Устройство для измерения расхода в трубопроводах

 

Изобретение относится к ультразвуковой измерительной технике и может быть использовано в гидрометаллургической , химической, нефтяной и др. промьшшенности. Цель изобретения - уменьшение погрешности измерений . Распределение ультразвуковых импульсных сигналов, распространяющихся в зоне акустических преобразователей 1 и 9 по потоку среды и против , достигается коммутаторами 3 и 10, управляемыми синхронизатором 14. Коммутатор 3 поочередно под спючает to 00

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (50 4 С 01 F 1 66

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

H АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3739413/24-10 (22) 11.05.84 (46) 23. 11.86. Бюл. М 43 (71) Научно-исследовательский институт прикладных физических проблем им. А.Н. Севченко (72) И.А.Чернобай, С.В.Дегтярев и А.И.Шатковский (53) 681.121(088.8) (56) Патент США У 3564912, кл. G 01 P 5/00, 1971.

Патент США У 4300400, кл. G 01 F 1/66, 1981.

Авторское свидетельство, СССР

У 569854, кл. G 01 F 1/66, 197?.

„.80„„1272118 А1 (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА В ТРУБОПРОВОДАХ (57) Изобретение относится к ультразвуковой измерительной технике и может бьгть использовано в гидрометаллургической, химической, нефтяной и др. промьпппенности. Цель изобретения — уменьшение погрешности измерений. Распределение ультразвуковых импульсньм сигналов, распространяющихся в зоне акустических преобразователей I и 9 по потоку среды и против, достигается коммутаторами 3 и

10, управляемыми синхронизатором 14, Коммутатор 3 поочерелно подключает

1 к акустическим головкам 4 и 5 преобразователь 1, частотный измеритель

6, определяющий скорость распространения. ультразвука по потоку среды, и частотный измеритель 7, определяющий скорость против потока среры.

Аналогичные действия производит коммутатор 10, подключающий к акустическим головкам 20 и 21 частотные

272118 измерители 12 и 13. Синхронизатор 14 посредством управления ксйчмутаторак;

3 и 10 обеспечивает разнесение по времени ультразвуковых сигналов, распространякнпихся в зонах акустических преобразователей 1 и 9, что защищает измерители 6, 7, 12 и 13 от воздействия реверберационных помех. 1 ил.

Изобретение относится к ультразвуковой измерительной технике и может быть использовано в гидраметаллурги ческой, химической нефтяной.и других отраслях промышленности для точного определения расхода жидкйх сред.

Цель изобретения — уменьшение погрешности измерений расхода.

На чертеже представлена блок-схе" ма устройства, 10

Раба а устройства основана на сл едующем.

В общем случае время распрос!. ранения ультразвукового сигнала по ното15 ку контролируемой среды в плоскости измерительного сечения на расстоянии

Y от центра можно представить как

Х !

sing. ) с + U(XÄ Y ) cosd, -x, где Ч(Х, Y. } — распределение скоростей в поперечном сечении трубопровода по 2S координате Х на рассто" янии Y.

1 с — угол наклона измерительной плоскости к аси оси трубопровода, 30

C — скорость ультразвука в среде.

Разложив падынтегральное выраже* ние (1) в ряд Тейлора по (соз- <10 ) с точностью до 3-го члена, получаем:

Х, Г -- —. (1 — —.. oooo! +

С. эню С

V2 1 2Х вЂ” cos !у-) ДУ = —. — 1- — 40

Си х. sing С ! — VdX +, V dX . (2)

-x -x !

Ф С s!n OL

2Х; г — cos g — +

С

Д соэ0С

На основании последнего выражения разность частот ь f;, пропорциональная интегральной скорости потока в измеряемом канале, + - С к

2Х. !

2V, cosy . sing V;.cosa.sing

С Х;

2 х1

V(X, 1 ; ) dX., (4) ! — х !

Показания устройства, иэмеряющего расход с акустическим каналом, занимающим i положение в измерительном сечении

Соответственно время распространения ультразвукового сигнала против потока среды

sing ) С С,1

+ ", V dX . (3)

-х.

Для частот,, кра ных времени распространения ультразвука в измерительном канале

2С Х., к !

