RU2411456C1

RU2411456C1 - Flowmetre for fluids and gases in pressure pipelines

Info

Publication number: RU2411456C1
Application number: RU2009132909/28A
Authority: RU
Inventors: Алексей Федорович Писарев (RU); Алексей Федорович Писарев; Николай Владимирович Тингаев (RU); Николай Владимирович Тингаев; Григорий Викторович Цепилов (RU); Григорий Викторович Цепилов
Priority date: 2009-09-01
Filing date: 2009-09-01
Publication date: 2011-02-10

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: lay-on flowmetre comprises ultrasound radiating transducer 2, receiving transducers 4 and electronic signal receiving and processing unit. Both transducers are fitted on pipe surface at diametrically opposite points. Radiating transducer comprises radiator 3 of ultrasound body waves made up of flexible rod (or tube filled with fluid) bent in the pipe axial section plane along the arc, the curvature being proportional the flow rate in preset rate range. Ultrasound pulse controlled delay lines are connected to radiating element ends. Said pulses come from ultrasound radiators arranged in electronic unit. Receiving transducer is made up of piezo element that has sound contact with said pipe at ultrasound pulse exit points, said pulses passing though pipe medium and along pipe walls in crosswise direction.

EFFECT: increase in accuracy of flow rate measurements, simplified design.

2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике по ультразвуковым (у.з.) расходомерам, а именно к способам и устройствам измерения расхода объема и массы жидких и газовых сред в напорных трубопроводах круглого сечения.The invention relates to measuring equipment for ultrasonic (ultrasonic) flow meters, and in particular to methods and devices for measuring the flow rate of volume and mass of liquid and gas media in pressure pipelines of circular cross section.

Хорошо известен класс расходомеров у.з. типа, основанных на использовании эффекта Доплера, а так же класс приборов, действующих на основе метода бокового «сноса» узкого у.з. луча в текущей среде.The class of ultrasonic flow meters is well known. type, based on the use of the Doppler effect, as well as a class of devices operating on the basis of the method of lateral "drift" of a narrow ultrasound beam in the current environment.

Сущность доплеровского способа измерения скорости потока среды в трубопроводе состоит в следующем. У.з. импульсы, посылаемые по или против потока среды в трубопроводе, рассеиваются примесями среды и частично отражаются обратно к излучающему преобразователю, имея сдвиг частоты, связанный со скоростью среды. Непосредственно в окрестности расположения излучателя отраженный у.з. луч регистрируется приемным преобразователем. По частотному сдвигу сигнала расчетным путем определяется скорость потока среды, а также объемный и массовый расход.The essence of the Doppler method of measuring the flow rate of a medium in a pipeline is as follows. Wz pulses sent along or against the flow of the medium in the pipeline are scattered by the impurities of the medium and partially reflected back to the radiating converter, having a frequency shift associated with the speed of the medium. Immediately in the vicinity of the emitter location, the reflected ultrasound the beam is recorded by the receiving transducer. Using the frequency shift of the signal, the flow rate of the medium, as well as the volume and mass flow rate, are determined by calculation.

Недостатком доплеровского способа измерения расхода текущей среды является присутствие в отраженном сигнале большого спектра частот шумового характера, связанного с флуктуациями примеси. Анализ такого сигнала представляет большие физико-технические трудности.The disadvantage of the Doppler method of measuring the flow rate of the current medium is the presence in the reflected signal of a large frequency spectrum of a noise nature associated with impurity fluctuations. The analysis of such a signal presents great physical and technical difficulties.

