрій є аналогом по відношенню до запропонованого, оскільки також являє собою врізну секцію. Спільними суттєвими ознаками є: • два приймально-передаючих датчики; • відрізок труби; • датчики, вмонтовані в стінку труби. Недоліком врізних секцій цього типу є мала точність вимірювання середньої швидкості потоку, обумовлена тим, що осереднення виконується не по двомірному полю швидкостей (по всій площі поперечного перетину труби), а лише в діаметральній площині. Тому вимірювання супроводжуються гідродинамічною похибкою, величина якої змінюється в залежності від числа Рейнольдса для потоку, яке в свою чергу залежить від швидкості потоку, шорсткості внутрішніх стінок труби і т.д. Показано (див. патент США № 4.103.551), що для осесиметричних потоків рідини гідродинамічна похибка може бути усунена практично повністю, якщо зондування потоку ультразвуком виконувати по хорді, що перетинає трубу на відстані від поздовжньої осі труби, яка дорівнює половині радіусу. Якщо немає певності в осесиметричному характері потоку, рекомендується проводити зондування потоку рідини по кільком хордам, що не лежать в одній площині. Зондування по кільком хордам при використанні тільки однієї пари приймально-передаючих датчиків можна забезпечити, якщо для перевипромінення ультразвукового сигналу в тр убі використати кілька металевих рефлекторів (дзеркал) (див. мал. 24, 25 на стор.47 згаданої вище книги авторів А.Ш.Кіясбейлі та ін.). Найбільш близькою до заявленої є врізна секція по патенту США № 4.103.551, М.кл G01F1/66, пріоритет от 1.08.1978 г. (див. також мал. 26 згаданої вище книги А.Ш.Кіясбейлі та ін.), в якій зондування виконується по трьох хордах, які лежать в трьох площинах, розвернутих одна відносно другої на кут 60 град. Секція складається з двох приймально-передаючих датчиків, чотирьох дзеркал і відрізка труби, в обо х стінках якої на відстані 3×L відносно один одного вздовж осьової лінії виконані два наскрізних паралельних один одному отвори, геометричні осі отворів перпендикулярні до поздовжньої осі труби, в отвори на одній стороні труби вмонтовані перший і другий датчики, а на другій стороні - перше та друге дзеркало, третє і четверте дзеркала вмонтовані в стінки труби на відстані вздовж осьової лінії від першого дзеркала L і 2×L, відповідно, так, що проекції місць установки дзер кал на поперечний перетин труби являються вершинами рівностороннього трикутника. Всі дзеркала відповідним чином зорієнтовані для забезпечення акустичного зв'язку між датчиками. Проекції ультразвукового променя на перетин труби створюють рівносторонній трикутник, причому відстань його сторін від центра труби дорівнює 0,25×D, що гарантує високу точність вимірювання середньої швидкості потоку за рахунок усунення гідродинамічної похибки. Перевагами секції по патенту США № 4.103.551 є висока точність вимірювань, а недоліком - мала надійність. Дійсно, всі дзеркала повинні бути встановлені в "кишенях" (виямках) на внутрішній поверхні стінок труби (легко показати, що акустичний зв'язок між датчиками можливий лише в випадку, якщо центри дзеркал знаходяться на одному рівні з внутрішньою поверхнею труби). Тому що кишені періодично заповнюються забрудненнями, які завжди присутні в рідині, це регулярно приводить секцію в неробочий стан і потребує виконання регламентних робіт. Даний пристрій є прототипом по відношенню до того, що пропонується. Спільними суттєвими ознаками є: • відрізок труби, який використовується як основний конструктивний елемент секції; • два наскрізних отвори в трубі (крізь обидві стінки); • два датчики, що встановлені в отвори на одній стороні труби; • два дзеркала, які встановлено в отвори на протилежній стінці труби; • акустичний зв'язок між датчиками забезпечується за рахунок орієнтації дзеркал; • акустичний зв'язок між датчиками виконується по трьох хордах. Задачею винаходу є підвищення надійності роботи врізної секції. Поставлена