RU2478917C2

RU2478917C2 - Fluid medium flow metre in free-flow pipelines

Info

Publication number: RU2478917C2
Application number: RU2010139742/28A
Authority: RU
Inventors: Михаил Николаевич Ершов; Федор Геннадьевич Казьмин; Алексей Федорович Писарев; Валерий Владимирович Трофимов
Original assignee: Алексей Федорович Писарев; Валерий Владимирович Трофимов
Priority date: 2010-09-27
Filing date: 2010-09-27
Publication date: 2013-04-10
Also published as: RU2010139742A

Abstract

FIELD: measurement equipment.

SUBSTANCE: device includes an ultrasonic pulse converter of sound and electric signals, which operates according to the principle of action of a two-arm slide-wire that is made in the form of a hollow ring from dielectric material filled with non-conducting fluid like transformer oil. Ring has a cross cut, on the end faces of which piezoelectric elements connected to a signal control and processing unit are mounted. At that, a complete set of a flow metre includes two identical slide-wire elements that are rigidly fixed on upper inner surface of the pipe above the typical level of flowing medium. Distance between those devices is fixed. Both converters are functionally connected to the signal control and measurement unit. The device sends sounding pulses to flowing medium and receives reply signals as per the specified programme. Using the above signals, flow velocity and volume of medium flow rate, as well as other below parameters are defined by means of a calculation: thickness of deposits at the pipe bottom (and in a number of cases - flowing medium composition) and control of the pipeline filling degree.

EFFECT: improving measurement accuracy of different parameters of flowing media, as well as control of the technical state of the pipeline.

4 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике по расходомерам, а именно к устройствам измерения объемного расхода жидких сред в открытых водоемах: каналах, безнапорных трубопроводах большого сечения и сточных лотках.The invention relates to measuring equipment for flow meters, and in particular to devices for measuring the volumetric flow rate of liquid media in open reservoirs: channels, pressureless pipelines of large cross-section and waste trays.

Известен класс электромагнитных (индукционных) расходомеров, работающих на основе использования эффекта магнитогидродинамической индукции электрических сигналов при движении проводящей жидкости в трубопроводах поперек направления магнитного поля. При этом сигнальные электроды расположены на противоположных концах диаметра трубопровода. Величина сигналов ЭДС пропорциональна скорости жидкости и, следовательно, ее расходу.A class of electromagnetic (induction) flow meters is known that operates on the basis of using the effect of magnetohydrodynamic induction of electrical signals when a conductive fluid moves in pipelines across the direction of a magnetic field. In this case, the signal electrodes are located at opposite ends of the diameter of the pipeline. The magnitude of the EMF signals is proportional to the velocity of the liquid and, therefore, its flow rate.

Расходомеры данного типа работают как на основе постоянного магнитного поля, так и переменного (в частности, импульсного магнитного поля). Важным положительным качеством расходомеров данного типа является возможность их работы в различных жидких средах, обладающих даже слабой электропроводностью. Однако этим устройствам присущи принципиальные недостатки, а именно возникновение в них химических процессов на электродах, приводящих к поляризации электродов и искажению измеряемых сигналов. Вместе с тем, при работе в переменных и импульсных полях возникают всевозможные электромагнитные наводки в электрических цепях измерительного устройства, составляющие трудно устранимые помехи при регистрации таких сигналов. Данный недостаток особенно сильно проявляется при работе расходомеров, где необходимо независимо и одновременно измерять как скорость потока жидкости, так и ее уровень. В частности, в известном электромагнитном расходомере [ГОС реестр РФ №19388-00] уровень жидкости измеряется автономным сенсорным датчиком давления. Такой датчик придает расходомеру ряд положительных качеств: компактность, сравнительную простоту устройства и удовлетворительную чувствительность. Вместе с тем, такой датчик чувствителен к электромагнитным наводкам, а также к изменению внешнего давления (в частности, атмосферного) и различным загрязняющим осадкам, выпадающим из текущей жидкости. Поэтому электромагнитные расходомеры в силу перечисленных причин сложны в устройстве и эксплуатации.Flowmeters of this type operate both on the basis of a constant magnetic field and an alternating one (in particular, a pulsed magnetic field). An important positive quality of flow meters of this type is the possibility of their operation in various liquid media having even low electrical conductivity. However, these devices are inherent in fundamental shortcomings, namely the occurrence of chemical processes in them on the electrodes, leading to polarization of the electrodes and distortion of the measured signals. At the same time, when working in alternating and pulsed fields, all kinds of electromagnetic pickups occur in the electrical circuits of the measuring device, which are difficult to eliminate interference when registering such signals. This disadvantage is especially pronounced during the operation of flow meters, where it is necessary to independently and simultaneously measure both the fluid flow rate and its level. In particular, in the well-known electromagnetic flow meter [GOS register of the Russian Federation No. 19388-00], the liquid level is measured by an autonomous touch pressure sensor. Such a sensor gives the flowmeter a number of positive qualities: compactness, comparative simplicity of the device, and satisfactory sensitivity. At the same time, such a sensor is sensitive to electromagnetic interference, as well as to changes in external pressure (in particular, atmospheric pressure) and various polluting precipitations that fall out of the flowing fluid. Therefore, electromagnetic flow meters, due to the above reasons, are difficult to design and operate.

