Измерение потока ультразвуком
Использование: для определения скорости потока и/или расхода текучей среды. Сущность изобретения заключается в том, что устройство имеет по меньшей мере первый ультразвуковой преобразователь и второй ультразвуковой преобразователь, позволяющие определить скорость потока по времени прохождения ультразвукового сигнала, при этом устройство дополнительно включает шумоизмерительный ультразвуковой преобразователь, выполненный с возможностью измерения шума, создаваемого текучей средой при обтекании ультразвукового преобразователя, и в том, что устройство управления и обработки выполнено с возможностью определения скорости потока на основе измерений шума. Технический результат: обеспечение возможности улучшения определения скорости потока текучей среды с помощью ультразвуковых преобразователей при очень высоких скоростях потока, а также для обеспечения возможности измерения максимальных скоростей потока. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 8 ил.
Изобретение относится к измерительному устройству и способу определения скорости потока и/или расхода текучей среды, текущей в линии, согласно ограничительной части пунктов 1 и 11 формулы изобретения.
Для измерения скоростей текучей среды в трубах и каналах может применяться ультразвуковой способ измерения на основе разности времени прохождения. В этом случае ультразвуковые импульсы излучаются и принимаются парой ультразвуковых преобразователей, расположенных на стенке линии напротив друг друга, и скорость потока определяется по разности времени прохождения измерительного пути по потоку и против потока. Данный известный принцип измерения показан на фиг. 4. Важной частью стандартного измерительного устройства 110 являются два ультразвуковых преобразователя 118, 120, расположенные под углом в стенке трубы 112, в которой текучая среда 114 течет в направлении стрелки 116. Ультразвуковые преобразователи 118, 120 попеременно работают в качестве передатчика и приемника. Ультразвуковые сигналы, переносимые газом, ускоряются в направлении потока и замедляются против направления потока. Результирующая разность времени прохождения вычисляется с учетом геометрических размеров для получения средней скорости текучей среды. С учетом площади поперечного сечения из нее вычисляется рабочий объемный расход. Геометрические отношения описываются следующими переменными:
v: скорость потока текучей среды в линии
L: длина измерительного пути между обоими ультразвуковыми преобразователями
α: угол, под которым ультразвуковые преобразователи излучают и принимают
Q: объемный расход
D: диаметр линии
tv: время прохождения ультразвука по потоку
tr: время прохождения ультразвука против потока
Это приводит к следующим соотношениям для требуемых величин v и Q:
Особенно сложным является измерение потока газов, движущихся в линиях с очень высокой скоростью. Под высокими скоростями здесь понимаются потоки с числом Маха более 0,2. Примером являются факельные линии, ведущие к факельным башням на нефтехимических установках, из которых с высокой скоростью выводятся остаточные газы производственного процесса или, в случае неисправности, большие количества газа, как, например, описано в статье "How much do you flare?" автора Daryl Belock, PROCESS - worldwide 3-2006 от 1 марта 2006 г. (2006-03-01), стр. 18-19, ХР055213253. Для таких высоких скоростей потока газа, составляющих 100 м/с и более, также используется ультразвуковое измерение ввиду отсутствия подходящих альтернатив. Однако это вызывает трудности, поскольку завихрениями на ультразвуковом преобразователе создается значительная шумовая нагрузка ("шум") преобразователя. Кроме того, когда пакет сигналов отправляется через завихрение к противоположному датчику, возникают сильные искажения сигнала, и, таким образом, отношение сигнал/шум ухудшается. Также проблемой является дополнительный дрейф излучаемого сигнала с потоком газа.
Данные проблемы приводят к ограничению максимальной измеряемой скорости. Данное значение обусловлено физическими соотношениями, по существу зависящими от газовой среды, удельного затухания, зависящего от частоты сигнала, расстояния между датчиками, то есть от номинального внутреннего диаметра трубы, от характеристик излучения ультразвуковых преобразователей и их рабочей частоты.
Один из подходов, используемых в предшествующем уровне техники для улучшения результатов измерений ультразвуком, заключается в том, чтобы установить оба ультразвуковых преобразователя против потока с дополнительным углом поправки, составляющим несколько градусов, так, что на идеальных прямых измерительных путях излучаемый ультразвук не сможет попасть в соответствующую противолежащую точку и за счет дрейфа направляется с соответствующим потоком к противоположному приемнику ультразвука. Это должно компенсировать эффекты высокой скорости газа. Кроме того, для компенсации эффектов потока, например, шумовых помех ("шума"), проводятся сложные обработки сигналов. Эти меры сложны, и их недостаточно для удовлетворительной точности измерений. Также, при очень высоких скоростях потока газа эти меры перестают действовать.
