Ультразвуковий спосіб вимірювання витрат рідин або газів в трубопроводі і пристрій для його реалізації

Реферат: Винаходи належать до ультразвукового способу вимірювання витрат рідин або газів в трубопроводі і пристрою для його реалізації. Спосіб ультразвукового вимірювання витрат рідин або газів в трубопроводі полягає у визначенні різниці часів розповсюдження акустичних коливань за потоком і проти потоку рідин або газів, генерованих пристроєм, оснащеним п'єзоелектричними перетворювачами, встановленні швидкості течії рідин або газів вздовж каналу зондування та по перерізу витратомірної ділянки і наступному визначенні витрати рідин або газів. Згідно з першим винаходом, визначення витрати рідин або газів здійснюють із урахуванням додаткових даних, які вимірюють за допомогою лазерного допплерівського вимірювача швидкості. Величину поправкового коефіцієнта, визначеного із використанням даних вимірювань швидкості потоку п'єзоелектричними перетворювачами, порівнюють з величиною поправкового коефіцієнта, визначеного із використанням даних вимірювань швидкості потоку лазерним допплерівським вимірювачем швидкості. Пристрій для вимірювання витрат рідин або газів в трубопроводі містить щонайменше одну пару п'єзоелектричних перетворювачів, що розташовані на витратомірній ділянці і підключені до комутатора, з'єднаного із підсилювачем, містить блок вимірювання часу, генератор імпульсів випромінювання, обчислювальний блок, блок індикації. Згідно з другим винаходом, містить лазерний допплерівський вимірювач швидкості, обчислювальний блок виконаний з можливістю UA 107478 C2 (12) UA 107478 C2 визначення двох поправкових коефіцієнтів із застосуванням даних вимірювань швидкості потоку п'єзоелектричними перетворювачами та лазерним допплерівським вимірювачем швидкості відповідно, порівняння вказаних коефіцієнтів, здійснення корекції за результатами порівняння та остаточного визначення витрат рідин або газів. Технічний результат: можливість передбачення та корекції впливу асиметричних профілів швидкостей рідин та газів на процес вимірювання їх витрат навіть за наявності ультразвукового пристрою з однією хордою, змога проведення вимірювань за будь-яких режимів, підвищення точності отриманих результатів навіть за відсутності стабілізації потоку. UA 107478 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до вимірювальної техніки і може бути використаний у комунальному господарстві, нафтогазовій та інших галузях промисловості для підвищення точності контролю витрат споживаних рідин і газів. 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 поправкового коефіцієнта середньої по перерізу трубопроводу швидкості і витрати потоку (Кремлевский ПП. Расходомеры и счетчики количества: Справочник. - Л.: Машиностроение, 1989. - С. 440-447). Перевагами такого способу є простота реалізації і змога досягти порівняно малої похибки вимірювань, але лише 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, зокрема процеси вихороутворення. Причина полягає в тому, що поправковий 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 поправковий коефіцієнт змінюється більше ніж на 1 %, а при переході від турбулентного режиму до ламінарного цей множник змінюється більше ніж на 25 %. Якщо ж для розвинених профілів розподілу швидкостей такі коефіцієнти, хоча й різні, але практично мають сталі значення, то для нерозвинених профілів поправковий коефіцієнт не є стабільним і прогнозованим. Більшість промислових потоків вимірювального середовища не завжди мають розвинений, а скоріше, викривлений асиметричний профіль осьового розподілу швидкостей, що спричинено місцевими гідравлічними опорами, наприклад колінами або поворотами трубопроводу, які є невід'ємною частиною будь-якої гідравлічної системи. У більшості випадків навіть наявних задекларованих виробником прямих ділянок до і після витратомірів недостатньо для виправлення викривленого профілю розподілу