Ультразвуковой способ измерения расхода

(56) Авторское свидетельство ССВ 970223, кл, 6 01 Р 1/66, 1987 г,Киясбейли А,Ш Измайлов А.М Гуревич В,М. Частотно-временные ультразвуковые расходомеры и счетчики,М,: Машиностроение, 1984, с,15 и 16.(57) Изобретение может быть использованов измерителях расхода жидких и газообразных сред, Цель изобретения - увеличениеточности измерения за счет определенияистинного значения измерительной базы Изобретение относится к акустиче. ским измерениям и мржет быть использовано для измерения расхода, скоростипотока, скорости ультразвука, температурыи других параметров движущихся сред втрубопроводах при контроле эа ходом.тех-.нологических процессов,. Известен способ измерения расхода,основанный на двухканальном наклонномпод разными углами по отношению к потокуизлучения в направлении потока ультразвуковых колебаний в контролируемую среду,приеме колебаний, определении величинырасхода по параметрам принятых сигналов.Недостатком известного способа является ограниченная точность измерений,обусловленная изменением угла ввода угьтразвукового луча в поток контролируемойсреды при колебаниях температуры, давлепри 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 стенкатрубопровода - 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 Я величины измерительной базы, Это значение используется для определения скоро- (Я сти или расхода жидкости или газа в у трубопроводе, что повышает измерения.2 ил.1 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.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 преломлесия ультразвукового луча на границе стенка трубопровода - контролируемая среда и контролируемая среда - стенка трубопрооода, При этом угол ввода ультразвукового луча о поток может изменяться на несколько 5 градусоо и вносить существенную погрешность измерений.Цель Изобретения - уменьшение погрешности измерения за счет определения действительного значения угла ввода коле баний о поток.Поставленная цель достигается тем, что согласно ультразвуковому способу измере ния расхода, заключающемуся в наклонном и перпендикулярном по отношению к пото ку излучении ультразвуковых колебаний в контролируемую среду, приеме колебаний, определении величины расхода по параметрам принятых сйгналов, осуществля 1 от прием колебаний, отраженных от границы 20 стенка трубопровода - контролируемая среда, принимают отраженные эхо-импульсы от границ перехода стенка трубопровода - контролируемая среда и контролируемая среда - стейка трубопровода при перпенди кулярном излучении и определяют откорректированное значение угла ввода колебаний в поток по выражению30жТст 2/3 к = агсвп р1 ст 2ГжГст 1где 1 ж, 1 ст 2 - внутренний диаметр и толщина стенки трубопровода соответственно;тст 1тст 2Гж - время прохождения колебэний соответственно толщины стенки под углом к оси трубопровода, перпендикулярно к потоку и в жидкости по внутреннему диаметру трубопровода.Сущность способа заключается в следу 1 ОЩЕМ,На стенке трубопровода устанавливаютдва обратимых раздельно-совмещенных пьезопреобразователя, позволяющих зондировать исследуемый поток ультразвуковымии импульсами, направляемыми под углом й 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"йщульсоо и отрахсейных от ее границ с жидкостью. Кроме тбго; на стенке трубопровода устанавливают обратимый широкополосный пьеэопреобразователь, позволяющий ввод ультразвуковых импуль.сов о стенку трубопровода, и исследуемый поток перпендикулярно относительно оси трубопровода и прием отраженных эхо-импульсов от границ перехода стенка трубопровода - жидкость и жидкость - стенка трубопровода.Излучающим пьезоэлементом раздельно-совмещенного пьезопреобраэователя, возбуждаемым импульсным генератором, вводят через стенку трубопровода в направлении потока акустическую волну импульснь 1 х сигналов, Ультразвуковые импульсные сигналы направляют под углом относительно вектора скорости потока. Импульсный сигнал, прошедший стенку трубопровода, частично отражается от границы перехода стенка трубопровода - жидкость. Эхо-импульсы отраженного сигнала принимаются приемным пьезоэлементом этого же раздельно-совмещенного пьезопреобразователя, а импульсные сигналы. прошедшие поток, принимаются приемным пьезоэлементом второго раздельно-совмещенного пьезопреобразователя. Аналогично осуществляется овод через стенку трубопровода акустической волны импульсных сигналов против направления потока, При этом излучающие и приемные пьезоэлементы раздель, о-совмещенных пьезопреобразователей соответственно принимают и излучают ультразвуковые импульсные сигналы,Одновременно обратимым широкополосным пьезопреобразовэтелем вводят в стенку трубопровода акустическую волну импульсных сигналов перпендикулярно относительно оси трубопровода,Эхо-импульсы, отраженные от. границ перехода стенки трубопровода - жидкость и жидкость - стенка трубопровода принимают тем же пьезопреобразооателем.