UA121664U

UA121664U - ULTRASONIC METHOD OF MEASURING THE COST OF LIQUID AND / OR GAS ENVIRONMENTS

Info

Publication number: UA121664U
Application number: UAU201706593U
Authority: UA
Inventors: Йосип Йосипович Білинський; Оксана Степанівна Городецька; Микола Володимирович Гладишевський; Ярослав Вікторович Яхимович
Original assignee: Вінницький Національний Технічний Університет
Priority date: 2017-06-26
Filing date: 2017-06-26
Publication date: 2017-12-11

Abstract

Ультразвуковий спосіб вимірювання витрат рідких і/або газоподібних середовищ включає випромінювання ультразвукових коливань за потоком або проти потоку досліджуваного середовища, прийом коливань, що пройшли через середовище, з перетворенням в електричні сигнали, при цьому електроакустичні перетворювачі розташовано так, що зовнішня випромінююча поверхня кожного суміщена з внутрішньою поверхнею трубопроводу, подачу сигналу проводять із зміною частоти. При цьому, при наявності руху потоку досліджуваного середовища отримують амплітудно-частотні характеристики сигналів за і проти потоку та знаходять максимальне значення амплітуди на кожній амплітудно-частотній характеристиці, що відповідає певним частотам, за різницею яких програмним забезпеченням мікроконтролера розраховують швидкість потоку та витрати середовища, що протікає по трубопроводу.An ultrasonic method for measuring the flow of liquid and / or gaseous media involves the emission of ultrasonic vibrations downstream or against the flow of the test medium, receiving oscillations passed through the medium, with conversion to electrical signals, with the electroacoustic transducers arranged so that the external radiant the inner surface of the pipeline, the signal is carried out with a change of frequency. Thus, in the presence of movement of the flow of the test environment receive the amplitude-frequency characteristics of the signals for and against the flow and find the maximum value of the amplitude for each amplitude-frequency response corresponding to certain frequencies, the difference between which the software of the microcontroller calculate the flow rate, flow rates and flow rates flows through the pipeline.

Description

Корисна модель належить до вимірювальної техніки, а саме до ультразвукових способів вимірювання витрат рідких і газоподібних середовищ, і може бути використана в нафтовій та газовій промисловості.The utility model belongs to the measuring technique, namely to the ultrasonic methods of measuring the consumption of liquid and gaseous media, and can be used in the oil and gas industry.

Відомий "Ультразвуковий спосіб вимірювання витрат рідких та/або газоподібних середовищ"The well-known "Ultrasonic method of measuring the consumption of liquid and/or gaseous media"

ІПатент Російської федерації Мо 2264602, МПК СІОТІЕ 1/66, опубл. 20.11.2005). Даний спосіб включає випромінювання ультразвукових коливань за потоком або проти потоку вимірюваного середовища, прийом коливань, що пройшли через середовище, з перетворенням в електричні сигнали і випромінювання ультразвукових коливань проти потоку або за потоком вимірюваного середовища, прийом коливань, що пройшли через середовище, з подальшим перетворенням в електричні сигнали, аналіз вищевказаних електричних сигналів для визначення різниці часу проходження ультразвукових коливань за потоком і проти нього для обчислення витрати середовища, при цьому використовують як мінімум два оборотних електроакустичних перетворювачі, кожен з яких має діаграму спрямованості з кутом розхилу не менше 60" у різних площинах перерізу і розташований на вимірювальній ділянці трубопроводу таким чином, що вісь діаграми спрямованості переважно перпендикулярна поздовжній осі трубопроводу і зовнішня випромінююча поверхня кожного оборотного електроакустичного перетворювача переважно суміщена з внутрішньою поверхнею трубопроводу, перший оборотний електроакустичний перетворювач зміщений відносно другого за напрямом потоку на відстань не більше 2,5:О0, де ОО - діаметр трубопроводу, причому здійснюють вищезазначений аналіз електричних сигналів, перетворених від ультразвукових коливань, що пройшли безпосередньо від перетворювача до перетворювача, та/(або електричних сигналів - від ультразвукових коливань, що пройшли через одноразове та/або багатократне відбиття від внутрішньої поверхні трубопроводу.IPatent of the Russian Federation No. 2264602, IPC SIOTIE 1/66, publ. 20.11.2005). This method includes the emission of ultrasonic vibrations downstream or against the flow of the measured medium, the reception of vibrations that have passed through the medium, with conversion into electrical signals and the emission of ultrasonic vibrations against the flow or downstream of the flow of the measured medium, the reception of vibrations that have passed through the medium, with further conversion into electrical signals, analysis of the above-mentioned electrical signals to determine the difference in the time of passage of ultrasonic oscillations downstream and against it to calculate the flow rate of the medium, while using at least two reversible electroacoustic transducers, each of which has a directional pattern with a deviation angle of at least 60" in different cross-sectional planes and located on the measuring section of the pipeline in such a way that the axis of the directional diagram is preferably perpendicular to the longitudinal axis of the pipeline and the outer radiating surface of each reversible electroacoustic transducer is preferably aligned with the inner surface erhnye of the pipeline, the first reversible electroacoustic transducer is offset relative to the second in the flow direction by a distance of no more than 2.5:О0, where ОО is the diameter of the pipeline, and the above analysis of electrical signals converted from ultrasonic vibrations that passed directly from the transducer to the transducer is carried out, and /(or electrical signals - from ultrasonic vibrations that have passed through a single and/or multiple reflection from the inner surface of the pipeline.

