способ измерения объемных расходов жидкости в напорных трубопроводах (варианты)

Формула изобретения

1. Способ измерения объемных расходов жидкости в конических переходах напорных трубопроводов с осесимметричным потоком, заключающийся в излучении акустическим преобразователем через центр поперечного сечения трубопровода ультразвукового импульса под углом к направлению движения потока и в обратном направлении, измерении времени прохождения ультразвукового импульса в обоих направлениях, вычислении средней скорости потока V_cp в трубопроводе, измерении диаметра трубопровода D₀ в плоскости поперечного сечения, проходящей через точку пересечения оси трубопровода и луча распространения ультразвуковых импульсов, и определении расхода жидкости по формуле

Q=K_kV _ср D₀ ²/4,

где K_k - коэффициент коррекции.

2. Способ измерения объемных расходов жидкости в напорных трубопроводах с неосесимметричным потоком, заключающийся в использовании двух пар акустических преобразователей, каждая из которых излучает и принимает ультразвуковой импульс, направленный через центр поперечного сечения трубопровода под углом к направлению движения потока жидкости и в обратном направлении, измерении времени распространения ультразвуковых импульсов от каждой пары акустических преобразователей, при этом пары акустических преобразователей расположены на продольных взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через ось трубопровода, причем пересечение лучей распространения ультразвуковых импульсов обеспечивается либо в одной точке, лежащей на оси трубопровода, либо в двух точках с разнесением вдоль оси, измерении средней скорости движения потока в каждой плоскости и определении расхода как среднего значения расходов в плоскостях расположения каждой пары акустических преобразователей.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам измерения расхода жидкости в напорных трубопроводах с осесимметричным и не осессимметричным потоками.

Известен способ определения объемного расхода жидкости в гидравлических установках, заключающийся в измерении параметров потока жидкости с помощью формирования акустического луча между двумя акустическими преобразователями и определении объемного расхода жидкости на основании измеренных параметров (патент РФ №2201579, кл. G 01 F 1/66, 2003 [1]).

Недостатком известного способа [1] является ограниченное его использование, в частности, данный способ может быть реализован в гидравлических установках со спиральными камерами и размещенными в них статорными колонками.

Известен из патента РФ №2112928, кл. G 01 F 1/66, 1998 [2] способ измерения расхода текущих жидкостей, включающий определение средней скорости, вычисление величины расхода с использованием ультразвуковых импульсов, излучаемых под углом к направлению движения потока и против него.

Известен из патента РФ №2069314, кл. G 01 F 1/66, 1996 [3], включающий излучение ультразвукового сигнала под углом к направлению движения потока жидкости и против этого направления, измерение времени прохождения ультразвукового сигнала, вычисление средней скорости потока жидкости, вычисление расхода жидкости.

Общим недостатком известных из [2] и [3] способов является недостаточно высокая точность измерения и низкая универсальность из-за невозможности использования в напорных трубопроводах.

Техническим результатом, который достигается при использовании изобретения является, повышение точности измерения расхода потока жидкости и расширение технологических возможностей за счет обеспечения измерений параметров потока жидкости, протекающего в напорных трубопроводах сложной конфигурации, с переменным поперечным сечением и с осесимметричным и не осессимметричным потоками.

Достижение указанного технического результата обеспечивается тем, что в заявленном способе измерения расхода жидкости в напорных трубопроводах с переменным поперечным сечением и с осесимметричным потоком, акустическим преобразователем, через центр поперечного сечения трубопровода излучают ультразвуковой импульс под углом к направлению потока жидкости и против направления потока, измеряют время прохождения ультразвукового импульса в обоих направлениях, вычисляют среднюю скорость движения потока в трубопроводе, измеряют диаметр трубопровода в плоскости его поперечного сечения, проходящей через точку пересечения оси потока и луча распространения ультразвуковых импульсов, и определяют расход жидкости.

В другом варианте способа при измерении расхода жидкости при не осесимметричных потоках жидкости используют две пары акустических преобразователей, каждая из которых излучает и принимает ультразвуковой импульс, направленный через центр поперечного сечения трубопровода под углом к направлению движения потока жидкости и в обратном направлении, измеряют время распространения ультразвуковых импульсов, при этом пары акустических преобразователей располагают на продольных взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через ось трубопровода, причем пересечение лучей распространения ультразвуковых импульсов обеспечивается либо в одной точке, на оси трубопровода, либо в двух с разнесением вдоль оси, вычислением средней скорости потока в каждой плоскости и определении расхода в виде среднего значения расходов в плоскостях расположения каждой пары акустических преобразователей

На фиг.1 представлена эпюра скоростей при осесимметричном течении.

