Ультразвуковой способ измерения расхода

 

Изобретение может быть использовано в измерителях расхода жидких и газообразных сред. Цель изобретения - увеличение точности измерения за счет определения истинного значения измерительной базы при изменениях параметров окружающих сред. По предложенному способу сигнал излучается под углом к направлению потока и перпендикулярно к направлению потока. С помощью преобразователей принимаются ультразвуковые сигналы, отраженные от границ раздела стенка трубопровода - измеряемая среда при наклонном излучении, и сигналы, отраженные от границ раздела стенка трубопровода - измеряемая среда и измеряемая среда - стенка трубопровода при перпендикулярном к потоку излучении. По величинам задержек ультразвуковых сигналов при наклонном и перпендикулярном к потоку излучении по математической формуле определяется истинное значение величины измерительной базы. Это значение используется для определения скорости или расхода жидкости или газа в трубопроводе, что повышает измерения. 2 ил. to С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАПИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з G 01 F 1/66 (21) 4667951/10 . (22) 27.03.89 (47) 23.07.92, Бюл.М27 (71) Каунасский политехнический институт им. А.Снечкуса (72) В.Г,Данилов П,-Б,Милюс и П.И.ИлгакойИС (56) Авторское свидетельство СССР ..

N. 970223, кл, 6 01 F 1/66, 1987 г.

Киясбейли А,Ш., Измайлов А.М„уревич В.M. Частотно-временные ультразвуковые расходомеры и счетчики, М.: Машиностроение, 1984, с.15 и 16. (54) УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА (57) Изобретение может быть использовано в измерителях расхода жидких и газообразных сред. Цель изобретения — увеличение точности измерения за счет определения истинного значения измерительной базы

Изобретение относится к акустиче. ским измерениям и мржет быть использовано для измерения расхода, скорости потока, скорости ультразвука, температуры и других параметров движущихся сред в трубопроводах при контроле эа ходом.тех-. нологических процессов. . Известен способ измерения расхода, основанный на двухканальном наклонном под разными углами по отношению к потоку излучения в направлении потока ультразвуковых колебаний в контролируемую среду, приеме колебаний, определении величины расхода по параметрам принятых сигналов.

Недостатком известного способа является ограниченная точность измерений, обусловленная изменением угла ввода угьтразвукового луча в поток контролируемой среды при колебаниях температуры, давле,,БЫ 1749711 А 1 при изменениях параметров окружающих сред; По предложенному способу сигнал излучается под углом к направлению потока и перпендикулярно к направлению потока. С помощью преобразователей принимаются ультразвуковые сигналы, отраженные от границ раздела стенка трубопровода — измеряемая среда при наклонном излучении, и сигналы, отраженные от границ раздела стенка трубопровода — измеряемая среда и измеряемая среда — стенка трубопровода при перпендикулярном к потоку излучении, По величинам задержек ультразвуковых сигналов при наклонном и перпендикулярном к потоку излучении по математической формуле определяется истинное значение величины измерительной базы, Это значение используется для определения скорости или расхода жидкости или газа в трубопроводе, что повышает измерения.

2 ил. ния и солевого состава (концентрации при- . месей).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является ультразвуковой способ измерения расхода. заключающийся в наклонном и перпендикулярном по отношению к потоку излучения ультразвуковых колебаний в контролируемую среду, приеме колебаний, определении величины расхода по параметрам принятых сигналов. I

Недостатком этого. способа является ограниченная точность измерения из-за колебаний скорости ультразвука в контролируемой среде, обусловленного колебаниями температуры, давления и солевого состава. Колебания скорости ультразвука в контролируемой среде и стенках трубопровода приводят к изменениям угла преломле1749711

4 сия ультразвукового луча на границе стенка трубопровода — контролируемая среда и контролируемая среда — стенка трубопровода. При этом угол ввода ультразвукового луча в поток может изменяться на несколько градусов и вносить существенную погрешность измерений.

Цель изобретения — уменьшение погрешности измерения за счет определения действительного значения угла ввода колебаний в поток.

