RU226001U1

RU226001U1 - ULTRASONIC IN-LINE LIQUID FLOWMETER

Info

Publication number: RU226001U1
Application number: RU2024102284U
Authority: RU
Inventors: Рим Мухарямович Галикеев
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "НефтеГазМетрология"
Filing date: 2024-01-30
Publication date: 2024-05-16

Abstract

Полезная модель относится к технике для измерений объемного расхода и объема жидкости в напорных трубопроводах. Ультразвуковой поточный расходомер жидкости, в котором определение скорости потока жидкости, текущей в трубопроводе, производится по разнице частот передаваемого и принимаемого ультразвукового сигнала, возникающей вследствие эффекта Доплера, содержит цилиндрический корпус, в котором в двух соосных кольцевых рядах, на одинаковом угловом расстоянии друг от друга установлено равное количество преобразователей, соединенных с платой управления, каждый из которых способен передавать и принимать направленные лучи ультразвука, причем преобразователи одного ряда установлены со смещением относительно преобразователей, установленных в другом ряду, на половину углового шага между соседними преобразователями, при этом каждый преобразователь выполнен с возможностью непрерывной передачи двух ультразвуковых сигналов двум преобразователям, размещенным в другом ряду, и приема двух ультразвуковых сигналов от других двух преобразователей, размещенных в другом ряду. Технический результат заключается в повышении точности измерений количества углеводородов, перекачиваемых по трубопроводу с одновременным снижением влияния случайных флюктуаций на процесс измерений. 2 ил. The utility model relates to technology for measuring volume flow and volume of liquid in pressure pipelines. An ultrasonic in-line liquid flow meter, in which the flow rate of a liquid flowing in a pipeline is determined by the difference in frequencies of the transmitted and received ultrasonic signal arising due to the Doppler effect, contains a cylindrical body in which, in two coaxial annular rows, at the same angular distance from each other an equal number of transducers are installed connected to the control board, each of which is capable of transmitting and receiving directed ultrasound beams, and the transducers of one row are installed with an offset relative to the transducers installed in the other row, by half the angular step between adjacent transducers, and each transducer is made with the ability to continuously transmit two ultrasonic signals to two transducers located in another row, and receive two ultrasonic signals from the other two transducers located in another row. The technical result consists in increasing the accuracy of measurements of the amount of hydrocarbons pumped through the pipeline while simultaneously reducing the influence of random fluctuations on the measurement process. 2 ill.

Description

Область техники, к которой относится полезная модельField of technology to which the utility model relates

Настоящая полезная модель относится к технике для измерений объемного расхода и объема жидкости в напорных трубопроводах.This utility model relates to technology for measuring volume flow and volume of liquid in pressure pipelines.

Уровень техникиState of the art

На сегодняшний день существует множество средств для измерения расхода, объема и массы жидкости, проходящей по трубопроводу, в том числе для измерения количества нефти и нефтепродуктов. Среди известных устройств можно упомянуть ультразвуковой расходомер (EP0264991A1, опубл. 27.04.1988) с применением 2х (двух) пьезоэлектрических трансдьюсеров (преобразователей) накладного типа. В данном типе расходомера является критическим расположение противоположного излучателя, поскольку продольные волны образуют четко очерченные лучи, которые распространяются через жидкость под углом π/2-α по отношению к нормали от стенки трубы. Когда упомянутые продольные волны ударяются о часть стенки трубы, эти волны вследствие влияния жидкости снова преобразуются в поверхностные волны Лэмба и затем принимаются преобразователями, которые в своем составе содержат призмы, что существенно увеличивает расхождения во времени прохождения сигнала и отражается на метрологических характеристиках.Today, there are many tools for measuring the flow, volume and mass of liquid passing through a pipeline, including for measuring the amount of oil and petroleum products. Among the well-known devices we can mention an ultrasonic flow meter (EP0264991A1, published on April 27, 1988) using 2 (two) piezoelectric transducers (converters) of the overhead type. In this type of flowmeter, the location of the opposite emitter is critical, since the longitudinal waves form clearly defined rays that propagate through the liquid at an angle of π/2-α relative to the normal from the pipe wall. When the above-mentioned longitudinal waves hit a part of the pipe wall, these waves, due to the influence of the liquid, are again converted into surface Lamb waves and then received by transducers that contain prisms, which significantly increases the discrepancy in the signal propagation time and is reflected in the metrological characteristics.

