RU2583127C1 - Способ ультразвукового измерения расхода жидкостей и газов - Google Patents

Способ ультразвукового измерения расхода жидкостей и газов Download PDF

Info

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
Application number
RU2014147429/28A
Other languages
English (en)
Inventor
Михаил Владимирович Ронкин
Алексей Андреевич Калмыков
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Акунар"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Акунар" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Акунар"
Priority to RU2014147429/28A priority Critical patent/RU2583127C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2583127C1 publication Critical patent/RU2583127C1/ru

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01FMEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66Measuring 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:
Figure 00000001
,
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:
Figure 00000002
,
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:
Figure 00000003
Figure 00000004
Figure 00000005
Figure 00000006
Figure 00000007
Figure 00000008
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:
Figure 00000009
Figure 00000010
Figure 00000011
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:
Figure 00000012
, 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.
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.
RU2014147429/28A 2014-11-25 2014-11-25 Способ ультразвукового измерения расхода жидкостей и газов RU2583127C1 (ru)

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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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