В частности, как известно, что в случае труб с большим номинальным диаметром ультразвуковые преобразователи полностью вводятся в газ для уменьшения измерительного пути. Для этой цели в уровне техники (US 4,754,650) предлагается вводить оба ультразвуковых преобразователя в поток вместе с держателем. Ультразвуковые преобразователи устанавливаются на общем держателе, вставленном в линию под наклоном наподобие пики, так что во внутреннем пространстве линии расположен по меньшей мере один ультразвуковой преобразователь. Согласно описанию US 4,754,650 такое расположение обеспечивает очень точное измерение низких скоростей потока, однако совершенно непригодно для высоких скоростей потока и линий с большими номинальными диаметрами из-за крайне сильных возмущений потока держателем. На ультразвуковых преобразователях и держателе создаются сильные турбулентные завихрения, вызывающие волны давления и, таким образом, сильные шумовые помехи на ультразвуковом преобразователе.
Наконец, из ЕР 2103912 В1 известен ультразвуковой расходомер, разработанный в частности для высоких скоростей потока. В данном документе ультразвуковые преобразователи и окружающий их держатель имеют специальный оптимизированный для потока контур, который подавляет завихрение и, таким образом, снижает шумовые помехи даже при высоких скоростях потока. При очень высоких скоростях потока данные меры также перестают действовать.
Из DE-A 2809254 известно определение скорости потока путем генерации завихрений по соотношению
где f - частота излучения вихрей, S - число Струхаля, v - скорость потока, и d - характерный поперечный размер препятствия, на котором создаются вихри. Число Струхаля составляет, как правило, 0,21. В данном документе для измерения частоты предлагаются ультразвуковые датчики в дополнение к тепловым, пьезоэлектрическим, емкостным и индуктивным датчикам.
С учетом вышеуказанного уровня техники, задачей изобретения является создание измерительного устройства и способа, позволяющих определять скорость потока текучей среды с помощью ультразвуковых преобразователей в широком диапазоне скоростей потока и измерять максимальные скорости потока.
Данная задача решена с помощью измерительного устройства по п. 1 и способа измерения по п. 12 формулы изобретения.
Решение согласно изобретению основано на осознании невозможности избавиться от возмущений потока, например, завихрений при высоких скоростях потока и связанной с этим генерацией паразитного шума. Однако вместо подавления этих возмущений, насколько это возможно, в изобретении применен другой подход, а именно использование генерации шума.
С этой целью измерительное устройство для определения скорости потока и/или расхода текучей среды, текущей в линии, имеет по меньшей мере первый ультразвуковой преобразователь и второй ультразвуковой преобразователь, используемые традиционным известным способом для определения скорости потока. Для этого данные преобразователи расположены относительно друг друга в линии так, что при работе ультразвук, излучаемый и принимаемый на измерительном пути от первого ультразвукового преобразователя ко второму ультразвуковому преобразователю, имеет зависящую от скорости потока разность времени прохождения по отношению к ультразвуку, посылаемому вторым ультразвуковым преобразователем в обратном направлении и принимаемому первым ультразвуковым преобразователем на измерительном пути. Дополнительно используется устройство управления и обработки для управления ультразвуковыми преобразователями и обработки сигналов ультразвуковых преобразователей, которое обрабатывает сигналы ультразвуковых преобразователей известным способом (см. уравнения (1), (2) выше) и определяет из них скорость потока. Согласно изобретению используется шумоизмерительный ультразвуковой преобразователь, который измеряет шум, создаваемый текучей средой при обтекании ультразвукового преобразователя. Устройство управления и обработки выполнено с возможностью определения скорости потока по измерениям шума.
В первом варианте осуществления шумоизмерительный ультразвуковой преобразователь может быть образован самим первым или вторым ультразвуковым преобразователем. В этом варианте осуществления ультразвуковой преобразователь с данной двойной функцией может работать, например, при временном мультиплексировании, как для измерения времени прохождения, так и для измерения шума.
Предпочтительно шумоизмерительный ультразвуковой преобразователь отличается от первого и второго ультразвуковых преобразователей, поскольку в этом случае первый и второй ультразвуковые преобразователи могут быть оптимизированы для измерения времени прохождения, а именно так, что на этих двух ультразвуковых преобразователях возникает как можно меньше шумовых помех. При этом шумоизмерительный ультразвуковой преобразователь может быть оптимизирован для измерения шума. Оба способа измерения конкурируют друг с другом. Для измерения времени прохождения требуется наименьшая генерация шума, тогда как для измерения шума как раз требуется шум. Благодаря третьему ультразвуковому преобразователю легче удовлетворить эти конкурирующие требования.
Изобретение обладает тем преимуществом, что, с одной стороны, при не слишком высоких скоростях потока возможно известное очень точное определение скорости на основе разности времени прохождения, а если способ перестает работать из-за увеличения скорости потока, скорость потока все равно можно определять посредством шумоизмерительного ультразвукового преобразователя. Диапазон измерения значительно расширяется до высоких скоростей потока. При этом используется сам по себе паразитный эффект шума, неизбежного при высоких скоростях, например, вызванного завихрениями. Таким образом, использование ультразвука позволяет осуществлять ранее невозможные измерения в очень большом диапазоне скоростей потока.
