RU2157976C2

RU2157976C2 - Indication and measurement device for measuring liquid usage

Info

Publication number: RU2157976C2
Application number: RU98102331A
Authority: RU
Inventors: А.Б. Сенявин; Л.А. Лисицинский; В.П. Тарасов; Б.В. Сливкин; В.И. Павелко; А.П. Мадякин; В.А. Кратиров
Original assignee: Сенявин Александр Борисович; Лисицинский Леонид Анатольевич; Тарасов Вячеслав Павлович; Сливкин Борис Васильевич; Павелко Владимир Ильич; Мадякин Андрей Петрович; Кратиров Владимир Алексеевич
Priority date: 1998-02-12
Filing date: 1998-02-12
Publication date: 2000-10-20

Abstract

FIELD: monitoring of mass usage in pipelines. SUBSTANCE: device has ultrasound usage transducer with three acoustic channels, liquid density transducer with three gamma sources and three scintillation receivers, and temperature transducer. All transducers are mounted on surface of pipeline. Piezoelectric elements of acoustic channels are mounted at angle with respect to pipeline axis and are located in non-sealed housing. Transducers are located in sealed detachable housing, which has device for unloading pipeline from their weight. In addition device has unit for measuring area of inner cross section of pipeline, which includes ultrasound thickness meter. Signals from transducers are received by sequence of computers, only one of which has keyboard. Sealed housings of transducers and autonomous power supply are filled by air under excessive pressure and are equipped with indicators for opening of their caps. EFFECT: increased precision of measurement under undesirable external influences. 4 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к бесконтактным средствам измерения расхода текучих сред и, в частности, к информационно-измерительным системам (ИИС) для контроля массового расхода перекачиваемой по трубопроводу воды, нефти и других жидкостей. The invention relates to non-contact means for measuring the flow rate of fluids and, in particular, to information-measuring systems (IMS) for controlling the mass flow rate of water, oil and other liquids pumped through a pipeline.

Известно устройство измерения расхода жидкости без введения в трубопровод специальных узлов (бесконтактное), основанное на излучении и приеме ультразвуковых импульсов по и против потока измеряемой среды с использованием нескольких акустических каналов, содержащих по паре пьезоэлементов в каждом канале, и последующим вычислением скорости потока (см. авт. свид. СССР N 1059432, кл. G 01 F). A device is known for measuring fluid flow without introducing special units (non-contact) into the pipeline, based on the emission and reception of ultrasonic pulses along and against the flow of the measured medium using several acoustic channels containing a pair of piezoelectric elements in each channel, and the subsequent calculation of the flow velocity (see Authorized Certificate of the USSR N 1059432, class G 01 F).

Недостатком этого устройства является невысокая точность (2-3%) и невозможность измерять массовый расход потока жидкости без дополнительных средств измерения. The disadvantage of this device is the low accuracy (2-3%) and the inability to measure the mass flow rate of the liquid flow without additional measuring instruments.

Известно устройство для определения удельного расхода двухфазной смеси, содержащее один преобразователь суммарного расхода, один преобразователь состава смеси, два аналого-цифровых преобразователя и перепрограммируемое запоминающее устройство (компьютер) с линиями связи (см. авт. свид. СССР N 1818538, кл. G 01 F). A device is known for determining the specific consumption of a two-phase mixture, containing one total consumption converter, one mixture composition converter, two analog-to-digital converters and a reprogrammable memory device (computer) with communication lines (see ed. Certificate of the USSR N 1818538, class G 01 F).

Недостатком этого устройства является незащищенность от внешних воздействий информационно-измерительных каналов и невозможность измерения массового расхода жидкости. The disadvantage of this device is the insecurity from external influences of information-measuring channels and the inability to measure the mass flow rate of the liquid.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату является ИИС для измерения расхода текущей жидкости с использованием нескольких ультразвуковых лучей в различных плоскостях по потоку перекачиваемой среды; средство непрерывного гамма-сканирования перекачиваемой жидкости для определения ее плотности и одноразового сканирования для определения площади сечения трубопровода; средство многоканальной обработки полученных измерительных сигналов (Кремлевский П. П. Расходомеры и счетчики количества. - Л. : Машиностроение, 1989, с. 210-212, 460-463 и 633-635). The closest to the invention in terms of technical nature and the technical result achieved is an IMS for measuring the flow rate of a fluid using several ultrasound beams in different planes along the flow of the pumped medium; means for continuous gamma scanning of the pumped liquid to determine its density and a one-time scan to determine the cross-sectional area of the pipeline; means of multi-channel processing of the received measuring signals (Kremlevsky P.P. Flowmeters and counters of quantity. - L.: Mashinostroenie, 1989, pp. 210-212, 460-463 and 633-635).

