Способ измерения расхода газа в трубопроводах и устройство для его осуществления

Способ измерения расхода газа в трубопроводах и устройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в устройствах для измерений расхода жидкости или газа в трубопроводных магистралях.

Для измерения расхода газа в трубопроводах в настоящее время широко применяются ультразвуковые расходомеры, в основу работы которых положено измерение времени распространения ультразвука в направлении и против течения газа или жидкости. К таким расходомерам можно отнести, например, ультразвуковой расходомер (патент РФ №2106603, G01F 1/66, опубл. 10.03.1998), а также устройство для измерения расхода жидкости или газа и способ его измерения (патент РФ №2047097, G01F 1/66, опубл. 27.10.95). Приборы такого вида используют ультразвуковые преобразователи (УЗП), встроенные в стенку трубы.

Другой вид расходомеров использует накладные УЗП. Этот вариант приборов позволяет легко монтировать УЗП на трубопроводах без нарушения целостности трубы и остановки работы трубопровода и поэтому наиболее перспективен. Однако использование накладных УЗП затрудняется большой разницей акустических импедансов материала трубы и газа (пять порядков). В результате в газ излучается, а затем принимается лишь ничтожная часть энергии. В то же время акустические колебания, возникающие в стенке трубы, во много раз превышают акустические колебания в газе, и потому возникает необходимость разнесения во времени моментов прихода этих сигналов в приемный УЗП. Отражения ультразвуковых колебаний от неоднородностей стенки трубы (швы, фланцы, изгибы и т.д.), а также прохождение волн по спиральным траекториям по стенке трубы могут привести к появлению стационарных помех во временном интервале появления полезного сигнала в приемном УЗП, что нарушит нормальную работу прибора.

Известен способ измерения расхода газа и ультразвуковой газовый расходомер (патент США №6626049, приоритет от 31.03.2000, G01F 1/66), выбранный в качестве прототипа, в котором используются накладные УЗП, возбуждающие в стенке трубы волну Лэмба, которая далее возбуждает в газе продольную ультразвуковую волну. Эта волна пробегает через поток и возбуждает в противоположной стенке волну Лэмба, принимаемую вторым УЗП. Далее, как и в расходомерах обычного типа, используется информация о времени распространения сигнала вверх и вниз по течению. Для уменьшения сигналов, распространяющихся по стенке трубы, используется демпфирующее покрытие, размещенное на поверхности трубы под ультразвуковыми преобразователями.

Недостатки данного способа и устройства описаны выше.

Задачей изобретения является преодоление трудностей измерения в тех случаях, когда уровень и временное расположение стационарных помех препятствует проведению измерений.

Согласно изобретению в способе измерения расхода газа в трубопроводах, заключающемся в возбуждении в газе продольных ультразвуковых волн по потоку и против него за счет возбуждения в стенке трубы волн Лэмба, выделении полезного сигнала, прошедшего через поток газа, измерении разности времен распространения сигнала по направлению потока и против него, вычислении скорости потока и определении величины расхода газа, для выделения полезного сигнала, прошедшего через поток газа, осуществляют компенсацию стационарных сигналов, распространяющихся по стенке трубы, для чего весь принятый в результате зондирования высокочастотный ультразвуковой импульс запоминают и затем вычитают из следующего принятого высокочастотного ультразвукового импульса, в результате чего устраняется стационарная составляющая, маскирующая полезный сигнал, прошедший через газ, а нестационарная составляющая полезного сигнала, обусловленная флуктуациями времени задержки и амплитуды, связанными с турбулентностью потока газа, выделяется, операцию выделения нестационарной части полезного сигнала повторяют несколько раз, результаты выделения возводят в квадрат и суммируют, полученный функционал является квадратом производной по времени полезного сигнала, в котором содержится вся необходимая временная информация о моменте приема сигнала, в результате чего становится возможным измерение скорости потока газа в условиях больших стационарных помех.

Устройство для измерения расхода газа в трубопроводах, включающее блок управления, два приемопередающих тракта, каждый из которых включает ультразвуковой преобразователь, установленный на стенке трубы, связанный с выходом передающего и входом приемного блоков, выход приемного блока подключен ко входу накопительного блока, выход которого является выходом тракта, подключенного к одному из входов блока вычисления скорости и расхода газа, в каждый тракт устройства введен блок компенсации сигнала-помехи, вход которого соединен с выходом приемного блока, а выход - со входом накопительного блока, при этом блок управления соединен с каждым блоком приемо-передающих трактов, с накопительным блоком и блоком вычисления скорости и расхода газа.