При этом сохранены общие преимущества ультразвуковых измерений по отношению к другим способам, а именно независимость от давления, температуры и состава газа, а также высокая точность, отсутствие необходимости технического обслуживания, низкое влияние загрязнений, возможность самодиагностики и предотвращение падения давления вследствие измерения.
Таким образом, особое преимущество заключается в сочетании двух способов измерения при использовании одних и тех же датчиков. При этом компенсируются соответствующие недостатки данных способов. При скоростях потока, с которыми в обоих способах могут быть получены сигналы измерения, измеренное значение, полученное из измерения шума, может быть автоматически отрегулировано по измеренному значению на основе разности времени прохождения. Как только скорость потока достигает и превышает критический уровень, используется только значение, измеренное шумоизмерительным ультразвуковым преобразователем.
В одном варианте осуществления шумоизмерительный ультразвуковой преобразователь детектирует энергию шума, то есть интенсивность шума (уровень громкости), и блок управления и обработки определяет по ней скорость (v) потока.
Предпочтительно каждый из первого и второго ультразвуковых преобразователей размещен в соответствующем корпусе. Этот корпус может быть больше самих ультразвуковых преобразователей и их мембраны. Таким образом, обеспечиваются степени свободы перемещения и наклона ультразвуковых преобразователей по отношению к их корпусу, что требуется для обеспечения оптимальных измерительных путей без изменения контура потока, заданного корпусом.
Особенно предпочтительно вертикальное вставление корпуса первого и второго ультразвуковых преобразователей в линию, при этом излучающая поверхность соответствующего ультразвукового преобразователя наклонена под углом, так что первый и второй измерительные пути проходят под наклоном относительно плоскости поперечного сечения линии. Таким образом, измерительные пути проходят под наклоном как по направлению потока, так и перпендикулярно нему. Вертикальное вставление облегчает установку и выравнивание, поскольку наклонная и стабильная сварка соединительных элементов на месте для их точного выравнивания требует повышенных технических затрат, а также она сложна и не исключает вероятность ошибки. Поворот первого и второго ультразвуковых преобразователей относительно корпуса обеспечивает возможность более простой вертикальной установки и в то же время свободного выравнивания ультразвукового преобразователя, которое задано требованиями к измерению. При этом угол поворота может быть выбран так, чтобы ультразвуковые преобразователи были выровнены относительно друг друга, однако также может быть обеспечен дополнительный угол поправки в противоположном направлении потока, так что направление излучения, а именно направление относительно дрейфа, приводит к максимально точным показаниям. Корпуса для первого и второго ультразвуковых преобразователей имеют оптимизированный к потоку внешний контур, чтобы генерировать как можно меньше шума в местоположении первого и второго ультразвуковых преобразователей, так как они работают традиционным образом согласно способу на основе времени прохождения.
В варианте осуществления с третьим ультразвуковым преобразователем в качестве шумоизмерительного ультразвукового преобразователя он может быть расположен в отдельном корпусе. Этот корпус можно использовать для преднамеренной генерации шума в местоположении третьего ультразвукового преобразователя, например, за счет того, что корпус выступает внутрь потока, или посредством перфораций или деформаций корпуса, возмущающих поток и, таким образом, создающих шум, или посредством возмущающего тела, которое выступает внутрь потока и может находиться на расстоянии от корпуса. Однако шум также может быть создан просто при обтекании потоком третьего ультразвукового преобразователя.
Для того, чтобы традиционные измерения с помощью первого и второго ультразвуковых преобразователей незначительно возмущались шумом, то есть возмущениями потока, данные преднамеренные возмущения потока должны по возможности происходить вблизи третьего ультразвукового преобразователя. Поэтому в дополнительном варианте осуществления предусмотрено расположение возмущающего тела непосредственно выше по потоку от третьего ультразвукового преобразователя.
Для обеспечения возможности использования третьего ультразвукового преобразователя независимо от направления потока в одном из вариантов осуществления предусмотрено наличие двух возмущающих тел, одно из которых расположено выше по потоку, а другое ниже по потоку от третьего ультразвукового преобразователя.
В дополнительном варианте осуществления шумоизмерительный ультразвуковой преобразователь детектирует частоту f отделения, при которой отделяются вихри. В этом случае устройство управления и обработки выполнено с возможностью определения скорости (v) потока по измеренной частоте (f) отделения.
Преимущество заключается в том, что в блоке управления и обработки скорость v потока может быть очень просто получена из частоты f отделения по известному линейному соотношению:
Здесь S - число Струхаля, d - поперечный размер объекта, вызывающего завихрение, например, шумоизмерительный ультразвуковой преобразователь или его корпус.
Для оптимального приема колебаний давления, вызванных завихрениями, шумоизмерительный ультразвуковой преобразователь расположен так, что вихри отделяются в области мембраны шумоизмерительного ультразвукового преобразователя.