Поставленная цель достигается тем, что согласно ультразвуковому способу измерения расхода, заключающемуся в наклонном и перпендикулярном по отношению к потоку излучении ультразвуковых колебаний в контролируемую среду, приеме колебаний, определении величины расхода по параметрам принятых сйгналов, осуществля1от прием колебаний, отраженных от границы стенка трубопровода — контролируемая среда, принимают отраженные эхо-импульсы от границ перехода стенка трубопровода— контролируемая среда и контролируемая среда — стейкэ трубопровода при перпендикулярном излучении и определяют откорректированное значение угла ввода колебаний в поток по выражению

Ф

1ж Тст2

/4 = arcsin

1ст2 Гж Гст1 гДе 1ж, 1ст2 — внУтРенний ДиаметР и толЩина стенки трубопровода соответственно; тст1, ГСт2, Гж — ВРЕМЯ ПРОХожДЕНИЯ КОЛЕбаний соответственно толщины стенки под углом к оси трубопровода, перпендикулярно к потоку и в жидкости по внутреннему диаметру трубопровода.

Сущность способа заключается в следу1ОЩЕМ, На стенке трубопровода устанавливают два обратимых раздельно-совмещенных пьезопреобразователя, позволяющих зондировать исследуемый поток ультразвуковыми импульсами, направляемыми под углом и относительно вектора скорости потока. Зондирование проводят в направлении потока и против направления потока.

Эти пьезопреобразователи обеспечивают прием. прошедших через исследуемый поток, а также прием прошедших через стенку трубопровода йипульсов и отрахсейных от ее границ с жидкостью. Кроме тбго; на стенке трубопровода устанавливают Обратимый широкополосный пьеэопреобразователь, позволяющий ввод ультразвуковых импуль.Сов в стенку трубопровода, и исследуемый поток перпендикулярно относительно оси трубопровода и прием отраженных эхо-импульсов от границ перехода стенка трубопровода — жидкость и жидкость — стенка трубопровода.

5 Излучающим пьезоэлементом раздельно-совмещенного пьезопреобраэователя, возбуждаемым импульсным генератором, вводят через стенку трубопровода в направлении потока акустическую волну импульс10 ных сигналов, Ультразвуковые импульсные сигналы направляют под углом относитель но вектора скорости потока. Импульсный сигнал, прошедший стенку трубопровода, частично отражается от границы перехода

15 стенка трубопровода — жидкость. Эхо-импульсы отраженного сигнала принимаются приемным пьезоэлементом этого же раздельно-совмещенного пьезопреобразователя, а импульсные сигналы. прошедшие

20 поток, принимаются приемным пьезоэлементом второго раздельно-совмещенного пьезопреобразователя. Аналогично осуществляется ввод через стенку трубопровода акустической волны импульсных сигналов

25 против направления потока. При этом излучающие и приемные пьезоэлементы раздель . о-совмещенных пьезопреобразователей соответственно принимают и излучают ультразвуковые импульсные сигналы, 30 Одновременно обратимым широкополосным пьезопреобразовэтелем вводят в стенку трубопровода акустическую волну импульсных сигналов перпендикулярно относительно оси трубопровода, 35 Эхо-импульсы, отраженные от- границ перехода стенки трубопровода — жидкость и жидкость — стенка трубопровода принимают тем же пьезопреобразователем.

ВрЕМя Тст1 ПрОХОждЕНИя ИМПУЛЬСНЫМ

40 сигналом толщины 1„1 стенки под углом к поверхности трубопровода определяется выражением.

21ст1

Тст1 С ст где Сст — скорость ультразвука в материале"-: стенки трубопровода.

Время t„2 прОхожДенМЯ имп Яьснйм сигналом толЩийй 1ст2 пеРпенДикУлЯРно к поверхйости трубопровода on ределяется выражением

21ст2

55 (2)

Сст . ПРи известном значении толщины 1ст2 стенки трубопровода определяют расстояние 1ст1 по Отношени10 tcQ K Тст1

174971!

1ж лолами

1ж

1ж " ст2

1ст2 гж тст! (10) 1ст2 т ст! ...: 1ст!

Хст2 (4) Pс тст2 тст1 .(5) 21ж тж = —, Сж (6) в лД, С„ .з и/ ж(7) з1п дс Сж фж = 8lCSIn —

Сст агСЙ1П 1ж тст2 . Тст

1ст2 zx Тст!! ж тст2

1ст2 Zx тст! Гст2 2 1ст2 21ст1 1ст2 I (3) — sining, 3 ст! Сст Сст 1ст1 где ас — угол преломления излученной акусти еской волны импульсных сигналов на границе перехода пьезоэлемент — стенка трубопровода.