Введя обозначения V, = ) VdX—

2Х, и -!!. средняя скорость по лучу, V; х;

V dX - средний квадрат скорости по лучу, разложение в ряд имеет вид:

1 272118

Х, J v(x v,)ах, А. =- а.

1 1

-Х

1 з1п2 где а = К вЂ” конструктивный

4Х2

1 параметр; 5

К. — константа характеризующая

У конструктивные особенности прибора.

Для измерительного устройства с 10 акустическим каналом, расположенным

„ в диаметральной плоскости, R

А = а, JV(X,О) dx = à .2RV,. (5)

R 15

Объемный асход

RD. г

q =J f а(х v)mxav = RRж v, (6)

- (R*-V

20 где V — средняя по сечению скорость.

Взаимосвязь между значениями ско-рости, измеряемым ультразвуковым расходометром V и средней по сечению

CKOpOCTImlO потока V> выражается Iepe3 25 коэффициент В

В (7)

Эпюра скоростей для развитого . осесимметричного потока в трубопро воде описывается выражением

Ч(г) = Ч (1 — «) " (8) 4

Задача точного определения расхода Q по выражению (9) сводится к нахождению неизвестных величин Ч и и, которые могут быть определены по показаниям двух счетчиков А, и Аг, описываемым уравнениями (10) и (11).

Прямое решение этих уравнения требует применения сложного вычислительного устройства. Поэтому более простой алгоритм обработки сигналов получается подстановкой уравнения (10) в (9) и деления (10) на уравнение (11), тогда:

2а 2n + 1

А (12)

1, а, 2

А

A а,1 n+1 (1—

21 A a

1 1

D ) " dX. (13) Полученная система двух уравнений с двумя неизвестными Q и и позволяет определить искомые величины.

Зная А из уравнения (13), находится п, подставляется в уравнение (12), находится истинное значение расхода Q.

Следовательно, расход среды можно представить на основании уравнения (12) в виде:

Q -= -К

2п,, 1

А = К вЂ” А, (14), 2n+ 1 .(В

2п (2п + 1)(п + 1) (9) а подставляя выражение (8) в (5) при

= 0 и У 2. О, получаем соответственно

А =a 2RV — 0

Га"-у

Кг аА 2

А = 2а Ч (1 — )"

0 (10)

«dX, где V местное значение скорости потока среды, измеренное по оси трубопровода, и — коэффициент, зависящий от числа Рейнольдса Re.

В случае распределения скоростей 40 согласно выражению (8) для измерения расхода с учетом изменения профиля скоростей потока достаточно двухканального устройства.

Подставляя выражение (8) в (6), 45 получаем

Tf R где К=

2а, —. коэффициент преобразования расходомера, зависящий от величины базы и положения акустического канала, В =1+ — — поправочный коэффици1

2п ент, учитывающий изменение профиля потока среды.

Значение и и, следовательно, величина поправочного коэффициента В определяются из уравнения (13) по отношению частот измерительных каналов А, . Техническая реализация точного определения поправочного коэффициента В иэ уравнения (13) представляет существенную трудность н связана с необходимостью применения сложного вычислительного устройства.

Математическое моделирование зависимости поправочного коэффициента

Ъ

A2а 1

В от на основании уравнения (12)

Аз

1272118

tgB, (1S) 20 (16) 2S

Ь вЂ” постоянный коэффициент, Ультразвуковой расходомер содержит акустический преобразователь расхода,,расположенный в диаметральной плоскости трубопровода 2, коммутатор 3, подсоединенный двумя входа3$ ми к акустическим головкам 4 и 5 преобразователя 1, а выходами — к первому 6 и второму 7 частотным измерителям скорости ультразвука, выходы которых подключены к входам первого формирователя 8 разности частот,.Кроме того, в расходомер введены второй акустический преобразователь 9 расхода, второй коммутатор 10 второй формирователь 11 разности частот, третий

12 и четвертый 13 частотные измерители скорости ультразвука, синхронизатор 14, а также последовател;ьно соедйненные делитель-формирователь 15 временных интервалов, схема И 16, счетчик 17 с предустановкой, регистр