В дополнительном варианте осуществления с третьим ультразвуковым преобразователем для наименьшего возмущения традиционного измерения времени прохождения с помощью первого и второго ультразвуковых преобразователей предусмотрено расположение третьего ультразвукового преобразователя ниже по потоку от первого и второго ультразвуковых преобразователей. В этом случае отделяющиеся вихри не могут непосредственно мешать измерению на измерительном пути.
Линия предпочтительно представляет собой трубу с цилиндрическим или прямоугольным поперечным сечением, предназначенную для высоких скоростей потока, составляющих по меньшей мере 100 м/с или даже по меньшей мере 150 м/с, в частности, линия представляет собой факельную линию. Использование завихрений согласно изобретению открывает новые возможности применения ультразвукового измерения с максимальными скоростями потока. Разумеется, изобретение включает в себя трубы с другим поперечным сечением при условии, что в них могут быть достигнуты высокие скорости потока.
Изобретение также относится к способу определения скорости потока текучей среды, текущей в линии, который может быть осуществлен с измерительным устройством согласно изобретению. При этом скорость потока определяют традиционным образом, а именно по разности времени прохождения ультразвука, проходящего по измерительному пути от первого ко второму ультразвуковому преобразователю и проходящего в обратном направлении от второго к первому ультразвуковому преобразователю. Кроме того, согласно изобретению с помощью первого, второго или третьего ультразвукового преобразователя измеряют энергию (интенсивность) шума, возникающую при обтекании текучей средой данного ультразвукового преобразователя. Скорость потока определяют в блоке управления и обработки по сигналам измерения на основе измерений энергии шума. Результаты испытаний показывают, что при сравнении скоростей потока, определенных согласно изобретению по значениям энергии шума, с контрольными значениями, измеренными другим способом, получается неожиданное и достаточно хорошее совпадение. Таким образом, посредством ультразвуковых преобразователей стали возможными измерения скорости потока, которые не могли быть достигнуты при использовании известного способа на основе времени прохождения.
Для получения хорошего контрольного значения, т.е. чтобы получить возможность устанавливать соответствие между измеренным значением энергии шума и скоростью потока, на стадии обучения или при увеличении потока текучей среды предпочтительно сначала определять скорости потока традиционным образом в соответствии со способом на основе разности времени прохождения посредством первого и второго ультразвуковых преобразователей, при этом с помощью шумоизмерительного ультразвукового преобразователя измеряют соответствующую энергию шума. Затем отдельные значения скорости потока сохраняют с соответствующими связанными с ними измеренными значениями энергии шума и аппроксимируют зависимость пар значений в блоке обработки с помощью математической функции. При увеличении скорости потока, если измерение скорости потока с помощью первых двух ультразвуковых преобразователей прекращается, посредством экстраполяции определяют скорость потока с помощью аппроксимированной функции на основе измеренных значений энергии шума шумоизмерительного ультразвукового преобразователя. Результаты испытаний показали, что экстраполяция и контрольные значения, измеренные другим способом, достаточно хорошо совпадают.
Если сохраненные значения энергии шума обновляют, обновляя тем самым аппроксимацию, всякий раз, когда возможно измерение скорости потока согласно способу на основе разности времени прохождения, происходит постоянная подгонка к контрольным значениям, благодаря чему значения энергии шума постоянно выдают наилучшие возможные результаты.
Математическая функция в виде
где LW - значение шума, v обозначает скорость потока, а с0, c1 и с2 - коэффициенты, определяемые путем помощью аппроксимации, удовлетворительно воспроизводит зависимость между шумом и скоростью потока и обеспечивает удовлетворительные значения потока. При этом также возможно, что формула может иметь другой подходящий вид. Решающим фактором является то, что она обеспечивает экстраполяцию за пределами диапазона, измеряемого с использованием традиционного способа на основе времени прохождения, и то, что она постоянна.
Если поперечное сечение линии известно, по скорости потока можно определить расход текучей среды, текущей в линии.
Другие признаки и преимущества изобретения раскрыты более подробно ниже на примерах вариантов осуществления изобретения, описанных со ссылками на прилагаемые чертежи, где:
фиг. 1 - вид в продольном разрезе линии с первым примером измерительного устройства согласно изобретению;
фиг. 2 - схематическая блок-схема измерительного устройства согласно фиг. 1;
фиг. 3а-d - варианты осуществления шумоизмерительного ультразвукового преобразователя;
фиг. 4 - вид в продольном разрезе линии с измерительным устройством, известным из уровня техники, для пояснения известного способа ультразвукового измерения по разности времени прохождения.