Недостатками этой ИИС являются: невысокая точность измерения массового расхода из-за невысокой точности измерения площади поперечного сечения трубопровода, связанной с конечной шириной сканирующего луча гамма-квантов и отсутствием температурных поправок; требование гамма-источника с очень высокой активностью при сканировании трубопроводов большого диаметра (более 200 мм); незащищенность преобразователей от внешних климатических и механических воздействий; незащищенность измерительной информации от несанкционированного вмешательства. The disadvantages of this IMS are: low accuracy of measuring the mass flow due to the low accuracy of measuring the cross-sectional area of the pipeline associated with the finite width of the scanning beam of gamma rays and the absence of temperature corrections; the requirement of a gamma source with very high activity when scanning large diameter pipelines (more than 200 mm); insecurity of converters from external climatic and mechanical influences; insecurity of measurement information from unauthorized interference.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности бесконтактного измерения массового расхода до 0,25%, расширение диапазона диаметров трубопроводов, для которых оно может применяться до 800 мм, создание защищенной от внешних воздействий информационно-измерительной системы (ИИС). The technical result of the invention is to increase the accuracy of non-contact measurement of mass flow up to 0.25%, expanding the range of diameters of pipelines for which it can be used up to 800 mm, creating an information-measuring system (IMS) protected from external influences.

Указанный результат достигается тем, что в известной ИИС для измерения расхода ультразвуковой преобразователь расхода, образованный излучающими пьезоэлементами, которые попарно закреплены с двух сторон на поверхности трубопровода под углом к его оси с образованием ряда акустических каналов, преобразователь плотности жидкости содержит три гамма-источника и три сцинтилляционных приемника, причем один из источников и противоположный ему приемник снабжены коллиматорами и устройством перемещения вдоль диаметра трубопровода, а на поверхность трубопровода установлен по крайней мере один преобразователь температуры, подключенный к аналого-цифровым преобразователям, при этом преобразователи расположены в герметичном разъемном корпусе с крышкой, а пьезоэлементы акустических каналов - в негерметичном корпусе, служащем для защиты от механических повреждений. Герметичный разъемный корпус снабжен устройством разгрузки трубопровода от веса корпуса с преобразователями, содержащим опорную раму и не менее двух противовесов, выполненный автономным, источник электропитания расположен в герметичном корпусе с крышкой, оба герметичных корпуса соединены кабелепроводом, выполненным в виде трубы с расположенной внутри него линией связи, причем кабелепровод имеет узел герметичного разделения полостей указанных корпусов. Герметичные корпуса заполнены воздухом под избыточным давлением и снабжены сигнализаторами давления и выключателями-сигнализаторами открытия крышек, линия связи в корпусе источника электропитания разделена на несколько независимых линий, каждая из которых передает сигналы от преобразователей ряду независимых компьютеров, причем клавиатурой для ввода управляющей информации снабжен только один компьютер. ИИС снабжена приспособлением для измерения площади внутреннего поперечного сечения трубопровода, содержащим измеритель внешнего диаметра, ультразвуковой толщиномер и съемный металлический хомут с отверстиями, задающими координаты точек замеров. This result is achieved by the fact that in the well-known IIS for measuring flow, an ultrasonic flow transducer formed by radiating piezoelectric elements that are pairwise mounted on both sides of the pipeline at an angle to its axis with the formation of a number of acoustic channels, the liquid density transducer contains three gamma sources and three scintillation receiver, and one of the sources and the opposite receiver are equipped with collimators and a device for moving along the diameter of the pipeline, and NOSTA pipe installed at least one temperature transmitter connected to the analog-to-digital converters, wherein the converters are arranged in a sealed housing assembly with the cover, and piezoelectric acoustic channels - a hermetic enclosure serving for protection against mechanical damage. The sealed detachable case is equipped with a device for unloading the pipeline from the weight of the case with converters containing a support frame and at least two counterweights, made autonomous, the power supply is located in a sealed case with a cover, both sealed cases are connected by a conduit made in the form of a pipe with a communication line moreover, the conduit has a hermetic separation of the cavities of these buildings. The pressurized enclosures are filled with air under excess pressure and are equipped with pressure switches and switch-off switches for opening the covers, the communication line in the power supply housing is divided into several independent lines, each of which transmits signals from the converters to a number of independent computers, and only one keyboard is provided for entering control information computer. IIS is equipped with a device for measuring the internal cross-sectional area of the pipeline, containing an external diameter meter, an ultrasonic thickness gauge and a removable metal clamp with holes that specify the coordinates of the measurement points.

