Способ измерения массового расхода среды

(19) 01 СООЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК За, С 01 Г 17 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(71) Специальное;конструкторское бро Института математики и механикиАН Азербайджанской ССР(56) 1. Лазовский Л., Смотрицкий ШАвтоматизация измерения продукциинефтяных скважин. М., "Недра", 197с. 149-153.2, Катыс Г.П. Системы автоматического контроля полей скоростей ирасходов. М., "Наука", 1965,с. 212-214.3. Патент .США Р 3329091,кл. 73-194, 1967 (прототип).(54)(57) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МАССОВОГО РАСХОДА СРЕДЫ, основанный на зависи мости параметров колебаний поперечно-колеблющейся трубы от величины массового расхода среды, протекающей через нее, включающий возбуждение колебаний трубы с потоком среды и измерение параметров колебаний, о т - л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерения, предварительно определяют частоты собственных коюЪбаний трубы одной четной и одной нечетной собственной формы колебаний, возбуждают вынужденные колебания трубы четной собственной форьы колебаний с частотой, равной частоте собственных колебаний трубы нечетной собственной форьы колебаний, или вынужденные колебания трубы нечетной собственной формы колебаний с частотой, равной частоте собственных колебаний трубы четной собственной Формы колебаний, а о величине массового расхода среды судят по отношению между амплитудами колебаний трубы четной и нечетной собст- Я ,венной форьы колебаний,Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для создания автоматическихвибрационных измерителей массовогорасхода различных сред в нефтяной,нефтехимической и других отрасляхпромышленности,Известен косвенный способ измерения, н соответствии с которым массовый расход определяется как произведение величины объемного расхода 10жидкости на ее плотность 1,К недостаткам этого способа следует отнести трудность .обеспечениятребуемой точности измерения и надежности, поскольку для его реализации требуется измерительная системаиз двух первичных преобразователейи вычислительного устройства.Известен также прямой способ измерения массового расхода жидкости,который использует зависимость затухания величины, обратной механической добротности) поперечных колебаний трубы с одним закрепленным и другим свободным концами от массовогорасхода жидкости, протекающей черезтрубу 2 .Недостаток данного способа заключается в необходимости использования для его реализации трубы, одиниз концов которой свободен и совершает поперечные колебаний. Подвижноемеханическое сочленение поперечноколеблющейся трубы с неподвижнымтрубопроводом препятствует достижению требуемой точности измерения в 35промышл нных условиях.Наиболее близким к предлагаемомуявляется прямой способ измерениямассового расхода основанный навоздействии потока жидкости на форму колебаний поперечно колеблющейсятрубы. Преимуществом устройства является возможность использованиятрубы с неподвижно закрепленнымиконцами. Последовательность действия 45в устройстве следующая: создание потока жидкости в трубе, возбуждениерезонансных поперечных колебанийтрубы на собственной резонанснойчастоте первой собственной формыколебаний и измерение разности моментов сил в местах неподвижного закрепления концов трубы в опорах.Принцип действия прототипа основывается на следующем, При отсутствии потока первая собственная формаколебаний поперечно колеблющейсятрубы симметрична, т.е. скручивающие моменты сил, развиваемые трубойв местах защемления ее концов вопорах, будут одинаковы и разность 60между ними будет равна нулю. Подвоздействием потока жидкости формаколебаний трубы искажается такимобразом, что изгиб трубы у одной изопор уменьшается, а вблизи другой увеличивается. Это уменьшает моментсил в одной из опор и увеличиваетв другой, т.е, разность моментовсил в опорах будет отлична от нуля.Эта разность моментов сил в опорахиспользуется как мера массового расхода жидкости, протекающей по трубе 3.Недостатком известного устройстваявляется низкая точность измерения,обусловленная тем, что возникающий.полезный сигнал в виде разности моментов сил в опорах должен быть измерен на фоне значительно превышающейего величину помехи, которой являются сами моменты сил в опорах,Цель изобретения - повышение точоности измерения.Поставленная цель достигается тем,что увеличивакт амплитуды полезногосигнала путем возбуждения вынужденных поперечных колебаний трубы четной собственной формы колебаний с частотой, равной частоте собственныхпоперечных колебаний трубы нечетнойсобственной формы колебаний, или вынужденных колебаний трубы нечетнойсобственной формы колебаний с частотой, равной частоте собственных поперечных колебаний трубы четной собственной форьы колебаний, при этомо величине массового расхода средысудят по отношению между амплитудами колебаний трубы этих собственных форм колебаний.