измерительный модуль
Классы МПК: | G01F1/66 измерением частоты, фазового сдвига, времени распространения электромагнитных или других волн, например ультразвуковые расходомеры G01P5/24 путем измерения непосредственного воздействия потока текучей среды на свойства, обнаруживаемые акустической волной |
Автор(ы): | Рычагов М.Н., Терещенко С.А. |
Патентообладатель(и): | Московский государственный институт электронной техники (технический университет) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2000-06-30 публикация патента:
10.09.2002 |
Изобретение может быть использовано в устройствах для измерения расхода газов или жидкостей времяпролетным ультразвуковым методом. Измерительный модуль в виде цилиндра встроен в трубопровод круглого сечения. В стенки модуля вмонтированы пары двунаправленных приемно-излучательных элементов, формирующих n0 основных, параллельных оси модуля и n0-1 дополнительных скошенных измерительных плоскостей. Каждая скошенная измерительная плоскость образована или приемно-излучательными элементами предыдущей и последующей основной измерительной плоскости или приемно-излучательными элементами предыдущей и отражательной площадкой последующей основной измерительной плоскости. Изобретение обеспечивает повышение точности определения расхода. 4 з. п.ф-лы, 6 ил., 2 табл.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7
Формула изобретения
1. Измерительный модуль определения величины расхода - количества жидкости (газа), протекающего в единицу времени по каналу транспортировки, содержащий встраиваемый в канал транспортировки корпус с вмонтированными в его стенки приемно-излучательными элементами, образующими n0 основных измерительных плоскостей, параллельных друг другу и оси модуля и отстоящих от оси на заданные расстояния, отличающийся тем, что корпус модуля выполнен в виде прямого кругового цилиндра, а приемно-излучательные элементы выполнены двунаправленными с дополнительными к основным направлениями, задающими n0 - 1 скошенных измерительных плоскостей, причем каждая скошенная измерительная плоскость образуется или приемно-излучательными элементами предыдущей и последующей основной измерительной плоскости, или, при наличии отражательных площадок, приемно-излучательными элементами предыдущей и отражательной площадкой, соответствующей приемно-излучательным элементам последующей основной измерительной плоскости. 2. Измерительный модуль по п. 1, отличающийся тем, что основные измерительные плоскости расположены эквидистантно. 3. Измерительный модуль по п. 1, отличающийся тем, что основные измерительные плоскости расположены на расстояниях![измерительный модуль, патент № 2189014](/images/patents/281/2189014/2189014-23t.gif)
![измерительный модуль, патент № 2189014](/images/patents/281/2189014/2189014-24t.gif)
![измерительный модуль, патент № 2189014](/images/patents/281/2189014/2189014-25t.gif)
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области высокоточных методов измерения расхода (объема или количества жидкости или газа, протекающего в единицу времени по каналу транспортировки) прокачиваемых через трубопроводы жидкостей или газов. Измерительный модуль встраивается в трубопровод, представляя собой после этого часть трубопровода. Измерения в измерительном модуле производятся в измерительных плоскостях, параллельных оси модуля. Регистрируя разность времен пролета ультразвуковых импульсов в измерительных плоскостях в прямом и обратном направлениях, можно вычислить расход жидкости или газа. Количество измерительных плоскостей может меняться от одной (одноплоскостные измерения) до нескольких (многоплоскостные измерения). Изобретение может найти применение как в нефтяной и газовой промышленности, так и в любых установках, содержащих каналы транспортирования жидкостей или газов. Определение объема прокачиваемых через трубы круглого сечения газов или жидкостей при использовании времяпролетных ультразвуковых измерений сводится к вычислению двумерного интеграла от аксиальной (вдоль трубы) компоненты скорости потока vz(x, y), в общем случае неоднородной по плоскости сечения трубы S[1]:![измерительный модуль, патент № 2189014](/images/patents/281/2189014/2189014-2t.gif)
Для ультразвуковых времяпролетных измерений приближенно с точностью до малых порядка
![измерительный модуль, патент № 2189014](/images/patents/281/2189014/2189014-3t.gif)
![измерительный модуль, патент № 2189014](/images/patents/281/2189014/2189014-4t.gif)
где с - скорость звука в неподвижной среде, L - расстояние между ультразвуковыми приемно-излучательными элементами (датчиками),
![измерительный модуль, патент № 2189014](/images/patents/281/2189014/916.gif)
![измерительный модуль, патент № 2189014](/images/patents/281/2189014/2189014-5t.gif)
![измерительный модуль, патент № 2189014](/images/patents/281/2189014/958.gif)
![измерительный модуль, патент № 2189014](/images/patents/281/2189014/2189014-6t.gif)