На чертеже показана предлагаемая ИИС для измерения расхода жидкости. The drawing shows the proposed IMS for measuring fluid flow.

ИИС содержит измерительный блок 1, автономный блок источника электропитания 2, связывающий их кабелепровод 3 и диспетчерский пункт 4. Измерительный блок 1 содержит ультразвуковой преобразователь расхода, включающий в себя три акустических канала, при этом для повышения точности измерений расхода излучающие пьезоэлементы 5 и принимающие 6 закреплены с двух сторон трубопровода 7 под углом к его оси. Преобразователь плотности жидкости содержит три гамма-источника 8 (для снижения их удельной гамма-активности) и три сцинтилляционных приемника 9, причем один из источников и противоположный ему приемник снабжены коллиматорами 10 и устройством перемещения 11 вдоль диаметра трубопровода с микрометрическим винтом 12 для определения и учета влияния стенки трубопровода на точность измерения плотности потока жидкости, а два других источника 8 и два приемника 9 расположены в одном поперечном сечении под углом 90^o друг к другу. Преобразователь плотности 8,9, аналого-цифровые преобразователи 13 и преобразователи температуры 23 расположены в герметичном разъемном корпусе 14 для устранения влияния на них климатических и механических воздействий. Пьезоэлементы могут располагаться и в негерметичном корпусе 15, служащим для защиты от механических повреждений. Герметичный разъемный корпус 14 снабжен крышкой 16 и устройством 17 разгрузки трубопровода 7 от веса корпуса 14 с преобразователями, содержащим опорную раму 18 и не менее двух противовесов 19 и 20. Герметичный корпус 14 снабжен концевыми выключателями-сигнализаторами 21 открытия крышек, кроме того он заполнен избыточным давлением воздуха и снабжен сигнализаторами давления 22 для сигнализации о несанкционированном доступе к аппаратуре ИИС. На трубопровод 7 установлен по крайней мере один преобразователь температуры 23, подключенный к аналого-цифровым преобразователям 13, для учета температурной поправки и повышения точности измерения массового расхода. ИИС имеет съемное приспособление для измерения площади внутреннего поперечного сечения трубопровода с погрешностью не более 0,1% в местах установки пьезоэлементов 5 и 6, содержащее измеритель внешнего диаметра 24, ультразвуковой толщиномер 25 и металлический хомут 26 с отверстиями 27, задающими координаты точек замеров. Блок источника автономного электропитания 2 располагается в отдельном герметичном корпусе 30 с крышкой и содержит преобразователи тока 28 (например, с высокого напряжения 380 - 220 В до допустимого для работы вблизи нефтепровода напряжения не более 24В) и аккумуляторную батарею 29. Линия связи разделена на несколько независимых линий 31 (телефонных, радиоканалов, оптоволоконных линий и т.п.) для увеличения надежности передачи измерительных сигналов в диспетчерский пункт 4. Герметичные корпуса 30 и 14 соединены кабелепроводом 3, выполненным в виде трубы 32 с расположенной внутри него линией связи, причем кабелепровод имеет узел 33 герметичного разделения полостей указанных корпусов. Диспетчерский пункт 4, куда передаются измерительные сигналы, содержит несколько компьютеров 34 и 35, причем только один из компьютеров имеет клавиатуру 36 для ввода управляющей информации, а остальные выполняют контрольные функции (не имеют устройств ввода и мест для их подключения). Это сделано для снижения вероятности несанкционированного доступа и искажения измерительной информации в ИИС.The IIS contains a measuring unit 1, an autonomous power supply unit 2, a conduit 3 connecting them, and a control room 4. The measuring unit 1 contains an ultrasonic flow transducer, which includes three acoustic channels, while to improve the accuracy of flow measurements, the emitting piezoelectric elements 5 and receiving 6 are fixed on both sides of the pipeline 7 at an angle to its axis. The liquid density transducer contains three gamma sources 8 (to reduce their specific gamma activity) and three scintillation receivers 9, and one of the sources and its opposite receiver are equipped with collimators 10 and a device for moving 11 along the diameter of the pipeline with a micrometer screw 12 for determination and accounting the influence of the pipe wall on the accuracy of measuring the density of the fluid flow, and two other sources 8 and two receivers 9 are located in one cross section at an angle of 90 ^{o to} each other. The density transducer 8.9, analog-to-digital converters 13 and temperature converters 23 are located in a sealed detachable housing 14 to eliminate the influence of climatic and mechanical influences on them. The piezoelectric elements can also be located in the leaky housing 15, which serves to protect against mechanical damage. The sealed detachable housing 14 is equipped with a cover 16 and a device 17 for unloading the pipeline 7 from the weight of the housing 14 with converters containing a support frame 18 and at least two balances 19 and 20. The sealed housing 14 is equipped with limit switches-signaling devices 21 for opening the covers, in addition, it is filled with excess air pressure and is equipped with pressure alarms 22 for signaling unauthorized access to IIS equipment. At least one temperature transducer 23 is installed on the pipeline 7, connected to analog-to-digital converters 13, to take into account the temperature correction and improve the accuracy of measuring the mass flow rate. IIS has a removable device for measuring the internal cross-sectional area of the pipeline with an error of not more than 0.1% at the installation sites of the piezoelectric elements 5 and 6, containing an external diameter meter 24, an ultrasonic thickness gauge 25 and a metal clamp 26 with holes 27 that specify the coordinates of the measurement points. The autonomous power supply unit 2 is located in a separate sealed enclosure 30 with a cover and contains current converters 28 (for example, from a high voltage of 380 - 220 V to a voltage not exceeding 24 V acceptable for operation near the oil pipeline) and a battery 29. The communication line is divided into several independent lines 31 (telephone, radio channels, fiber optic lines, etc.) to increase the reliability of the transmission of measuring signals to the control room 4. Sealed enclosures 30 and 14 are connected by conduit 3, made in the form of tr to 32 disposed inside the communication line, wherein the conduit assembly 33 has a sealed enclosure of said separation cavity. The control room 4, where the measuring signals are transmitted, contains several computers 34 and 35, and only one of the computers has a keyboard 36 for entering control information, and the rest perform control functions (do not have input devices and places for connecting them). This is done to reduce the likelihood of unauthorized access and distortion of measurement information in the IMS.