Также из уровня техники известен накладной ультразвуковой расходомер для трубопроводов (RU207936U1, опубл. 25.11.2021), выполняющий измерения посредством волн Лэмба. Представляет широколучевой НУЗР с наклонной призмой, на скошенной части которого располагается пьезоэлемент, угол наклона необходим для выполнения условия возбуждения направленной волны в материале стенки трубопровода. Данная конструкция приводит к появлению паразитных отраженных сигналов внутри нее (призмы), что ведет к необходимости согласования импедансов элементов системы, минимизирования затухания в теле призмы и т.д. приводящие к низкой точности измерения количества углеводородов, перекачиваемых по трубопроводу и, высокой степени влияния случайных флюктуаций на процесс измерения.Also known from the prior art is a clamp-on ultrasonic flow meter for pipelines (RU207936U1, published November 25, 2021), which performs measurements using Lamb waves. It is a wide-beam NUSR with an inclined prism, on the beveled part of which a piezoelectric element is located; the angle of inclination is necessary to fulfill the condition for excitation of a directed wave in the pipeline wall material. This design leads to the appearance of spurious reflected signals inside it (the prism), which leads to the need to match the impedances of the system elements, minimize attenuation in the prism body, etc. leading to low accuracy in measuring the amount of hydrocarbons pumped through the pipeline and a high degree of influence of random fluctuations on the measurement process.

Заявленное устройство устраняет указанные недостатки и позволяет достичь заявленный технический результат.The claimed device eliminates these disadvantages and allows one to achieve the stated technical result.

Раскрытие полезной моделиDisclosure of utility model

Технической задачей, которую решает предлагаемое решение, является создание ультразвукового поточного расходомера жидкости, обеспечивающего повышение точности измерений количества углеводородов, перекачиваемых по трубопроводу, снижение влияния случайных флюктуаций на процесс измерений.The technical problem that the proposed solution solves is the creation of an ultrasonic in-line liquid flow meter, which ensures increased accuracy of measurements of the amount of hydrocarbons pumped through a pipeline, reducing the influence of random fluctuations on the measurement process.

Технический результат заключается в повышении точности измерений количества углеводородов, перекачиваемых по трубопроводу с одновременным снижением влияния случайных флюктуаций на процесс измерений.The technical result consists in increasing the accuracy of measurements of the amount of hydrocarbons pumped through the pipeline while simultaneously reducing the influence of random fluctuations on the measurement process.

Для решения поставленной задачи с достижением заявленного технического результата ультразвуковой поточный расходомер жидкости содержит цилиндрический корпус с фланцами, в котором установлены ультразвуковые преобразователи, совмещающие функции передатчика и приемника ультразвуковых сигналов, закрепленные соответственно в два ряда, расположенных соосно, на расстоянии друг от друга, кратном длине волны ультразвукового излучения, с равномерным угловым шагом α, таким образом, что пары преобразователей, установленных в разных рядах и направленных друг на друга, подключены попарно в измерительную цепь, фиксирующую частоту и временной интервал между поступающими от них сигналами, причем упомянутые преобразователи размещены с угловым смещением друг относительно друга на половину углового шага α между соседними преобразователями каждого из рядов, при этом каждый из преобразователей снабжен возможностью обмена ультразвуковыми сигналами еще с тремя преобразователями из другого ряда.To solve the problem and achieve the stated technical result, an ultrasonic liquid flow meter contains a cylindrical body with flanges, in which ultrasonic transducers are installed, combining the functions of a transmitter and receiver of ultrasonic signals, respectively mounted in two rows located coaxially, at a distance from each other, a multiple of the length waves of ultrasonic radiation, with a uniform angular step α, in such a way that pairs of transducers installed in different rows and directed towards each other are connected in pairs to a measuring circuit that records the frequency and time interval between the signals coming from them, and the mentioned transducers are placed with an angular offset relative to each other by half the angular step α between adjacent transducers of each row, while each of the transducers is equipped with the ability to exchange ultrasonic signals with three more transducers from another row.