Укажем еще на один тип расходомера, который одновременно измеряет и скорость потока жидкости, и ее уровень [патент РФ на изобретение №2251080]. В таком расходомере функциональный блок измерения скорости потока жидкости выполнен в форме поворотной лопасти, один конец которой закреплен на оси вращения, а другой конец свободно погружен в жидкость. За счет скорости движения жидкость оказывает динамическое давление на лопасть и поворачивает ее относительно вертикали на определенный угол, пропорциональный скорости потока, которая достаточно точно измеряется. Второй функциональный измерительный блок расходомера выполнен в виде свободного поплавка, скрепленного с рычагом, который свободно поворачивается на оси вращения в вертикальной плоскости на угол α, пропорциональный уровню жидкости. По этим двум углам поворота α и β расчетно определяется уровень жидкости в канале, средняя скорость, расход и объем потока жидкости в канале. Такие расходомеры хорошо работают в каналах, на дне которых отсутствует или имеется стабильный уровень отложений. Однако увеличение уровня отложений выше установленного зазора между дном канала и нижним концом лопасти приводит к искажению результатов измерения параметров потока. Следует отметить, что увеличение уровня отложений на дне канала выше допустимых значений приводит к искажению измерения параметров потока при эксплуатации всех известных прототипов безнапорных расходомеров.We point out another type of flow meter that simultaneously measures both the liquid flow rate and its level [RF patent for invention No. 2251080]. In such a flowmeter, the functional unit for measuring the flow rate of the liquid is made in the form of a rotary blade, one end of which is fixed to the axis of rotation, and the other end is freely immersed in the liquid. Due to the speed of movement, the fluid exerts dynamic pressure on the blade and rotates it relative to the vertical by a certain angle proportional to the flow velocity, which is measured quite accurately. The second functional measuring unit of the flowmeter is made in the form of a free float, fastened with a lever, which freely rotates on the axis of rotation in a vertical plane by an angle α proportional to the liquid level. From these two rotation angles α and β, the liquid level in the channel, the average speed, flow rate and the volume of the liquid flow in the channel are calculated. Such flowmeters work well in channels at the bottom of which there is no or a stable level of deposits. However, an increase in the level of deposits above the established gap between the bottom of the channel and the lower end of the blade leads to a distortion of the measurement results of the flow parameters. It should be noted that an increase in the level of deposits at the bottom of the channel above the permissible values leads to a distortion in the measurement of flow parameters during operation of all known prototypes of pressure-free flow meters.

Особо подчеркнем известный класс расходомеров ультразвукового типа G01P 005/18; G01P 005/24.We emphasize the well-known class of ultrasonic flow meters G01P 005/18; G01P 005/24.