швидкостей. Отже, прямі ділянки трубопроводу не завжди сприяють стабілізації потоку, і це суттєво позначається на точності ультразвукових витратомірів. На практиці в таких ситуаціях для отримання високих метрологічних характеристик зазвичай використовують складні за реалізацією і недешеві багатохордові витратоміри, які базуються саме на засадах щодо вимірювання різноманітних гідродинамічних умов, до яких вони є нечуттєвими (An 8-path ultrasonic master meter for oil custody transfers/ XVIII IMEKO WORLD CONGRESS Metrology for a Sustainable Development, Sept., 17-22, 2006, Rio de Janeiro, Brazil). Однак, навіть такі високоточні витратоміри потребують внесення корекції в їхні показання під час експлуатації на об'єкті, який має дещо іншу гідродинамічну обстановку, відмінну від обстановки в зразкових умовах первинного градуювання. Процес уточнення градуювальної характеристики традиційно пов'язаний із застосуванням відповідного обладнання. Стаціонарні витратоміри, як правило, знімають з об'єкту і відправляють на станції зі зразковими градуювальними стендами. Однак щодо витратомірів великих діаметрів, починаючи від 200 мм і вище, то це є важкою задачею, оскільки в Україні не існує, а в світі налічується обмежена кількість станцій для градуювання, які б забезпечили можливість створення витрат 400-500 3 м /год. і більше. До того ж, і це стосується вже витратомірів будь-яких типорозмірів, важко штучно створити умови, близькі до умов реальної експлуатації приладу. Отже, встановлення зразкового обладнання в польових умовах, яке б дало можливість вносити корекцію так би мовити "на місці", суттєво спростило б задачу підвищення точності вимірювання потоків з викривленими профілями розподілу швидкостей, навіть за умови використання однохордових ультразвукових витратомірів. Крім того, з економічної точки зору застосування останніх є дуже вигідним. За прототип винаходу прийнятий спосіб ультразвукового вимірювання витрат рідин або газів в трубопроводі, що полягає у визначенні різниці часів розповсюдження акустичних коливань за потоком і проти потоку рідин або газів, генерованих пристроєм, оснащеним п'єзоелектричними перетворювачами, розташованими на витратомірній ділянці трубопроводу і утворюючими щонайменше один канал зондування, встановленні швидкості течії рідин або газів вздовж каналу зондування та по перерізу витратомірної ділянки і наступному визначенні витрати рідин або газів з урахуванням введеної корекції у відповідності зі знайденим числом Рейнольдса, при цьому 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 9 (патент України на винахід № 78597, МПК : G01F1/66, опубл. 10.04.2007, Бюл. № 4, 2007). 1 UA 107478 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 За прототип винаходу прийнятий також пристрій для вимірювання витрат рідин або газів в трубопроводі, який містить щонайменше одну пару п'єзоелектричних перетворювачів, що розташовані на витратомірній ділянці і утворюють відповідний канал зондування, підключений до комутатора, сигнальний вихід якого з'єднаний з входом підсилювача, вихід якого, в свою чергу, підключений до першого входу блока вимірювання часу, до другого входу якого підключено також вихід генератора імпульсів випромінювання, з'єднаного з сигнальним входом комутатора, при цьому управляючі входи комутатора та генератора імпульсів випромінювання підключені до відповідних виходів обчислювального блока, інформаційний вихід якого з'єднаний 9 з блоком індикації (патент України на винахід № 78597, MПK :G01F1/66, опубл. 