При этом возможен как отражательный режим, когда датчики находятся с одной стороны трубы, а отражательная площадка находится на другой стороне трубы, так и трансмиссионный режим, когда датчики находятся по разные стороны трубы. Известны устройства, определяющие расход с помощью цилиндрических измерительных модулей круглого сечения по результатам одного диаметрального измерения, при этом измерительная плоскость пересекает сечение трубы по диаметру [2] . При этом предполагается, что распределение аксиальной компоненты по сечению трубы является радиально симметричным vz(x,y) = vz(r), что часто выполняется с достаточно большой точностью. Однако при этом предположении
![измерительный модуль, патент № 2189014](/images/patents/281/2189014/2189014-7t.gif)
т. е. расход Q не выражается точно через
![измерительный модуль, патент № 2189014](/images/patents/281/2189014/2189014-8t.gif)
![измерительный модуль, патент № 2189014](/images/patents/281/2189014/2189014-9t.gif)
Соответствующий измерительный модуль содержит приемно-излучающие элементы, вмонтированные в стенки модуля и предназначенные для генерации и регистрации ультразвуковых импульсов, распространяющихся в основных измерительных плоскостях, параллельных оси измерительного модуля и друг другу. Так как количество измерительных плоскостей, вообще говоря, невелико, применение обычных формул численного интегрирования, таких как правила трапеций или Симпсона, дает невысокую точность. Повысить точность численного интегрирования позволяет применение квадратурных формул Ньютона, Чебышева и Гаусса [4]. Недостатком измерительного модуля по патенту США 4646575 является то, что при данном количестве n пар приемно-излучающих элементов (количестве основных измерительных плоскостей) можно использовать квадратурные формулы только до порядка n включительно. В то же время целесообразно увеличивать порядок квадратурной формулы, так как точность численного вычисления интеграла (5) возрастает с ростом n. Цель изобретения - повышение точности определения объема прокачиваемых через трубы круглого сечения газов или жидкостей при использовании многоплоскостных времяпролетных ультразвуковых измерений за счет добавления межплоскостных измерений в скошенных измерительных плоскостях, позволяющих при том же количестве n пар приемно-излучающих элементов (количестве основных измерительных плоскостей) увеличить количество измерений и, следовательно, применить квадратурные формулы численного интегрирования более высокого порядка. Цель достигается тем, что приемно-излучательные элементы выполнены двунаправленными с основным и дополнительным направлениями, задающими n0 основных измерительных плоскостей и n"=n0-1 скошенных измерительных плоскостей, причем основные измерительные плоскости параллельны друг другу, а каждая скошенная измерительная плоскость образуется либо приемно-излучательным элементами предыдущей и последующей основной измерительной плоскости, либо (при наличии отражательных площадок) приемно-излучательными элементами предыдущей и отражательной площадкой последующей основной измерительной плоскости. При этом желательно, чтобы отражательная площадка скошенной плоскости совпадала с отражательной площадкой соседней основной измерительной плоскости. Если распределение аксиальной компоненты по сечению модуля является радиально симметричным vz(x, y}=vz(r), то скошенные плоскости ничем не будут отличаться от основных измерительных плоскостей, за исключением расстояния от оси модуля
![измерительный модуль, патент № 2189014](/images/patents/281/2189014/958.gif)
![измерительный модуль, патент № 2189014](/images/patents/281/2189014/2189014-10t.gif)
![измерительный модуль, патент № 2189014](/images/patents/281/2189014/2189014-11t.gif)
![измерительный модуль, патент № 2189014](/images/patents/281/2189014/2189014-12t.gif)
![измерительный модуль, патент № 2189014](/images/patents/281/2189014/2189014-13t.gif)
![измерительный модуль, патент № 2189014](/images/patents/281/2189014/2189014-14t.gif)
где n - количество измерительных плоскостей,
![измерительный модуль, патент № 2189014](/images/patents/281/2189014/958.gif)
![измерительный модуль, патент № 2189014](/images/patents/281/2189014/955.gif)
Задача 1. Для заданного расположения узлов
![измерительный модуль, патент № 2189014](/images/patents/281/2189014/958.gif)
![измерительный модуль, патент № 2189014](/images/patents/281/2189014/955.gif)
![измерительный модуль, патент № 2189014](/images/patents/281/2189014/958.gif)
![измерительный модуль, патент № 2189014](/images/patents/281/2189014/955.gif)
![измерительный модуль, патент № 2189014](/images/patents/281/2189014/958.gif)
![измерительный модуль, патент № 2189014](/images/patents/281/2189014/955.gif)
![измерительный модуль, патент № 2189014](/images/patents/281/2189014/958.gif)
![измерительный модуль, патент № 2189014](/images/patents/281/2189014/955.gif)
![измерительный модуль, патент № 2189014](/images/patents/281/2189014/955.gif)
![измерительный модуль, патент № 2189014](/images/patents/281/2189014/697.gif)
![измерительный модуль, патент № 2189014](/images/patents/281/2189014/955.gif)
![измерительный модуль, патент № 2189014](/images/patents/281/2189014/698.gif)