На фиг.2 приведена принципиальная схема определения средней скорости потока по диаметру поперечного сечения трубопровода.

На фиг.3 показан конический участок трубопровода.

На фиг.4 приведены зависимости коэффициентов полных потерь в диффузорном канале от числа Рейнольдса.

На фиг.5, 6 и 7 показаны поля скоростей, образующихся после колен.

На фиг.8 показан метод определения эпюр скоростей при не осесимметричном сечении.

На фиг.9 приведена принципиальная схема определения расхода для не осесимметричных течений в напорных трубопроводах.

На фиг.10 показана схема размещения двух пар акустических преобразователей при определении расхода для не осесимметричных течений.

На фиг.11 приведена схема створов размещения акустических преобразователей в диффузоре на действующей установке.

Осесимметричные течения в трубах образуются при прямолинейных протяженных участках с длинами не менее 15 диаметров до створа измерения расходов и 5 диаметров после него.

Экспериментальные исследования, выполненные для этих условий, показали, что профиль скоростей по диаметру трубопровода при отсчете по оси X от центра к стенке подчиняется степенному закону в виде:

где v - величина скорости на расстоянии X от центра поперечного сечения трубопровода (см. фиг.1),

U ₀ - максимальная скорость в центре поперечного сечения трубопровода,

х - расстояние от центра,

R ₀ - радиус поперечного сечения трубопровода.

Объем тела вращения (фиг.1), выражающий расход Q, определяется двойным интегралом в виде:

Это выражение после преобразования получает вид:

где m - показатель степени, зависящий от числа Рейнольдса (таблица 1).

Таблица 1
Re	4×103	105	106	>10 6
m	1/6	1/7	1/9	1/10

Средняя скорость по любому диаметру поперечного сечения трубопровода равна:

Это свойство для условий осесимметричного течения широко используется в системах ультразвуковых измерений объемных расходов жидкостей.

На фиг.2 приведена принципиальная схема определения средней скорости по диаметру поперечного сечения трубопровода, в соответствии с которой акустические преобразователи установлены в точках а (АП1) и б (АП2) и работают попеременно в режиме приемник-излучатель.

Времена распространения ультразвукового импульса от точки "б" к точке "а" (t ₁) и от точки "а" к точке "б" (t ₂) могут быть представлены в виде:

где L_a - длина активной части акустического луча, м (от точки "а" до точки "б);

С₀ - скорость ультразвука в неподвижной воде, м/с;

t₁ и t ₂ - время распространения ультразвукового импульса по потоку и против него, с;

V_np - средняя скорость проекций осевых скоростей на акустический луч, определяемая по формуле:

из уравнений (4) и (5), учитывая, что

Техническими средствами ультразвуковых расходомеров производится измерение величин t₁ и t ₂.

Средняя скорость по диаметру поперечного сечения водовода определяется вычислением по формуле: V _cp=V_np/cos ( ) или после преобразования из выражения:

Вычисление расхода выполняется в виде

где К_k - коэффициент коррекции, величина которого составляет 0,92-1.1

(значение коэффициента коррекции от единицы и выше может быть получено, если акустический лус трассируется не через ось трубопровода, а по хорде, поскольку теоретически при постоянстве скоростей по всему сечению трубопровода коэффициент коррекции равен единице);

F - площадь сечения трубопровода (F= R²).

Предлагаемый способ измерения объемных расходов в конических переходах трубопроводов базируется на следующих результатах исследований.

Свободная турбулентность может развиваться струей, образованной жидкостью, истекающей из круглой трубы в большой объем той же жидкости.

Установлено, что угол расширения струи не зависит от рода жидкости в струе и окружающем пространстве, если отсутствуют эффекты сжимаемости и кавитации. Отсюда следует, что осредненное движение и большие масштабы турбулентности не зависят от плотности, вязкости и числа Рейнольдса при условии, что последнее достаточно велико, чтобы обеспечить полностью турбулентное движение. Профили скоростей разных сечений такой струи, хотя и различны по ширине и высоте, имеют подобную форму и могут быть сведены в безразмерных координатах к единственной кривой.

Эти выводы справедливы и для случая течения жидкости в коническом переходе, если угол раскрытия конуса не превышает угла раскрытия свободной струи при числе Рейнольдса, обеспечивающем полное развитие турбулентного течения.

На фиг.3 показан конический участок трубопровода с углом раскрытия .

