Врізна секція для ультразвукового витратоміра

Винахід відноситься до галузі вимірювальної техніки і може бути використаний в різних галузях народного господарства при вимірюванні швидкості потоку, миттєви х або інтегральних (об'ємних) витрат рідини в повністю заповнених (напірних) тр убах. Відомі ультразвукові так звані time-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, A.M. Измайлов, В.М. Г уревич. Частотно-временные ультразвуковые расходомеры и счетчики. Москва, "Машиностроение", 1984г.). Витрата рідини Q (м 3/год) обчислюється перемноженням оцінки швидкості потоку рідини V (м/с) на константу 3600*S, де 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 прийнятна похибка вимірювань в широкому діапазоні витрат. В складі згаданого витратоміра використовують врізну секцію, яка являє собою оснащений фланцями відрізок труби з внутрішнім діаметром D. У врізній секції при виготовленні в заводських умовах жорстко закріпляють пару датчиків. Діаграми направленості датчиків мають бути орієнтовані зустрічно, під деяким кутом j до поздовжньої вісі труби. 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 вісі (див. стор. 44-46, мал.23 книги А.Ш. Киясбейли, A.M. Измайлов, В.М. Гуревич. Часто тно-временные ультразвуковые расходомеры и счетчики. Москва, "Ма шиностроение", 1984г.). В цих врізних секціях ультразвуковий сигнал на шляху від передаючого датчика до датчика-приймача перетинає потік рідини в діаметральній площині один або кілька разів (з віддзеркаленнями від внутрішньої поверхні труби). Даний пристрій є аналогом по відношенню до заявляємого, поскільки також являє собою врізну секцію. Спільними суттєвими ознаками є: • два прийомопередаючих датчики; • відрізок труби; • отвори в стінці труби; • датчики встановлені в отвори. Недоліком врізних секцій цього типу є порівняно низька точність вимірювання середньої швидкості потоку, обумовлена тим, що осереднення виконується не по двомірному полю швидкостей (по всій площі поперечного перетину труби), а лише по лінії, що лежить 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, шеро ховатості вн утрішні х стінок труби і т.д. Показано (див. патент США №4.103.551), що для осесиметричних потоків рідини гідродинамічна похибка може бути практично повністю усунена, якщо зондування потоку ультразвуком виконувати по хорді, що перетинає трубу на відстані половини внутрішнього радіуса від поздовжньої осі труби. Якщо ж немає певності в осесиметричному характері потоку, рекомендується проводити зондування потоку рідини по кільком хордам, що не лежать в одній площині. Таке зондування (по кільком хордам) при використанні тільки однієї пари прийомопередаючих датчиків можна забезпечити, якщо для перевипромінення ультразвукового сигналу в трубі використати кілька металевих рефлекторів (дзеркал) (див. мал.24, 25 на стор.47 згаданої вище книги авторів А.Ш. Кіясбейлі та ін.). Відома врізна секція по патенту США №4.103.551, М. кл G01F1/66, пріоритет від 1.08.1978р. (див. також мал.26 згаданої вище книги А.Ш. Кіясбейлі та ін.), в якій зондування виконується по трьом хордам, що лежать в трьох площинах, повернутих одна відносно другої на кут 60град. Секція складається з двох прийомопередаючих датчиків, чотирьох дзеркал і відрізка труби, в обох стінках якого на відстані 3´L один відносно одного вздовж осьової лінії виконані два наскрізних паралельних отвори, в які на одному боці труби вмонтовані перший та другий датчики, а на другій стороні - перше та друге дзеркало, третє і четверте дзеркала вмонтовані в стінки на відстані вздовж осьової лінії від першого дзеркала L і 2´L відповідно так, що проекції місць установки дзеркал на поперечний перетин труби є вершинами рівностороннього трикутника. У врізній секції використовуються датчики, в яких випромінююча площина орієнтована по нормалі (перпендикулярно) до поздовжньої вісі датчика. 