Время т 1 прохождения импульсным сигналом толщины Ь 1 стенки под углом к поверхности трубопровода определяется выражением.2 ст 1 ст где Сст - скорость ультразвука в материале":стенки трубопровода.Время т 2 прохождения "импульснймсигналом толщийь 1 1 ст 2 перпендикулярно кповерхйости трубопровода определяетсявыражением2 ст 2Гст 2 = (2)СстПри известном значении толщины 1 ст 2 стенки трубопровода определяют расстояние ст 1 по отношени 10 тст 2 к Тст 1(8) Тст 2 2 1 ст 2 2 с т 1 ст 2 ------ зий, (3) Тст СстСст1 ст 1 где ас -угол преломления излученной акустисеской 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 выраже- нием Время тж прохождения, импульсйым сйгнтлом толщинь 1 ж жидкости, перпендикулярно вектору скорости потока; определяетсявыражением где Сж -скорость ультразвука в жидкости.Угол рж ввода акустической волны импульсных сигналов в поток жидкости опре;деляется выражением (закон Снелиуса) Из выражения (7) определяют угол Вж- зи ( агсзи - )21 ж, - тст 2 . -атсз 1 иГст21 сг 2 Хст 2 Угол наклона а базы 1. раэдельносовмещнных пьезопреобразователей. к вектору скорости потока определяется выражениемо 1 жТст 2 а 90 -ф 90 - а сз 1 и,: (9)1 ст 2ГжГст Величина базыв потоке жидкости определяется выражением соз ( агсз 1 и -- ) 1 ж " ст 2 ст 2тжтст/1 ОС учетом текущего значения базовогорасстояния Е между излучающим пьезоэлементом одного раздельно-совмещенного .пьезопреобразователя и приемным пьезоэ лемейтом другого раздельно-совмещенногопьеэопреобразователя, в каждом 1-м цикле измерения судят о расходе потока по известным алгоритмам работы измерителя.Предложенный ультразвуковой способизмерения расхода отличается от известного тем, что дополнительно осуществляют прием колебаний, отраженных от границы стенка трубопровода- контролируемая среда; принимают отраженнье эхо-импульсы от границы перехода стенка трубопроводаконтрол ируема я среда и контроли руемая среда-стенка трубопровода при перпендикулярном излучении и определяот значение угла. ввода колебаний в поток по выражению Р = аГСЗ 1 И жст 2 1 жТст 2 1 ст 2Тжтстгде 1 ж. 1 ст 2 - внутренний диаметр и толщинастенки трубопровода соответственно;Тст 1, Тст 2, Гж - ВРЕМЯ ПРОХОЖДЕНИЯ КО"лебаний соответственно толщины стенкипод углом к оси трубопровода, перпендикулярно к потоку и в жидкости по внутреннему40 диаметру трубопровода;Известными ультразвуковыми методами измерения расхода с компенсацией из-,менений скорости ультразвука необеспечивается возможность оплределения -:45 текущего значения угла ввода ультразвукового луча в контролируемый поток, а такжетекущего значения величины базы междупьезопреобразователями в потоке контролируемой жидкости,50 . В известнйх технических решениях используют усредненные в определенныхпределах значения изменений. угла вводаультразвукового луча в поток или значениятемпературных коэффициентов; что небб .обеспечивает необходимой точности измерений,На фиг.1 представлена схема акустического блока для иллюстрации предлагаемогоспособа; на фиг.2 - упрощеннаяблок-схема,(13) Устройство ультразвукового измерения Мж расхода содержит обратимый пьезопреоб- , ц 2 разователь 1, установленный на внешней сов (агсэи ж " ) поверхности стенки мерного участка трубопровода 4, по которому протекает контролируемая среда 5, например вода, два -1.= - (11)раздельно-совмещенные пьеэопреобразо- . сов (агсэ 1 п) : ватели 2 и 3, содержащие обратимые пье-. 1 ст 2тжгс 11 зопреобраэователи 2 а и За и приемныепьезопреобразователи 26 и Зб установлен Измеренное текущее значение базы ные также на мерном участке трубопровода Мг,С поступает в блок памяти цифрового 4, два блока 6 и 7 обработки сигналов и . вычислительного устройства 8. цифровое вычислительное устройство 8, . При последовательном возбужденииобратимых пьезопреобразователей 2 а и ЗаПредлагаемый способ реализуют следу часть акустической энергии волны импульсющи образом, "-його сйгнаяа пРоходит контРолиРУемУюющим о разом.