Способ измерения массового расхода жидких и газообразных сред

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения массового расхода. Сущность изобретения: в поток излучают акустическую цилиндрическую волну, регистрируют отраженную волну и измеряют ее частоту, по которой определяют плотность среды, дополнительно излучают в поток нормальную волну на частоте, соответствующей одной из критических составляющих ряда ω_кр = a^-1x(3,83, 7,02; 10,17; 13,32...)с, где а - акустический радиус трубопровода, с - скорость звука в среде, изменяют частоту до достижения нового значения критической частоты и измеряют разность между значениями частот, по которой определяют величину объемного расхода, а величину массового расхода определяют произведением объемного расхода на плотность. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения массового расхода жидких и газообразных сред.

Известен способ определения скорости движения среды по допплеровскому смещению в частоте зондирующего излучения в акустике [1] Основные недостатки допплеровских способов: необходимость присутствия в измеряемом потоке рассеивающих, зондирующих излучение частиц; большая погрешность измерения скорости (расхода) вследствие рассеяния во все стороны (отсутствия узкой диаграммы направленности рассеянного на частицах, зондирующего излучения); нестабильность показаний вследствие влияния температурных, флуктуационных и других факторов.

Известен способ измерения расхода жидких сред, включающий зондирование поперечного сечения потока акустическими цилиндрическими волнами, регистрацию отраженных цилиндрических волн и измерение их частоты, регистрацию вторичных колебаний приемником поверхностных акустических волн, смещенным от центра цилиндрического преобразователя к периферии, и измерение их частоты, при этом величину расхода определяют по разности измеренных частот [2] Недостатком известного способа является узкий диапазон измеряемых расходов.

Техническим результатом от использования изобретения является расширение диапазона измерения в сторону малых скоростей движения среды.

Это достигается тем, что дополнительно излучают нормальную акустическую волну на частоте, соответствующей одной из критических составляющих ряда ω_кр а^-1·(3,83; 7,02; 10,17; 13,32.)·с, где a - акустический радиус трубопровода, с скорость звука в среде, изменяют частоту излучения до достижения нового значения критической частоты, измеряют разность между исходным и новым значениями частот излучения, по которой определяют величину объемного расхода, по частоте отраженных цилиндрических волн определяют плотность среды, а величину массового расхода вычисляют произведением объемного расхода на плотность.

На чертеже 1 показан вариант функциональной схемы устройства, реализующего способ.

Устройство содержит участок трубопровода 1 с излучателем акустических волн 2 на его внешней поверхности, создающий в среде внутреннего объема участка нормальные волны; приемный акустический цилиндрический преобразователь нормальных волн 3, регистрирующий прохождение нормальных волн через участок 1; приемный акустический цилиндрический преобразователь 4, регистрирующий на участке 1 радиальные колебания; акустический цилиндрический преобразователь 5, работающий последовательно в режимах излучения коротких импульсов, а затем приема после каждого импульса создаваемых им реверберационных волн в среде и предназначенного для измерения плотности среды; усилители сигналов 6; коммутатор 7 с мостовой схемой; регулятор "плавного" изменения частоты 8 генератора гармонических колебаний 9; устройство обработки информации 10; генератор импульсов 11 и частотомер 12. Для исключения возможности воздействия поверхностных волн используются акустические ловушки 13.

Способ измерения расхода жидких и газообразных сред на основе волноводных свойств участка трубопровода осуществляется следующим образом. С выхода генератора гармонических колебаний 8 электрический сигнал гармонических колебаний поступает на акустический преобразователь 2, который излучает проходящий через стенку трубопровода 1 также гармонический сигнал в заполняющую трубопровод среду. Частота колебаний нормальных волн при скорости движения среды V 0 выбирается равной значению одной из критических, составляющих ряд: ω_кр a^-1(3,83; 7,02; 10,17; 13,32.)·с_o, получаемого из последовательности нулей бесселевой функции условия: I₁(ma) 0, где а внутренний радиус участка трубопровода 1; m ω^r_i^h·Co, с_o скорость звука в лабораторной системе координат при V 0. При частоте ω = ω^к_i^р нормальная волна с волновым вектором становится нераспространяющейся, т. е. ее продольная составляющая 0, а радиальная принимает одно из критических максимальных значений: m a^-1(3,83; 7,02;). В результате, на снабженный мостовой схемой коммутатор 7 после усиления в 6 будут поступать сигналы с преобразователя 4 и будет отсутствовать сигнал с преобразователя 3. В таких ситуациях мостовая схема коммутатора 7 сбалансирована, на регулятор 8 сигнал не поступает и генератор 9 подает на излучатель 2 сигналы прежней частоты ω^к_i^р. При появлении движения среды в трубопроводе, т. е. при V≠0, и при прежней частоте ω^к_i^р, длина волны λ, а с ней и волновое число К изменяется вследствие сноса потоком излучения: . Изменение длины волны приведет к "отпиранию" трубопровода и нормальные волны, пройдя участок 1, попадают на преобразователь 3, после усиления в 6 поступают на коммутатор 7. Амплитуда радиальной составляющей колебаний среды, регистрируемая преобразователем 4, уменьшится. Произойдет разбалансировка мостовой схемы коммутатора 7, с выхода которого на регулятор 8 поступает усиленный в 6 сигнал и частота генератора 9 начинает изменяться. При этом изменяется длина и волновое число нормальной волны в трубопроводе и при трубопровод вновь запирается. Сбалансированный мост коммутатора 7 приводит к закрытию его выхода на регулятор 8; генератор 9 продолжает возбуждение излучателя 2 на частоте ω^кр_i+1. Одновременно коммутатор 7 открывает канал передачи информации с выходов преобразователей 3, 4 на устройство 10, осуществляющее расчет и выдающего информацию о скорости потока (объемном расходе). При последующих изменениях скорости движения подобная процедура повторяется до нового критического значения частоты и т.д. (знак ± определяется направлениями векторов ).