Краткое описание чертежейBrief description of drawings

Фиг.1. Ультразвуковой поточный расходомер жидкости в поперечном разрезе;Fig.1. Ultrasonic in-line liquid flow meter in cross section;

Фиг.2. Продольный разрез ультразвукового поточного расходомера жидкости.Fig.2. Longitudinal section of an ultrasonic liquid flow meter.

На фигурах позициями отмечены следующие элементы:The following elements are marked with positions in the figures:

1 - Цилиндрический корпус;1 - Cylindrical body;

2 - Ультразвуковой преобразователь верхнего ряда;2 - Ultrasonic transducer of the top row;

3 - Ультразвуковой преобразователь нижнего ряда;3 - Ultrasonic transducer of the lower row;

4 - Ультразвуковой луч.4 - Ultrasonic beam.

Осуществление полезной моделиImplementation of a utility model

Заявленный ультразвуковой поточный расходомер жидкости, фрагмент которого представлен на фиг. 1, имеет цилиндрический корпус 1 с фланцами, в котором установлены ультразвуковые преобразователи (сенсоры) 2 и 3, совмещающие функции передатчика и приемника ультразвуковых сигналов, закрепленные соответственно в два последовательных кольцевых ряда, расположенных соосно, на расстоянии друг от друга, кратном длине волны ультразвукового излучения, с равномерным угловым шагом α, таким образом, что пары преобразователей 2 и 3, установлены в разных рядах и направлены друг на друга, подключены попарно в измерительную цепь, фиксирующую частоту и временной интервал между поступающими от них сигналами. При этом каждый преобразователь 2 и 3 выполнен с четырьмя пьезоэлементами, установленными в его корпусе, с обеспечением остронаправленного излучения ультразвукового луча в заданном направлении - на пьезоэлемент преобразователя, размещенного в другом ряду, причем упомянутые преобразователи 2 и 3 размещены с угловым смещением друг относительно друга на половину углового шага α между соседними преобразователями каждого из рядов, благодаря чему учитывается вероятность разноскоростного движения жидкости в смежных струях.The claimed ultrasonic in-line liquid flow meter, a fragment of which is shown in FIG. 1, has a cylindrical body 1 with flanges, in which ultrasonic transducers (sensors) 2 and 3 are installed, combining the functions of a transmitter and receiver of ultrasonic signals, respectively fixed in two successive annular rows located coaxially, at a distance from each other, a multiple of the ultrasonic wavelength radiation, with a uniform angular step α, such that pairs of converters 2 and 3, installed in different rows and directed towards each other, are connected in pairs to a measuring circuit that records the frequency and time interval between the signals coming from them. In this case, each transducer 2 and 3 is made with four piezoelements installed in its body, ensuring highly directed radiation of an ultrasonic beam in a given direction - to the piezoelement of the transducer located in another row, and the mentioned transducers 2 and 3 are placed with an angular displacement relative to each other by half the angular step α between adjacent transducers of each row, due to which the probability of different-speed fluid motion in adjacent jets is taken into account.

Преобразователи установлены в сквозных гнездах (врезных отверстиях), выполненных в корпусе расходомера, что дополнительно позволяет непосредственно оценить скорость звука в флюиде, произвести предварительное обнуление устройства в среде эталоне - вода при определенной температуре, исключить влияние материала стенки корпуса из расчетов и погрешности распространения звука в среде, обеспечить доступ для монтажа и подключения преобразователей к средствам измерения снаружи.The transducers are installed in through sockets (mortise holes) made in the flowmeter body, which additionally allows one to directly estimate the speed of sound in a fluid, perform preliminary zeroing of the device in a reference medium - water at a certain temperature, exclude the influence of the body wall material from the calculations and the error of sound propagation in environment, provide access for installation and connection of converters to measuring instruments from outside.

