RU2583127C1 - Способ ультразвукового измерения расхода жидкостей и газов - Google Patents
Способ ультразвукового измерения расхода жидкостей и газов Download PDFInfo
- Publication number
- RU2583127C1 RU2583127C1 RU2014147429/28A RU2014147429A RU2583127C1 RU 2583127 C1 RU2583127 C1 RU 2583127C1 RU 2014147429/28 A RU2014147429/28 A RU 2014147429/28A RU 2014147429 A RU2014147429 A RU 2014147429A RU 2583127 C1 RU2583127 C1 RU 2583127C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- pipeline
- flow
- flow rate
- measurements
- piezoelectric transducers
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
- G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
- G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measuring Volume Flow (AREA)
Abstract
Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам измерения расхода жидкостей и газов в трубопроводах без контакта с контролируемой средой. Изобретение может быть использовано во многих областях промышленности и жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ), в том числе там, где требуется измерение расхода на коротких прямых участках трубопровода. Способ ультразвукового измерения основан на учете изменения скорости звука в среде, вызванного колебаниями температуры и иными внешними условиями; автоматическом учете внутреннего диаметра трубопровода в направлении измерений, который может отличаться от паспортных данных из-за наличия отложений на стенках трубопровода, неидеально круглой формы в сечении, шероховатости поверхности; автоматическом учете взаимных позиций пьезопреобразователей друг относительно друга, что позволяет снизить влияние неточности монтажа (учет Δ в расчетах) и время на установку в переносных расходомерах, основанных на данном способе измерений, а также возможности реализации многоплоскостного бесконтактного расходомера. Технический результат - повышение точности измерения и удобства системы в эксплуатации. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.
Description
Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам измерения расхода жидкостей и газов в трубопроводах без контакта с контролируемой средой.
Изобретение может быть использовано во многих областях промышленности и жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ), в том числе там, где требуется измерение расхода на коротких прямых участках трубопровода.
Общей проблемой измерения жидкости и газа является их бесконтактный контроль, особенно это относится к контролю в сложных конфигурациях трубопроводов.
Общеизвестны расходомеры жидкостей и газа, применяемые в ЖКХ для измерения расходов горячей и холодной воды, см. П.П. Кремлевский. «Расходомеры и счетчики количества веществ». Изд. Политехника, С.-Петербург, 2004, стр. 5-36.
Недостатки: нужна врезка в трубопровод, замена раз в 3-4 года, погрешность измерения до 3,5%.
Известен способ по патенту РФ, «Расходомер жидких и газовых сред в напорных трубопроводах», №2411456 C1, в котором измерения расхода жидкости и газов производятся при помощи накладных расходомеров, и оба преобразователя размещены на поверхности трубы в диаметрально противоположных точках. Излучающий преобразователь содержит элемент излучения объемных ультразвуковых волн, выполненный в виде упругого стержня (или трубки, заполненной жидкостью), с изгибом в плоскости осевого сечения трубы по форме дуги, кривизна которой пропорциональна скорости потока в заданном диапазоне скоростей. К концам элемента излучения подключены управляемые линии задержки ультразвуковых импульсов, идущих от генераторов сигналов, размещенных в электронном блоке. Приемный преобразователь выполнен из пьезоэлемента, который имеет звуковой контакт с трубой в точках выхода ультразвуковых импульсов, проходящих через среду в трубе, а также по стенке трубы в поперечном ее сечении. Причем используется вертикальное зондирование двух лучей, которое в случае отсутствия течения попадает на приемный элемент после прохождения через контролируемую среду. В случае присутствия потока времена между излучениями источником двух волн варьируются так, чтобы результирующее колебание, после прохождения через среду, оказалось в точке входа приемного устройства.
Недостатком является то, что измерения с заявленной точностью могут быть проведены только на достаточно длинных прямых участках трубопровода. Принцип работы устройства не позволяет учитывать неравномерный профиль потока, что ведет к снижению точности устройства в условиях сложных конфигураций трубопровода. Данный недостаток обусловлен отсутствием возможности реализации многоплоскостной расходометрии.