Сущность способа заключается вусилении эффекта искажения формы поперечно колеблющейся трубы потокомжидкости за счет механического резонанса. В отличие от прототипа, гдетруба всегда совершает резонансныеколебания, в предлагаемом способевызывают вынужденные колебания трубына частоте, равной собственной час-тоте колебаний собственной формы колебаний, соответствующей возникающимиз-за потока жидкости искажениямформы вынужденных колебаний трубы.Поэтому возникающие искажения формыколебаний будут, за счет механического резонанса, усилены в Я раз, .гдемеханическая добротность колеблющейся трубы. Величина выходногосигнала, который может быть как впрототипе, разность моментов сил в,опорах также будет увеличена в Я раз,На чертеже представлен примервозможной реализации предлагаемогоспособа измеренияустройство содержит трубу 1,электромагнит 2 возбуждения колебаний, электромагниты 3 адаптера, генератор 4 электрических колебаний,усилитель 5 с дифференциальным входом б и 7 - форма колебаний трубысоответственно на первой и второйсобственной форме колебаний,аМ аС или и К Ми1 ъсХ.Сравним выражения (2) и (4), Еслив обоих случаях используется одина,ковая конструкция (характернзующаяЧерез трубу 1 с неподвижно закрепленными концами протекает среда, массовый расход которой подлежит изме".рению. Электромагнит 2 возбужденияразмещен вблизи трубы на равном расстоянии от ее концов, т,е. в пучности первой, симметричной, собственнойформе колебаний, электромагниты 3адаптера размещены также вблизитрубы, симметрично относительно еесередины, на расстоянии около четверти длины трубы от ее концов, т.е, в .пучностях второй собственной формыколебаний, Электромагнит 2 возбуждения подключен к генератору 4 синусоидальных колебаний, а электромегниты 15адаптера - к дифференциальному входуусилителя 5. Электромегниты 3 адаптера сфазированы таким образом, чтосигналы, наводимйе в них колебаниямитрубы первой собственной формы колебаний, синфазны, при этом сигналы,2наводимые колебаниями трубы второйсобственной, формы колебаний, будутпротивофазны. Амплитуда сигналов навыходе дифференциального усилителя5 будет пропорциональна амплитудеколебаний второй собственной формыколебаний и не будет зависеть отколебаний трубы первой собственнойформы колебаний,Устройство работает следующим образом,Электромагнит 2, расположенный впучности первойи в узле второй собственной формы колебаний в отсутствиипотока жидкости возбуждает колебания 35первой собственной формы колебаний.Поток жидкости, протекающей по колеблющейся трубе, приводит к искажениюформы колебаний, т.е. симметричнаяотносительно середины трубы первая 40собственная форма колебаний становится несимметричной, причем степень искажения зависит от величинымассового расхода жидкости. Такуюформу колебаний можно интерпретировать как результат сложения симметричной первой собственной формы колебаний и несимметричной, например,второй собственной формы колебанйй.При этом амплитуда колебаний второйсобственной формы колебаний, измеренная на выходе усилителя 5, однозначно определяет степень искаже. ния начально, заданной формы колебаний трубы, т,е. массовый расходсреды, протекающей по трубе. 55Непосредственное использованиеуказанного эффекта, т.е. возбуждение первой собственной Формы колебаний на соответствующей ей собствен,ной частоте колебаний, как это сделано в прототипе, неэффективно, поскольку эффект искажения настолькомал, что сигнал на выходе 5 обычноне превышает уровня шумов измерительной аппаратуры. Предлагаемый способ позволяет существенно усилить этот эффект путем выбора соответствующей частота колебаний, В предлагаемом способе колебания трубы первой собственной формы колебаний возбуждаются на час тоте, равной собственной резонансной частоте колебаний трубы второй. собственной Формы колебаний. При этом появляющиеся из-за воздействия потока колебаний второй собственной формы колебаний будут резонансными, т,е. усиленными в Я раз (обычно100-1000.). Увеличенный сигнал с выхода 5, пропорциональный массо вому расходу. среды, в этом случае может быть измерен обычными средствами.Ф.Преимущества изобретения состоят в прямом измерении массового расхода среды, независимости от вида закрепления концов трубы и повышеннбй, по сравнению с прототипом, точности измерения.В прототипе величина массового расхода (О) преобразуется в разность моментов сил в опорах, где закреплена труба, т.е. К 6 М, . (1) где М - разность моментов сил в опорах;Мо - момент сил в опоре;К - коэффициент, зависящий отконструкциии материала трубы.Дифференцируя выражение (1) и заменяя дифференциалы малыми приращениями, получим где 86 - погрешность измерениямассового расхода в прототипе;д"М - погрешность измеренияразности моментов силв опорах.Если, как в прототипе, в предлагаемом способе измерять разность юментов сил в опорах, то уравнение (1) примет видфМ, = КОМ,Я (3) Аналогично можно вычислить погрешнрсть измерения предлагаемого способа.1008617ся коэФфициентом К) и диапазон изме- обеспечивает увеличение точности рения разности моментов сил в опорах, измерения приблизительно на 2-3 пото предлагаемый способ измерения рядка.Составитель Т,ЗвенигородскаяРедактор Н, Сташишина ТехредЖ.Кастелевич Корректор В. БутягаЗаказ 2327/53 Тираж 641 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5Филиал ППП "Патентф., г. Ужгород, ул. Проектная, 4