Прибор измерения расхода

Изобретение относится к прибору измерения расхода, содержащему измерительный датчик, имеющий трубопровод для текучей среды, два блока ультразвуковых преобразователей на фазированной решетке, расположенные на расстоянии друг от друга в продольном направлении трубопровода, выполненные с возможностью излучать и принимать ультразвуковые сигналы под различными углами, блок управления и обработки для управления блоками ультразвуковых преобразователей, обработки принятых ультразвуковых сигналов и определения расхода с использованием времени прохождения ультразвуковых сигналов по измерительным путям. Блоки ультразвуковых преобразователей определяют между собой, в зависимости от угла излучаемых ультразвуковых сигналов, по меньшей мере два измерительных пути, по которым ультразвуковые сигналы поступают от одного блока ультразвуковых преобразователей к другому блоку, и по меньшей мере один из измерительных путей имеет по меньшей мере одно отражение на стенке трубы трубопровода, и посредством отражения или отражений определены участки пути. Причем блоки ультразвуковых преобразователей расположены под углом установки, образуемым обоими соединениями между преобразователями и средней осью в виде в продольном направлении, который составляет от 20° до 140°. Технический результат - создание улучшенного прибора измерения расхода, с помощью которого с использованием секущих путей может быть достигнута высокая точность измерения с хорошим качеством сигнала. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к прибору измерения расхода на основе ультразвука.

Известны различные принципы измерения для определения скорости потока или расхода на основе ультразвука. В способе с использованием эффекта Доплера оценивают зависящее от скорости потока смещение частоты ультразвукового сигнала, отраженного внутри текущей текучей среды. В способе, основанном на разности времени прохождения, на внешней периферии трубопровода устанавливают пару ультразвуковых преобразователей с взаимным смещением в продольном направлении, которые поочередно испускают и регистрируют ультразвуковые сигналы поперек потока вдоль измерительного пути, сформированного между ультразвуковыми преобразователями. Ультразвуковые сигналы, переносимые текучей средой, ускоряются или замедляются потоком в зависимости от направления прохождения. Результирующую разность во времени прохождения вычисляют с учетом геометрических размеров для получения средней скорости потока текучей среды. С учетом площади поперечного сечения из нее получают объемный поток или расход. Для более точных измерений также могут быть предусмотрены несколько измерительных путей соответственно с парой ультразвуковых преобразователей, чтобы определить поперечное сечение потока в более чем одной точке. В случае несимметричных распределений скорости по поперечному сечению потока для высокой точности измерения требуется несколько измерительных путей, не проходящие через ось трубы, так называемые не диаметральные измерительные пути или секущие пути.

Ультразвуковые преобразователи, применяемые для генерации ультразвука, должны переносить ультразвук в текучую среду. Распространенное решение заключается во вставлении в трубопровод ультразвуковых преобразователей в прямом контакте с текучей средой. Недостатками являются возмущение потока и, следовательно, неточные результаты измерений, прямой контакт с текучей средой, ее давлением и температурой, а также возможные отложения загрязнений из текучей среды.

По существу также известны технологии, в которых внутренняя стенка остается полностью закрытой за счет того, что ультразвуковые преобразователи закрепляют снаружи на трубопроводе посредством так называемой зажимной установки, при этом ультразвук должен проходить в среду через стенку трубы.

Из докторской диссертации "Development of piezoelectric and electrodynamic flexural transducers for air-coupled ultrasonics" Тобиаса Эриксона, Университет г. Варвик, сентябрь 2016 г., доступна по ссылке https://pugwash.lib.warwick.ac.uk/record=b3084015~S15, известно применение блоков ультразвуковых преобразователей на так называемой "фазированной решетке". "Фазированная решетка" состоит из отдельных ультразвуковых преобразователей, которые расположены на решетке, и которые вместе излучают ультразвуковой сигнал с наложением, направление излучения которого может быть изменено путем изменения отдельных фаз отдельных ультразвуковых преобразователей. Эти ультразвуковые преобразователи на "фазированной решетке" вставляются в отверстия проточного канала, а затем устанавливаются как можно более заподлицо со стенкой трубы и могут излучать ультразвуковые сигналы под различными углами в зависимости от управления. Как объясняется в докторской диссертации, за счет этого одна пара блоков ультразвуковых преобразователей на фазированной решетке может заменить несколько пар традиционных ультразвуковых преобразователей, как показано на фиг.1.1 докторской диссертации.