На фиг. 1 показан вид в продольном разрезе первого варианта осуществления измерительного устройства 10 согласно изобретению, установленного на трубе 12, в которой текучая среда 14 течет в направлении, указанном стрелкой 16. Труба 12 является цилиндрической, однако может иметь и другое поперечное сечение. Первый ультразвуковой преобразователь 18 и второй ультразвуковой преобразователь 20 выровнены относительно друг друга, так что ультразвук, излучаемый из первого ультразвукового преобразователя 18, может быть принят вторым ультразвуковым преобразователем 20 на измерительном пути 22, и наоборот.
Кроме того, предпочтительно ниже по потоку от первого и второго ультразвуковых преобразователей 18, 20 по существу аналогично расположен третий шумоизмерительный ультразвуковой преобразователь 24, имеющий по существу тот же принцип действия. Однако, третий ультразвуковой преобразователь 24 не излучает ультразвуковые сигналы, а работает исключительно как приемник, то есть только измеряет входящие звуковые сигналы. Эти входящие звуковые сигналы, которые, в общем случае, не могут относиться к конкретному источнику излучения, ниже называются "шумом". Таким образом, если какой-либо шум возбуждает мембрану третьего ультразвукового преобразователя 24 так, что он сможет подать измеримый сигнал, этот сигнал может быть детектирован последующим устройством как шум.
В первом варианте осуществления (фиг. 1) третий ультразвуковой преобразователь 24 детектирует энергию шума в виде значения шума, то есть по существу уровень громкости. Такой шум создается сам по себе потоком текучей среды 14 и/или усиливается возмущениями потока, в частности завихрениями 54. Завихрения 54 могут находиться в местоположении ультразвукового преобразователя 24 или, по меньшей мере, рядом с ним. Для преднамеренной генерации таких завихрений может служить корпус 44 третьего ультразвукового преобразователя 24, выступающий для этого на некоторое расстояние внутрь потока 16, как показано на фиг. 3а-d. Благодаря этому поток 16 возмущается, и на высоких скоростях потока образуется завихрение потока.
На фиг. 3а-d показаны возможные варианты генерации шума. Согласно фиг. 3а корпус 44 имеет перфорации или деформации 52, возмущающие поток и, таким образом, создающие шумы. На фиг. 3а-d простыми дугами схематично показаны вихревые движения, такие как завихрения. Согласно фиг. 3b на корпусе 44 расположено возмущающее тело 56, выступающее внутрь потока 14 и находящееся на расстоянии от корпуса 44 выше по потоку от ультразвукового преобразователя 24. Однако шум также может быть просто создан потоком 16, обтекающим третий ультразвуковой преобразователь 24, если третий ультразвуковой преобразователь 24 выступает из своего корпуса 44 внутрь потока 14, как показано на фиг. 3с.
Для обеспечения возможности использования третьего ультразвукового преобразователя 24 независимо от направления потока 16, то есть для обеспечения возможности оптимального использования также в случае, когда поток направлен против направления 16, в варианте осуществления с фиг. 3d на корпусе 44 рядом с возмущающим телом 56 предусмотрено дополнительное возмущающее тело 58, диаметрально противоположное первому возмущающему телу относительно ультразвукового преобразователя 24. Таким образом, независимо от направления 16 потока, одно возмущающее тело расположено выше по потоку, а другое ниже по потоку от третьего ультразвукового преобразователя 24.
Во втором варианте осуществления детектируется частота f отделения. Это поясняется ниже со ссылкой на фиг. 3е. Третий ультразвуковой преобразователь 24 расположен в корпусе 44, расположенном на держателе, так что ультразвуковой преобразователь 24 выступает внутрь потока 14 или даже полностью размещен в потоке. Таким образом, ультразвуковой преобразователь 24 в своем корпусе 44 возмущает поток 14, так что при соответствующей высокой скорости v потока ниже по потоку от третьего ультразвукового преобразователя 24 или корпуса 44 образуются завихрения, при этом образуется дорожка Кармана, как показано на фиг. 3. Завихрения 60 вызывают изменение давления вблизи мембраны 62 ультразвукового преобразователя 24. Для этого мембрана 62 расположена в направлении завихрений 60, то есть на противоположном потоку конце корпуса 44. Изменения давления воспринимаются мембраной ультразвукового преобразователя 24 и возбуждают ультразвуковой преобразователь 24 на его рабочей частоте. Таким образом, создается несущий сигнал, модулированный частотой f, соответствующей частоте отделения завихрений 60, и передаваемый по линии 56 в блок 32 управления и обработки для дальнейшей обработки.
На фиг. 2 показана схематическая блок-схема измерительного устройства 10, причем здесь, как и ниже, те же ссылочные обозначения относятся к тем же признакам. Устройство 32 управления и обработки, например микропроцессор или другая логическая схема, такая как программируемая пользователем вентильная матрица (FPGA), процессор цифровой обработки сигналов (DSP), специализированная интегральная схема (ASIC), управляет излучением ультразвуковых сигналов первым и вторым ультразвуковыми преобразователями 18 и 20, например, в виде последовательности импульсов с ультразвуковой частотой 80 кГц и более, и оценивает времена прохождения сигналов, принимаемых на противоположных ультразвуковых преобразователях 20 и 18. Таким образом устройство 32 управления и обработки может вычислять скорость v потока и объемный поток Q по уравнениям (1) и (2), как описано выше в описании к фиг. 4.