10.04.2007, Бюл. № 4, 2007). Недоліком описаного у прототипі способу є те, що він не здатен забезпечити високоточного вимірювання витрати рідин та газів, особливо коли вимірюванню підлягають нестабільні та несиметричні відносно осі трубопроводу потоки. Недолік описаного у прототипі пристрою полягає у недосконалості його побудови, яка виражається у відсутності конструктивних елементів, здатних забезпечити вимірювання витрати потоків рідин чи газів з високою точністю. В основу винаходу поставлена задача підвищення ефективності ультразвукового способу вимірювання витрат рідин або газів в трубопроводі шляхом підвищення точності вимірювання, зокрема, шляхом визначення витрат із урахуванням додаткових даних, визначених за допомогою лазерного допплерівського вимірювача швидкості, в результаті чого досягається можливість передбачення та корекції впливу асиметричних профілів швидкостей рідин та газів на процес вимірювання їх витрат навіть за наявності ультразвукового пристрою з однією хордою, що надає змогу проведення вимірювань за будь-яких режимів, і таким чином сприяє підвищенню точності отриманих результатів навіть за відсутності стабілізації потоку. В основу винаходу поставлена також задача удосконалення пристрою для вимірювання витрат рідин або газів в трубопроводі шляхом оптимізації його конструктивної побудови, зокрема, оснащенням пристрою лазерним допплерівським вимірювачем швидкості, в результаті чого досягається можливість передбачення та корекції впливу асиметричних профілів швидкостей рідин та газів на процес вимірювання їх витрат навіть за наявності ультразвукового пристрою з однією хордою, що надає змогу проведення вимірювань за будь-яких режимів, і таким чином сприяє підвищенню точності отриманих результатів навіть за відсутності стабілізації потоку. Поставлена задача вирішується тим, що в способі ультразвукового вимірювання витрат рідин або газів в трубопроводі, що полягає у визначенні різниці часів розповсюдження акустичних коливань за потоком і проти потоку рідин або газів, генерованих пристроєм, оснащеним п'єзоелектричними перетворювачами, розташованими на витратомірній ділянці трубопроводу і утворюючими щонайменше один канал зондування, встановленні швидкості течії рідин або газів вздовж каналу зондування та по перерізу витратомірної ділянки і наступному визначенні витрати рідин або газів з урахуванням введеної корекції у відповідності зі знайденим числом Рейнольдса, при цьому 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, згідно з винаходом, визначення витрати рідин або газів здійснюють із урахуванням додаткових даних, які вимірюють за допомогою лазерного допплерівського вимірювача швидкості, при цьому величину поправкового коефіцієнта, визначеного за допомогою пристрою, порівнюють з величиною поправкового коефіцієнта, визначеного за допомогою лазерного допплерівського вимірювача швидкості, і в разі необхідності до пристрою вносять корекцію. Поставлена задача вирішується також і тим, що пристрій для вимірювання витрат рідин або газів, в трубопроводі який містить щонайменше одну пару п'єзоелектричних перетворювачів, що розташовані на витратомірній ділянці і утворюють відповідний канал зондування, підключений до комутатора, сигнальний вихід якого з'єднаний з входом підсилювача, вихід якого, в свою чергу, підключений до першого входу блока вимірювання часу, до другого входу якого підключено також вихід генератора імпульсів випромінювання, з'єднаного з сигнальним входом комутатора, при цьому управляючі входи комутатора та генератора імпульсів випромінювання підключені до відповідних виходів обчислювального блоку, інформаційний вихід якого з'єднаний з блоком індикації, згідно з винаходом, додатково оснащений лазерним допплерівським вимірювачем швидкості, вхід якого приєднаний до трубопроводу з витратомірною ділянкою, а вихід - до інформаційного входу обчислювального блока. 