Ультразвуковий спосіб вимірювання витрати рідини в трубопроводі та пристрій для його здійснення

1. Ультразвуковий спосіб вимірювання витрати рідини в трубопроводі, що полягає у визначенні різниці у часі розповсюдження акустичних коливань за потоком і проти потоку рідини, генерованих п'єзоелектричними перетворювачами, розташованими на витратомірній ділянці трубопроводу і створюючими відповідний канал зондування, встановленні швидкості течії рідини вздовж каналу зондування і наступному визначенні витрати рідини з урахуванням введеної корекції у відповідності із знайденим числом Рейнольдса, який відрізняється тим, що витрату рідини визначають з використанням вимірювань, проведених щонайменше в одному каналі зондування, а корекцію здійснюють шляхом поетапної оцінки поправкового коефіцієнта, яка дозволяє враховувати різницю між розподілом швидкостей по довжині каналу зондування і розподілом швидкостей по перерізу витратомірної ділянки в залежності від встановленого режиму течії рідини. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що при поетапній оцінці поправкового коефіцієнта спочатку в першому наближенні визначають поправковий коефіцієнт, що відповідає числу Рейнольдса, ви 2 (19) 1 3 78597 Винахід стосується вимірювальної техніки і може бути використаний у комунальному господарстві, нафтовій, хімічній та інших галузях промисловості для контролю витрат рідин. Відомий ультразвуковий спосіб вимірювання витрат рідин, що базується на визначенні різниці часів проходження акустичних коливань за потоком та проти нього, з наступним обчисленням за допомогою поправочного коефіцієнта середньої по перерізу трубопроводу швидкості і витрати потоку [Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества: Справочник. - Л.: Машиностроение, 1989. С. 440 - 447]. Перевагами такого способу є порівняно мала похибка вимірювань в певному діапазоні витрат, що характеризується якимось одним режимом течії. Недоліком способу є складність його використання в широкому діапазоні вимірювань, що охоплює різні режими течії. Причина полягає в тому, що поправочний коефіцієнт на розподіл швидкостей потоку, враховуючий різницю між швидкістю, осередненою по довжині каналу зондування потоку, і швидкістю, осередненою по площі поперечного перерізу витратомірної ділянки, не є однаковим для ламінарного, перехідного і турбулентного режимів. Навіть за умови симетричних відносно осі трубопроводу потоків у ультразвукових витратомірів в діапазоні витрат як мінімум 10:1 поправочний коефіцієнт змінюється більше, ніж на 1 %, а при переході від турбулентного режиму до ламінарного цей множник змінюється більше, ніж на 25 %. Якщо ж для ламінарного і турбулентного режимів такі коефіцієнти, хоча й різні, але практично мають сталі значення, то в перехідній області поправочний коефіцієнт змінюється в залежності від числа Рейнольдса. Відомий ультразвуковий спосіб вимірювання витрат незалежно від режиму течії за рахунок застосування в рамках вимірювальних ділянок спеціально каліброваних конфузорів, вирівнюючих епюру потоку, разом із струмовипрямлячами, що усувають закручення потоку [Киясбейли А.Ш., Измайлов A.M., Г уревич В.Μ. Частотно-временные ультразвуковые расходомеры и счетчики. - М.: Машиностроение, 1984. - С. 40-41]. Перевагою такого способу є стабілізація поправочного коефіцієнта на розподіл швидкостей, а недоліком – недостатня ефективність використання на рідині, що має хоч малий зміст забруднень, оскільки забруднення струмовипрямляча призводить до викривлення епюри потоку. Найбільш близьким до запропонованого винаходу за те хнічною суттю є ультразвуковий спосіб та пристрій для вимірювання витрат, описані в патенті США № 5987997, кл. G01F 1/66, 1999. Такий відомий спосіб передбачає підвищення точності вимірювань за рахунок корекції отриманої епюри розподілу швидкостей, виміряних вздовж шляхів розповсюдження в рідині ультразвукових сигналів. Спосіб включає зондування потоку щонайменше двома, а переважно п'ятьма парами п'єзоелектричних перетворювачів для визначення 