Устройство 32 управления и обработки также детектирует сигналы третьего ультразвукового преобразователя 22, то есть сигналы, которые в первом варианте осуществления представляют собой интенсивность шума, а во втором варианте осуществления - частоту отделения. По этим значениям шума блок 32 управления и обработки определяет скорость потока.
Результаты измерений, то есть скорость звука или время прохождения ультразвуковых сигналов, объемные потоки Q, значения шума и скорости потока могут быть дополнительно обработаны, например, сохранены в запоминающем устройстве 34, отображены на дисплее 36 или выведены посредством интерфейса 38, проводного или беспроводного, например, последовательного, через Ethernet, WLAN, Bluetooth, мобильную связь или другой стандартный интерфейс, или дополнительно обработаны в самом устройстве 32 управления и обработки. И наоборот, может быть подключен компьютер, ноутбук, КПК или т.п. для конфигурирования устройства 32 управления и обработки, программирования, установки программного обеспечения или т.п.
Основной принцип осуществления способа измерения согласно изобретению с помощью измерительного устройства 10 заключается в следующем.
Посредством первого и второго ультразвуковых преобразователей 18 и 20 традиционным образом определяют скорость v потока как описано выше, а именно по разности времени прохождения ультразвука по прямой и обратной траектории на измерительном пути 22 между первым ультразвуковым преобразователем 18 и вторым ультразвуковым преобразователем 20.
Дополнительно с помощью третьего ультразвукового преобразователя 24 измеряют шум, который создается в третьем ультразвуковом преобразователе 24 при обтекании текучей средой 14 за счет нормального обтекания текучей среды или за счет завихрений 54, 60 и связанных с ними колебаний давления. Этот шум детектируют и передают в виде звукового сигнала в блок 32 управления и обработки, определяющий по нему скорость v потока.
Во втором варианте осуществления определение скорости потока является довольно простым. Блок 32 управления и обработки вычисляет частоту f отделения из указанных сигналов. Согласно приведенной выше формуле
определяют скорость потока v по частоте f отделения. Здесь S - число Струхаля (-0,21) и d - поперечный размер объекта, вызывающего завихрение 60. В данном варианте осуществления это корпус 44, в котором расположен третий ультразвуковой преобразователь 24. Следовательно, размер d соответствует диаметру d корпуса 44 (фиг. 3).
Чтобы скорость v потока можно было определить как можно более точно по значениям энергии шума согласно первому варианту осуществления, предпочтительно знать функциональную зависимость между измеренными значениями энергии шума и соответствующими значениями скорости потока. Эти сведения предпочтительно получают на стадии обучения или при увеличении потока текучей среды. При увеличении потока текучей среды или на стадии обучения скорость потока все еще находится в диапазоне, в котором работает традиционное измерение скорости по разности времени прохождения посредством первого и второго ультразвуковых преобразователей 18, 20. Во время выполнения этого традиционного измерения скорости потока, с помощью третьего ультразвукового преобразователя 24 одновременно измеряют энергию шума, соответствующую в каждом случае определенной скорости потока. Отдельные значения скорости потока затем сохраняют в запоминающем устройстве 34 с соответствующими связанными с ними измеренными значениями энергии шума. В блоке 32 обработки и управления аппроксимируют зависимость пар значений с помощью математической функции. В качестве функции, например, может быть использована следующая функция:
где LW - значение шума, v обозначает скорость потока, а с0, c1 и с2 - коэффициенты, определяемые путем аппроксимации измеренных значений.
Эта функциональная зависимость может быть использована после стадии обучения для получения скорости v потока по значениям энергии шума.
Если скорость потока увеличивается настолько, что перестает действовать измерение скорости потока традиционным способом с помощью первых двух ультразвуковых преобразователей 18, 20, скорость потока определяют по измеренным значениям LW шума третьего ультразвукового преобразователя путем экстраполяции с помощью аппроксимированной функции. Для этого функцию экстраполируют до диапазонов высоких скоростей потока, при этом из экстраполированной функции получают скорости потока, соответствующие измеренным значениям шума. Тестовое сравнение с контрольными значениями, измеренными другим способом, показало хорошее совпадение.
Указанная функция (4) не является единственно возможной. Может быть также найдена другая подходящая функциональная зависимость. Решающим критериям является то, что эта функция обеспечивает возможность экстраполяции за пределы диапазона скоростей, измеряемого с использованием обычного способа на основе времени прохождения, и то, что она дополнительно является непрерывной в этом диапазоне.