Использование таких блоков ультразвуковых преобразователей на фазированной решетке также раскрывается, например, в работе "Two-dimensional flexural ultrasonic phased-array for flow measurement" (2017) авторов Kang, Lei, Feeney, Andrew, Su, Riliang, Lines, David, Jäger, Axel, Wang, Han, Arnaudov, Yavor Emilov, Ramadas, Sivaram Nishal, Kupnik, Mario and Dixon, Steve M. В IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS), 2017, Вашингтон, округ Колумбия, США, 6-9 сентября 2017 г., опубликовано в IEEE International: Ultrasonics Symposium (IUS), 2017, ISSN 1948-5727. Здесь используются блоки ультразвуковых преобразователей на фазированной решетке для компенсации эффекта дрейфования при высоких скоростях потока.

Однако в отношении блоков ультразвуковых преобразователей на фазированной решетке раскрыты только диаметральные измерительные пути, проходящие через ось трубы. В случае неосесимметричных профилей потока диаметральные измерительные пути приводят к неточности измеряемых значений, поскольку профиль потока определяется по поперечному сечению неудовлетворительно.

На основе данного известного уровня техники задачей настоящего изобретения является создание улучшенного устройства для измерения расхода текучей среды, с помощью которого, в частности, можно избежать вышеупомянутых недостатков, то есть обеспечить высокую точность измерения с хорошим качеством сигнала при использовании секущих путей.

Данная задача решается с помощью прибора измерения расхода для измерения расхода текучей среды по трубопроводу, имеющего признаки пункта 1 формулы изобретения.

Прибор измерения расхода согласно изобретению содержит

- измерительный датчик, имеющий трубопровод для текучей среды,

- два блока ультразвуковых преобразователей на фазированной решетке, расположенные на расстоянии друг от друга в продольном направлении трубопровода и выполненные с возможностью излучать и принимать ультразвуковые сигналы под различными углами,

- блок управления и обработки для управления блоками ультразвуковых преобразователей, обработки принятых ультразвуковых сигналов и определения расхода с использованием времени прохождения ультразвуковых сигналов по измерительным путям,

- при этом блоки ультразвуковых преобразователей определяют между собой, в зависимости от угла излучаемых ультразвуковых сигналов, по меньшей мере два измерительных пути, по которым ультразвуковые сигналы поступают от одного блока ультразвуковых преобразователей к другому блоку,

- причем по меньшей мере один из измерительных путей имеет по меньшей мере одно отражение на стенке трубы трубопровода, и посредством отражения или отражений определены участки пути. Таким образом, участок пути всегда является частью измерительного пути, на котором ультразвук может беспрепятственно распространяться прямолинейно. Согласно изобретению блоки ультразвуковых преобразователей расположены под углом установки, составляющим от 20° до 140°.

Под углом установки подразумевается угол между обоими блоками ультразвуковых преобразователей, который получается, если смотреть в продольном направлении трубопровода и рассматривать относительное положение блоков ультразвуковых преобразователей относительно друг друга на периферии трубы. Угол установки, составляющий 180°, может соответствовать диаметральному монтажу. Угол установки, составляющий 0°, соответствует расположению, показанному на фиг.1.1 упомянутой выше докторской диссертации.

Благодаря расположению согласно изобретению возможны различные измерительные пути только с двумя блоками ультразвуковых преобразователей, причем эти измерительные пути или участки этих измерительных путей находятся в значимых и различных областях поперечного сечения, так что поток лучше определяется по поперечному сечению трубопровода.

При этом заявителем было обнаружено, что особенно предпочтительно, если угол установки составляет, в частности, от 30° до 50°.