В своей основе данные расходомеры работают на использовании эффекта Доплера и эффекта бокового скоса узкого ультразвукового луча в текущей среде [Под редакцией И.П.Голяминой. Ультразвук. «Советская энциклопедия», Москва, 1979, с.300].Basically, these flowmeters operate on the use of the Doppler effect and the effect of the lateral bevel of a narrow ultrasound beam in the current medium [Edited by I.P. Golyamina. Ultrasound. "Soviet Encyclopedia", Moscow, 1979, p. 300].

Доплеровский метод измерения состоит в следующем. Ультразвуковые импульсы, посылаемые по или против потока среды на заданном «отрезке» трубы приобретают временной сдвиг, а также фазовый и частотный набеги, которые пропорциональны скорости потока. Из этих данных расчетно определяется расход жидкости. Однако данный метод чувствителен к различным загрязнителям текущей среды, которые порождают шумовой фон, затрудняющий прием и обработку сигналов.The Doppler measurement method is as follows. Ultrasonic pulses sent along or against the flow of the medium at a given “pipe segment” acquire a time shift, as well as phase and frequency raids, which are proportional to the flow velocity. From these data, the liquid flow rate is calculated. However, this method is sensitive to various pollutants of the current environment, which generate a noise background, which impedes the reception and processing of signals.

В случае использования метода «бокового сноса» ультразвукового луча в текущей среде его реализация осуществляется следующим образом. Излучающий преобразователь генерирует ультразвуковые импульсы поперек трубы с текущей средой. Придя на противоположную сторону трубы, импульсы приобретают снос потоком среды в сторону ее движения. Величина сноса ультразвукового импульса пропорциональна скорости потока. По величине этого сноса расчетно находятся скорость течения жидкости и объем расхода. Аналогичным образом часто определяется также скорость потока по сносу ультразвукового импульса вдоль потока. Для этой цели ультразвуковые импульсы поочередно направляются в текущую среду как вдоль ее потока, так и против потока. Регистрируя время прохождения ультразвуковых импульсов «туда» и «обратно», расчетно определяют скорость потока и объем его расхода.In the case of using the method of "lateral drift" of an ultrasonic beam in the current medium, its implementation is as follows. The emitting transducer generates ultrasonic pulses across the pipe with the current medium. Arriving on the opposite side of the pipe, the pulses acquire drift by the flow of the medium in the direction of its movement. The magnitude of the drift of the ultrasonic pulse is proportional to the flow rate. According to the magnitude of this drift, the fluid flow rate and the flow rate are calculated. Similarly, the flow velocity is often determined by drift of the ultrasonic pulse along the flow. For this purpose, ultrasonic pulses are alternately directed into the current medium both along its flow and against the flow. By registering the transit time of the ultrasonic pulses “there” and “back”, the flow rate and its flow rate are calculated.

Рассмотренные два метода измерения скорости сноса жидких потоков привлекательны тем, что функциональные измерительные блоки при этих измерениях могут находиться вне объема текущей жидкости. В жидкость направляются лишь ультразвуковые импульсы и по их «реакции» расчетно определяются скорость потока и объем его расхода.The two methods considered for measuring the drift velocity of liquid flows are attractive in that the functional measuring units in these measurements can be outside the volume of the flowing liquid. Only ultrasonic pulses are directed into the liquid and their flow rate and flow rate are calculated from their “reaction”.

К настоящему времени подобные расходомеры широко входят в практику измерения расхода жидких и газовых сред, текущих в напорных трубопроводах [Территория нефтегаз, 2008 г., №6, с.53].To date, such flowmeters are widely included in the practice of measuring the flow rate of liquid and gas media flowing in pressure pipelines [Territory neftegaz, 2008, No. 6, p. 53].

К наиболее важным достоинствам ультразвуковых расходомеров подобного класса является возможность размещения расходомеров непосредственно на поверхности трубы. При этом ультразвуковые импульсы для измерения параметров текущей среды в трубе направляются в трубу через ее стенку. Вывод ультразвуковых импульсов, несущих информацию о параметрах текущей среды, осуществляется также через стенку трубы.The most important advantages of ultrasonic flow meters of this class are the ability to place the flow meters directly on the surface of the pipe. In this case, ultrasonic pulses for measuring the parameters of the current medium in the pipe are sent to the pipe through its wall. The output of ultrasonic pulses carrying information about the parameters of the current medium is also carried out through the wall of the pipe.