При этом каждый из преобразователей снабжен возможностью обмена ультразвуковыми сигналами еще с тремя преобразователями из другого ряда.Moreover, each of the transducers is equipped with the ability to exchange ultrasonic signals with three more transducers from another row.

Локальная скорость потока определяется по изменению частоты принимаемого сигнала относительно передаваемого вследствие эффекта Доплера; расход определяют по результатам обработки результатов измерений, получаемых от всех задействованных преобразователей (сенсоров).The local flow velocity is determined by the change in the frequency of the received signal relative to the transmitted one due to the Doppler effect; the flow rate is determined based on the results of processing the measurement results obtained from all involved transducers (sensors).

Инсталляция производится по классической схеме, опираясь на теорию распространения УЗ волн в средах - UP stream - выше по потоку и DOWN stream - ниже по потоку на расстоянии друг от друга кратном длине волны излучения.The installation is carried out according to the classical scheme, based on the theory of propagation of ultrasonic waves in media - UP stream - upstream and DOWN stream - downstream at a distance from each other that is a multiple of the radiation wavelength.

Каждый преобразователь непрерывно отправляет два сигнала сопряженным с ним двум преобразователям другого ряда и принимает два сигнала от других двух преобразователей того же ряда (так назначено программой измерений и обеспечено размещением и юстировкой пьезоэлементов преобразователя). Таким образом, происходит одновременный прием-излучение преобразователем четырех сигналов.Each transducer continuously sends two signals to its associated two transducers of another row and receives two signals from the other two transducers of the same row (as assigned by the measurement program and ensured by the placement and adjustment of the transducer piezoelements). Thus, the converter simultaneously receives and transmits four signals.

При этом смещение преобразователей в разных рядах на половину углового шага α между соседними преобразователями одного ряда является оптимальным.In this case, the displacement of converters in different rows by half the angular step α between adjacent converters of the same row is optimal.

Частота излучения устанавливается на уровне 2 МГц, с возможностью программного изменения мощности ультразвукового сигнала в зависимости от свойств измеряемой среды.The radiation frequency is set at 2 MHz, with the ability to programmatically change the power of the ultrasonic signal depending on the properties of the measured medium.

Преобразователи соединены с вычислительной платой управления, снабженной аналоговой и цифровой частями, интерфейсами ввода-вывода, установленной во взрывозащищенной коробке, закрепленной на корпусе расходомера. Коробка может быть снабжена цифровым дисплеем для визуального контроля (при необходимости).The converters are connected to a computer control board equipped with analog and digital parts, input-output interfaces, installed in an explosion-proof box mounted on the flowmeter body. The box can be equipped with a digital display for visual control (if necessary).

Программная и аппаратная часть расходомера позволяет реализовать возможность визуального контроля профиля потока в 3D-модели, расхода жидкости, применять профиль расхода и вязкости при использовании одного расходомера для учета нескольких типов жидкостей (например, до 7 видов нефти).The software and hardware of the flow meter allows you to implement the ability to visually monitor the flow profile in a 3D model, liquid flow rate, apply the flow rate and viscosity profile when using one flow meter to account for several types of liquids (for example, up to 7 types of oil).

Реализована программная возможность определения неисправных или неверно подключенных преобразователей к плате управления, что при отсутствии прав разработчика у конечного пользователя, позволяет оперативно выявить ошибку в процессе учета.A software capability has been implemented to detect faulty or incorrectly connected converters to the control board, which, in the absence of developer rights for the end user, allows you to quickly identify an error in the accounting process.