Наиболее близким из известных устройств ультразвукового измерения расхода, принятым за прототип, является устройство, связанное, как минимум, с двумя обратимыми электроакустическими преобразователями, каждый из которых имеет диаграмму направленности с углом раствора не менее 60° в разных плоскостях сечения и расположенный таким образом, чтобы ось диаграммы направленности была перпендикулярна к продольной оси трубопровода. Причем внешняя излучающая поверхность каждого электроакустического преобразователя совмещена с внутренней поверхностью трубопровода. Измерения расхода проводят как минимум при помощи двух электроакустических преобразователей. Преобразователи могут быть расположены как друг напротив друга, так и иным образом, например таким, чтобы ломаная линия проходила от одного преобразователя до другого с точками излома на внутренней поверхности трубопровода (см. патент РФ №2264602, «Ультразвуковой способ измерения расхода жидких и/или газообразных сред и устройство для его осуществления», кл. G01F 1/66, от 20.11.2005, Бюл. №32).
Недостаток прототипа в том, что предполагается контакт излучающей поверхности преобразователя с контролируемой средой. Это не позволяет применять его в качестве переносного, так как при использовании накладных преобразователей возникла бы неконтролируемая погрешность их взаимного позиционирования, величина которой зависит от их количества. Также это бы сказалось на времени и сложности монтажа.
Другой недостаток состоит в том, что из-за использования врезных датчиков возникают ограничения на область применения устройств, не позволяя применять способ в случае высоких температур контролируемого вещества или, например, агрессивных сред.
Технической задачей изобретения является повышение точности измерения и удобства системы в эксплуатации.
Технический результат достигается за счет использования бесконтактных ультразвуковых многоплоскостных кластерных ячеек (обратимых пьезопреобразователей), что позволяет автоматически учесть в расчетах диаметр трубопровода, скорость звука в среде, взаимные позиции пьезопреобразователей друг относительно друга.
Для решения поставленной задачи предлагается способ ультразвукового измерения расхода жидкости и газа, основанный на применении ультразвуковых волн, причем цикл измерения состоит из восьми составляющих: четыре измерения по потоку, а четыре против потока, для чего применены четыре обратимых пьезопреобразователя, расположенные по два с каждой стороны трубопровода по диаметру или хорде и строго ориентированы между собой, причем каждый пьезопреобразователь поочередно испускает ультразвуковой импульс, который принимается двумя пьезопреобразователями с противоположной стороны трубопровода, при этом определяется время прохождения ультразвукового импульса через трубопровод и по нему определяется расход потока по формуле:
где:
Q - расход потока на исследуемом участке;
k - поправочный коэффициент, зависящий от числа Рейнольдса для потока, а также от конфигурации трубопровода;
S - площадь сечения трубопровода;
v - скорость потока;
d - внутренний диаметр трубопровода;
π - число, π =3.1415…;
предварительно рассчитывается скорость потока и внутренний диаметр по системам уравнений.
Производится восемь измерений по числу включенных пьезопреобразователей и по ним определяется расход потока, внутренний диаметр, скорость звука и смещение пьезопреобразователей одной стороны относительно другой.
На чертеже показана структурная электрическая схема способа, а именно кластерная ультразвуковая ячейка, на которой изображено:
1-4 - пьезопреобразователи (ПЭП), 5 - трубопровод, 6 - направление потока жидкости или газа, D - внутренний диаметр трубопровода, B - расстояние между ПЭПами (входной параметр), c - скорость звука в среде, v - скорость потока, Δ - смещение первичных преобразователей на одной стороне относительно другой (между точками b и g (тоже между f и d)), t13-t31, t14-t41, t23-t32, t24-t42 - ход прямых лучей между ПЭПами.
Из чертежа видно, что ячейка состоит из 4-х пьезопреобразователей (ПЭП1-ПЭП4), выступающих попеременно источником и приемником УЗ-колебаний. Причем входным параметром для вычислений является только расстояние между преобразователями (B). В ходе работы системы вычисляются времена задержки от излучения сигнала одним из 4-х ПЭПов до другого. В один момент в системе должен иметься только один излучатель, а ПЭПы на противоположной стороне должны выступать в качестве приемников, причем оба, таким образом, в системе должно быть два приемных канала и система должна иметь достаточные паузы между излучениями для того, чтобы в них укладывалось затухание каждой излученной волны. Расстояние B должно быть задано из соображений угла раскрытия диаграммы направленности.