Данный прогрессивный метод измерения скоростных и других характеристик текущей среды успешно реализуется лишь в напорных трубопроводах.This progressive method of measuring speed and other characteristics of the current medium is successfully implemented only in pressure pipelines.

В случае же безнапорных трубопроводов уровень текущей жидкости может принимать любые значения в пределах диаметра трубы и содержит, как правило, в себе неконтролируемые различные примеси. Вместе с тем, в безнапорных трубопроводах площадь сечения трубы может изменять свое значение из-за отложений, которые образуются на дне трубы в процессе выпадения различных примесей, содержащихся в текущей среде. Следует подчеркнуть также, что в безнапорных трубопроводах исключительно велики динамические диапазоны изменения потоков среды: по скорости от 0,01 м/с до 4 м/с, по толщине текущего слоя среды от 1-3 см до величины диаметра трубопровода.In the case of pressure-free pipelines, the level of the flowing liquid can take on any value within the diameter of the pipe and, as a rule, contains various uncontrolled various impurities. At the same time, in pressure-free pipelines, the cross-sectional area of the pipe can change its value due to deposits that are formed at the bottom of the pipe during the deposition of various impurities contained in the current medium. It should also be emphasized that in non-pressure pipelines, the dynamic ranges of changes in the flow of the medium are extremely large: in speed from 0.01 m / s to 4 m / s, in the thickness of the current layer of the medium from 1-3 cm to the diameter of the pipeline.

Указанные выше динамические диапазоны разброса скоростей и объема текущей среды препятствуют прямому переносу упомянутого прогрессивного метода на безнапорные трубопроводы.The aforementioned dynamic ranges of the velocity and volume distribution of the current medium prevent the direct transfer of the aforementioned progressive method to pressureless pipelines.

Мы принимаем все же указанный прогрессивный метод в качестве прототипа.We accept nevertheless the indicated progressive method as a prototype.

Целью изобретения является адаптирование методов и технических средств измерения характеристик жидких сред, текущих в напорных трубопроводах, к условиям работы в безнапорных трубопроводах. Такое адаптирование направлено на повышение точности измерения различных параметров текущих сред (скорости и объема расхода в широком диапазоне их значений), а также для контроля технического состояния трубопровода.The aim of the invention is the adaptation of methods and technical means for measuring the characteristics of liquid media flowing in pressure pipelines to working conditions in pressure-free pipelines. Such adaptation is aimed at improving the accuracy of measuring various parameters of current media (flow rate and volume in a wide range of their values), as well as to control the technical condition of the pipeline.

Поставленная цель достигается тем, что в основу работы излучающего преобразователя вводится новый принцип формирования ультразвуковых импульсных лучей, пересекающих трубопровод под разными углами к диаметру трубопровода. Сущность этого принципа поясняется на фиг.1 и 2, где приняты следующие обозначения:This goal is achieved by the fact that the basis of the work of the emitting transducer introduces a new principle for the formation of ultrasonic pulsed rays crossing the pipeline at different angles to the diameter of the pipeline. The essence of this principle is illustrated in figures 1 and 2, where the following notation:

1 - трубопровод с внутренним диаметром Dу:1 - pipeline with an inner diameter of Du:

2 - преобразователи электрических ультразвуковых импульсных сигналов; O₁ и O₂ - их условные центры;2 - converters of electrical ultrasonic pulse signals; O ₁ and O ₂ are their conditional centers;

3 - блок управления, приема и обработки сигналов;3 - control unit, receiving and processing signals;

4 - блок измерения уровня жидкости;4 - unit for measuring the liquid level;

5 - блок измерения средней скорости потока жидкости;5 - unit for measuring the average fluid flow rate;

6 - текущая среда с толщиной слоя h₂;6 - current medium with a layer thickness of h ₂ ;

h₀ - высота жесткого подвеса у.з. преобразователя;h ₀ - the height of the hard suspension converter;

h₁ - уровень текущей среды относительно положения преобразователей;h ₁ - level of the current medium relative to the position of the transducers;

h₃ - толщина слоя донных отложений на дне трубы;h ₃ - the thickness of the layer of bottom sediments at the bottom of the pipe;