Хорошо известен также класс расходомеров, действующих на основе метода бокового сноса у.з. луча в текущей среде [Под редакцией И.П.Голяминой. Ультразвук. «Советская энциклопедия», Москва, 1979, с.300]. Данный метод реализуется следующим образом. Излучающий преобразователь генерирует у.з. импульсы поперек трубы с текущей средой. Приемный преобразователь, расположенный на противоположной стороне трубы, состоит из двух чувствительных детекторов к у.з. импульсам. Эти детекторы разносятся на некоторое расстояние друг от друга по направлению трубы симметрично относительно излучающего преобразователя. У.з. луч, снесенный потоком среды, возбуждают оба приемника ассиметрично. Математическая обработка этих сигналов по дифференциальной схеме дает искомую информацию о скорости потока.The class of flow meters based on the lateral drift method is also well known. beam in the current environment [Edited by I.P. Golyamina. Ultrasound. "Soviet Encyclopedia", Moscow, 1979, p. 300]. This method is implemented as follows. The emitting transducer generates an ultrasound pulses across the pipe with the current medium. The receiving transducer, located on the opposite side of the pipe, consists of two sensitive detectors to ultrasonic. impulses. These detectors are spaced apart from each other in the direction of the pipe symmetrically with respect to the emitting transducer. Wz a beam carried by a medium flow excites both receivers asymmetrically. Mathematical processing of these signals using a differential circuit gives the desired information about the flow rate.

Недостатком данного способа измерения является использование одновременно двух независимых приемных датчиков, которые из-за шумового колебания стенок трубы в широком спектре частот ограничивают точность измерения расхода среды.The disadvantage of this measurement method is the use of two independent receiving sensors at the same time, which, due to the noise vibration of the pipe walls in a wide spectrum of frequencies, limits the accuracy of measuring the flow rate of the medium.

К наиболее важным достоинствам у.з. расходомеров относится возможность размещения их непосредственно на поверхности трубопровода, т.е. без врезки в трубу. По этой причине такие устройства в технической литературе часто называются накладными расходомерами. Они просты в монтаже и обслуживании. Точность измерения этих приборов также высока. В частности, существующие доплеровские устройства имеют относительную погрешность определения средней скорости потока среды в трубе ~1%; устройства с боковым сносом ~2% [Территория нефтегаза, 2008, № 6, с.53].The most important advantages of US flow meters include the possibility of placing them directly on the surface of the pipeline, i.e. without tapping into the pipe. For this reason, such devices are often referred to in the technical literature as overhead flow meters. They are easy to install and maintain. The measurement accuracy of these instruments is also high. In particular, existing Doppler devices have a relative error in determining the average flow rate of a medium in a pipe of ~ 1%; devices with lateral drift ~ 2% [Territory of oil and gas, 2008, No. 6, p. 53].

Устройство на основе бокового сноса у.з. луча в текущей среде принимается нами за прототип.Device based on lateral drift beam in the current environment is taken by us as a prototype.

Целью изобретения является повышение точности измерения скорости потока.The aim of the invention is to improve the accuracy of the measurement of flow velocity.

Целью изобретения является также расширение диапазона плотности измеряемых сред - от жидких до газообразных - без введения в процедуру измерения дополнительных устройств.The aim of the invention is also to expand the range of density of the measured media - from liquid to gaseous - without introducing additional devices into the measurement procedure.

Поставленная цель достигается тем, что в основу работы излучающего преобразователя вводится новый принц формирования у.з. импульсных лучей, пересекающих трубу под углом α к диаметру трубы.This goal is achieved by the fact that the basis of the work of the emitting transducer is introduced a new prince of formation of ultrasonic pulsed rays crossing the pipe at an angle α to the diameter of the pipe.

Сущность этого принципа поясняется на фиг.1. Рисунок изображен в горизонтальной плоскости осевого сечения трубы, где приняты следующие обозначения: Т1 - труба; ⌀ - диаметр трубы; V - вектор скорости среды в трубе; И.П.2 - излучающий преобразователь; И.Э.3 - излучающий элемент объемных у.з. волн, выполненный в виде упругого стержня (или трубки, заполненной жидкостью) с заданным прогибом в форме отрезка дуги. Причем кривизна дуги и ее длина пропорциональны максимально используемому углу входа α у.з. импульса в трубу. При этом геометрический центр излучающего преобразователя и центр приемного преобразователя размещены на поверхности трубы в диаметрально противоположных точках; П.П.4 - приемный преобразователь; Λ₁ - у.з. импульс, входящий в излучающий элемент с правого торца; Λ₂ - с левого торца; Тр - траектория у.з. импульса в трубе под углом α к диаметру трубы; δ* - упреждающий «снос» среды.The essence of this principle is illustrated in figure 1. The figure is shown in the horizontal plane of the axial section of the pipe, where the following designations are accepted: T1 - pipe; ⌀ - pipe diameter; V is the velocity vector of the medium in the pipe; I.P.2 - radiating converter; I.E.3 - radiating element of volumetric ultrasound waves, made in the form of an elastic rod (or tube filled with liquid) with a given deflection in the form of an arc segment. Moreover, the curvature of the arc and its length are proportional to the maximum angle of entry α α. pulse into the pipe. The geometric center of the emitting transducer and the center of the receiving transducer are placed on the pipe surface at diametrically opposite points; P.P.4 - receiving converter; Λ ₁ - n.a. a pulse entering the radiating element from the right end; Λ ₂ - from the left end; Tr - trajectory pulse in the pipe at an angle α to the diameter of the pipe; δ * - anticipatory "drift" of the environment.