Кластерная ячейка работает следующим образом. Вычисляемыми параметрами в системе являются D, Δ, c и v. Соответственно, для их вычисления требуется наличие 4-х уравнений типа:
где αij - угол, образованный продольной осью трубопровода и линией, соединяющей соответственно i и j ПЭП. Само значение угла зависит от многих факторов, в том числе температуры и давления контролируемой среды и трубопровода, материалов трубопровода и т.п., таким образом, точное его значение заранее рассчитано быть не может, однако угол может быть выражен через искомые величины следующим образом:
В предложенной системе уравнений типа (2) может быть 8 уравнений, соответствующих восьми измерениям, однако t13=t24; t31=t42, поэтому независимых уравнений шесть. Таким образом, все четыре искомые величины могут быть вычислены из трех систем уравнений типа:
Расчету подлежат все три системы уравнений, при помощи которых усреднением определяются искомые величины и затем рассчитывается само значение расхода потока по формуле (1).
Преимуществом предложенного способа измерений является автоматический учет таких факторов, влияющих на погрешность показаний, как:
- изменение скорости звука в среде, вызванное колебаниями температуры и иными внешними условиями;
- автоматический учет внутреннего диаметра трубопровода в направлении измерений, который может отличаться от паспортных данных из-за наличия отложений на стенках трубопровода, неидеально круглая форма в сечении, шероховатость поверхности;
- автоматический учет взаимных позиций пьезопреобразователей друг относительно друга, что позволяет снизить влияние неточности монтажа (учет Δ в расчетах) и время на установку в переносных расходомерах, основанных на данном способе измерений, а также возможности реализации многоплоскостного бесконтактного расходомера.
Ошибка измерения в предложенной схеме зависит только от точности определения расстояния между первичными преобразователями с каждой стороны и от точности измерения времен прохождения сигналов.
Claims (2)
1. Способ ультразвукового измерения расхода жидкости и газа, основанный на применении ультразвуковых волн, отличающийся тем, что цикл измерения состоит из восьми составляющих: четыре измерения по потоку, а четыре против потока, для чего применены четыре обратимых пьезопреобразователя, расположенные по два с каждой стороны трубопровода по диаметру или хорде и строго ориентированы между собой, причем каждый пьезопреобразователь поочередно испускает ультразвуковой импульс, который принимается двумя пьезопреобразователями с противоположной стороны трубопровода, при этом определяется время прохождения ультразвукового импульса через трубопровод и по нему определяется расход потока по формуле: , где:
Q - расход потока на исследуемом участке;
k - поправочный коэффициент, зависящий от числа Рейнольдса для потока, а также от конфигурации трубопровода;
S - площадь сечения трубопровода;
v - скорость потока;
d - внутренний диаметр трубопровода;
π - число, π=3.1415…;
предварительно рассчитывается скорость потока и внутренний диаметр по системам уравнений.