Недоліком даного способу є отримання інформації в дискретні моменти часу, що відповідають 10-6...1077 с. При цьому точність вимірювання повинна бути не менше 107 с, що викликає труднощі вимірювання, і, як наслідок, зберігається висока похибка.The disadvantage of this method is obtaining information at discrete moments of time corresponding to 10-6...1077 s. At the same time, the measurement accuracy must be at least 107 s, which causes measurement difficulties, and as a result, a high error remains.

Найбільш близьким способом до запропонованого є "Ультразвуковий спосіб вимірювання витрат рідких та/або газоподібних середовищ" (Патент України Мо 98518, МПК СО1Е 1/00, опубл. 27.04.2015), який включає випромінювання ультразвукових коливань за потоком або протиThe closest method to the one proposed is the "Ultrasonic method of measuring the consumption of liquid and/or gaseous media" (Patent of Ukraine Mo 98518, МПК СО1Е 1/00, publ. 27.04.2015), which includes the emission of ultrasonic vibrations downstream or against the flow

Зо потоку досліджуваного середовища, прийом коливань, що пройшли через середовище, з перетворенням в електричні сигнали, при цьому електроакустичні перетворювачі розташовано так, що зовнішня випромінююча поверхня кожного суміщена з внутрішньою поверхнею трубопроводу, перший електроакустичний перетворювач зміщений відносно другого за напрямом потоку на відстань не більше 2,50, де 0 - внутрішній діаметр трубопроводу, крім того подачу сигналу проводять із зміною частоти, реєструють зміну амплітуди сигналів, що приймаються п'єзоелектричними перетворювачами, визначають максимальну амплітуду та частоту, що відповідає даному максимальному значенню, за якими розраховують швидкість потоку та витрати середовища, яке протікає по трубопроводу.From the flow of the medium under study, the reception of vibrations that have passed through the medium with conversion into electrical signals, while the electroacoustic transducers are located so that the outer radiating surface of each is aligned with the inner surface of the pipeline, the first electroacoustic transducer is offset relative to the second in the direction of flow by a distance of no more 2.50, where 0 is the internal diameter of the pipeline, in addition, the signal is transmitted with a change in frequency, the change in the amplitude of the signals received by the piezoelectric transducers is recorded, the maximum amplitude and frequency corresponding to this maximum value are determined, which are used to calculate the flow rate and consumption of the medium flowing through the pipeline.

Недоліком даного способу є невисока чутливість, пов'язана з тим, що зміна швидкості потоку призводить до зміни амплітуди сигналу, яка нижча порогу чутливості.The disadvantage of this method is low sensitivity, due to the fact that a change in the flow rate leads to a change in the signal amplitude, which is below the sensitivity threshold.

