информационно-измерительная система для измерения расхода жидкости

Формула изобретения

1. Информационно-измерительная система для измерения расхода жидкости, содержащая ультразвуковой преобразователь расхода, образованный излучающими и принимающими пьезоэлементами, которые попарно закреплены с двух сторон на поверхности трубопровода под углом к его оси с образованием ряда акустических каналов, преобразователь плотности жидкости, установленный на трубопроводе, аналого-цифровые преобразователи, подключенные к преобразователям расхода и плотности, линию связи, соединяющую преобразователи с источником электропитания и компьютером, отличающаяся тем, что ультразвуковой преобразователь расхода включает в себя три акустических канала, преобразователь плотности жидкости содержит три грамма-источника и три сцинтилляционных приемника, причем один из источников и противоположный ему приемник снабжен коллиматорами и устройством перемещения вдоль диаметра трубопровода, а на поверхность трубопровода установлен по крайней мере один преобразователь температуры, подключенный к аналого-цифровым преобразователям, при этом преобразователи расположены в геометрическом разъемном корпусе с крышкой, а пьезоэлементы акустических каналов - в негерметичном корпусе, служащем для защиты от механических повреждений.

2. Информационно-измерительная система по п.1, отличающаяся тем, что герметичный разъемный корпус снабжен устройством разгрузки трубопровода от веса корпуса с преобразователями, содержащим опорную раму и не менее двух противовесов, выполненный автономным источник электропитания расположен в герметичном корпусе с крышкой, оба герметичных корпуса соединены кабелепроводом, выполненным в виде трубы с расположенной внутри него линией связи, причем кабелепровод имеет узел герметичного разделения полостей указанных корпусов.

3. Информационно-измерительная система по п.1 или 2, отличающаяся тем, что герметичные корпуса заполнены воздухом под избыточным давлением и снабжены сигнализаторами давления и выключателями-сигнализаторами открытия крышек, линия связи в корпусе источника электропитания разделена на несколько независимых линий для передачи под каждой из них сигналов от преобразователей ряду независимых компьютеров, причем клавиатурой для ввода управляющей информации снабжен только один компьютер.

4. Информационно-измерительная система по любому из пп.1 - 3, отличающаяся тем, что она снабжена приспособлением для измерения площади внутреннего поперечного сечения трубопровода, содержащим измеритель внешнего диаметра, ультразвуковой толщиномер и съемный металлический хомут с отверстиями, задающими координаты точек замеров.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к бесконтактным средствам измерения расхода текучих сред и, в частности, к информационно-измерительным системам (ИИС) для контроля массового расхода перекачиваемой по трубопроводу воды, нефти и других жидкостей.

Известно устройство измерения расхода жидкости без введения в трубопровод специальных узлов (бесконтактное), основанное на излучении и приеме ультразвуковых импульсов по и против потока измеряемой среды с использованием нескольких акустических каналов, содержащих по паре пьезоэлементов в каждом канале, и последующим вычислением скорости потока (см. авт. свид. СССР N 1059432, кл. G 01 F).

Недостатком этого устройства является невысокая точность (2-3%) и невозможность измерять массовый расход потока жидкости без дополнительных средств измерения.

Известно устройство для определения удельного расхода двухфазной смеси, содержащее один преобразователь суммарного расхода, один преобразователь состава смеси, два аналого-цифровых преобразователя и перепрограммируемое запоминающее устройство (компьютер) с линиями связи (см. авт. свид. СССР N 1818538, кл. G 01 F).

Недостатком этого устройства является незащищенность от внешних воздействий информационно-измерительных каналов и невозможность измерения массового расхода жидкости.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату является ИИС для измерения расхода текущей жидкости с использованием нескольких ультразвуковых лучей в различных плоскостях по потоку перекачиваемой среды; средство непрерывного гамма-сканирования перекачиваемой жидкости для определения ее плотности и одноразового сканирования для определения площади сечения трубопровода; средство многоканальной обработки полученных измерительных сигналов (Кремлевский П. П. Расходомеры и счетчики количества. - Л. : Машиностроение, 1989, с. 210-212, 460-463 и 633-635).