Принцип работы такого устройства состоит в следующем. У.з импульс Λ₁ входит в излучающий элемент и.э. в момент времени t₁, а импульс Λ₂ - в момент времени t₂. Если импульсы Λ₁ и Λ₂ входят в излучающий элемент одновременно (t₁=t₂), то они встретятся в середине элемента и совместно создадут объемно-локализованное давление с удвоенной амплитудой […Ультразвук, … с.48, рис.10].The principle of operation of such a device is as follows. The ultrasonic pulse Λ ₁ enters the radiating element of the at time t ₁ , and the pulse Λ ₂ - at time t ₂ . If the pulses Λ ₁ and Λ ₂ enter the radiating element at the same time (t ₁ = t ₂ ), then they will meet in the middle of the element and together create a volume-localized pressure with doubled amplitude [... Ultrasound, ... p. 48, Fig. 10].

В случае, если среда в трубе неподвижна (V=0), то ударный у.з. импульс войдет в трубу со средой, пересечет ее по диаметру и будет зарегистрирован приемником п.п. Траектория движения этого импульса в трубе с неподвижной средой будет представлять прямую линию АВ, ортогональную оси трубы.If the medium in the pipe is motionless (V = 0), then the shock ultrasonic the impulse will enter the pipe with the medium, cross it in diameter and be registered by the receiver The trajectory of this pulse in a pipe with a stationary medium will represent a straight line AB, orthogonal to the axis of the pipe.

В случае же, если у.з. импульсы Λ₁ и Λ₂ входят в излучающий элемент в разное время (t₁≠t₂), например t₁>t₂, то встреча данных импульсов в излучающем элементе и.э. произойдет левее точки А, как показано на фиг.1. Вновь возникший суммарный у.з. импульс, траектория которого в неподвижной среде (V=0) будет представлять прямую линию АС, имеющей угол наклона α к прямой АВ.If, however, pulses Λ ₁ and Λ ₂ enter the radiating element at different times (t ₁ ≠ t ₂ ), for example t ₁ > t ₂ , then the meeting of these pulses in the radiating element is will occur to the left of point A, as shown in figure 1. The newly arisen total ultrasound a pulse whose trajectory in a stationary medium (V = 0) will represent a straight line of an AS having an angle of inclination α to a straight line AB.

Расстояние между точками С и В, обозначенное как δ*, будем считать упреждающим сносом у.з. луча навстречу потоку. Если среда в данном случае подвижная (V=0), то траектория луча будет представлять кривую, как показано на фиг.1 сплошной линией. Варьируя соотношение времени t₁/t₂, всегда можно получить ту искомую кривую «сноса», которая заканчивается в точке В приемного преобразователя с «выдачей» сигнала. Поэтому, зная момент приема сигнала, а также место и время излучения у.з. импульса по соотношению времени t₁/t₂, расчетно вычисляется величина δ* и угол α. Расчетно определяется также средняя скорость потока в трубе по простой формуле