В основу корисної моделі поставлена задача створення способу, в якому за рахунок введення нових операцій та їх послідовності досягається можливість підвищити чутливість визначення витрат рідких і/або газоподібних середовищ.The basis of a useful model is the task of creating a method in which, due to the introduction of new operations and their sequence, it is possible to increase the sensitivity of determining the consumption of liquid and/or gaseous media.

Поставлена задача вирішується тим, що спосіб включає випромінювання ультразвукових коливань за потоком або проти потоку досліджуваного середовища, прийом коливань, що пройшли через середовище, з перетворенням в електричні сигнали, при цьому електроакустичні перетворювачі розташовано так, що зовнішня випромінююча поверхня кожного суміщена з внутрішньою поверхнею трубопроводу, подачу сигналу проводять із зміною частоти, крім того при наявності руху потоку досліджуваного середовища отримують амплітудно-частотні характеристики сигналів за і проти потоку та знаходять максимальне значення амплітуди на кожній амплітудно-частотній характеристиці, що відповідає певним частотам, за різницею яких програмним забезпеченням мікроконтролера розраховують швидкість потоку та витрати середовища, що протікає по трубопроводу.The task is solved by the fact that the method includes the emission of ultrasonic vibrations downstream or against the flow of the medium under study, reception of vibrations that have passed through the medium, with conversion into electrical signals, while the electroacoustic transducers are located in such a way that the outer radiating surface of each is aligned with the inner surface of the pipeline , the signal is sent with a change in frequency, in addition, in the presence of the flow of the medium under study, the amplitude-frequency characteristics of the signals upstream and downstream are obtained and the maximum value of the amplitude is found on each amplitude-frequency characteristic corresponding to certain frequencies, the difference of which is calculated by the microcontroller software flow rate and flow rate of the medium flowing through the pipeline.

На фіг. 1 наведено блок-схему пристрою, що реалізує запропонований спосіб, на фіг. 2 - амплітудно-частотну характеристику сигналів при різних швидкостях потоку досліджуваного середовища в трубопроводі (Мз » М2 » Мі).In fig. 1 shows a block diagram of the device that implements the proposed method, in fig. 2 - amplitude-frequency characteristic of signals at different flow rates of the medium under investigation in the pipeline (Mz » M2 » Mi).

Ультразвуковий витратомір містить блок 1 формування та аналізу електричних імпульсів, пов'язаний з двома електроакустичними перетворювачами 2 і 3, наприклад, мембранного типу, кожен з яких розташований на вимірювальній ділянці 4 трубопроводу так, що зовнішня 60 випромінююча поверхня кожного суміщена з внутрішньою поверхнею трубопроводу, причому електроакустичні перетворювачі 2 і З розташовуються на різних твірних трубопроводу. Блок 1 формування та аналізу електричних імпульсів містить контролер 5, з'єднаний з індикатором 6 та з послідовно з'єднаними між собою генератором змінної частоти 7 та комутатором 8, вихід якого підключений до підсилювача 9, що з'єднаний з АЦП 10, що з'єднаний з контролером 5.The ultrasonic flowmeter contains a unit 1 for the formation and analysis of electrical pulses, connected to two electroacoustic transducers 2 and 3, for example, of the membrane type, each of which is located on the measuring section 4 of the pipeline so that the outer radiating surface 60 of each is aligned with the inner surface of the pipeline, and the electroacoustic transducers 2 and 3 are located on different generating pipelines. Unit 1 for the generation and analysis of electrical impulses contains a controller 5 connected to an indicator 6 and a series-connected variable frequency generator 7 and a switch 8, the output of which is connected to an amplifier 9 connected to an ADC 10, which connected to controller 5.

Комутатор 8 з'єднаний з електроакустичними перетворювачами 2 і 3.Switch 8 is connected to electroacoustic transducers 2 and 3.