18 памяти и делитель l9 частоты с управляемым коэффицИентом деления, причем второй акустический преобраэоI ватель 9 расхода расположен в плос 55 кости, параллельной диаметральной,и подключен акустическими головками 20 и 21 к второму коммутатору 10, выходами связанному через третий и чет3 и (13) для всевозможных значений и, эквивалентных реальным значениям чисел Рейнольдса турбулентных пото ков, показывает, что зависимость В

А от — является близкой к линейной

А, для всех возможных значений чисел

Рейнольдса. Основываясь на характе-. ре зависимости, поправочный коэффициент В выражается через отношение частот измерительных каналов в виде уравнения для прямой линии

В =  — А tgB = (- — — А ) В

21 tgB 41 где В- †: смещение, tgB — тангенс угла наклона прямой.

Уравнение (14) приобретает вид:

1 ц=к —.л cga=

Во

1 — — 
tgB 91

Ь-А где К, — нормированный коэффициент преобразования расходомера, вертый частотные измерители 12 и 13 скорости ультразвука с входами второ» го формирователя 11 разности частот.

Один выход первого формирователя

8 разности частот подключен к входу, делителя-формирователя 15 временных интервалов, второй — к счетному входу делителя 19 частоты с управляемым коэффициентом деления, а выход второго формирователя 11 разности частот подключен к второму входу схемы

И 16, при этом второй и третий выходы делителя-формирователя 15 временных интервалов подсоединены к счет5 чику 17 с предустановкой и к регистру 18 памяти, выходы синхронизатора

14 связаны с управляющими входами коммутаторов 3 и ",О, а выход делителя 19 частоть(с управляемым коэффициентом деления подключен к частотомеру 22.

Ультразвуковой расходомер работает следующим образом.

Распределение ультразвуковых импульсных сигналов, распространяющихся в зоне акустических преобразователей 1 и 9 по потоку средь1 и против него, достигается коммутаторами 3 и 10, управляемыми синхронизатором

14ь Основным назначением коммутатора

3 является поочередное подключение к акустическим головкам 4 и 5 преобразователя i частотного измерителя

6, определяющего скорость распространения ультразвука по потоку среды, и частотного измерителя 7, определяющего скорость распространения ультразвука против потока среды.

Такие же действия производит и коммутатор 10, который поочередно подключает к акустическим головкам

20 и 21 преобразователя 9 частотный измеритель 12, определяющий скорость распространения ультразвука по потоку среды, и частотный измеритель !3, определяющий скорость распространения ультразвука против потока среды.

Синхронизатор 14 посредством управления коммутаторами 3 и 10 обеспе:ивает разнесение по времени всех ультразвуковых сигналов, распространяющихся в зонах акустических преобразователей и 9 как по потоку "реди, так и против него. Это необходимо для защиты измерителей 6, 7, 12 и 13 от воздействия реверберационных помех, что обеспечивает большое отношение сигнал/помеха и дает возмож118 8 ляется схемой совпадения, которая пропускает на выход частоту А в течение времени Т. В результате на выходе схемы И 16 формируется количество импульсов, пропорциональное в соответствии с уравнением (13) отношению †. = А . Далее счетчик 17 с

А,, А

1 предустановкой подсчитывает значение

Ъ вЂ” А путем вычитания из предустановочной величины Ъ, предварительно занесенной в счетчик 17 по входам параллельной записи, изверяемой величины А „, подающейся в виде импульсов йа его счетный вход. Следовательно, делитель-формирователь 15 временных интервалов, схема И 16 и счетчик 17 с предустановкой определяют фактически величину b — А,, входящую в формулу (16).

Полученный результат Ъ вЂ” А, фиксируется по каждому такту измерений в регистре 18 памяти, выходы которого подключены к управляющим входам делителя 19 с управляемым коэффициентом деления. Поступающая с выхода формирователя 8 разности частот на счетный вход делителя 19 информационная частота А, диаметрального измерительного канала делится на величину Ь вЂ” А, в соответствии с формулой (16). В результате образуется новое значение частоты, связанное с точным значением расхода Q через коэффициент пропорциональности К,. Величина, этой частоты регистрируется частотомером 22 в соответствующих единицах расхода среды.