- вектор скорости потока жидкой среды;

- vector of the fluid flow rate;

α, β, γ - углы падения, отражения и преломления ультразвуковых лучей, ход направления которых обозначен стрелками;α, β, γ — angles of incidence, reflection and refraction of ultrasonic rays, the direction of which is indicated by arrows;

z, x - вертикальная и горизонтальная оси координат;z, x - vertical and horizontal coordinate axes;

А, В, С, D, Е - характерные точки падения, отражения и преломления ультразвуковых лучей;A, B, C, D, E - characteristic points of incidence, reflection and refraction of ultrasonic rays;

L - расстояние между ультразвуковыми преобразователями 2.L is the distance between the ultrasonic transducers 2.

Принцип работы обсуждаемого расходомера рассмотрим на двух частных случаях.The principle of operation of the discussed flowmeter will be considered in two special cases.

А. жидкая среда в трубе неподвижна

. Расстояние L между ультразвуковыми преобразователями 2 задано конструктивно. Задано также расстояние H между центрами ультразвуковых преобразователей и дном трубы по вертикали.A. The fluid in the pipe is stationary

. The distance L between the ultrasonic transducers 2 is set constructively. The distance H between the centers of the ultrasonic transducers and the bottom of the pipe vertically is also specified.

Уровень жидкости в трубе может определяться двумя независимыми методами. Первый из них - зондирование поверхности среды по типу эхолота и с помощью ультразвуковых импульсов по вертикали, проходящих через ультразвуковые преобразователи. Второй метод определения уровня жидкости осуществляется путем измерения угла β₀, который образуется между вертикалью и траекторией луча O₁-F-O₂, где точка F - место отражения ультразвукового луча от поверхности жидкой среды. В этом случае h₁=O₁F·sinβ₀.The fluid level in the pipe can be determined by two independent methods. The first of them is sounding the surface of the medium by the type of echo sounder and using ultrasonic pulses vertically passing through ultrasonic transducers. The second method for determining the liquid level is carried out by measuring the angle β ₀ , which is formed between the vertical and the path of the beam O ₁ -FO ₂ , where the point F is the reflection point of the ultrasonic beam from the surface of the liquid medium. In this case, h ₁ = O ₁ F · sinβ ₀ .

Толщина слоя жидкой среды h₂ определяется методом вертикального зондирования с помощью ультразвуковых импульсов от преобразователей 2. Ультразвуковой импульс, распространяясь, например, от преобразователя 2 с центром в точке O₁, проходит путь от точки O₁ до поверхности жидкости, где луч частично отражается и регистрируется в этом же преобразователе. Прошедшая часть мощности луча в жидкую среду движется в ней вглубь и достигает поверхности слоя отложений на дне грубы; частично отражается обратно и также регистрируется этим же преобразователем. Проходящая же часть луча в слое отложений доходит до внутренней границы трубы, часть луча отражается от нее и возвращается в исходный преобразователь, где также регистрируется. При заданном диаметре трубы Dу, зная время выхода зондирующего импульса из ультразвукового преобразователя, а также время регистрации прихода отраженных сигналов при типовой табличной скорости распространения ультразвуковых сигналов через жидкую среду, расчетно определяются толщина слоя жидкости h₂, толщина слоя донных отложений h₃ и типовая скорость распространения сигнала в слое отложений.The thickness of the liquid layer h ₂ is determined by the method of vertical sounding using ultrasonic pulses from the transducers 2. An ultrasonic pulse, propagating, for example, from the transducer 2 centered at point O ₁ , travels from point O ₁ to the surface of the liquid, where the beam is partially reflected and registered in the same converter. The transmitted part of the beam power into the liquid medium moves deep into it and reaches the surface of the sediment layer at the bottom; It is partially reflected back and is also registered by the same converter. The passing part of the beam in the sediment layer reaches the inner boundary of the pipe, part of the beam is reflected from it and returns to the original transducer, where it is also recorded. For a given pipe diameter Dу, knowing the time of the probe pulse exit from the ultrasonic transducer, as well as the time of registration of the reflected signals arrival at a typical tabular speed of ultrasonic signals propagation through the liquid medium, the thickness of the liquid layer h ₂ , the layer thickness of the bottom sediments h ₃ and the typical speed are calculated signal propagation in the sediment layer.