2 UA 107478 C2 5 10 15 20 25 У запропонованому ультразвуковому способі вимірювання витрат рідин або газів в трубопроводі використовується лазерний допплерівський вимірювач швидкості (ЛДВШ). Він дозволяє оцінити реальний розподіл швидкостей в перерізі трубопроводу, передати ці дані на комп'ютер (обчислювальний блок), знайти середню швидкість вимірюваного середовища на порядок точніше, ніж це може зробити описаний у прототипі пристрій (однохордовий витратомір), визначити поправковий коефіцієнт, що враховує різницю розподілу швидкостей по довжині каналу зондування від розподілу швидкостей по перерізу витратомірної ділянки в залежності від встановленого режиму течії рідини, порівняти фактичний поправковий коефіцієнт і поправковий коефіцієнт, внесений в пристрій, і в разі необхідності внести в останній корекцію. Таким чином, застосування лазерного допплерівського вимірювача швидкості надає змогу здійснювати вимірювання фактичних витрат будь-яких рідинних чи газових потоків з високим ступенем точності. Далі суть винаходу пояснюється більш детальним описом переважних прикладів здійснення з посиланням на креслення, на яких фіг. 1 представляє блок-схему алгоритму, який лежить в основі запропонованого способу; фіг. 2 - структурну схему вимірювального пристрою згідно з винаходом, а фіг. 3 - результат розподілу швидкостей в перерізі трубопроводу, отриманий завдяки лазерному допплерівському вимірювачу швидкості, як один з прикладів контурів асиметричного розподілу швидкостей в потоці. Заявлений спосіб передбачає здійснення наступної послідовності операцій, яка у вигляді алгоритму зображена на фіг. 1 1. Початок. На цій стадії формуються періодичні імпульси, які почергово передаються на кожен з пари п'єзоелектричних перетворювачів, які відповідно перетворюють їх в акустичні сигнали. Перетворювачі розташовують на протилежних стінках трубопроводу так, щоб забезпечити зондування потоку під кутом  по відношенню до осі трубопроводу. Відбувається вимірювання часової затримки і визначення середньої швидкості Vl. , осередненої по довжині шляху зондування каналу за формулою Vl.  30 35 40 45 tc 2 tg , 4R (1) де t - різниця часів розповсюдження акустичних коливань за потоком та проти потоку; c - швидкість розповсюдження акустичних коливань в рідині;  - кут випромінювання акустичних коливань; R - внутрішній радіус витратомірної ділянки. 2. В цей же час лазерний допплерівський вимірювач швидкості, розташований за ультразвуковим витратоміром вниз за потоком, виконує вимірювання точкових швидкостей в різних площинах трубопроводу задля отримання реального профілю розподілу швидкостей. Дані вимірювання передаються на комп'ютер (обчислювальний блок), де оцінюються отримані контури швидкості в перерізі трубопроводу. На практиці розподіл швидкостей в поперечному перерізі відрізняється від розрахункового, що призводить до появи похибок гідродинамічного походження, тому важливо якомога точніше оцінити реальний профіль швидкостей. Коли профіль швидкостей відомий, то відповідна поправка розраховується і враховується при градуюванні. 3. Для того, щоб визначити витрату Q вимірюваної рідини, необхідно перейти до середньої швидкості потоку Vср , осередненої по площі поперечного перерізу витратомірної ділянки, завдяки поправковому коефіцієнту K : Q  VсрS , Vср  VlK , 50 (2) (3) де S - площа поперечного перерізу витратомірної ділянки. Визначається число Рейнольдса Re l  f Vl  . Для визначення поправкового коефіцієнта K , необхідно знати число Рейнольдса. Базуючись на виміряній швидкості Vl , визначається значення числа Рейнольдса 3 UA 107478 C2 Re l  5 10 2 VlR ,  (4) де  - коефіцієнт кінематичної в'язкості вимірюваної рідини. 4. Знаходження поправкового коефіцієнта K  f Re l  . Для числа Рейнольдса визначається поправковий коефіцієнт. Якщо режим течії ламінарний, значення коефіцієнта приймається рівним 0.75 (див. Кремлевский ПП. Расходомеры и счетчики количества: Справочник. - Л.: Машиностроение, 1989. - С. 444), якщо режим течії турбулентний, значення коефіцієнта можна знаходити за формулою, виведеною на базі ступеневого закону розподілу швидкостей потоку за даними вимірів, проведених Нікурадзе (див. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. - М.: Наука, 1974) 2n , або K 1  2n K 2n 2 , 2n  1n  1 де n  11 .269  3.019 lg Re  0.432 lg 2 Re . 