Запропонований спосіб вимірювання витрат рідких і/або газоподібних середовищ реалізується наступним чином. Згідно з програмою, записаною в ПЗУ контролера 5, запускається генератор змінної частоти 7, з виходу якого синусоїдальний сигнал надходить на вхід комутатора 8, який керується контролером 5 та підключає електроакустичні перетворювачі 2 ії З, тим самим регулюючи, який з них буде випромінювачем, а який приймачем ультразвукового сигналу. З виходу комутатора 8 електричний сигнал надходить на електроакустичний перетворювач 2, який випромінює ультразвукові коливання певної частоти.The proposed method of measuring the consumption of liquid and/or gaseous media is implemented as follows. According to the program recorded in the ROM of the controller 5, the variable frequency generator 7 is started, from the output of which a sinusoidal signal enters the input of the switch 8, which is controlled by the controller 5 and connects the electroacoustic transducers 2 and 3, thereby regulating which of them will be the emitter, and which receiver of the ultrasonic signal. From the output of the switch 8, the electrical signal is sent to the electroacoustic transducer 2, which emits ultrasonic vibrations of a certain frequency.

Ультразвуковий сигнал пропускають через досліджуване середовище в стані спокою та при наявності руху потоку досліджуваного середовища. Ультразвуковий сигнал, що пройшов через потік досліджуваного середовища, надходить на електроакустичний перетворювач 3, з виходу якого електричний сигнал проходить через комутатор 8 на підсилювач 9. Підсилений сигнал надходить на АЦП 10, де оцифровується і передається на контролер 5, який обробляє і зберігає його в оперативній пам'яті.An ultrasonic signal is passed through the test medium in a state of rest and in the presence of the flow of the test medium. The ultrasonic signal, which has passed through the flow of the medium under investigation, enters the electroacoustic transducer 3, from the output of which the electrical signal passes through the switch 8 to the amplifier 9. The amplified signal enters the ADC 10, where it is digitized and transmitted to the controller 5, which processes and stores it in RAM.

Контролер 5 керує роботою генератора змінної частоти 7, який збільшує частоту сигналу, що знову проходить аналогічний шлях, в деякому діапазоні частот. Цикл закінчується, коли оцифрований сигнал після проходження через досліджуване середовище подається на контролер 5, який в пам'яті зберігає декілька амплітудно-частотних характеристик сигналів при проходженні через досліджуване середовище в стані спокою (Мі) та при наявності руху потоку досліджуваного середовища (МУ», М"з) (фіг. 2) за і проти потоку. При збільшенні швидкості потоку досліджуваного середовища в трубопроводі 4 спостерігається зміщення максимуму амплітуди в напрямку зростання частоти (Мі « Ме, « Мз, йо« Ї2 « Їз). На кожній АЧХ з використанням програмного забезпечення контролера 5 визначають максимальну амплітуду І; та частоту Її, що відповідає даному максимальному значенню, за різницею частот розраховують швидкість потоку та витрати досліджуваного середовища.The controller 5 controls the operation of the variable frequency generator 7, which increases the frequency of the signal, which again passes through a similar path, in a certain frequency range. The cycle ends when the digitized signal, after passing through the medium under study, is fed to the controller 5, which stores in memory several amplitude-frequency characteristics of the signals when passing through the medium under study in a state of rest (Mi) and in the presence of the flow of the medium under study (MU), M"z) (Fig. 2) upstream and against the flow. As the flow rate of the medium under study increases in pipeline 4, a shift of the maximum amplitude in the direction of increasing frequency is observed (Mi « Me, « Mz, yo» Y2 « Yz). On each frequency response with using the software of the controller 5 determine the maximum amplitude I and its frequency corresponding to this maximum value, and calculate the flow rate and consumption of the medium under study from the difference in frequencies.

Коо)Coo)

Claims

USEFUL MODEL FORMULA An ultrasonic method of measuring the consumption of liquid and/or gaseous media, which is characterized by the fact that it includes the emission of ultrasonic vibrations downstream or against the flow of the medium under study, reception of vibrations that have passed through the medium, with conversion into electrical signals, and electroacoustic transducers located so that the outer radiating surface of each is combined with the inner surface of the pipeline, the signal is fed with a change in frequency, which is distinguished by the fact that in the presence of the flow of the investigated medium, the amplitude-frequency characteristics of the signals upstream and downstream are obtained and the maximum value of the amplitude at each amplitude is found - the frequency characteristic corresponding to certain frequencies, by the difference of which the microcontroller software calculates the flow rate and consumption of the medium flowing through the pipeline.