Особенно предпочтительно, если для участков пути справедливо, что r/R находится в диапазоне от 0,3 до 0,65, где R - диаметр трубы и r - наименьшее расстояние от участка пути до центральной точки. В этом случае измерительные пути с их участками пути расположены особенно оптимально для целесообразного сканирования потока. Они расположены эксцентрично, но также и не слишком близко к краю. Пути расположены в этом случае также приблизительно на гауссовых узлах. Это является предпочтительным, поскольку в гауссовом узле профиль потока не изменяется со скоростью текучей среды. В целом за счет этого обеспечивается более высокая точность измерения.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения на один измерительный путь приходится не более пяти отражений. Измерительные пути с более чем пятью отражениями не обеспечивают никаких преимуществ, поскольку многие из возможных измерительных путей с более чем пятью отражениями не могут быть разумно использованы, так как их участки пути расположены, например, вдоль края трубы или слишком центрировано и поэтому проходят почти диаметрально.

Изобретение описано более подробно ниже с помощью вариантов его осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи. На чертежах показано следующее:

фиг.1 - схематическое изображение прибора измерения расхода согласно уровню техники;

фиг.2 - схематическое изображение прибора измерения расхода согласно изобретению, если смотреть в продольном направлении трубы;

фиг.3 - схематическое изображение прибора измерения расхода согласно изобретению с фиг.2, если смотреть поперек продольному направлению трубы;

фиг.4 - схематический вид ультразвукового преобразователя на фазированной решетке;

фиг.5 - схематические изображения измерительных путей, если смотреть в продольном направлении трубы;

фиг.6 - вид, аналогичный виду с фиг.2.

На фиг.1 показан прибор 10 измерения расхода из уровня техники для описания общего принципа работы типового прибора измерения расхода. Прибор 10 измерения расхода содержит измерительный датчик 12, имеющий трубопровод 14 для текучей среды со стенкой 16 трубы. Текучая среда, газ или жидкость, текущая через трубопровод 14, показана на фиг.1 широкой стрелкой 18 и течет в направлении z вдоль продольного направления 26 трубопровода 14.

Прибор 10 измерения расхода также имеет два ультразвуковых преобразователя 20 и 22, определяющих между собой измерительный путь 24 в трубопроводе 14. Ультразвуковые преобразователи 20 и 22 расположены со смещением в направлении z потока так, что они расположены на расстоянии друг от друга в продольном направлении 26 трубопровода 14. За счет этого измерительный путь 24 расположен не перпендикулярно направлению z потока, но под углом α. Каждый из ультразвуковых преобразователей 20 и 22 может работать как излучатель или приемник и управляется блоком 28 управления и обработки.

Длина L измерительного пути 24 в текучей среде определяется углом α и диаметром трубы D. Ультразвуковые сигналы, излучаемые и принимаемые в противоположных направлениях в виде ультразвуковых волновых пакетов на измерительном пути 24, в одном случае имеют составляющую в направлении потока z, а в другом случае против направления потока z, и, таким образом, ускоряются с потоком 18 или замедляются против потока 18. Скорость потока v текучей среды 18 рассчитывается в этом способе разности времени прохождения согласно

, (1)

где t₂ и t₁ обозначают времена распространения звука, необходимые для излучаемых пакетов ультразвуковых волн для прохождения по измерительному пути 24 вверх или вниз по потоку и определяемые в блоке 28 управления и обработки. С помощью поперечного сечения трубы и скорости потока v текучей среды 18 можно затем рассчитать расход.

По такому же принципу работает прибор 110 измерения расхода согласно изобретению, очень схематично показанный на фиг. 2 и 3. Он также имеет измерительный датчик 112 с трубопроводом 114, а также два блока 120 и 122 ультразвуковых преобразователей в стенке 116 трубы и блок 128 управления и обработки.