На внешней поверхности мерного сРеду 5 против и по направлению потока участка трубопровода 4 устанавливают (фиг.2). При этом блок 7 обработки сигналов обратимый пьезопреобразователь 1, гео- осуществляет измерение времени хд и гБ метрическаяось которого перпендикулярна 20 задержки зондирующих сигналов соответгеометрической оси трубопровода 4. Раз- -" ственно против направления ипо йаправледельно-Совмещенные пьеэопреобразовате-нию потока, Измеренные времена тд и тБ, .ли 2 и 3 устанавливают так, что обратймые : определяемые выражениями пьеэопреобразователи 2 а и За образуют из мерительную базу Ь, расположенную под 25. - . г.: (12)гАуглом ук вектору скорости потока - . С, - ч сов уПьезопреобразователь 1 возбуждаюткороткими злектроакустическййи им- Б Сж + ч сов упульсами с импульсного генератора блока б 30обработки сигналов. Эхо-импульсы, отра- где ч - скорость- потока, в цифровом видеженные от границ перехода стенка трубоп- йд гд и ИБ - гБпоступают на третийровода 4- контролируемая среда 5 и . вход цифрового вычислительного устройстконтролируемая среда 5 - стенка трубопро-. 8вода 4, йринимают пьезопреобраэователем 35 . При этом с учетом текущего значения.1, а затем они поступают на вход блока б базового расстояния в каждом 1-м цикле изобработки сигналов, Измереннь 1 е времена мерения йд - т.д и йьтБ судят о динау2 ихопределяемые, соответственно, вы- гич ес ких характеристиках и ото ка,раженйями (2) и (б) в блоке б обработки сиг-например расхода.налов в цифровом виде йст 2 тса и Мж 40уж, пбследовательно поступают на первыйСледовательно, в предложенном спосовход цифр 6 вого вычислительного Уст- бе обеспечена воэможность измерения расройства 8 При возбуждении обратимо- хода в трубопроводах с учетом измененияго пьезопреобразователя, напримеР 2 а угла:вводаультразвукового луча в поток конраэдельно-совмещенного пьеэопреобразо- тролируемой среды при колебаниях темпе 45вателя 2, ультразвуковой импульсный сиг-: ратуры, давления исолевого состава, чтонал вводят в стенку трубопровода 4 под позволяетуменьшить погрешность измереУглом а где он часгичн 6 отражаетсЯ отгРа-: ниянйцы перехода стенка трубопровода 4 - Экспериментальйоустэновлено, наприконтролируемая среда 5 и принимается при- мер, что придиаметре трубопровода, равном50емным:пьезопреобразователем 2 б того же 100 мм; и установленном угле ввода ультрараэдельно-совмещенного пьезопреобразо- звукового луча.в поток, равном 60, базевателя 2 (фиг.1) и поступает на первь 1 й вход . между пьезопреобразователями, равнойблока 7 обработки сигналов. Измеренное 200 мм, Изменение угла ввода ультразвуковремя тстг в блоке 7 обработки сигналов вого луча на 2 О дает йэменение базы наопределяемое выражением (1), в цифровом 13 мм, а изменение угла ввода на 3 ужевиде Йстг "тстг поступает на второй вход дает изменение базы 20,2 мм. Соответстцифрового вычислительного устройства 8, венно изменяется угол у наклойа базыкоторое 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 Таким образом. по сравнению с известными техническими решениями в предложенном способе исключается погрешностьизмерения, обусловленная изменением угла ввода ультразвукового луча в поток, чем 5увеличивается точность измерения,Использование способа измерения расхода особенно полезно при контроле за ходом технологических процессов и.управлении динамической скоростью потоков, Формула изобретенияУльтразвуковой способ измерения расхода, заключающийся в наклонном и пер 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 й - 20 с я тем, что, с целью уменьшения погрешности измерения путем определения действиж ст 2ст 2ХжХст где 1 ж, 1 ст - внутренний диаметр и толщина стенки трубопровода соответственно;Хст 1, Хст 2, Хж - ВРЕМЯ ПРОХОЖДЕНИЯ КО- лебаний соответственно толщины стенки под.углом к оси трубопровода, перпендикулярно к потоку и в жидкости по внутреннему диаметру трубопровода.,Гагарина, 10 омбинат "П т", г. Уж аказ 2587 Тираж ВНИИПИ Государственного коми113035, Москвзводственно-издательс ета по изоб , Ж, Рау орректор Э.Лончак Подписноениям и открытиям при ГКНТ СССР ая наб., 4 И