Рассмотрим теперь схему распространения ультразвуковых лучей в неподвижной среде

, изображенной па фиг.1, которая должна использоваться затем в рабочем режиме расходомера, т.е. при

Let us now consider the scheme of propagation of ultrasonic rays in a stationary medium

1, which should then be used in the operating mode of the flow meter, i.e. at

В силу симметрии схемы распространения ультразвуковых лучей относительно вертикали по оси Z ультразвуковой луч, выходящий, например, из ультразвукового преобразователя 2 с центром в точке О₁ под углом β, распространяется от точки O₁ до ультразвукового преобразователя с центром в точке O₂ по траектории O₁-A-B-C-D-E-O₂. Такое симметричное «замыкание» траекторией цепочки обеспечивается вариацией угла β с помощью преобразователей 2. На границах перехода разных сред ультразвуковой луч всякий раз преломляется (и частично отражается) и достигает второго преобразователя в точке O₂. Общее время прохождения луча от O₁ до O₂ складывается из суммы времен движения по отдельным цепочкам.Due to the symmetry of the ultrasonic ray propagation pattern with respect to the vertical axis along the Z axis, an ultrasonic beam emanating, for example, from an ultrasonic transducer 2 centered at point O ₁ at an angle β, propagates from point O ₁ to an ultrasonic transducer centered at point O ₂ along the path O ₁ -ABCDEO ₂ . Such a symmetrical “closure” by the path of the chain is provided by varying the angle β using transducers 2. At the boundaries of the transition of different media, the ultrasound beam refracts (and partially reflects) each time and reaches the second transducer at point O ₂ . The total beam travel time from O ₁ to O _{2 is} the sum of the travel times in the individual chains.

В силу принципа обратимости скорости движения ультразвуковых сигналов «туда» и «обратно» времена их взаимно равны. Эта инвариантная величина позволяет дополнительно уточнять среднюю скорость движения жидкой среды по трубопроводу.Due to the principle of reversibility of the speed of movement of ultrasonic signals “there” and “back”, their times are mutually equal. This invariant value allows you to further refine the average velocity of the liquid medium through the pipeline.

Б. Жидкая среда в трубопроводе находится в движении

, т.е. расходомер находится в рабочем режиме. Динамика геометрии распространения ультразвуковых лучей для данного режима работы расходомера представлена на фиг.2. Из этой схемы видно, что общая «картина» распространения улыразвуковых лучей практически сохранилась, что и для случая

Однако в этом режиме происходит системный продольный снос данной «геометрии» в сторону течения среды на величину СС*. Из данной величины расчетным путем находится средняя скорость течения среды в трубопроводе.B. The fluid in the pipeline is in motion

, i.e. the flowmeter is in operation. The dynamics of the propagation geometry of ultrasonic rays for a given mode of operation of the flowmeter is shown in Fig.2. It can be seen from this scheme that the general “picture” of the propagation of ultrasound rays has practically been preserved, as for the case

However, in this mode, a systemic longitudinal drift of this “geometry” occurs towards the medium flow by the value of CC *. From this value, the average flow rate of the medium in the pipeline is calculated.