15 Для перехідної зони модель знаходження поправкового коефіцієнта представляється у вигляді поліному, отриманого на базі численних експериментів K  a  b Re 2  c Re 3  dRe 4 , 20 25 30 (5) (6) де a,b, c, d - коефіцієнти поліному, що визичаються дослідним шляхом. Залежності (5) - (6) були отримані, базуючись на припущенні, що потік вимірювального середовища є осесиметричним, а траєкторія ультразвукового променя лежить в площині, що проходить через вісь трубопроводу. Отриманий таким чином поправковий коефіцієнт може потребувати уточнення після порівняння його з поправковим гідродинамічним коефіцієнтом, знайденим на базі розподілу швидкостей, отриманого лазерним допплерівським вимірювачем швидкості. Лазерний допплерівський вимірювач швидкості передає дані вимірювань на обчислювальний блок, який дозволяє отримати контури розподілу швидкості в перерізі трубопроводу, як показано на фіг. 3. Далі за допомогою програмного забезпечення значення швидкості по перерізу осереднюється, і ми отримуємо більш точне значення середньої швидкості в перерізі Vср , ніж нам може дати ультразвуковий витратомір. Знаючи цю середню швидкість Vср в перерізі трубопроводу і середню швидкість Vl. , розраховану для витратоміра за формулою (1), отримаємо нове значення поправкового коефіцієнта K ЛДВШ  35 40 45 v ср vl , (7) Оцінюємо розбіжність між поправковим коефіцієнтом, знайденим за допомогою використання ЛДВШ, і поправковим коефіцієнтом витратоміра K в итр . Якщо вона достатньо мала, процес вимірювання не потребує внесення корекції. В іншому випадку отримується нове значення поправкового коефіцієнта і записується в пам'ять витратоміра. Отже, завдяки використанню запропонованого способу підвищується точність знаходження поправкового коефіцієнта і, відповідно, точність вимірювання витрати рідини. В результаті, отримавши уточнене значення коефіцієнта K та маючи значення середньої швидкості Vl. , осередненої по довжині каналу зондування потоку, можна знайти остаточне значення витрати Q , використовуючи формули (2) і (3). Згідно зі ще одним із аспектів винаходу пропонується пристрій, за допомогою якого реалізується заявлений спосіб. Як зображено на фіг. 2, такий пристрій має п'єзоелектричні перетворювачі 1 і 2, що розташовані на витратомірній ділянці і утворюють канал зондування, підключений до 4 UA 107478 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 комутатора 3. Сигнальний вхід комутатора 3 підключений до виходу генератора імпульсів випромінювання 4. Вихід комутатора 3 з'єднаний з входом підсилювача 5, вихід якого, в свою чергу, підключений до першого входу блока вимірювання часу б, до другого входу якого підключено також вихід генератора імпульсів випромінювання 4, з'єднаний з сигнальним входом комутатора 3. Управляючі входи комутатора 3 та генератора імпульсів випромінювання 4 підключені до відповідних виходів обчислювального блока 7. На інформаційний вхід обчислювального блока 7, яким може бути, наприклад, мікроконтролер, надходить інформація з виходу блока 6 і ЛДВШ 9, а на його інформаційний вихід, підключений, наприклад, до блока індикації 8, - інформація щодо результату вимірювальної витрати рідини. Пристрій згідно з винаходом працює наступним чином. Обчислювальний блок 7 ініціює випромінювання імпульсу генератором імпульсів випромінювання 4. За допомогою комутатора 3 імпульс випромінювання подається на один з пари п'єзоелектричних перетворювачів 1 або 2, а з другого п'єзоелектричного перетворювача знімається вхідний сигнал і передається на вхід підсилювача 5. Блок 6 вимірювання часу починає відлік часу з моменту випромінювання імпульсу генератором і закінчує в момент отримання імпульсу з виходу підсилювача. Інформація про затримку вхідного сигналу відносно випромінюваного імпульсу подається на інформаційний вхід обчислювального блока 7, також туди надходить інформація з лазерного допплерівського вимірювача швидкості 