4 швидкостей в певних точках поперечного перерізу вимірювальної ділянки труби, обчислення за цими швидкостями числа Рейнольдса, якому відповідає певний профіль потоку, що зберігається в пам'яті, порівняння цього профілю з виміряним, внесення за потреби необхідної корекції шляхом наближення ітераційним методом виміряного профілю до дійсного і остаточне визначення витрати. Пристрій, який здійснює такий спосіб, має декілька, переважно п'ять, пар п'єзоелектричних перетворювачів, що підключені до вузла визначення різниці часів розповсюдження акустичних коливаньза потоком та проти потоку, вихідні сигнали з якого поступають на вимірювач числа Рейнольдса, що здійснює його постійний моніторинг . Одержана інформація надсилається до блоку корегування швидкості потоку, в якому здійснюється порівняння з калібрувальними профілем потоку і за результатами порівняння визначається відповідне число Рейнольдса, за яким відповідно визначається витрати рідин. Вимірювач числа Рейнольдса, блоки корегування та індикації результатів виміру утворюють обчислювальний блок. Методика знаходження числа Рейнольдса не потребує знання швидкості, осередненої по площі поперечного перерізу тр уби, і кінематичного коефіцієнта в'язкості, що вважається перевагою, але є доволі складною по суті і до того ж базується на емпіричних дослідженнях. До недоліків відомих способу та пристрою слід віднести і складність їх технічної реалізації, а саме необхідність задля отримання більш точної інформації про розподіл швидкостей вимірюваного середовища застосовувати якомога більшу кількість пар п'єзоелектричних перетворювачів (не менше двох). Реалізація ж первинних перетворювачів з більше, ніж одним каналом зондування потоку, ускладнює, а інколи навіть і робить неможливим їх використання для витратомірів з діаметрами умовного проходу менше 50 мм. В основу винаходу поставлено задачу створити такі спосіб та пристрій для вимірювання витрат рідин в трубопроводі, які б дозволили завдяки застосуванню поетапної корекції гідродинамічного поправочного коефіцієнта (далі поправочного коефіцієнта) на розподіл швидкостей, виміряних вздовж одного каналу зондування, отримати високу точність вимірювання незалежно від кількості застосовуваних пар п'єзоелектричних перетворювачів, що надає можливості проведення вимірювання за будь-якого режиму, і, таким чином, розширяє діапазон вимірювань, особливо в бік малих витрат. Поставлена задача вирішується тим, що в ультразвуковому способі вимірювання витрат рідин в трубопроводі, що полягає у визначенні різниці часів розповсюдження акустичних коливань за потоком і проти потоку рідини, генерованих п'єзоелектричними перетворювачами, розташованими на витратомірній ділянці трубопроводу і утворюючими відповідний канал зондування, встановленні швидкості течії рідини вздовж каналу зондування, і наступному визначенні витрати 5 78597 6 рідини з урахуванням введеної корекції у ну схему вимірювального пристрою згідно відповідності із знайденим числом Рейнольдса, винаходу. згідно винаходу, витрату рідини визначають з виЗаявлений спосіб передбачає здійснення накористанням вимірювань, проведених щонайменступної послідовності операцій, яка у вигляді алгоше в одному каналі зондування, а корекцію ритму зображена на фіг. 1 здійснюють шляхом поетапної оцінки поправочно1. Початок. го коефіцієнта, яка дозволяє враховувати різницю На цій стадії формують періодичні імпульсів, розподілу швидкостей по довжині каналу зондуякі почергово передають на кожен з пари вання від розподілу швидкостей по перерізу витп'єзоелектричних перетворювачів, які відповідно ратомірної ділянки в залежності від встановленого перетворюють їх в акустичні сигнали. Перетворюрежиму течії рідини. вачі розташовують на протилежних стінках трубоПереважним є втілення винаходу, згідно з проводу так, щоб забезпечити зондування потоку яким при поетапній оцінці поправочного копід кутом α по відношенню до вісі трубопроводу. ефіцієнта спочатку в першому наближенні визна2. Вимірювання часової затримки і визначення чають