Всякий раз, когда возможно измерение скорости v потока с помощью двух первых ультразвуковых преобразователей 18 и 20, может выть выполнено обновление аппроксимации, то есть обновление коэффициентов с0, c1 и с2. Это может быть выполнено во время работы. В результате осуществляется постоянная подгонка, благодаря чему значения энергии шума LW всегда обеспечивают наилучшие результаты для скорости v потока.
Кроме того, оба ультразвуковых преобразователя 18 и 20 предпочтительно расположены в корпусе 40 и 42, предпочтительно закрепленном путем вертикального фланцевого монтажа в соответствующем соединительном элементе 46, 48, ориентированном перпендикулярно к линии. В области мембран ультразвуковых преобразователей 18, 20 для излучения или приема ультразвука корпуса 40, 42 проницаемы для ультразвука или имеют отверстие, или мембраны интегрированы в корпус 40, 42 в местоположении излучения и приема. Ультразвуковые преобразователи 18, 20 наклонены относительно их корпуса 40, 42 под углом, например, 15°, так что измерительный путь 22 проходит в одном направлении по потоку 16 и в другом направлении против потока 16. В отличие от угла с фиг. 1, этот угол может быть преднамеренно установлен против направления потока 16, так что только ультразвук, снесенный потоком 16, направляется на соответствующий противоположный ультразвуковой преобразователь 18, 20.
Оба корпуса 40 и 42 предпочтительно имеют оптимизированный к потоку внешний контур, обтекаемый потоком, для подавления образования завихрений в потоке на корпусах 40 и 42 и, таким образом, для обеспечения традиционного измерения времени прохождения для скорости v потока вплоть до диапазонов максимально высоких скоростей (см. также ЕР 2103912 В1). Это предпочтительно, поскольку, чем более высокие скорости потока могут быть измерены по стандартному времени прохождения, тем лучшая аппроксимация может быть получена.
Кроме того, дополнительно к ультразвуковым преобразователям 18, 20 можно использовать дополнительные пары ультразвуковых преобразователей для получения дополнительных измерительных путей и для улучшения традиционного измерения времени прохождения, чтобы измерять пространственно различные части скорости потока наподобие классической многолучевой системы. При этом каждый измерительный путь дает информацию о скорости потока в его локальной области. Если поток возмущен, это не обязательно должно соответствовать средней скорости потока, а также может приводить к неточному определению объемного расхода. Дополнительные измерительные пути на поперечном сечении линии 12 расширяют информационную базу о профиле потока и обеспечивают, таким образом, более точное измерение.
Следует еще раз отметить упомянутый выше вариант осуществления, который не был показан на чертежах. В этом варианте осуществления шумоизмерительный ультразвуковой преобразователь образован первым или вторым ультразвуковым преобразователем. Если скорость потока низкая, шум отсутствует или создается очень мало шума. В этом случае обеспечены идеальные условия для способа на основе разности времени прохождения. Однако при возрастании скорости потока шум неизбежно будет увеличиваться на самих ультразвуковых преобразователях, которые в некотором роде "соприкасаются" с потоком или могут быть введены непосредственно в поток, как, например, в конструкции в виде пики согласно US 4,754,650. В этом случае на стадии перехода по-прежнему возможны измерения скорости с использованием способа на основе времени прохождения с помощью обоих ультразвуковых преобразователей, однако шум увеличивается, и измерения с использованием шума также возможны. Эти различные измерения могут быть выполнены с временным мультиплексированием, так что значения потока получаются из обоих способов измерения. При дальнейшем увеличении скорости потока способ на основе времени прохождения в конечном итоге перестанет работать, и только измерения шума смогут обеспечивать значения потока. Таким образом, для каждой скорости потока задача измерения выполняется даже в системе, состоящей только из двух противоположных ультразвуковых преобразователей. Как описано выше в других вариантах осуществления, измерения шума включают в себя детекцию и оценку либо энергии шума, либо частоты отделения
1. Измерительное устройство (10) для определения скорости (v) потока и/или расхода (Q) текучей среды (14), текущей в линии (12), имеющее по меньшей мере первый ультразвуковой преобразователь (18) и второй ультразвуковой преобразователь (20), расположенные в линии (12) относительно друг друга так, что при работе ультразвук, излучаемый и принимаемый на измерительном пути (22) от первого ультразвукового преобразователя (18) ко второму ультразвуковому преобразователю (20), имеет зависящую от скорости (v) потока разность времени прохождения по отношению к ультразвуку, посылаемому вторым ультразвуковым преобразователем (20) в обратном направлении и принимаемому первым ультразвуковым преобразователем (18) на измерительном пути (22), и имеющее устройство (32) управления и обработки для управления ультразвуковыми преобразователями (18, 20) и обработки сигналов ультразвуковых преобразователей (18, 20),
отличающееся тем, что имеется шумоизмерительный ультразвуковой преобразователь (18, 20; 24), выполненный с возможностью измерения шума (LW), создаваемого текучей средой (14) при обтекании ультразвукового преобразователя (18, 20; 24), и тем, что устройство (32) управления и обработки выполнено с возможностью определения скорости (v) потока на основе измерений шума (LW).