Однако блоки 120 или 122 ультразвуковых преобразователей не являются "простыми" ультразвуковыми преобразователями, а выполнены как блоки ультразвуковых преобразователей на фазированной решетке. Каждый из них имеет, как схематично показано на схематическом виде сверху с фиг.4 звукоизлучающей стороны блока 120 или 122 ультразвуковых преобразователей, двумерную решетку ультразвуковых преобразователей 123, управляемых отдельно. Для излучения ультразвукового пакета отдельные ультразвуковые преобразователи 123 управляются блоком 128 управления и обработки так, что они соответственно имеют сдвиг фазы относительно друг друга, причем сдвиг фазы выбирается так, что наложение возникающих в результате ультразвуковых волн приводит к ультразвуковому волновому пакету, перемещающемуся по определенному измерительному пути 124. Таким образом, положение измерительного пути 124 определяется сдвигом фазы и должно быть ориентировано так, чтобы ультразвуковой волновой пакет достигал другого блока ультразвуковых преобразователей.

Изобретение по существу заключается в размещении обоих блоков 120 и 122 ультразвуковых преобразователей и в выборе возможных измерительных путей 124.

На фиг.2 и 3 показано примерное расположение блоков 120 и 122 ультразвуковых преобразователей. Для описания относительного расположения ультразвуковых преобразователей 120 и 122, в этом описании определяется угол β установки. Под углом β установки подразумевается угол между обоими блоками 120 и 122 ультразвуковых преобразователей, получаемый, если смотреть в продольном направлении вдоль средней оси 126 трубопровода 114 и рассматривать относительное положение блоков 120 и 122 ультразвуковых преобразователей относительно друг друга на периферии трубы (фиг.2). Или другими словами, угол β - это угол, образуемый обоими соединениями между ультразвуковыми преобразователями 120 или 122 и средней осью 126 в виде в продольном направлении. Угол установки, составляющий 180°, может соответствовать диаметральному монтажу. На фиг.2 показан угол β установки, составляющий 90°.

Согласно изобретению блоки 120 и 122 ультразвуковых преобразователей расположены под углом установки, составляющим от 20° до 140°, в частности, от 30° до 50°.

Для примеров из этого описания (фиг.2, 3 и 5) был выбран угол β установки, составляющий 90°, поскольку такой угол наилучшим образом подходит для чертежей и раскрытия изобретения.

На фиг.2 и 3 в данной ультразвуковой системе в качестве примера изображены два измерительных пути 124-0 и 124-1. На первом измерительном пути 124-0 ультразвуковые сигналы поступают непосредственно от одного блока 120 или 122 ультразвуковых преобразователей к другому блоку 122 или 120 ультразвуковых преобразователей. Таким образом, данный прямой измерительный путь 124-0 не содержит отражения на стенке 116 трубы. Это также обозначается добавлением цифры "-0" к цифровому обозначению. На другом изображенном измерительном пути 124-1 ультразвуковые сигналы отражаются в точке 130 на стенке 116 трубы (также обозначено добавлением цифры "-1"). За счет отражения измерительный путь 124-1 разделен на два участка 124-1a и 124-1b пути. Оба участка 124-1a и 124-1b пути имеют одинаковую длину, даже если это выглядит иначе в плоскости чертежа фактически трехмерного расположения с фиг.3. Таким образом, участок пути, здесь 124-1a или 124-1b, всегда является частью измерительного пути, здесь 124, по которому ультразвук может беспрепятственно распространяться прямолинейно.

В конструкции согласно изобретению, состоящей из двух блоков 120 и 124 ультразвуковых преобразователей, расположенных под углом β установки, конечно также возможны измерительные пути, отличные от измерительных путей 124-0 и 124-1, показанных на фиг.2 и 3.

Возможные измерительные пути 124 упрощенно показаны на фиг.5. Это измерительные пути с 0-5 отражениями. Измерительные пути 124-0 без отражения и 124-1 с отражением, и участки 124-1a и 124-1b пути объяснены выше со ссылкой на фиг.2 и 3. Как легко можно увидеть, в случае N отражений для измерительного пути всегда возможны N+1 альтернатив. Эти альтернативы пути обозначены заглавными буквами A - F. Так, например, для измерительного пути 124-1 только с одним отражением существует только альтернатива В, в которой участки пути находятся относительно близко к стенке.