Недостатками этой ИИС являются: невысокая точность измерения массового расхода из-за невысокой точности измерения площади поперечного сечения трубопровода, связанной с конечной шириной сканирующего луча гамма-квантов и отсутствием температурных поправок; требование гамма-источника с очень высокой активностью при сканировании трубопроводов большого диаметра (более 200 мм); незащищенность преобразователей от внешних климатических и механических воздействий; незащищенность измерительной информации от несанкционированного вмешательства.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности бесконтактного измерения массового расхода до 0,25%, расширение диапазона диаметров трубопроводов, для которых оно может применяться до 800 мм, создание защищенной от внешних воздействий информационно-измерительной системы (ИИС).

Указанный результат достигается тем, что в известной ИИС для измерения расхода ультразвуковой преобразователь расхода, образованный излучающими пьезоэлементами, которые попарно закреплены с двух сторон на поверхности трубопровода под углом к его оси с образованием ряда акустических каналов, преобразователь плотности жидкости содержит три гамма-источника и три сцинтилляционных приемника, причем один из источников и противоположный ему приемник снабжены коллиматорами и устройством перемещения вдоль диаметра трубопровода, а на поверхность трубопровода установлен по крайней мере один преобразователь температуры, подключенный к аналого-цифровым преобразователям, при этом преобразователи расположены в герметичном разъемном корпусе с крышкой, а пьезоэлементы акустических каналов - в негерметичном корпусе, служащем для защиты от механических повреждений. Герметичный разъемный корпус снабжен устройством разгрузки трубопровода от веса корпуса с преобразователями, содержащим опорную раму и не менее двух противовесов, выполненный автономным, источник электропитания расположен в герметичном корпусе с крышкой, оба герметичных корпуса соединены кабелепроводом, выполненным в виде трубы с расположенной внутри него линией связи, причем кабелепровод имеет узел герметичного разделения полостей указанных корпусов. Герметичные корпуса заполнены воздухом под избыточным давлением и снабжены сигнализаторами давления и выключателями-сигнализаторами открытия крышек, линия связи в корпусе источника электропитания разделена на несколько независимых линий, каждая из которых передает сигналы от преобразователей ряду независимых компьютеров, причем клавиатурой для ввода управляющей информации снабжен только один компьютер. ИИС снабжена приспособлением для измерения площади внутреннего поперечного сечения трубопровода, содержащим измеритель внешнего диаметра, ультразвуковой толщиномер и съемный металлический хомут с отверстиями, задающими координаты точек замеров.

На чертеже показана предлагаемая ИИС для измерения расхода жидкости.

ИИС содержит измерительный блок 1, автономный блок источника электропитания 2, связывающий их кабелепровод 3 и диспетчерский пункт 4. Измерительный блок 1 содержит ультразвуковой преобразователь расхода, включающий в себя три акустических канала, при этом для повышения точности измерений расхода излучающие пьезоэлементы 5 и принимающие 6 закреплены с двух сторон трубопровода 7 под углом к его оси. Преобразователь плотности жидкости содержит три гамма-источника 8 (для снижения их удельной гамма-активности) и три сцинтилляционных приемника 9, причем один из источников и противоположный ему приемник снабжены коллиматорами 10 и устройством перемещения 11 вдоль диаметра трубопровода с микрометрическим винтом 12 для определения и учета влияния стенки трубопровода на точность измерения плотности потока жидкости, а два других источника 8 и два приемника 9 расположены в одном поперечном сечении под углом 90^o друг к другу. Преобразователь плотности 8,9, аналого-цифровые преобразователи 13 и преобразователи температуры 23 расположены в герметичном разъемном корпусе 14 для устранения влияния на них климатических и механических воздействий. Пьезоэлементы могут располагаться и в негерметичном корпусе 15, служащим для защиты от механических повреждений. Герметичный разъемный корпус 14 снабжен крышкой 16 и устройством 17 разгрузки трубопровода 7 от веса корпуса 14 с преобразователями, содержащим опорную раму 18 и не менее двух противовесов 19 и 20. Герметичный корпус 14 снабжен концевыми выключателями-сигнализаторами 21 открытия крышек, кроме того он заполнен избыточным давлением воздуха и снабжен сигнализаторами давления 22 для сигнализации о несанкционированном доступе к аппаратуре ИИС. На трубопровод 7 установлен по крайней мере один преобразователь температуры 23, подключенный к аналого-цифровым преобразователям 13, для учета температурной поправки и повышения точности измерения массового расхода. ИИС имеет съемное приспособление для измерения площади внутреннего поперечного сечения трубопровода с погрешностью не более 0,1% в местах установки пьезоэлементов 5 и 6, содержащее измеритель внешнего диаметра 24, ультразвуковой толщиномер 25 и металлический хомут 26 с отверстиями 27, задающими координаты точек замеров. Блок источника автономного электропитания 2 располагается в отдельном герметичном корпусе 30 с крышкой и содержит преобразователи тока 28 (например, с высокого напряжения 380 - 220 В до допустимого для работы вблизи нефтепровода напряжения не более 24В) и аккумуляторную батарею 29. Линия связи разделена на несколько независимых линий 31 (телефонных, радиоканалов, оптоволоконных линий и т.п.) для увеличения надежности передачи измерительных сигналов в диспетчерский пункт 4. Герметичные корпуса 30 и 14 соединены кабелепроводом 3, выполненным в виде трубы 32 с расположенной внутри него линией связи, причем кабелепровод имеет узел 33 герметичного разделения полостей указанных корпусов. Диспетчерский пункт 4, куда передаются измерительные сигналы, содержит несколько компьютеров 34 и 35, причем только один из компьютеров имеет клавиатуру 36 для ввода управляющей информации, а остальные выполняют контрольные функции (не имеют устройств ввода и мест для их подключения). Это сделано для снижения вероятности несанкционированного доступа и искажения измерительной информации в ИИС.