Работа ИИС осуществляется в следующем порядке. The work of IMS is carried out in the following order.

На предварительно очищенный от покрытия и ржавчины участок трубопровода 7 закрепляют кольцом металлический хомут 26. Через отверстия 27 производят последовательные измерения внешнего диаметра измерителем 24 и толщины стенки ультразвуковым толщиномером 25. Вычисляют площадь внутреннего поперечного сечения трубопровода и вводят ее в компьютер 34, который имеет клавиатуру 36 для ввода управляющей информации. Монтируют блоки 1, 2, 3 и 4 ИИС. Один из гамма - источников 8 и противоположный ему приемник 9, снабженные коллиматорами 10, перемещают вдоль всего диаметра трубопровода 7 с помощью микрометрического винта 12. Вычисляют поправку на влияние стенки трубопровода и вводят ее в компьютер 34. Трубопровод 7 разгружают от веса герметичного корпуса 14 с преобразователями 8,9,13, путем подбора гирь в паре противовесов 19 и 20, закрепленных через блок на опорной раме 18. Блок источника бесперебойного электропитания 2 подключен с одной стороны к электросети (220 - 380 В), а с другой, через кабелепровод 3, к измерительному блоку 1. Сигналы от трех пар пьезоэлементов 5 и 6; трех сцинтилляционных приемников 9; по крайней мере одного преобразователя температуры 23; выключателей-сигнализаторов 21 открытия крышек и сигнализаторов давления 22 передаются в аналого-цифровые преобразователи 13. Далее сигналы в оцифрованном виде по линиям связи 31 передаются в компьютеры 34 и 35 диспетчерского пункта 4, где обрабатываются и документируются. A metal collar 26 is fixed with a ring on a section of the pipeline 7 previously cleaned of coating and rust. Through the holes 27, the external diameter is measured sequentially with a meter 24 and the wall thickness with an ultrasonic thickness gauge 25. The internal cross-sectional area of the pipeline is calculated and entered into a computer 34, which has a keyboard 36 to enter control information. Mount blocks 1, 2, 3 and 4 IIS. One of the gamma sources 8 and the opposite receiver 9, equipped with collimators 10, are moved along the entire diameter of the pipeline 7 using a micrometer screw 12. The correction for the influence of the pipeline wall is calculated and entered into the computer 34. The pipeline 7 is unloaded from the weight of the sealed case 14 s converters 8,9,13, by selecting weights in a pair of balances 19 and 20, mounted through the block on the supporting frame 18. The block of uninterruptible power supply 2 is connected on the one hand to the mains (220 - 380 V), and on the other, through the conduit 3, to the measuring unit 1. The signals from the three pairs of piezoelectric elements 5 and 6; three scintillation receivers 9; at least one temperature transducer 23; the switch-signaling devices 21 of the opening of the covers and pressure signaling devices 22 are transmitted to analog-to-digital converters 13. Next, the signals in digitized form via communication lines 31 are transmitted to computers 34 and 35 of the control room 4, where they are processed and documented.