где t₀ - время распространения у.з. импульса от точки излучения до точки приема; k - поправочный коэффициент. В него входят поправки, связанные с геометрией излучающего элемента и углами преломления у.з. импульсов на границах перехода различных материальных сред. В электронном блоке при обработке сигналов учитываются также температура измеряемой текущей среды, с которой связана плотность среды, и соответственно скорость распространения у.з. импульсов.The distance between points C and B, denoted as δ *, will be considered proactive drift. beam towards the stream. If the medium in this case is mobile (V = 0), then the beam path will represent a curve, as shown in Fig. 1 by a solid line. By varying the ratio of time t ₁ / t ₂ , you can always get the desired “drift” curve that ends at point B of the receiving transducer with the “output” of the signal. Therefore, knowing the moment of signal reception, as well as the place and time of radiation pulse by the ratio of time t ₁ / t ₂ , the value δ * and the angle α are calculated. The average flow rate in the pipe is also calculated using a simple formula

where t ₀ - propagation time pulse from the point of radiation to the point of reception; k is the correction factor. It includes corrections related to the geometry of the radiating element and the refractive angles of the ultrasound. pulses at the boundaries of the transition of various material media. When processing signals in the electronic unit, the temperature of the measured current medium, with which the density of the medium is associated, and, accordingly, the propagation speed of ultrasound, are also taken into account. pulses.

Вместе с тем, в целях повышения точности измерения дополнительно используется реперно-временная метка, которая образуется в момент излучения у.з. импульса. Часть энергии этого импульса проходит через измеряемую текущую среду, а вторая часть - реперная - по стенке трубы в поперечном сечении до приемного преобразователя.At the same time, in order to improve the measurement accuracy, an additional time-reference mark is used, which is formed at the moment of ultrasonic radiation. momentum. Part of the energy of this impulse passes through the measured current medium, and the second part - the reference - along the pipe wall in cross section to the receiving transducer.

Отметим дополнительно, что сама процедура измерения скорости потока также направлена на повышение точности измерения и состоит в следующем. По мере вхождения у.з. импульсов в окрестность точки приемного преобразователя, т.е. при δ*→0, электронный блок управления уменьшает длительность у.з. импульсов, и, следовательно, их протяженность до геометрических размеров меньше размера «входного окна» приемного преобразователя. При этом частота следования импульсов составляет несколько килогерц, а их длительность варьируется в пределах τ≈10^-6 сек - 10^-7 сек.We also note that the procedure for measuring the flow velocity itself is also aimed at improving the accuracy of the measurement and consists in the following. As you enter pulses in the vicinity of the point of the receiving transducer, i.e. when δ * → 0, the electronic control unit reduces the duration of the ultrasound pulses, and, consequently, their length to geometric dimensions is less than the size of the "input window" of the receiving transducer. In this case, the pulse repetition rate is several kilohertz, and their duration varies from τ≈10 ^-6 sec - 10 ^-7 sec.

Фактически, данный принцип обработки сигналов сходен с методом обработки информации в процессе прожекторного поиска цели. «Обзорный» поиск осуществляется широким лучом до «захвата цели». Затем телесный угол излучения зондирующих импульсов резко сужается; частота их следования увеличивается, и длительность уменьшается, что в совокупности обеспечивает получение высокой точности координат цели.In fact, this principle of signal processing is similar to the method of processing information in the process of searchlight target search. The "survey" search is carried out by a wide beam to "capture the target." Then the solid angle of radiation of the probe pulses sharply narrows; their repetition rate increases, and the duration decreases, which together ensures high accuracy of the target coordinates.