Однако в тех случаях, когда уровень текущей среды в трубе очень низок, т.е. h₂≈1-3 см, и скорость потока мала - V≈0,01 м/сек, то в данном устройстве реализован также и второй диапазон измерения для столь слабых потоков среды. Технически это достигается тем, что ультразвуковые лучи, генерируемые ультразвуковым преобразователем 7, закрепленным перпендикулярно потоку, направляются по внутренней поверхности трубы в ее диаметральной плоскости, как показано на фиг.3. Лучи пробегают текущую среду, которая движется вдоль трубы, поперек скорости течения. Ультразвуковой луч, проходя расстояние, равное хорде l (фиг.3), приобретают снос вдоль течения на величину ΔX вдоль оси трубы. Ультразвуковой луч продолжает движение по второму кругу, третьему и т.д. В каждом обороте кругового движения ультразвуковой луч смещается по винтовой линии в сторону течения жидкости. Это смещение регистрируется ультразвуковыми датчиками, закрепленными на внутренней стенке трубопровода симметрично, относительно преобразователя 7. По этой информации определяется скорость и направление потока жидкости.However, in cases where the level of the current medium in the pipe is very low, i.e. h ₂ ≈1-3 cm, and the flow velocity is small - V≈0.01 m / s, then this device also implements the second measurement range for such weak flows of the medium. Technically, this is achieved by the fact that the ultrasonic rays generated by the ultrasonic transducer 7, mounted perpendicular to the flow, are directed along the inner surface of the pipe in its diametrical plane, as shown in Fig.3. Rays run through the current medium, which moves along the pipe, across the flow velocity. An ultrasonic beam, passing a distance equal to the chord l (Fig. 3), acquire drift along the flow by ΔX along the axis of the pipe. The ultrasound beam continues to move in the second circle, third, etc. In each revolution of a circular motion, the ultrasonic beam is displaced along a helix in the direction of fluid flow. This displacement is recorded by ultrasonic sensors mounted symmetrically on the inner wall of the pipeline relative to the transducer 7. The velocity and direction of fluid flow are determined from this information.

Основным новым техническим узлом, разработанным для данного типа расходомера, является преобразователь электрических и ультразвуковых импульсных сигналов - для излучения и приема сигналов. Преобразователь изображен на фиг.4. Здесь приняты следующие обозначения:The main new technical unit developed for this type of flowmeter is a transducer of electrical and ultrasonic pulsed signals - for radiation and reception of signals. The converter is shown in Fig.4. The following notation is accepted here:

8 - ультразвуковые излучающие элементы, работающие в режиме передачи и приема ультразвуковых сигналов, на электроды которых подаются электрические импульсы Λt₁ и Λt₂;8 - ultrasonic emitting elements operating in the mode of transmission and reception of ultrasonic signals, the electrodes of which are supplied with electrical pulses Λt ₁ and Λt ₂ ;

9 - канал распространения ультразвуковых сигналов, выполненный в форме полого кольца;9 - channel for the propagation of ultrasonic signals, made in the form of a hollow ring;

10 - внешнее ограничительное кольцо конструкции;10 - an external restrictive ring of a design;

11 - внутреннее ограничительное кольцо, выполненное из жесткого диэлектрического материала;11 - an internal restrictive ring made of rigid dielectric material;

12 - боковые ограничительные стенки конструкции;12 - lateral bounding walls of the structure;

13 - прокладка из звукопоглощающего материала.13 - gasket of sound-absorbing material.

Ультразвуковые излучающие элементы 8 под воздействием электрических импульсов Λt₁ и Λt₂, подаваемых на их электроды с заданной задержкой по времени, генерируют ультразвуковые импульсы, которые распространяются по кольцу 9 навстречу друг другу. В заданной точке кольца ультразвуковые импульсы встречаются и создают новый ультразвуковой импульс с удвоенной амплитудой, который излучается в радиальном направлении через стенку 10 во внешнее пространство. Фактически, такой излучатель действует по принципу работы «реохорда». Сформированный таким образом ультразвуковой луч на выходе преобразователя может быть направлен под любым заданным углом в пределах 2π радиан, как указано на фиг.4. В свою очередь, внешний ультразвуковой сигнал, поступая в преобразователь, создает в нем в точке входа импульсное давление, которое затем распространяется по кольцу 9 в противоположных направлениях. Под воздействием этого сигнала в ультразвуковых излучающих элементах 8 формируются электрические импульсы с некоторой взаимной задержкой, пропорциональной длине плеч «реохорда». По взаимной временной задержке этих сигналов и их знаку определяется направление, по которому поступил ультразвуковой сигнал на преобразователь.Ultrasonic emitting elements 8 under the influence of electric pulses Λt ₁ and Λt ₂ supplied to their electrodes with a given time delay generate ultrasonic pulses that propagate along the ring 9 towards each other. At a given point in the ring, ultrasonic pulses meet and create a new ultrasonic pulse with doubled amplitude, which is radially radiated through the wall 10 into the outer space. In fact, such a radiator operates on the principle of the “rechord”. The ultrasound beam thus formed at the output of the transducer can be directed at any given angle within 2π radians, as indicated in FIG. 4. In turn, the external ultrasonic signal entering the transducer creates a pulse pressure in it at the entry point, which then propagates along the ring 9 in opposite directions. Under the influence of this signal, electric pulses are formed in the ultrasonic emitting elements 8 with a certain mutual delay proportional to the length of the “rechord” shoulders. The mutual time delay of these signals and their sign determines the direction in which the ultrasonic signal arrived at the transducer.