При установке преобразователей в корпус перед финальной сборкой для учета флюида в измерительной линии корпус устанавливается для произведения процедуры обнуления на воде при определенной температуре. При первом включении ПО колодка преобразователя с расключенными в определенной последовательности пьезоэлементами позволяет тут же оценить работоспособность данного преобразователя по мере нарастания усиления в таблице параметров, осциллограмме резонансной частоты лучей. После установления тихой воды в системе, с помощью ПО произвести обнуление и при необходимости выбраковку не попадающих в рамки излучателей. Таким образом на первом этапе тестирования и обнуления, до процесса калибровки происходит применение двух конструктивных элементов устройства.When installing transducers into a housing, before final assembly to account for fluid in the measuring line, the housing is installed to perform a zeroing procedure on water at a certain temperature. When you turn on the software for the first time, the converter block with the piezoelements connected in a certain sequence allows you to immediately evaluate the performance of this converter as the gain increases in the parameter table, the oscillogram of the resonant frequency of the beams. After establishing quiet water in the system, use the software to reset and, if necessary, reject emitters that do not fall within the frame. Thus, at the first stage of testing and zeroing, before the calibration process, two structural elements of the device are used.

Расходомер имеет возможность обработки всех сигналов от всех преобразователей (к примеру, 16ти), одновременно в среде диагностики и наладки устройства в виде визуализации лучей, таблицы параметров устройства в режиме реального времени.The flow meter has the ability to process all signals from all converters (for example, 16), simultaneously in a device diagnostics and adjustment environment in the form of beam visualization, a table of device parameters in real time.

Все четыре пьезоэлемента в одном преобразователе размещены каждый в своей раковине лицевой части преобразователя под определенным углом к нормали положительным электродом наружу - в среду, элементы распаяны, расключены согласно схемы включения в колодку платы так, чтобы обеспечивалось управление всеми четырьмя пьезоэлементами в момент времени, как на прием, так и на передачу.All four piezoelements in one converter are each placed in its own shell on the front part of the converter at a certain angle to the normal with the positive electrode outward - into the medium, the elements are soldered, connected according to the connection diagram in the board block so that control of all four piezoelements is ensured at a time, as in reception and transmission.

Выполнение расходомера вышеуказанным образом позволяет повысить точность измерений количества углеводородов, перекачиваемых по трубопроводу с одновременным снижением влияния случайных флюктуаций на процесс измерений, обеспечить универсальный контроль и юстировку, а также оперативную диагностику, в том числе, выявление сбоев, оценку в режиме реального времени по таблице параметров и осциллограммам визуализации каждого луча и работоспособности отдельных преобразователей.Constructing a flow meter in the above manner allows you to increase the accuracy of measuring the amount of hydrocarbons pumped through a pipeline while simultaneously reducing the influence of random fluctuations on the measurement process, provide universal control and adjustment, as well as operational diagnostics, including detection of failures, real-time assessment using a table of parameters and oscillograms of visualization of each beam and the performance of individual converters.

Claims

1. Ultrasonic flow meter of liquid, in which the determination of the flow rate of liquid flowing in the pipeline is made by the difference in frequencies of the transmitted and received ultrasonic signal arising due to the Doppler effect, characterized by the fact that it contains a cylindrical housing, in which, in two coaxial annular rows, at the same angular distance from each other, an equal number of transducers are installed, connected to the control board, each of which is capable of transmitting and receiving directed ultrasound beams, and the transducers of one row are installed offset relative to the transducers installed in the other row, by half the angular step between adjacent transducers, Moreover, each transducer is configured to continuously transmit two ultrasonic signals to two transducers located in another row, and receive two ultrasonic signals from the other two transducers located in another row.

2. An ultrasonic in-line liquid flow meter according to claim 1, characterized in that the said converters are installed in through sockets made in the flow meter housing.

3. Ultrasonic in-line liquid flow meter according to claim 1, characterized in that the radiation frequency is 2 MHz.

4. Ultrasonic flow liquid flow meter according to claim 1, characterized in that it is designed with the ability to programmatically change the power of the ultrasonic signal depending on the properties of the measured medium.

5. An ultrasonic in-line liquid flow meter according to claim 1, characterized in that an explosion-proof box with a computer control board with an analog and digital part and input-output interfaces is additionally installed on the flow meter body.

6. Ultrasonic in-line liquid flow meter according to claim 1, characterized in that it is additionally configured to detect faulty or incorrectly connected converters to the control board.