Иэ выражения (3) находят

Угол падения излученной акустической волны импульсных сигналов на.границу пе. Рехода стенка трубопровода — жидкость с учетом выражения (3) определяется выражением

Время тж прохождения, импульсйым сйгнт!лом толщины 1ж жидкости, перпендикулярно вектору скорости потока; определяется выражением где Сж -скорость ультразвука в жидкости. " Угол j3® ввода акустической волны импульсных сигналов в поток жидкости опре;деляется выражением (закон Снелиуса) Из выражения (7) определяют угол j4 — sin (arcsin )

21ж . - тст2

- ircsIn ( Гст!

21сг2 Хст2

Угол наклона а базы 1 раздельносовмещнных пьезопреобразователей. к вектору скорости потока определяется Sblраже нием а-90 -Рж -90 — arcsln * . (9)

1ст2 Zx Zct!

Величина базы L в потоке жидкости определяется выражением

С учетом текущего значения базового расстояния L между излучающим пьезоэлементом одного раздельно-совмещенного пьезопреобразователя и приемным пьезоэлемейтом другОГо Раздельно-совмещенного пьеэопреобразователя, в каждом l-м цикле измерения судят о расходе потока по известным алгоритмам работы измерителя.

Предложенный ультразвуковой способ измерения расхода отличается от известного тем, что дополнительно осуществляют

ПРИЕМ КОЛЕблайИй, ОтражЕННЫХ От ГраНИцЫ стенка трубопровода- контролируемая среда; принимают отраженнь1е эхо-импульсы от границы перехода стенка трубопроводаконтрол ируема я среда и контроли руемая среда-стенка трубопровода при перпендикулярном излучении и определя1от значение угла. ввода колебаний в поток по выражению

/Зж = агсзlп

1ж Тст2

Iст2 Zw Хст! где I . Ica — внутренний диаметр и толщина стенки трубопровода соответственно; .. тст1, Тст2, Гж ВРЕМЯ ПРОХОЖДЕНИЯ КО" лебаний соответственно толщины стенки под углом к оси трубопровода, перпендикулярно к потоку l! в жидкости по внутреннему

40 диаметру трубопровода;

Известными ультразвуковыми методами измерения расхода с компенсацией из-, менений скорости ультразвука не обеспечивается возможность оплределения -:

45 текущего значения угла ввода ультразвукового луча в контролируемый поток, а также текущего значения величины базы между пьезопреобразователями в потоке контролируемой жидкости. б0 .. 8 иэвестнйх технических решениях используют усредненные в определенных пределах значения изменений. угла ввода ультразвукового луча в поток или значения температурных коэффициентов; что не бб .обеспечивает необходимой точности измерений.

На фиг.1 представлена схема акустического блока для иллюстрации предлагаемого способа; на фиг.2 —. упрощенная блок-схема.

1749711 (13) Устройство ультразвукового измерения Мж расхода содержит обратимый пьезопреобразователь 1, установленный на внешней С0$ (дгс$!и „ ) поверхности стенки мерного участка трубопровода 4, по которому протекает контро- 5 лируемая среда 5, например вода, два .. (11) раздельно-совмещенные пьезопреобразо-, (агс$ п * 2 ватели 2 и 3, содержащие обратимые пье- . 1ст2 тж тс11 зопреобраэователи 2а и За и приемные пьезопреобразователи 26 и Зб установлен- 10 Измеренное текущее значение базы ные также на мерном участке трубопровода ML L поступает в блок памяти цифрового

4, два блока 6 и 7 обработки сигналов и вычислительного устройства 8. цифровое вычислительное устройство 8. При последовательном возбуждении обратимых пьезопреобразователей 2а и За

П едлагаемый способ реализуют следу- 15 часть акустической энеРгии волны импульсР ющим образом. -його сйгнала проходит контролируемую

На внешней поверхности мерного среду 5 1тротив и по направлению потока участка трубопровода 4 устанавливают (фиг.2). При этом блок 7 обработки сигналов обратимый пьезопреобразователь 1, reo- осуществляет измерение времени хд и тв метрическая ось которого перпендикулярна 20 задержки зондирующих сигналов соответгеометрической оси трубопровода 4. Раз- -" ственно против направления и по йаправледельно-совмещенные пьеэопреобразовате- нию потока, Измеренные времена тд и тБ, . ли 2 и 3 устанавливают так, что обратймые определяемые выражениями пьеэопреобразователи 2а и За образуют из: мерительную базу L, расположенную под 25. — ( углом к вектору скорости потока.