Статическая характеристика устройства имеет вид [1] где Q объемный расход, а радиус трубопровода на участке измерения 1, Δω^кр = ω^кр_i+1 - ω^к_i^р ; (i 1, 2, 3.).

Для определения массового расхода Q_m = Qρ, где ρ плотность среды, предварительно измеряют плотность среды r. Это осуществляется или преобразователем 4, или таким же преобразователем 5, но установленным вне участка 1. В первом случае преобразователь 4 кроме функции измерителя радиальных колебаний в промежутке времени установления критических частот выполняет функцию измерителя плотности. Во втором случае преобразователем 5 измеряется только плотность среды, что во многих случаях предпочтительнее. В обоих случаях при определении плотности преобразователь 4 (5) выполняет последовательно функции излучателя, а затем приемника сигналов. С этой целью с выхода генератора импульсов 11 сигналы в виде коротких импульсов поступают на преобразователь 5, который излучает в среду цилиндрические волны, распространяющиеся к цилиндрической оси преобразователя, и после обращения фронта волны на этой оси в обратном направлении от оси к внутренней стенке; затем после отражения от нее вновь образуются сходящиеся к оси цилиндрические волны и т.д. В результате, в среде внутри преобразователя создается последовательность реверберационных вол (15 20 и более, в зависимости от амплитуды, длительности импульса, радиуса a, свойств среды и т.д./, частота которых измеряется частотомером 12 и пропорциональна плотности среды: [2] где γ = C_p·C^-_v¹;; C_p, C_v теплоемкости; β_из изотермическая сжимаемость среды.

Информация о частоте с выхода частотомера 12 поступает в устройство 10, которое после вычислений по формулам [1 3] выдает информацию о плотности, объемном и массовом расходах.

Статическая характеристика массового расходомера имеет вид: [3] и не зависит (при β_из- const-const) от скорости звука в среде С_o.

Применение предлагаемого способа измерения расхода жидких и газообразных сред позволяет осуществить измерение массового расхода и повысить точность измерения за счет следующих факторов: измеряемой величиной является частота, точность измерения которой чрезвычайно высока и становится еще более высокой при использовании высоких значений критических частот; использования в качестве зондирующих нормальных волн, распространяющихся без искажений; исключения влияний абсолютной скорости звука в среде на точность измерения массового расхода, т.к. скорость звука и определяющие ее изменения - температурный фактор отсутствуют; охвата зондирующим излучением всех точек радиальной площади сечения потока измеряемой среды.

Существенным преимуществом предлагаемого способа является возможность измерения малых скоростей движения среды, не доступных ультразвуковым и иным способам измерения скорости (расхода).

Формула изобретения

Способ измерения массового расхода жидких и газообразных сред, включающий зондирование поперечного сечения потока акустическими цилиндрическими волнами, регистрацию отраженных цилиндрических волн и измерение их частоты, а также определение величины расхода, отличающийся тем, что в поток среды дополнительно излучают нормальную акустическую волну на частоте, соответствующей одной из критических составляющих ряда ω_кр a^-1 x /3,83; 7,02; 10,17; 13,32; / x c, где а акустический радиус трубопровода, c скорость звука в среде, изменяют частоту излучения до достижения нового значения критической частоты, измеряют разность между исходным и новым значениями критической частоты излучения, по которой определяют величину объемного расхода, по частоте отраженных цилиндрических волн определяют плотность среды, а величину массового расхода вычисляют произведением объемного расхода на плотность.

РИСУНКИ

Рисунок 1