Предлагаемая ИИС позволяет повысить точность бесконтактного измерения массового расхода путем обеспечения измерения площади внутреннего сечения трубопровода по внешнему диаметру и толщине стенки в местах установки пьезоэлементов; введением канала измерения температуры и использования температурных поправок, а также обеспечением возможности корреляционного анализа измерительных сигналов по нескольким каналам измерения скорости и плотности потока жидкости. The proposed IMS allows to increase the accuracy of non-contact measurement of mass flow by providing a measurement of the internal cross-sectional area of the pipeline by the external diameter and wall thickness at the points of installation of the piezoelectric elements; the introduction of a channel for measuring temperature and the use of temperature corrections, as well as providing the possibility of a correlation analysis of measuring signals through several channels for measuring the velocity and density of a fluid flow.

Расширение диапазона диаметров трубопровода, для которых ИИС может применяться, достигается путем использования не менее трех гамма-источников, что увеличивает их суммарную мощность и, следовательно, толщину просвечиваемого ими материала (диаметр заполненной жидкостью трубы) и трех акустических каналов, что позволяет учитывать неравномерность потока жидкости по сечению трубопровода. Expanding the range of pipeline diameters for which IMS can be applied is achieved by using at least three gamma sources, which increases their total power and, consequently, the thickness of the material they shine through (diameter of the pipe filled with liquid) and three acoustic channels, which allows for the non-uniformity of flow fluid cross-section of the pipeline.

Предлагаемая ИИС может использоваться в полевых условиях благодаря созданию герметичных корпусов, заполнения их избыточным давлением воздуха и системе сигнализаторов. Надежность ИИС повышается из-за введения независимых линий связи и источника бесперебойного электропитания. В ИИС также обеспечена защита информации от искажения путем введения компьютера, не имеющего средств ввода информации, кроме линий связи. The proposed IMS can be used in the field due to the creation of sealed enclosures, filling them with excess air pressure and a signaling system. Reliability of IMS is enhanced due to the introduction of independent communication lines and uninterruptible power supply. The IIS also provides protection of information from distortion by introducing a computer that does not have the means of entering information, except for communication lines.

Claims

1. Information-measuring system for measuring fluid flow, comprising an ultrasonic flow transducer formed by emitting and receiving piezoelectric elements that are pairwise mounted on both sides of the pipeline at an angle to its axis with the formation of a number of acoustic channels, a liquid density transducer mounted on the pipeline, analog-to-digital converters connected to flow and density converters, a communication line connecting the converters to a power source and computer, characterized in that the ultrasonic flow transducer includes three acoustic channels, the liquid density transducer contains three source grams and three scintillation receivers, one of the sources and the opposite receiver equipped with collimators and a device for moving along the diameter of the pipeline, and on the surface of the pipeline at least one temperature converter is installed, connected to analog-to-digital converters, while the converters are located in a detachable housing with a cover, and the piezoelectric elements of the acoustic channels in an unpressurized housing, which serves to protect against mechanical damage.

2. The information-measuring system according to claim 1, characterized in that the sealed detachable housing is equipped with a device for unloading the pipeline from the weight of the housing with converters containing a support frame and at least two counterweights, a self-contained power supply is located in a sealed housing with a cover, both sealed the cases are connected by a conduit made in the form of a pipe with a communication line located inside it, and the conduit has an airtight separation unit for the cavities of these cases.

3. The information-measuring system according to claim 1 or 2, characterized in that the sealed enclosures are filled with air under excessive pressure and equipped with pressure alarms and switches-signaling switches for opening the covers, the communication line in the power supply housing is divided into several independent lines for transmission under each of these signals from converters to a number of independent computers, and only one computer is equipped with a keyboard for entering control information.

4. Information-measuring system according to any one of claims 1 to 3, characterized in that it is equipped with a device for measuring the internal cross-sectional area of the pipeline, containing an external diameter meter, an ultrasonic thickness gauge and a removable metal clamp with holes that specify the coordinates of the measurement points.