Пьезопреобразователь 1 возбуждают короткими электроакустичеСкйми импульсами с импульсного генератора блока 6 30 обработки сигналов. Эхо-импульсы, отра- где ч — скорость потока, в цйфровом виде женные От границ пеРехода стенка тРУбоп- NA r A и Nb т „поступают на третий ровода 4-- контролируемая среда 5 и: вход цифрового вычйслительного устройстконтролируемая среда 5 — стенка трубопро- . 8 ., вода 4, йРинима от йьезоРРеобРаэователем 35 при этом с учетом текущего значения

1, а затем они пОступают на вход 6 ока 6 базового расстояния в каждом 1-м цикле изобработки сигналов. ИзмеРенные вРемена мерения NA г:„и Ng т судят о династ2и

".О "ьвзо "Реобразовате"" напр"мер 2е угла:вводаультразвукового луча в поток конРаэДельно-совмеЩенного пьеэопреобразо- тролируемой среды при колебаниях темпе45 . Вателл 2 УльтразвУковой импУльсный сиг- ратурь!, давления и-солевого состава, что нал вводЯт в стенкУ трубопРовода 4 под позволяетуменьшить погрешность измереУглом а,, гДе Он частичн6 отражаетсЯ от гРа-: ния ницы перехода ствнка тРУбопровода 4 — Экспериментальйоустановлено, наприконтРОлиРУемаЯ сРеда 5и пРинймаетсЯ и Ри- мер, что при диаметре трубопровода, равном

50 емным: пьезопреобразователем 26 того же 100 мм; и установленном угле ввода ультраРаэдельно-совмещенного пьезопРеобРаэо- звукового луча в поток, равном 60, базе 1 вателЯ 2 (фиг.1) и постУпает на пеРвый вход . между пьезопреобразователями, равной блока 7 обработки сигналов. Измеренное 200 мм, изменение yrna ввода ультразвуко-. . Время тст1 в блоке 7 обработки сигналов, 5 вого луча на 2О дает йэменение базы на определяемое выражением (1), в циФРОВом 13 мм, а изменение угла ввода на 3 уже виде йст1 тст1 поступает на ВТОРОЙ Вход Дает изменение базы 20,2 мм. Соответстцифрового вычислительного Устройства 8, . венно изменяется угол g наклойа базы L которое работает по алгоритму (фиг,2).

1749711 тельного значения угла ввода колебаний в поток, осуществляют прием колебаний, отраженных от границы стенка трубопровода — контролируемая среда, принимают отраженные эхо-импульсы от границ перехода стенка трубопровода — контролируемая среда и контролируемая среда — стенка трубопровода при перпендикулярном излучении и определяют откорректированное значение

0 угла ввода колебаний в поток по выражению ж ст2

I ! ст2 Хж Хст!

ЛЭ

Таким образом, по сравнению с известными техническими решениями в предложенном способе исключается погрешность измерения, обусловленная изменением угла ввода ультразвукового луча в поток, чем 5 увеличивается точность измерения.

Использование способа измерения расхода особенно полезно при контроле за ходом технологических процессов и управлении динамической скоростью пото- 1 ков, Формула изобретения

Ультразвуковой способ измерения расхода, заключающийся в наклонном и пер- 15 пендикулярном по отношению к потоку излучении ультразвуковых колебаний в контролируемую среду, приеме колебаний, определении величины расхода по параметрам принятых сигналов, о т л и ч а ю щ и и - 20 с я тем, что, с целью уменьшения погрешности измерения путем определения действигде t®, (ст — внутренний диаметр и толщина стенки трубопровода соответственно:

Хст) Хст2 Хж — ВРЕМЯ ПРОХОЖДЕНИЯ КОлебаний соответственно толщины стенки под.углом к оси трубопровода, перпендикулярно к потоку и в жидкости по внутреннему диаметру трубопровода.

1749711 г2 сг2

Фиг. 2

Составитель В.Данилов

Техред М.Моргентал Корректор Э.Лончакова

Редактор А.Козориз

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 2587 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35. Раушская наб., 4/Ъ