В соответствии с решаемой задачей создания у.з. расходомера для жидких и газообразных сред учтем одно важное практическое обстоятельство, а именно: максимальная скорость течения жидких сред в трубопроводах обычно не превышает величины 10 м/с. В случае же газовых потоков максимальная скорость доходит до 100 м/с. Поэтому для жидких потоков в трубах диаметра ~100 см упреждающий максимальный «снос» 5 характеризуется - например, для воды - величиной ~ 1,3 см. В случае же газовых потоков максимальный упреждающий снос δ* для того же диаметра трубы достигает ≈30 см. Поэтому угол наклона α траектории луча для жидких сред составляет ≈1°. Следовательно, кривизна прогиба излучающего элемента очень мала, и для практики можно принять геометрию данного элемента в виде прямого стержня или трубки длиной 1,5÷2 см, заполненной жидкостью. Для газовых сред упреждающий снос δ* достигает величины ≈30 см и угол наклона α≈20°. Кривизна геометрии излучающего элемента определяется данными параметрами. При этом длина дуги составляет ≈3 см.In accordance with the current task of creating ultrasound flow meter for liquid and gaseous media, we take into account one important practical circumstance, namely: the maximum flow velocity of liquid media in pipelines usually does not exceed 10 m / s. In the case of gas flows, the maximum speed reaches 100 m / s. Therefore, for liquid flows in pipes with a diameter of ~ 100 cm, the anticipatory maximum “drift” 5 is characterized, for example, for water, by a value of ~ 1.3 cm. In the case of gas flows, the maximum anticipatory drift δ * for the same pipe diameter reaches ≈30 cm. Therefore, the slope angle α of the beam path for liquid media is ≈1 °. Therefore, the curvature of the deflection of the radiating element is very small, and for practice it is possible to take the geometry of this element in the form of a straight rod or tube 1.5 ÷ 2 cm long filled with liquid. For gaseous media, the forward drift δ * reaches ≈30 cm and the inclination angle α≈20 °. The curvature of the geometry of the radiating element is determined by these parameters. The length of the arc is ≈3 cm.

В этой связи на фиг.1 представляет геометрию у.з. расходомера для газовых сред.In this regard, figure 1 represents the geometry of the ultrasound flowmeter for gaseous media.

Геометрия же у.з. расходомера для жидких сред с точностью до принятого приближения представлена на фиг.2, где даны теже обозначения, что и на фиг.1.Geometry is US flowmeter for liquid media up to the accepted approximation is presented in figure 2, where the same designation is given as in figure 1.

Для проверки работоспособности предлагаемого устройства у.з. расходомера для жидких и газообразных сред было проведено моделирование определения средней скорости потока жидкости (воды) и газа (атмосферного воздуха) в трубе. Численный эксперимент подтвердил основные физико-технические положения работы данного устройства. Вместе с тем в стендовом опыте проверен также принцип сложения двух у.з. импульсов для образования суммарного импульса с удвоенной амплитудой в заданном месте среды, находящейся в трубке. Результаты подтвердили высокую эффективность действия используемого принципа сложения объемных у.з. сигналов.To test the performance of the proposed device flowmeter for liquid and gaseous media, modeling was carried out to determine the average flow rate of liquid (water) and gas (atmospheric air) in the pipe. A numerical experiment confirmed the basic physical and technical provisions of this device. At the same time, the principle of addition of two ultrasonic waves was also verified in a bench experiment. pulses for the formation of a total pulse with doubled amplitude in a given location of the medium located in the tube. The results confirmed the high efficiency of the used principle of adding volumetric ultrasound. signals.

Данный вариант осуществления изобретения не исключает иных вариантов устройства у.з. расходомера в пределах формулы изобретения.This embodiment of the invention does not exclude other variants of the device. flowmeter within the scope of the claims.

Таким образом, изобретение в техническом и функциональном отношении значительно упростилось по сравнению с прототипом. Изобретение приобрело также большую надежность в работе, простоту эксплуатации и расширенный динамический диапазон точного измерения расхода протекающих сред.Thus, the invention is technically and functionally significantly simplified compared with the prototype. The invention also gained great reliability, ease of use and the extended dynamic range of accurate flow measurement of flowing media.

Claims

1. The flow meter of liquid and gas media in pressure pipelines, containing an ultrasonic (ultrasonic) emitting transducer and a receiving transducer, as well as an electronic signal receiving and processing unit, characterized in that the radiating transducer and the receiving transducer are rigidly fixed diametrically on the pipe surface opposite points, while the emitting transducer contains a radiation element in the form of an elastic rod or tube filled with liquid, to the ends of which are connected controlled delay lines . pulses coming from the US generators located in the electronic unit, and the receiving transducer is made of a piezoelectric element that has sound contact with the pipe at the exit point. pulses passing through the current medium in the pipe, as well as reference ultrasonic pulses coming from the radiating transducer along the pipe wall in its cross section.

2. The flow meter of liquid and gaseous media according to claim 1, characterized in that the radiation element has a geometry in the plane of the axial section of the pipe in the form of a segment bent in the shape of an arc having a curvature proportional to the flow velocity of the medium in a given speed range.