Для обеспечения соответствующих метрологических характеристик точные значения коэффициентов Ь и К, определяются и уточняются для каждой пары акустических преобразователей

1 и 9 с учетом индивидуальной геометрии. Это производится путем калибровки и тарировки расходомера по двум измеренным значениям расхода при различных числах Рейнольдса потока среды.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет максимально минимизировать число измерительных каналов, значительно упростить структурную схему прибора и

1 значительно повысить точность измерений, что достигается простотой определения линейной поправки на профиль потока среды.

7 1272 ность получить высокую точность измерений.

Формирователь 8 разности частот находит раэностную частоту двух сигналов, один из которых поступает с частотного измерителя 6 скорости ультразвука по потоку среды, а второй - с частотного измерителя 7 скорости ультразвука против потока среды. Поэтому формирователь 8 разности 10 чрстот фактически определяет раз, ность скорости ультразвука по пото:ку среды и против него в диаметральном сечении трубопровода и вырабаты" вает в частотном виде в соответствии >5 с уравнением (10) показания А„, пропорциональные интегральной скорости потока но пути распространения ультразвукового луча от акустической головки 4 к акустической головке 5 и 20 наоборот.

Формирователь 11 разности частот аналогично находит разностную частоту двух сигналов, один из которых поступает с частотного измерителя 12 ско- 2s расти ультразвука по потоку среды, а второй — с частотного измерителя 13 скорости ультразвука против потока среды. Поэтому формирователь 11 фактически определяет разность скорости ультразвука по потоку среды и против него в периферийном сечении трубопровода на расстоянии, соответствующем установке пьезопреобразователей от оси трубопровода, и вырабатывает в частотном виде в соответ35 ствии с уравнением (11) показания

А, пропорциональные интегральной скорости потока по пути распространения ультразвукового луча от акустической головки 20 к акустической головке 21 и наоборот. В качестве формирователей 8 и 11 разностных частот могут быть применены как аналогичные дискриминаторы частот, так и импульсные формирующие каскады, представляющие собой D-триггеры.

Значение частоты А, подается с формирователя 8 разности частот на делитель-формирователь 15 временных интервалов, а значение частоты А на схему И 16. Делитель-формирователь

15 формирует временной интервал Т, длительность которого равна Т =

= n â€, где n — целое число периодов.

И

Аа выбранное иэ условия обеспечения необходимой точности, а схема И 16 явСоставитель М.Абросимов

Техред Л.Сердюкова Корректор В.Бутяга

Редактор Н.Тупица

Заказ 6327/37 Тираж 705 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

1l3035, Москва, .Ж-35, Раушская наб., д, 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4

Формула из обр ет ения

Устройство для измерения расхода в трубопроводах, содержащее первый акустический преобразователь расхо- 3 да с двумя акустическими головками„ расположенный в диаметральной плоскости трубопровода, первый коммутатор, подсоединенный двумя входами к акустическим головкам первого пре- 1О обраэователя, а выходами - к первому и второму частотным измерителям скорости ультразвука, выходы которых подключены к входам первого формирователя разностй частот, и часто- 5 томер, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью уменьшения погрешности измерений, в него введены второй акустический преобразователь расхода с двумя акустическими головками, 20 второй коммутатор, второй формирователь разности частот, третий и четвертый частотные измерители скорости ультразвука, синхронизатор, а также последовательно соединенные дели-,25 тель-формирователь временных интервалов, схема И, счетчик с предус18 10 тановкой, регистр памяти, делитель частоты с управляемым коэффициентом деления, причем второй акустический преобразователь расхода расположен в плоскости, параллельной диаметральной, и подключен акустическими головками к второму коммутатору, выходами связанному через третий и четвертый частотные измерители скорости ультразвука с входами второго формирователя разности частот, один выход первого формирователя разности частот подключен к входу делителяформирователя временных интервалов, другой выход — к счетному входу делителя частоты с управляемым коэффициентом деления, а выход второго формирователя разности частот подключен к второму входу схемы И, при этом второй и третий выходы делителя-формирователя временных интервалов подсоединены к счетчику с предустановкой и к регистру памяти, выходы синхронизатора связаны с управляющими входами коммутаторов, а выход делителя частотыс управляемымкоэффициентом деления подключен к частотомеру.