9 про швидкість в різних точках перерізу трубопроводу. Блок 7 на базі інформації про час проходження ультразвукових сигналів в одному та іншому напрямках обчислює за алгоритмом, описаним вище, середню швидкість Vl. вздовж хорди за формулою (1), а також проводить осереднення швидкостей, отриманих ЛДВШ 9 по перерізу трубопроводу, далі проводиться визначення коефіцієнта K через число Рейнольдса за формулами (4), (5), (6) з наступним порівнянням зі значенням коефіцієнта K , знайденого за формулою (7) завдяки визначенню середньої швидкості по перерізу за ЛДВШ 9. В результаті уточнене значення коефіцієнта K вводиться в електронну схему обчислювального блока 7 і визначається остаточне значення витрати Q з використанням формул (2) і (3), яке відображається в блоці індикації 8. Таким чином, заявлені ультразвуковий спосіб вимірювання витрат рідин або газів в трубопроводі та пристрій для його здійснення принципово відрізняються від існуючих, дозволяють значно спростити алгоритм обробки результатів вимірювання без втрат точності вимірювання, а також визначити уточнений поправковий коефіцієнт на розподіл швидкостей в потоці за будь-яким режимом останнього, і навіть за умови асиметричних потоків, що розширює діапазон вимірювання. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 1. Спосіб ультразвукового вимірювання витрат рідин або газів в трубопроводі, що полягає у визначенні різниці часів розповсюдження акустичних коливань за потоком і проти потоку рідин або газів, генерованих пристроєм, оснащеним п'єзоелектричними перетворювачами, розташованими на витратомірній ділянці трубопроводу і утворюючими щонайменше один канал зондування, встановленні швидкості течії рідин або газів вздовж каналу зондування та по перерізу витратомірної ділянки і наступному визначенні витрати рідин або газів з урахуванням введеної корекції у відповідності зі знайденим числом Рейнольдса, при цьому 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, який відрізняється тим, що визначення витрати рідин або газів здійснюють із урахуванням додаткових даних, які вимірюють за допомогою лазерного допплерівського вимірювача швидкості, при цьому величину поправкового коефіцієнта, визначеного із використанням даних вимірювань швидкості потоку п'єзоелектричними перетворювачами, порівнюють з величиною поправкового коефіцієнта, визначеного із використанням даних вимірювань швидкості потоку лазерним допплерівським вимірювачем швидкості, і в разі необхідності до пристрою вносять корекцію. 2. Пристрій для вимірювання витрат рідин або газів в трубопроводі, який містить щонайменше одну пару п'єзоелектричних перетворювачів, що розташовані на витратомірній ділянці і утворюють відповідний канал зондування, підключений до комутатора, сигнальний вихід якого з'єднаний із входом підсилювача, вихід якого, в свою чергу, підключений до першого входу блока вимірювання часу, до другого входу якого підключено також вихід генератора імпульсів випромінювання, з'єднаного з сигнальним входом комутатора, при цьому управляючі входи комутатора та генератора імпульсів випромінювання підключені до відповідних виходів 5 UA 107478 C2 5 обчислювального блока, інформаційний вихід якого з'єднаний з блоком індикації, який відрізняється тим, що містить лазерний допплерівський вимірювач швидкості, обчислювальний блок виконаний з можливістю визначення двох поправкових коефіцієнтів із застосуванням даних вимірювань швидкості потоку п'єзоелектричними перетворювачами та лазерним допплерівським вимірювачем швидкості відповідно, порівняння вказаних коефіцієнтів, здійснення корекції за результатами порівняння та остаточного визначення витрат рідин або газів, причому вхід лазерного допплерівського вимірювача швидкості приєднаний до трубопроводу з витратомірною ділянкою, а вихід - до інформаційного входу обчислювального блока. 6 UA 107478 C2 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7