Q - расход потока на исследуемом участке;
k - поправочный коэффициент, зависящий от числа Рейнольдса для потока, а также от конфигурации трубопровода;
S - площадь сечения трубопровода;
v - скорость потока;
d - внутренний диаметр трубопровода;
π - число, π=3.1415…;
предварительно рассчитывается скорость потока и внутренний диаметр по системам уравнений.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что по 8-и измерениям по числу включенных пьезопреобразователей определяется расход потока, внутренний диаметр, скорость звука и смещение пьезопреобразователей одной стороны относительно другой.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014147429/28A RU2583127C1 (ru) | 2014-11-25 | 2014-11-25 | Способ ультразвукового измерения расхода жидкостей и газов |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014147429/28A RU2583127C1 (ru) | 2014-11-25 | 2014-11-25 | Способ ультразвукового измерения расхода жидкостей и газов |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2583127C1 true RU2583127C1 (ru) | 2016-05-10 |
Family
ID=55959797
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2014147429/28A RU2583127C1 (ru) | 2014-11-25 | 2014-11-25 | Способ ультразвукового измерения расхода жидкостей и газов |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2583127C1 (ru) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU787899A1 (ru) * | 1979-02-28 | 1980-12-15 | Каунасский Политехнический Институт Им.А.Снечкуса | Ультразвуковой расходомер |
US6826965B1 (en) * | 2000-10-30 | 2004-12-07 | Panametrics, Inc. | Anti-parallel tag flow measurement system |
US20080134798A1 (en) * | 2006-12-07 | 2008-06-12 | Xue-Song Scott Li | Ultrasonic flow rate measurement method and system |
RU118743U1 (ru) * | 2011-10-12 | 2012-07-27 | Общество с ограниченной ответственностью "ПК СИГНУР" | Ультразвуковой расходомер |
-
2014
- 2014-11-25 RU RU2014147429/28A patent/RU2583127C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU787899A1 (ru) * | 1979-02-28 | 1980-12-15 | Каунасский Политехнический Институт Им.А.Снечкуса | Ультразвуковой расходомер |
US6826965B1 (en) * | 2000-10-30 | 2004-12-07 | Panametrics, Inc. | Anti-parallel tag flow measurement system |
US20080134798A1 (en) * | 2006-12-07 | 2008-06-12 | Xue-Song Scott Li | Ultrasonic flow rate measurement method and system |
RU118743U1 (ru) * | 2011-10-12 | 2012-07-27 | Общество с ограниченной ответственностью "ПК СИГНУР" | Ультразвуковой расходомер |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
A1. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CA2702666C (en) | A method and system for detecting deposit buildup within an ultrasonic flow meter | |
US8960017B2 (en) | System and method for ultrasonic metering using an orifice meter fitting | |
CN103808381A (zh) | 一种时差式超声波流量计的温度影响消除方法 | |
CN105181997A (zh) | 非接触式超声波水流流速计及非接触式流速检测方法 | |
CN114088151B (zh) | 外夹式多声道超声波流量检测装置及检测方法 | |
CN203287060U (zh) | 双声道超声波流量检测系统 | |
KR20150043598A (ko) | 초음파를 이용한 배관 내 유체의 흐름에 관한 물리량 측정 방법 및 이를 위한 장치 | |
Han et al. | Studies on the transducers of clamp-on transit-time ultrasonic flow meter | |
CN108051036A (zh) | 非满管的超声波流量计及超声波流量测量系统 | |
US9188471B2 (en) | Two-phase flow sensor using cross-flow-induced vibrations | |
CN104931158A (zh) | 一种新型的超声波热量表 | |
CN105318920A (zh) | 一种超声波热量表流量管 | |
RU2583127C1 (ru) | Способ ультразвукового измерения расхода жидкостей и газов | |
CN203824576U (zh) | 流体测量装置 | |
CN203489926U (zh) | 超声波流量计 | |
Waluś | Mathematical modelling of an ultrasonic flowmeter primary device | |
RU2590338C2 (ru) | Система определения расхода жидкости и газа при помощи ультразвука и ее конструктив | |
KR102183549B1 (ko) | 초음파 다중센서를 활용한 실시간 쓰리디 유량계 | |
KR102088845B1 (ko) | 함몰배치된 초음파 진동자를 포함하는 초음파 유량계의 유속측정방법 | |
RU154465U1 (ru) | Устройство бесконтактного ультразвукового многоплоскостного расходомера | |
Nekrasov et al. | Problems of non-intrusive measurements of fluid flow parameters in pipelines | |
RU2754521C1 (ru) | Ультразвуковой расходомер и трубопровод для текучей среды | |
JP2016057062A (ja) | 流量測定方法および流量測定システム | |
KR100993617B1 (ko) | 외벽부착식 초음파 다회선 유량계 | |
Gerasimov et al. | Analysis of calibration and verification indirect methods of ultrasonic flowmeters |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20171126 |