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 досягає 0,25´D, що сприяє підвищенню точності вимірювання середньої швидкості потоку за рахунок усунення гідродинамічної похибки. Перевагами секції по патенту США №4.103.551 є висока точність вимірювань. Недоліками секції є: а) складність конструкції: всі чотири дзеркала мають бути зорієнтовані одне відносно іншого з похибкою 0,020,1град.; б) кожне відбиття акустичного сигналу від дзеркала супроводжується втратами енергії, що погіршує співвідношення сигнал/шум у вимірювальному тракті; в) велика кількість віддзеркалень акустичного сигналу приводить до збіднення високочастотних складових в його спектрі, що затрудняє фіксацію проложення сигналу на вісі часу; г) наявність на трасі розповсюдження акустичного сигналу двох “пасивних” відтинків (од відповідного датчика до найближчого дзеркала на протилежній стінці труби). Ці відтинки орієнтовані по нормалі до вектору швидкості потоку, тому швидкість потоку ніяк не впливає на швидкість розповсюдження акустичного сигналу. Для вимірювань ці відтинки некорисні, але свій вклад в затухання сигналу вносять. Даний пристрій є аналогом по відношенню до заявляємого, оскільки також являє собою врізну секцію. Спільними суттєвими ознаками є: • два прийомопередаючі датчики; • відрізок труби, який використовується як основний конструктивний елемент секції; • два отвори на одній стороні труби; • датчики встановлені в отвори; • акустичний зв'язок між датчиками виконується по трьом хордам. Найбільш близькою до секції, що заявляється, є врізна секція по патенту України №36757 А, МПК 6 G01F1/66, пріоритет від 3.02.2000р., яка складається з двох прийомо-передаючих датчиків, випромінююча площина яких орієнтована по нормалі до поздовжньої осі, двох дзеркал і відрізка труби з внутрішнім діаметром D, в обох стінках якого вздовж осьової лінії на відстані 3´L один від одного виконані два наскрізних отвори, в які на одному боці труби вмонтовані датчики, а на другому боці -дзеркала, які відповідним чином зорієнтовані для забезпечення акустичного зв'язку між датчиками по трьом хордам, при цьому отвори виконані так, що їх геометричні вісі перетинаються в центрі труби під кутом g, а центри дзеркал виступають на висоту Д над внутрішньою поверхнею труби. Ця секція забезпечує високу точність вимірювань і більш надійна порівняно з секцією по патенту США №4.103.551, оскільки дзеркала підняті на висоту D над внутрішньою поверхнею труби і тому більш стійка до забруднень. Недоліками секції є: а) складність конструкції за рахунок наявності двох дзеркал, які мають бути певним чином зорієнтовані одне відносно іншого; б) кожне із чотирьох відбиттів акустичного сигналу (від дзеркал та від внутрішньої поверхні труби) супроводжується втратами енергії, що погіршує співвідношення сигнал/шум у вимірювальному тракті; в) велика кількість віддзеркалень акустичного сигналу приводить до збіднення високочастотних складових в його спектрі, що затрудняє фіксацію проложення сигналу на вісі часу; г) наявність на трасі розповсюдження акустичного сигналу дво х “пасивних” відтинків (від датчика до найближчого дзеркала на протилежному боці труби). Ці відтинки орієнтовані по нормалі до вектору швидкості потоку, тому швидкість потоку ніяк не впливає на швидкість розповсюдження акустичного сигналу. Для вимірювань ці відтинки некорисні, але свій вклад в затухання сигналу вносять. Дана секція є прототипом по відношенню пристрою, що заявляється. Спільними суттєвими ознаками є: • відрізок труби, який використовується як основний несучий елемент секції; • два прийомопередаючі датчики; • два отвори в одній стінці труби; • отвори виконані по нормалі до поздовжньої осі труби; • датчики встановлені в отвори; • акустичний зв'язок між датчиками виконується по трьом хордам. Задачею винаходу є спрощення конструкції врізної секції при одночасному поліпшенні співвідношення сигнал/шум в вимірювальному сигналу. 