Расчетный диаметр D₀, величина которого вводится в формулу (8) определения расхода, определяется в поперечном сечении, проходящем через точку 0 пересечения акустического луча с осью конуса. Сечения с диаметрами D₁ и D₂ размещаются на расстояниях L ₁ и L₂:

а размер диаметров определяется по выражениям:

Длины участков l_0-1 и l_0-2 акустического луча будут различны, а именно: l_0-2>l_0-1 - для течений как в диффузоре, так и в конфузоре.

Однако средние величины скоростей будут равны. Это следует из приведенных выражений:

- средняя скорость на участке l _0-1:

После раскрытия интеграла v_0-1 =V₀/m+1

- средняя скорость на участке l_0-2

После раскрытия интеграла v_0-2 =V₀/m+1.

В формулах (11) и (12) отсчет х по длинам l производился в направлении от стенки трубопровода к центру (к точке 0).

Угол трассировки акустического луча обычно рекомендуется принимать равным 45°, но его можно и изменить в соответствии с конкретными условиями конструкции трубопровода.

Угол раскрытия конуса принимается не более 5-7° как для конических участков трубопровода, так и для различного рода насадок.

На фиг.4 приведены зависимости коэффициентов полных потерь в диффузорном канале от числа Рейнольдса. При Re 3×10³ и выше процесс турбулизации потока захватывает область неоторвавшегося пограничного слоя, что увеличивает его сопротивляемость отрыву (при =7° отрыв ликвидируется).

При =15° и Re=10⁵÷2×10 ⁵ происходит отрыв турбулентного пограничного слоя и потери возрастают. Диапазон углов раскрытия диффузоров 10°< <15° определяет группу диффузоров с неустойчивым характером течения.

Активное влияние числа Re практически прекращается при Re=2×10⁵. При числах Рейнольдса Re>2×10⁵ устанавливается область автомодельности.

При проектировании гидравлических систем, в состав которых входят конические участки, обычно назначаются углы раскрытия от =5° до =7°, что обеспечивает безотрывные течения.

Таким образом, при больших числах Рейнольдса и осесимметричном потоке в конических переходах точное измерение расхода обеспечивается направлением ультразвукового импульса под углом к направлению потока жидкости и обратно с пересечением оси водовода, измерением времени прохождения ультразвукового импульса, вычислением средней скорости потока в трубопроводе, измерением диаметра трубопровода в плоскости его поперечного сечения, проходящего через точку пересечения оси водовода и луча ультразвукового импульса, а расход определяется как

Q=K_kV _ср D₀ ²/4, при этом D₀ (D₁+D₂)/2.

He осесимметричные течения образуются после местных гидравлических сопротивлений таких, как задвижка, шаровой клапан, колено, тройники и их сочетания.

На фиг.5, 6 и 7 показаны поля скоростей, образующиеся после колен. На фиг.5, в частности, изображено поле скоростей в напорном трубопроводе Вазузской гидро-технической системы. Сечение удалено на расстояние 6,6 D трубопровода от оси насоса и колена. Область максимальных скоростей смещена от оси трубопровода примерно на половину радиуса.

На фиг.6 показано поле скоростей за коленом всасывающей трубы перед входом в рабочее колесо насоса ОП-11-135. В этом случае также область максимальных скоростей смещена примерно на половину радиуса.

На фиг.7 приведено поле скоростей после колена на входе в сифонный водовыпуск. Здесь область максимальных скоростей также смещена на ту же половину радиуса.

В таблице 2 приведены средние величины скоростей в сечениях, обозначенных с шагом по углу через 22,5° (фиг.7). Если производить определение средней величины скорости только по одному сечению, то ошибка может достигнуть 0,76%. При использовании определения средней величины скорости по двум взаимно перпендикулярным диаметрам ошибка снижается в 3,5 раза и более (см. таблицу 3).

На фиг.8 показан метод теоретического определения эпюр скоростей при не осесимметричном течении. Местоположение точки с максимальной величиной скорости V₀ на радиусе определяется выражением (1-n)R ₀, где n может меняться от нуля до единицы. Знак минус в выражениии R_B (см. фиг.8) принимается при угле А от нуля до 90°, а знак плюс - при угле А, начиная с А=90° до 180°. Средняя скорость на радиусе R ₀ равна

Средняя скорость на диаметре 2R ₀ можно определить по выражению:

Подинтегральная функция в выражении (15) не сводится к элементарным функциям, т.е. данный интеграл относится к эллиптическому виду, решаемому численными методами.