![измерительный модуль, патент № 2189014](/images/patents/281/2189014/2189014-15t.gif)
![измерительный модуль, патент № 2189014](/images/patents/281/2189014/958.gif)
![измерительный модуль, патент № 2189014](/images/patents/281/2189014/2189014-16t.gif)
![измерительный модуль, патент № 2189014](/images/patents/281/2189014/2189014-17t.gif)
![измерительный модуль, патент № 2189014](/images/patents/281/2189014/2189014-18t.gif)
![измерительный модуль, патент № 2189014](/images/patents/281/2189014/2189014-19t.gif)
![измерительный модуль, патент № 2189014](/images/patents/281/2189014/958.gif)
![измерительный модуль, патент № 2189014](/images/patents/281/2189014/958.gif)
![измерительный модуль, патент № 2189014](/images/patents/281/2189014/2189014-20t.gif)
Графические изображения
На фиг. 1 показана схема ультразвуковых времяпролетных измерений с отражательной площадкой (а) и без отражательной площадки (б): A1BA2 - основная измерительная плоскость, A1, А2 - датчики, В - отражательная площадка. На фиг. 2 показана схема ультразвуковых времяпролетных измерений в диаметральной основной измерительной плоскости 1ВA2 (A1, A2 - датчики, В - отражательная площадка). На фиг. 3 показана схема многоплоскостных ультразвуковых времяпролетных измерений (показаны только две основные измерительные плоскости - диаметральная и измерительная плоскость A1nBnA2n, A1n, А2n - датчики, Вn - отражательная площадка). На фиг. 4 показана схема многоплоскостных ультразвуковых времяпролетных измерений в сечении модуля (P1, Р2, Р3, Р4, Р5 - основные измерительные плоскости). На фиг. 5 показана схема многоплоскостных ультразвуковых времяпролетных измерений в сечении модуля с основными и скошенными плоскостями (P1, Р3, P5, P7, Р9 - основные измерительные плоскости, Р2, Р4, Р6, P8 - скошенные измерительные плоскости). На фиг. 6 показана схема многоплоскостных ультразвуковых времяпролетных измерений с основными и скошенными плоскостями: скощенная измерительная плоскость образуется датчиками A1n и A2n из основной n-й плоскости и отражательной площадкой Вn-1 из основной (n-1)-й плоскости. Предлагаемый встраиваемый в трубопровод измерительный модуль содержит вмонтированные в стенки измерительного модуля двунаправленные приемно-излучательные элементы с основным и дополнительным направлениями, задающими n0 основных измерительных плоскостей и n"=n0-1 скошенных измерительных плоскостей, причем основные измерительные плоскости параллельны друг другу, а каждая скошенная измерительная плоскость образуется либо приемно-излучательными элементами предыдущей и последующей основной измерительной плоскости, либо (при наличии отражательных площадок) приемно-излучательными элементами предыдущей и отражательной площадкой последующей основной измерительной плоскости. Последовательно в каждой измерительной плоскости, как основной, так и скошенной, генерируются и регистрируются ультразвуковые импульсы в прямом и обратном направлениях. По разности времен распространения вычисляются средние скорости для каждой измерительной плоскости, которые подставляются в соответствующую (зависящую от расположения измерительных плоскостей относительно оси модуля) формулу квадратурного интегрирования порядка 2n0-1 для определения расхода прокачиваемых через трубопровод жидкости или газа. Для примера в табл.1 приведены коэффициенты квадратурной формулы как с учетом (
![измерительный модуль, патент № 2189014](/images/patents/281/2189014/955.gif)
![измерительный модуль, патент № 2189014](/images/patents/281/2189014/697.gif)
![измерительный модуль, патент № 2189014](/images/patents/281/2189014/955.gif)
![измерительный модуль, патент № 2189014](/images/patents/281/2189014/698.gif)
![измерительный модуль, патент № 2189014](/images/patents/281/2189014/2189014-21t.gif)
![измерительный модуль, патент № 2189014](/images/patents/281/2189014/958.gif)
![измерительный модуль, патент № 2189014](/images/patents/281/2189014/955.gif)
![измерительный модуль, патент № 2189014](/images/patents/281/2189014/697.gif)
![измерительный модуль, патент № 2189014](/images/patents/281/2189014/955.gif)
![измерительный модуль, патент № 2189014](/images/patents/281/2189014/698.gif)
![измерительный модуль, патент № 2189014](/images/patents/281/2189014/2189014-22t.gif)
1. Рычагов М.Н. Ультразвуковые измерения потоков в многоплоскостных измерительных модулях. Акустический журнал, 1998, т. 44, 6, с.829-836. 2. Lynnworh L. C. Ultrasonic measurements for process control: Theory, techniques, applications. New York, Academic, 1995. 3. Патент США 4646575, МПК: G 01 F 1/66, НПК: 073.861.31 - прототип. 4. Бахвалов Н.С. Численные методы. М., Наука, 1973. - 632 с. 5. Справочник по специальным функциям. Под ред. М. Абрамовица и И. Стиган. М., Наука, 1979. - 832 с.
Класс G01F1/66 измерением частоты, фазового сдвига, времени распространения электромагнитных или других волн, например ультразвуковые расходомеры
Класс G01P5/24 путем измерения непосредственного воздействия потока текучей среды на свойства, обнаруживаемые акустической волной