поправочний коефіцієнт, що відповідає чиссередньої швидкості Vl. лу Рейнольдса, за величиною швидкості течії На базі виміряної різниці часу Dt розповсюдрідини, осередненої по довжині каналу зондуванження ультразвукових сигналів в одному та іншоня, а потім поетапно обчислюють уточнений пому напрямках обчислюється середня швидкість Vl, правочний коефіцієнт, що відповідає уточненому осереднена по довжині шляху зондування каналу числу Рейнольдса, визначеному за величиною за формулою швидкості, осередненої по перерізу витратомірної D tc 2 tg a ділянки. Після чого порівнюють це значення щоVl = , (1) 4R найменше з одним значенням уточненого попраде Dt - різниця часів розповсюдження акустичвочного коефіцієнта, визначеного на попередньоних коливань за потоком та проти потоку; му етапі обчислення. За істинне значення с - швидкість розповсюдження акустичних копоправочного коефіцієнта для оцінки витрати ливань в рідині; рідини приймають те уточнене значення попраa - кут випромінювання акустичних коливань; вочного коефіцієнта, для якого порівняння, R- внутрішній радіус витратомірної ділянки. здійснювані щонайменше в двох попередніх етаДля того, щоб визначити витрату Q пах, залишаються незмінними. вимірюваної рідини, необхідно перейти до середПоставлена задача вирішується також і тим, ньої швидкості потоку Vcp, осередненої по площі що в пристрої для здійснення заявленого способу, поперечного перерізу витратомірної ділянки, завякий містить щонайменше два п'єзоелектричних дяки поправочному коефіцієнту К: перетворювачі, що розташовані на витратомірній Q = VcpS, (2) ділянці і утворюють відповідний канал зондування, Vcp= VIK, (3) пов'язаний через вузол визначення різниці часів де S - площа поперечного перерізу витрарозповсюдження акустичних коливань за потоком томірної ділянки. та проти потоку з обчислювальним блоком, 3. Визначення в першому наближенні ReI = f вихідний сигнал з якого несе інформацію щодо (VI). результату вимірюваної витрати рідини, згідно Для визначення поправочного коефіцієнта К, винаходу, п'єзоелектричні перетворювачі утворюнеобхідно знати число Рейнольдса. Базуючись на ють щонайменше один канал зондування, а вузол виміряній швидкості Vl, визначається наближене визначення різниці часів розповсюдження акузначення числа Рейнольдса стичних коливань за потоком та проти потоку має генератор імпульсів, один вихід якого через кому1V R Rel = l , (4) татор, входами якого є виходи відповідних n п'єзоелектричних перетворювачів, і підсилювач де ν - коефіцієнт кінематичної в'язкості підключено до першого входу блоку вимірювання вимірюваної рідини. часу. Інший вихід вказаного генератора підключе4. Знаходження в першому наближенні попрано безпосередньо до другого входу блоку вочного коефіцієнта К = f(Re1). Для числа Рейвимірювання часу, вихід якого, в свою чергу, принольдса, знайденого на попередньому етапі виєднано до інформаційного входу обчислювального значається поправочний коефіцієнт. Якщо режим блоку. Обчислювальний блок такого пристрою течії ламінарний, значення коефіцієнта прийздійснює формування керуючих сигналів комутамається рівним 0.75 (див. Кремлевский П.П. Растора і генератора імпульсів, визначення в першоходомеры и счетчики количества: Справочник. му наближенні поправочного коефіцієнта, Л.: Ма шиностроение, 1989. - С. 444), якщо режим відповідаючого числу Рейнольдса, з урахуванням течії турбулентний, значення коефіцієнта можна отриманих результатів вимірювань різниці часів, знаходити за формулою, виведеною на базі стуобчислення уточненого поправочного коефіцієнта і пеневого закону розподілу швидкостей потоку за остаточне визначення витрати рідини з викориданими вимірів, проведених Нікурадзе (див. Шлихстанням уточненого поправочного коефіцієнта. тинг Г. Теория пограничного слоя. - Μ.: Наука, Далі суть винаходу пояснюється більш де1974) тальним описом переважних прикладів здійснення 2n з посиланням на креслення, на яких фіг. 1 предK= , 1 + 2n ставляє блок-схему алгоритму, який лежить в осде n = 11.269-3.0191gRe+0.4321g2Re. (5) нові