2. Измерительное устройство по п. 1, в котором первым (18) и/или вторым ультразвуковым преобразователем (20) образован шумоизмерительный ультразвуковой преобразователь (24).
3. Измерительное устройство по п. 1, в котором шумоизмерительный ультразвуковой преобразователь (24) отличается от первого ультразвукового преобразователя (18) и второго ультразвукового преобразователя (20).
4. Измерительное устройство (10) по любому из пп. 1-3, в котором шум (LW) создается завихрениям (60) на самом шумоизмерительном ультразвуковом преобразователе (18, 20; 24) или завихрениями (60) на корпусе (44) шумоизмерительного ультразвукового преобразователя (18, 20; 24).
5. Измерительное устройство (10) по любому из пп. 1-4, в котором шумоизмерительный ультразвуковой преобразователь (24) выполнен с возможностью детекции энергии шума, то есть интенсивности шума, при этом блок (32) управления и обработки выполнен с возможностью определения по ней скорости (v) потока.
6. Измерительное устройство (10) по любому из пп. 1-5, в котором шум создается завихрениями (54) на возмущающем теле (56), выступающем внутрь потока (16), или перфорациями или деформациями (52) корпуса (44), возмущающими поток (16), при этом возмущающее тело (56)расположено непосредственно выше по потоку от третьего ультразвукового преобразователя (24).
7. Измерительное устройство (10) по любому из пп. 1-6, в котором имеются два возмущающих тела, одно из которых расположено выше по потоку, а другое ниже по потоку от шумоизмерительного ультразвукового преобразователя.
8. Измерительное устройство (10) по любому из пп. 1-7, в котором шумоизмерительный ультразвуковой преобразователь (24) выполнен с возможностью детекции частоты (f) отделения, при которой отделяется вихрь (50), при этом устройство (32) управления и обработки выполнено с возможностью определения скорости (v) потока по измеренной частоте (f) отделения.
9. Измерительное устройство по п. 6, в котором шумоизмерительный ультразвуковой преобразователь (24) расположен так, что вихри (60) отделяются в области мембраны (62) шумоизмерительного ультразвукового преобразователя (24).
10. Измерительное устройство (10) по п. 6 или 7, в котором блок (32) управления и обработки выполнен с возможностью определения скорости (v) потока с применением числа (S) Струхаля, при этом определение производится по формуле v=(f*d)/S, где d - поперечный размер третьего ультразвукового преобразователя (24) или его корпуса (44).
11. Измерительное устройство (10) по любому из пп. 1-10, в котором линия (12) представляет собой трубу с цилиндрическим или прямоугольным поперечным сечением, предназначенную для высоких скоростей потока, составляющих по меньшей мере 100 м/с или даже по меньшей мере 150 м/с, и, в частности, линия (12) представляет собой факельную линию.
12. Способ определения скорости (v) потока текучей среды (14), текущей в линии (12), в которой оценивают зависящую от скорости (v) потока разность времени прохождения ультразвука между первым ультразвуковым преобразователем (18) и вторым ультразвуковым преобразователем (20), а именно ультразвука, проходящего по измерительному пути (22) от первого (18) ко второму ультразвуковому преобразователю (20) и проходящего в обратном направлении от второго (20) к первому ультразвуковому преобразователю (18),
отличающийся тем, что с помощью первого (18), второго (20) или третьего ультразвукового преобразователя (24) измеряют шум (LW), создаваемый текучей средой (14) при обтекании ультразвукового преобразователя (18, 20; 24), и определяют скорость (v) потока на основе измерений шума.
13. Способ по п. 12, в котором на этапе обучения или при увеличении расхода (Q) текучей среды сначала определяют скорости (v) потока по времени прохождения ультразвуковых сигналов посредством первого и второго ультразвуковых преобразователей (18, 20), при этом в то же время измеряют интенсивность шума (LW) с помощью шумоизмерительного ультразвукового преобразователя (24), сохраняют отдельные значения скорости (v) потока с соответствующими связанными с ними измеренными значениями шума (LW), аппроксимируют зависимость пар значений в блоке (32) обработки с помощью математической функции (3) и при увеличивающейся скорости (v) потока, если измерение скорости потока по времени прохождения прекращается, определяют скорость (v) потока с помощью аппроксимированной функции (3) на основе измеренных значений шума (LW) шумоизмерительного ультразвукового преобразователя (24).
14. Способ по п. 12, в котором обновляют сохраненные значения шума (LW), обновляя тем самым аппроксимацию, всякий раз, когда возможно измерение скорости (v) потока по времени прохождения.
15. Способ по любому из пп. 12-13, в котором математическая функция имеет вид LW=с0+c1*log(v)+с2*[log(v)]2, где LW - значение шума, v - скорость потока, а с0, c1 и с2 - коэффициенты, определяемые путем аппроксимации.