В таблице 5 приведены результаты таких вычислений при R ₀=1, v₀=1, n=0.5, m=0.1 (Re>10 ⁶). Теоретические расчеты достаточно хорошо подтверждают экспериментальные данные (таблица 3),

Таблица 2
Средние величины скоростей по сечениям (фиг.7 - экспериментальные данные)
№ сечения	Угол °	Скорость Vcp	Отклонение %
1	0	0,8542	+0,32
2	22,5	0,8532	+0,20
3	45,0	0,8517	-0,02
4	67,5	0,8500	-0,18
5	90,0	0,8450	-0,76
6	112,5	0,8492	-0,27
7	135,0	0,8532	+0,20
8	157,5	0,8558	+0,50

V_cp/8=0.8515

Таблица 3
Средние величины скорости по двум взаимно перпендикулярным плоскостям (по результатам таблицы 3)
№ сечений	Vcp	Отклонение
1 и 5	0,8496	-0,22
2 и 6	0,8512	-0,04
3 и 7	0,8524	+0,11
4 и 8	0,8529	+0,16

V_cp/4=0.8515

Таблица 4
Средние величины скоростей по сечениям (расчет)
№ сечения	Угол °	Скорость Vcp	Отклонение %
1	0	0,9134	+0,47
2	22,5	0,9126	+0,38
3	45,0	0,9091	0,00
4	67,5	0,9081	-0,11
5	90,0	0,9048	-0,47
6	112,5	0,9056	-0,38
7	135,0	0,9091	0,00
8	157,5	0,9101	+0,11

V_cp/8=0.9091

Таблица 5
Средние величины скорости по двум взаимно перпендикулярным плоскостям (по результатам таблицы 4)
№ сечений	Vcp	Отклонение %
1 и 5	0,9091	0
2 и 6	0,9091	0
3 и 7	0,9091	0
4 и 8	0,9091	0

V_cp/4=0.9091

В таблице 5 приведены средние величины скорости по двум взаимно перпендикулярным сечениям. В этом случае погрешность определения средней величины скорости равна нулю, если не принимать во внимание погрешность технических средств измерений.

Рассмотренные результаты экспериментальных исследований и расчетов позволяют установить, что:

- точное определение расхода не осесимметричных потоков можно обеспечить, применяя измерение средних величин скорости по взаимно перпендикулярным плоскостям;

- при этом взаимно перпендикулярные плоскости могут быть размещены в поперечном сечении произвольно;

- погрешность определения расхода зависит только от погрешностей применяемых технических средств, при этом расход жидкости определяется как среднее значение расхода расходов в указанных плоскостях.

Практическое решение разработанного метода определения объемного расхода жидкости может быть реализовано путем применения ультразвуковых расходомеров.

На фиг.10 показано размещение двух пар акустических преобразователей во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Здесь возможны два варианта применения технических средств измерения.

По одному из них допускается пересечение двух акустических лучей на оси водовода в одной точке (точка О, фиг.10а). В этом случае, чтобы избежать взаимного влияния акустических лучей, технические средства должны обеспечить синхронизацию попеременной работы каждой пары акустических преобразователей

В другом случае точки пересечения акустических лучей с осью водовода разнесены на величину L (фиг.106), что позволяет применить два независимых комплекта технических средств.

На фиг.11 приведена схема створов размещения акустических преобразователей в диффузоре на действующей установке. Угол раскрытия диффузора равен 6,14°. Точки пересечения акустических лучей с осью диффузора разнесены на L=150 мм. Разбивка створов размещения акустических преобразователей выполнена по уравнениям (9) и (10). Луч акустических преобразователей АП3 и АП4 на фиг.10 повернут на 90° и показан условно в плоскости луча АП1-АП2.

Измерения расхода производились расходомерами типа UFM-005, т.е. двумя независимыми системами. Результаты измерений передавались на сумматор типа СИК-4. На сумматоре выполнялось автоматическое суммирование двух результатов измерений, а сумма делилась пополам. Эта система измерений расхода введена в опытную эксплуатацию в октябре 2004 года.

В таблице 6 дается сравнение результатов опытов с расчетами (отношение максимальных средних величин к минимальным)

Таблица 6
Наименование	Средняя величина скорости по сечению с Vмакс (расчет и модель - в относительных единицах, натура - в м3/час)	Средняя величина скорости по взаимно перпендикулярным сечениям	Отношение величин (2)/(3)	Отклонения в %
Расчет	0,9134	0,9048	1,0095	-0,04
Опыт на модели	0,8542	0,8450	1,0109	+0,10
Опыт на действующей установке	7630	7560	1,0093	-0,06

По этим параметрам также отмечается близкое совпадение опытных данных с расчетами, что обусловливает высокую точность измерения при реализации способа на практике.