запропонованого способу; а фіг. 2 - структур 7 78597 8 Для перехідної зони модель знаходження повідповідних виходів обчислювального блоку 7. На правочного коефіцієнта представляється у вигляді інформаційний вхід обчислювального блоку 7, поліному, отриманого на базі численних експерияким може бути, наприклад, мікроконтролер, поментів ступає інформація з виходу блоку 6, а на його К= а + b Re 2 + с Re3 + d Re 4, (6) інформаційний вихід, підключений, наприклад, до де a, b, c, d - коефіцієнти поліному, що знахоблоку індикації 8, - інформація щодо результату дяться дослідним шляхом. вимірювальної витрати рідини. 5. Остаточне визначення витрати з урахуванПристрій згідно винаходу працює наступним ням уточненого значення К. Отриманий в першому чином. Обчислювальний блок 7 ініціює винаближенні поправочний коефіцієнт дає значення промінювання імпульсу генератором 4. За допомовитрати, яке підлягає подальшому коректуванню. гою комутатора 3 імпульс випромінювання подаєтОбчислене значення осередненої по площі попеься на один з пари п'єзоелектричних речного перерізу труби швидкості Vc p за формуперетворювачів 1 або 2, а з другого п'єзоелектрлою (3) використовується для визначення вже ноичного перетворювача знімається вхідний сигнал і вого числа Рейнольдса передається на вхід підсилювача 5. Блок 6 вимірювання часу починає відлік часу з моменту 2VcpR Re = випромінювання імпульсу генератором і закінчує в n момент отримання імпульсу з виходу підсилювача. Процес поетапної оцінки поправочного коІнформація про затримку вхідного сигналу відносефіцієнта К триватиме, доки різниці між його поно випромінюваного імпульсу подається на точним і попереднім значеннями, отримані щоінформаційний вхід обчислювального блока 7. найменше в двох попередніх етапах, залишаються Останній на базі інформації про час проходження незмінними. ультразвукових сигналів в одному та іншому наОтже, завдяки використанню запропонованого прямках обчислює за алгоритмом, описаним вище, способу підвищується точність знаходження посередню швидкість Vl вздовж хорди за формулою правочного коефіцієнта і, відповідно, точність (1), а далі проводиться визначення коефіцієнта К вимірювання витрати рідини. через число Рейнольдса за формулами (4), (5), (6) В результаті, отримавши уточнене значення з наступним ітераційним уточненням, завдяки якокоефіцієнта К та маючи значення середньої швидму різницю між поточним і попереднім значеннями кості Vl, осередненої по довжині каналу зондуванК зводять до бажаної. В результаті, уточнене знаня потоку, можливо знайти остаточне значення чення коефіцієнта К вводиться в електронну схему витрати Q, використовуючи формули (2) і (3). обчислювального блока 7 і знаходиться остаточне Згідно з ще одним із аспектів винаходу пропозначення витрати О з використанням формул (2) і нується пристрій, що здійснює заявлений спосіб . (3), яке відображається в блоці індикації 8. Як зображено на фіг. 2, такий пристрій має Таким чином, заявлені ультразвуковий спосіб п'єзоелектричні перетворювачі 1 і 2, що розташовимірювання витрат рідин в трубопроводі та привані на витратомірної ділянці і утворюють канал стрій для його здійснення принципово зондування, підключений до комутатора 3. Сигвідрізняється від існуючих, дозволяють значно нальний вхід комутатора 3 підключений до виходу спростити алгоритм обробки результатів генератора 4 імпульсів. Вихід комутатора 3 вимірювання без втрат точності вимірювання, а з'єднаний з входом підсилювача 5, вихід якого, в також визначити уточнений поправочний косвою чергу, підключений до першого входу блоку ефіцієнт на розподіл швидкостей в потоці за будьвимірювання часу 6, до др угого входу якого яким режимом останнього, що розширює діапазон підключено також вихід генератора 4, з'єднаний з вимірювання, особливо в бік малих витрат. сигнальним входом комутатора 3. Управляючі входи комутатора 3 та генератора 4 підключені до 9 78597 10 11 Комп’ютерна в ерстка Д. Шев ерун 78597 Підписне 12 Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601