Заявителями было обнаружено, что в предпочтительном варианте осуществления изобретения на один измерительный путь должно приходиться не более пяти отражений, то есть структура измерительных путей 124 должна быть ограничена структурой, показанной на фиг.5. Измерительные пути с более чем пятью отражениями не обеспечивают никаких преимуществ, поскольку многие из возможных измерительных путей с более чем пятью отражениями не могут быть разумно использованы, так как их участки пути расположены, например, вдоль края трубы (как, например, видно для измерительного пути 124-5 в альтернативе F) или слишком центрировано и поэтому проходят почти диаметрально (как, например, показывает тенденция измерительного пути 124-5 в альтернативе С). Когда измерительные пути остаются в показанных пределах, участки этих измерительных путей 124 находятся в целесообразных различных областях поперечного сечения, так что поток лучше определяется по поперечному сечению трубопровода 114.

Заявителями также было обнаружено, что особенно предпочтительно, если для участков пути справедливо, что r/R находится в диапазоне от 0,3 до 0,65, где R - диаметр трубы и r - наименьшее расстояние от участка пути до центральной точки (на фиг.6 показано с помощью участка 124-1а пути). В этом случае измерительные пути 124 со своими участками пути расположены особенно оптимально для целесообразного сканирования потока 18. Они расположены эксцентрично, но также и не слишком близко к краю. Пути расположены в этом случае также приблизительно на гауссовом узле. Это является предпочтительным, поскольку в гауссовом узле профиль потока не изменяется со скоростью текучей среды. В целом за счет этого обеспечивается более высокая точность измерения. Измерительные пути, для которых это в особенности хорошо применимо, могут быть, например, следующими измерительными путями:

124-1 альтернатива А

124-2 альтернативы А и В

124-3 альтернативы В и С

124-4 альтернативы В и С

124-5 альтернативы В и D.

1. Прибор измерения расхода для измерения расхода текучей среды (18), содержащий

- измерительный датчик (112), имеющий трубопровод (114) для текучей среды (18),

- два блока (120, 122) ультразвуковых преобразователей на фазированной решетке, расположенные на расстоянии друг от друга в продольном направлении (126) трубопровода (114) и выполненные с возможностью излучать и принимать ультразвуковые сигналы под различными углами,

- блок (128) управления и обработки для управления блоками (120, 122) ультразвуковых преобразователей, обработки принятых ультразвуковых сигналов и определения расхода с использованием времени прохождения ультразвуковых сигналов по измерительным путям (124),

- при этом блоки (120, 122) ультразвуковых преобразователей определяют между собой, в зависимости от угла излучаемых ультразвуковых сигналов, по меньшей мере два измерительных пути (124-0, 124-1, 124-2, 124-3, 124-4, 124-5), по которым ультразвуковые сигналы поступают от одного блока ультразвуковых преобразователей к другому блоку,

- причем по меньшей мере один из измерительных путей (124-1, 124-2, 124-3, 124-4, 124-5) имеет по меньшей мере одно отражение (130) на стенке (116) трубы трубопровода (114), и посредством отражения или отражений определены участки (124-1а, 124-1b) пути,

- при этом блоки (120, 122) ультразвуковых преобразователей расположены под углом (β) установки, образуемым обоими соединениями между преобразователями и средней осью в виде в продольном направлении, который составляет от 20° до 140°.

2. Прибор измерения расхода по п. 1, отличающийся тем, что угол установки составляет от 30° до 50°.

3. Прибор измерения расхода по любому из пп. 1, 2, отличающийся тем, что для участков пути справедливо, что r/R находится в диапазоне от 0,3 до 0,65, где R - диаметр трубы и r - наименьшее расстояние от участка пути до центральной точки.

4. Прибор измерения расхода по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что на один измерительный путь приходится не более пяти отражений.