задача вирішується тим, що у врізній секції, яка складається з двох приймальнопередаючих датчиків, двох дзеркал і відрізка труби з внутрішнім діаметром D, в обох стінках якої виконані два наскрізних отвори на відстані 3×L один від одного вздовж осьової лінії, в отвори на одній стороні труби вмонтовані датчики, а на другій стороні - дзеркала, які відповідним чином зорієнтовані для забезпечення акустичного зв'язку між датчиками по трьох хордах, перший та другий наскрізні отвори виконані так, що їх геометричні осі перетинаються в центрі труби під кутом g, а центри дзеркал виступають на висоту D над вн утрішньою поверхнею тр уби. 2. Врізна секція по п.1, яка відрізняється тим, що кут у вибирають по співвідношенню: g (град) = 2 × ( arcsin D - 30). 2 × (D - 2 × D ) На фіг. 1 і 2 приведені креслення врізної секції. Врізна секція складається з двох приймальнопередаючих датчиків 1 і 2, двох дзеркал 3 і 4 та відрізку труби 5. Для монтажу в тр убопровід секція обладнана двома фланцями (по краях труби). Датчики 1 і 2 вмонтовані в трубу таким чином, що центри їх робочих поверхонь знаходяться на од 2 36757 ному рівні з внутрішньою поверхнею труби. Дзеркала 3 і 4 виступають над внутрішньою поверхнею труби на висоту D. Щоб запобігти механічнім пошкодженням датчиків і дзеркал, вони захищені патрубками, які жорстко приєднуються до труби. Принцип дії врізної секції полягає в наступному. При вимірюванні часу розповсюдження ультразвукового сигналу в першому напрямку (наприклад, за потоком рідини), створений датчиком 1 ультразвуковий сигнал крізь рідину розповсюджується до дзеркала 3. Відбитий від дзеркала 3 промінь спрямовується в точку А на внутрішній поверхні труби і далі - в точку Б (фіг. 1). Точки А і Б розташовані на різних сторонах внутрішньої поверхні труби. Віддзеркалений від точки Б промінь попадає на дзеркало 4, а далі - на датчик 2. При вимірюванні часу розповсюдження ультразвукового сигналу в іншому напрямку віпромінення та віддзеркалення сигналу виконується в зворотному порядку. Взаємне розміщення наскрізних отворів для датчиків та дзеркал показане на фіг. 2. Кут g між геометричними осями отворів залежить від внутрішнього діаметра труби D і висоти D, на яку повинні бути підняті над внутрішньою поверхнею труби центри дзеркал. На тій же фігурі показані траси розповсюдження ультразвукового сигналу між першим та другим дзеркалами. Видно, що проекція трас на поперечний перетин труби являє собою незамкнений трикутник, який повністю замикається при D = 0. Переваги даної врізної секції наступні: 1. Через те, що зондування рідини в трубі виконується по трьох хордах, забезпечується малий рівень гідродинамічних похибок. 2. Конструкція секції спрощена по відношенню до прототипу, бо відсутні два дзеркала. Це дозволяє набагато простіше, ніж в прототипі, виконувати наладку врізної секції (акустичний зв'язок між датчиками встановлюється юстировкою всього двох елементів замість чотирьох). 3. Того що дзеркала виступають над внутрішньою поверхнею труби, відпадає необхідність в виямках - кишенях на внутрішній поверхні труби. Секція стійка до забруднень рідини і на протязі довгого часу може працювати без проведення регламентних робіт. На цей час з виробництва випущена установочна партія врізних секцій для витратомірівлічильників УВР-011, яка успішно пройшла апробацію. Під час експериментальних випробувань врізної секції з діаметром D = 40 мм одержані метрологічні характеристики, які приведені на фіг. 3. В діапазоні витрат від Qмах = 27 м З/год до З м З/год відносна похибка не перевищує 0,7%, що є хорошим результатом, якого не можна досягти при такому малому діаметрі труби, використовуючи накладні датчики. Врізні секції сертифіковані на вибухозахищеність і можуть використовуватись для обліку паливно-мастильних матеріалів, наприклад, мазуту. Фіг.1 Фіг.2 3 36757 Фіг.3 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 4