По излучаемым и принимаемым ультразвуковым сигналам в результате их расчетной обработки находится вся необходимая информация о текущей среде: уровне, средней скорости, расходе, направлении потока жидкости, а также, в ряде случаев, о составе жидкой среды, толщине и структуре донного отложения.Based on the emitted and received ultrasonic signals as a result of their calculated processing, all the necessary information is found on the current medium: level, average speed, flow rate, direction of fluid flow, as well as, in some cases, on the composition of the liquid medium, thickness and structure of the bottom sediment.

Рекомендуемый режим работы ультразвукового преобразователя таков: характерная частота ультразвуковых импульсов должна составлять несколько килогерц, а длительность - в пределах 10^-7-10^-6 сек.The recommended operating mode of the ultrasonic transducer is as follows: the characteristic frequency of ultrasonic pulses should be several kilohertz, and the duration should be within 10 ^-7 -10 ^-6 sec.

Для проверки работоспособности предлагаемого устройства ультразвукового расходомера жидких сред в безнапорных трубопроводах было проведено численное моделирование по определению средней скорости потока жидкости в трубе. Численный эксперимент подтвердил основные физико-технические положения работы данного устройства. Вместе с тем в стендовом опыте проверен также принцип сложения двух ультразвуковых импульсов для образования суммарного импульса с заданной амплитудой (вплоть до удвоенного значения).To test the operability of the proposed device of an ultrasonic liquid flow meter in pressure-free pipelines, numerical modeling was carried out to determine the average fluid flow rate 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 pulses for the formation of a total pulse with a given amplitude (up to a double value) was also tested in a bench experiment.

Данный вариант осуществления изобретения не исключает иных вариантов устройства ультразвуковых расходомеров в пределах формулы изобретения.This embodiment of the invention does not exclude other device arrangements for ultrasonic flow meters within the scope of the claims.

Таким образом, изобретение в техническом и функциональном отношениях приобрело новый качественный уровень работы расходомера жидких сред в безнапорных трубопроводах.Thus, the invention, in technical and functional terms, has acquired a new qualitative level of liquid flowmeter operation in pressure-free pipelines.

Устройство приобрело высокую эффективность работы в расширенном динамическом диапазоне скоростей потока жидких сред и точного измерения объемов их расхода, а также высокую надежность функционирования в широком спектре диаметров существующих трубопроводов.The device has gained high efficiency in the extended dynamic range of fluid flow rates and accurate measurement of their flow rates, as well as high reliability in a wide range of diameters of existing pipelines.

Claims

A liquid flow meter in non-pressure pipelines comprising a unit for measuring a liquid level and a unit for measuring an average fluid flow rate, as well as an electronic control unit for receiving and processing signals, characterized in that the unit for measuring a liquid level and a unit for measuring an average flow rate are made in the form of a single functional a device operating on the principle of the “two-arm reochord”, in which there is a converter of electrical and acoustic pulse signals, and this device is made in the form e of a hollow ring of dielectric material filled with a non-conductive medium such as transformer oil, while the ring has a transverse section, at the ends of which are mounted ultrasonic emitting elements that are connected to the control unit, receiving and processing signals, and the complete set of the flowmeter contains two identical devices, which rigidly fixed on the upper inner surface of the pipe with a fixed distance along the pipe.