Работа ИИС осуществляется в следующем порядке.

На предварительно очищенный от покрытия и ржавчины участок трубопровода 7 закрепляют кольцом металлический хомут 26. Через отверстия 27 производят последовательные измерения внешнего диаметра измерителем 24 и толщины стенки ультразвуковым толщиномером 25. Вычисляют площадь внутреннего поперечного сечения трубопровода и вводят ее в компьютер 34, который имеет клавиатуру 36 для ввода управляющей информации. Монтируют блоки 1, 2, 3 и 4 ИИС. Один из гамма - источников 8 и противоположный ему приемник 9, снабженные коллиматорами 10, перемещают вдоль всего диаметра трубопровода 7 с помощью микрометрического винта 12. Вычисляют поправку на влияние стенки трубопровода и вводят ее в компьютер 34. Трубопровод 7 разгружают от веса герметичного корпуса 14 с преобразователями 8,9,13, путем подбора гирь в паре противовесов 19 и 20, закрепленных через блок на опорной раме 18. Блок источника бесперебойного электропитания 2 подключен с одной стороны к электросети (220 - 380 В), а с другой, через кабелепровод 3, к измерительному блоку 1. Сигналы от трех пар пьезоэлементов 5 и 6; трех сцинтилляционных приемников 9; по крайней мере одного преобразователя температуры 23; выключателей-сигнализаторов 21 открытия крышек и сигнализаторов давления 22 передаются в аналого-цифровые преобразователи 13. Далее сигналы в оцифрованном виде по линиям связи 31 передаются в компьютеры 34 и 35 диспетчерского пункта 4, где обрабатываются и документируются.

Предлагаемая ИИС позволяет повысить точность бесконтактного измерения массового расхода путем обеспечения измерения площади внутреннего сечения трубопровода по внешнему диаметру и толщине стенки в местах установки пьезоэлементов; введением канала измерения температуры и использования температурных поправок, а также обеспечением возможности корреляционного анализа измерительных сигналов по нескольким каналам измерения скорости и плотности потока жидкости.

Расширение диапазона диаметров трубопровода, для которых ИИС может применяться, достигается путем использования не менее трех гамма-источников, что увеличивает их суммарную мощность и, следовательно, толщину просвечиваемого ими материала (диаметр заполненной жидкостью трубы) и трех акустических каналов, что позволяет учитывать неравномерность потока жидкости по сечению трубопровода.

Предлагаемая ИИС может использоваться в полевых условиях благодаря созданию герметичных корпусов, заполнения их избыточным давлением воздуха и системе сигнализаторов. Надежность ИИС повышается из-за введения независимых линий связи и источника бесперебойного электропитания. В ИИС также обеспечена защита информации от искажения путем введения компьютера, не имеющего средств ввода информации, кроме линий связи.