1. Врізна секція, яка складається з двох прийомо-передаючих датчиків і відрізка труби з вн утрішнім діаметром D, в одній стінці якого на відстані 3´L один від одного вздовж осьової лінії виконані два наскрізних отвори по нормалі до осьової лінії, в які встановлені датчики, яка відрізняється тим, що вісі отворів лежать в одній площині, випромінююча площина кожного датчика орієнтована під кутом a до його поздовжньої осі, датчики встановлені так, що центри їх випромінюючих площин знаходяться на одному рівні з внутрішньою поверхнею труби і орієнтовані один відносно другого відповідним чином для забезпечення акустичного зв'язку. 2. Врізна секція по п.1, яка відрізняється тим, що відстань між центрами отворів вибирають по співвідношенню: ( ) 3 ´ L = 3 3 ´ (D / 4) ´ 3 ´ tg2 90o - a - 1 3. Врізна секція за пп.1 і 2, яка відрізняється тим, що для забезпечення акустичного зв'язку датчики встановлені так, що проекція на горизонтальну площину нормалі до випромінюючої площини датчика утворює кут b по відношенню до поздовжньої осі труби: ( ( )) b = arccos 1- 1/ 3 ´ tg2 90o - a 4. Врізна секція за пп.1, 3, яка відрізняється тим, що кут a нахилу випромінюючої площини датчика по відношенню до його поздовжньої осі лежить в діапазоні від 30° до 60°. На мал.1 і 2 наведені креслення врізної секції, що заявляється. Ескіз датчика наведений на мал.3а (загальний вигляд) і мал.3б (поперечний розтин). На мал.4 показано взаємне розташування датчиків у врізній секції (вид зверху). Згідно мал.1, врізна секція складається з відрізку труби 1 і двох прийомопередаючих датчиків 2 і 3. Для монтажу в трубопровід секція обладнана двома фланцями (по краях відрізка труби). Датчики 2 і 3 вмонтовані в відрізок труби так, що центри їх випромінюючих площин знаходяться на одному рівні з внутрішньою поверхнею труби. Щоб запобігти механічнім пошкодженням датчиків, вони захищені патрубками 4 і 5, які жорстко приєднані до труби (наприклад, електрозваркою). На малюнках 1 і 4 цифрами 6 і 7 позначені області на внутрішній поверхні відрізка труби, де відбувається відзеркалення сигналу. Принцип дії врізної секції полягає в слідуючому. Траса розповсюдження акустичного сигналу показана на мал.1 та 4. При вимірюванні часу розповсюдження ультразвукового сигналу в першому напрямку (наприклад, по потоку рідини) створений датчиком 2 ультразвуковий сигнал крізь рідину розповсюджується до області 6, віддзеркалюється від металу і направляється до області 7. Віддзеркаленій від області 7 сигнал приймається датчиком 3. При вимірюванні часу розповсюдження ультразвукового сигналу в іншому напрямку віпромінення та віддзеркалення сигналу виконується в зворотньому порядку. Траса розповсюдження акустичного сигналу по відношенню до поздовжньої осі симетрії врізної секції складає кут j : æ 1 ö 2 o ÷ j = arccosç ç 3 × 4 ´ sin 90 - a - 1÷. è ø j необхідна для розрахунку коефіцієнту перетворення витратоміра. Величина ( ) На мал.2 показана проекція на поперечний перетин труби траси розповсюдження ультразвукового сигнала між першим 2 і другим 3 датчиками. Проекція являє собою рівносторонній трикутник. Зондування потоку рідини виконується по трьом хордам. На мал.2 показана взаємна орієнтація датчиків. Датчики 2 і 3 мають бути встановлені в трубу так, щоб максимуми їх діаграм направленості були направлені назустріч один одному під кутом b до поздовжньої осі симетрії труби. Переваги врізної секції, що заявляється, слідуючі. 1. Так як зондування рідини в трубі виконується по трьом хордам, забезпечується малий рівень гідродинамічних похибок. 2. Довжина траси розповсюдження ультразвукового сигналу між датчиками менше, ніж в прототипі, так як відсутні “пасивні” відтинки. Це гарантує більш сприятливу енергетику вимірювального сигналу. 3. Конструкція секції спрощена в порівнянні з прототипом, оскільки відсутні дзеркала. Юстировка секції забезпечується шля хом повороту датчиків 2 і 3. На цей час з виробництва випущена установочна партія врізних секцій для витратомірів-лічильників УВР-011, яка успішно пройшла апробацію. Врізні секції сертифіковані на вибухозахищеність і можуть використовуватись для обліку нафти та паливномастильних матеріалів, наприклад мазуту.