Блок компенсации представляет собой коммутатор, имеющий два сигнальных выхода, каждый из которых соединен со своим блоком памяти, выходы которых подключены к вычитающему устройству, выход которого подключен к арифметическому устройству, вычисляющему квадрат величины, получаемой от вычитающего устройства, а выход арифметического устройства подключен ко входу накопительного блока.

Изобретение соответствует критерию «новизна», и из известного предыдущего уровня техники не выявлены заявляемые признаки, отличающие изобретение от прототипа. Следовательно, изобретение соответствует критерию «изобретательский уровень».

На фиг.1 представлена блок-схема ультразвукового расходомера, реализующего заявляемый способ измерения, на фиг.2 - схема блока компенсации, на фиг.3 - подробная блок-схема устройства - примера реализации, где:

1 - блок управления

2 - ультразвуковой преобразователь

3 - передающий блок

4 - приемный блок

5 - блок компенсации

6 - накопительный блок

7 - блок вычисления скорости и расхода газа

8 - коммутатор

9 - блок памяти

10 - вычитающий блок

11 - блок возведения в квадрат

12 - тактовый генератор

13 - формирователь управляющих сигналов

14 - модулятор

15 - программируемый усилитель

16 - АЦП.

Устройство для измерения расхода газа в трубопроводах включает блок управления 1, два приемопередающих тракта, каждый из которых включает ультразвуковой преобразователь 2, установленный на стенке трубы, который связан с выходом передающего 3 и входом приемного блоков 4. Выход приемного блока 4 подключен к входу блока компенсации 5, выход которого, в свою очередь, подключен к входу накопительного блока 6, выход которого является выходом тракта и подключен к одному из входов блока вычисления скорости и расхода газа 7.

Каждый из блоков компенсации 5 может представлять собой коммутатор 8, выходы которого подключены к входам двух блоков памяти 9, выходы которых подключены к входу вычитающего блока 10, выход которого подключен к входу блока возведения в квадрат 11.

Каждый приемный блок 4 может представлять собой программируемый усилитель 15, выход которого соединен со входом АЦП 16.

Блок управления 1 может представлять собой тактовый генератор 12, выход которого соединен с входом модулятора 14, выходы которого подключены к передающим блокам 3, выходы которых подключены к ультразвуковым преобразователям 2 и к входам программируемых усилителей 15. Выход тактового генератора 12 также подключен к входу формирователя управляющих сигналов 13, а его выходы соединены с блоками 15, 16, 8, 9, 10, 11, 6, 7.

В предлагаемых способе и устройстве для выделения полезного сигнала, прошедшего через поток газа, используется физическая разница в природе этого сигнала и стационарного сигнала-помехи, являющегося сложной суммой многократных отражений акустического сигнала от неоднородностей стенок трубы. В отличие от сигнала-помехи сигнал, прошедший через газ, всегда имеет некоторые флуктуации фазы и амплитуды даже при самых низких числах Рейнольдса, поскольку даже в чисто ламинарных потоках всегда имеется пульсационная составляющая (по разным источникам от 6 до 17%), скорость которой в некоторых пределах является случайной функцией времени.

Измерение времени прохождения ультразвукового пакета по направлению потока и против него и, соответственно, посылка зондирующего импульса могут осуществляться одновременно или по очереди обоими УЗП. Если выбирается режим поочередного зондирования, то сначала один УЗП становится передающим, а второй принимающим, а затем они меняются ролями. В случае одновременного зондирования оба УЗП излучают пакет одновременно, а затем переходят в режим приема. Поскольку в обоих случаях функционирование в обоих направлениях зондирования симметрично, то далее в тексте рассматривается работа только в одном направлении.

Устройство работает следующим образом.

Высокочастотный пакет колебаний, рождающийся в модуляторе 14, поступает через передающий блок 3 на передающий УЗП 2, который возбуждает в стенке трубы резонансным образом волну Лэмба, которая, перемещаясь вдоль образующей трубы, в свою очередь возбуждает продольную ультразвуковую волну в газе. Дойдя до противоположной стенки трубы, она возбуждает в ней аналогичную волну Лэмба, которая по стенке трубы достигает принимающего УЗП 2.

С принимающего УЗП 2 принятый сигнал поступает на входной усилитель 15 с программируемым коэффициентом усиления. С выхода программируемого усилителя 15 сигнал поступает на вход АЦП 16. Коэффициент усиления усилителя 15 устанавливается так, чтобы поддерживать уровень сигнала на входе АЦП 16 таким, чтобы он соответствовал примерно 2/3 динамического диапазона АЦП.

Далее с выхода АЦП 16 принятый, усиленный и преобразованный сигнал в виде последовательности чисел поступает на коммутатор 8 блока компенсации 5, который направляет эту последовательность по очереди в один из блоков памяти 9. Причем одна последовательность, соответствующая одному принятому пакету, запоминается целиком в одном блоке памяти, а следующая - в другом.

Далее с выхода блоков памяти 9 последовательности чисел, соответствующие принятым пакетам, поступают на блок вычитания 10, где производится последовательное вычитание чисел с одинаковыми номерами из двух входных последовательностей. В результате вычитания разность между стационарными помехами, положение которых относительно зондирующего импульса не изменяется при повторных зондированиях, оказывается нулевой. Сигналы, проходящие через поток газа в разные периоды повторения зондирующих импульсов, будут иметь отличающиеся фазы и амплитуды. Поэтому при вычитании они компенсироваться не будут.

Последовательность чисел с выхода блока вычитания 10 поступает на блок возведения в квадрат 11, где каждая разность последовательности возводится в квадрат. Возведение в квадрат выполняется, чтобы привести все числа разностных последовательностей к одному знаку, и исключить их полную или частичную компенсацию при последующем суммировании.

Далее последовательность квадратов подается в накопительный блок 6, где накапливается последовательность сумм квадратов. Последняя является числовым представлением квадрата производной принимаемого сигнала, помноженной на некоторый постоянный коэффициент, величина которого зависит от турбулентности потока газа и количества накопленных циклов. Эта последовательность чисел содержит всю необходимую информацию для определения момента прихода сигнала в принимающий УЗП 2.

С выхода накопительного блока 6 последовательность накопленных сумм квадратов передается в блок вычисления скорости и расхода газа 7, в котором выполняются все традиционные вычисления, в результате которых вычисляется скорость потока газа и его объемный расход.

Блок управления 1 содержит тактовый генератор 12, модулятор 14 и формирователь управляющих сигналов, которые определяют поведение всех блоков устройства. Ключевым требованием к тактовому генератору является высокая стабильность фазы, поскольку последняя непосредственно определяет временную идентичность последовательных излучаемых и принимаемых пакетов колебаний и точную привязку чисел последовательностей, представляющих пакет после аналого-цифрового преобразования, к общей временной шкале.

1. Способ измерения расхода газа в трубопроводах, заключающийся в возбуждении в газе продольных ультразвуковых волн по потоку и против него за счет возбуждения в стенке трубы волн Лэмба, выделении полезного сигнала, прошедшего через поток газа, измерении разности времен распространения сигнала по направлению потока и против него, вычислении скорости потока и определении величины расхода газа, отличающийся тем, что для выделения полезного сигнала, прошедшего через поток газа, осуществляют компенсацию стационарных сигналов, распространяющихся по стенке трубы, для чего весь принятый в результате зондирования высокочастотный ультразвуковой импульс запоминают и затем вычитают из следующего принятого высокочастотного ультразвукового импульса, в результате чего устраняется стационарная составляющая, маскирующая полезный сигнал, прошедший через газ, а нестационарная составляющая полезного сигнала, обусловленная флуктуациями времени задержки и амплитуды, связанными с турбулентностью потока газа, выделяется, операцию выделения нестационарной части полезного сигнала повторяют несколько раз, результаты выделения возводят в квадрат и суммируют, полученный функционал является квадратом производной по времени полезного сигнала, в котором содержится вся необходимая временная информация о моменте приема сигнала, в результате чего становится возможным измерение скорости потока газа в условиях больших стационарных помех.

2. Устройство для измерения расхода газа в трубопроводах, включающее блок управления, два приемопередающих тракта, каждый из которых включает ультразвуковой преобразователь, установленный на стенке трубы, связанный с выходом передающего и входом приемного блоков, выход приемного блока подключен ко входу накопительного блока, выход которого является выходом тракта, подключенного к одному из входов блока вычисления скорости и расхода газа, отличающееся тем, что в каждый тракт устройства введен блок компенсации сигнала-помехи, вход которого соединен с выходом приемного блока, а выход - со входом накопительного блока, при этом блок управления соединен с каждым блоком приемопередающих трактов, с накопительным блоком и блоком вычисления скорости и расхода газа.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что блок компенсации представляет собой коммутатор, имеющий два сигнальных выхода, каждый из которых соединен со своим блоком памяти, выходы которых подключены к вычитающему устройству, выход которого подключен к арифметическому устройству, вычисляющему квадрат величины, получаемой от вычитающего устройства, а выход арифметического устройства подключен ко входу накопительного блока.