[go: up one dir, main page]

RU2068543C1 - Method of measurement of mass flow rate of liquid and gaseous media - Google Patents

Method of measurement of mass flow rate of liquid and gaseous media Download PDF

Info

Publication number
RU2068543C1
RU2068543C1 RU93000530A RU93000530A RU2068543C1 RU 2068543 C1 RU2068543 C1 RU 2068543C1 RU 93000530 A RU93000530 A RU 93000530A RU 93000530 A RU93000530 A RU 93000530A RU 2068543 C1 RU2068543 C1 RU 2068543C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
frequency
flow rate
medium
density
acoustic
Prior art date
Application number
RU93000530A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU93000530A (en
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed filed Critical
Priority to RU93000530A priority Critical patent/RU2068543C1/en
Publication of RU93000530A publication Critical patent/RU93000530A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2068543C1 publication Critical patent/RU2068543C1/en

Links

Landscapes

  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: acoustic cylindrical wave is radiated into flow, reflected wave is registered and its frequency is measured. By this frequency density of medium is determined. Normal wave on frequency corresponding to one of critical components of series ωcr=a-1x, where a is acoustic radius of pipe-line, C is sound velocity, is emitted into flow in addition. Frequency is changed up to achievement of new value of critical frequency and difference between values of frequencies is measured and used to find value of volumetric flow rate. Value of mass flow rate is determined as product of volumetric flow rate by density. EFFECT: improved authenticity of method. 1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения массового расхода жидких и газообразных сред. The invention relates to measuring technique and can be used to determine the mass flow rate of liquid and gaseous media.

Известен способ определения скорости движения среды по допплеровскому смещению в частоте зондирующего излучения в акустике [1] Основные недостатки допплеровских способов: необходимость присутствия в измеряемом потоке рассеивающих, зондирующих излучение частиц; большая погрешность измерения скорости (расхода) вследствие рассеяния во все стороны (отсутствия узкой диаграммы направленности рассеянного на частицах, зондирующего излучения); нестабильность показаний вследствие влияния температурных, флуктуационных и других факторов. A known method of determining the velocity of a medium by Doppler shift in the frequency of the probe radiation in acoustics [1] The main disadvantages of the Doppler methods: the need for the presence in the measured stream of scattering, probe radiation radiation; a large error in measuring the velocity (flow rate) due to scattering in all directions (the absence of a narrow radiation pattern of the probe radiation scattered by the particles); instability of readings due to the influence of temperature, fluctuation and other factors.

Известен способ измерения расхода жидких сред, включающий зондирование поперечного сечения потока акустическими цилиндрическими волнами, регистрацию отраженных цилиндрических волн и измерение их частоты, регистрацию вторичных колебаний приемником поверхностных акустических волн, смещенным от центра цилиндрического преобразователя к периферии, и измерение их частоты, при этом величину расхода определяют по разности измеренных частот [2]
Недостатком известного способа является узкий диапазон измеряемых расходов.
A known method of measuring the flow rate of liquid media, including sounding the cross section of the flow with acoustic cylindrical waves, detecting reflected cylindrical waves and measuring their frequency, registering secondary vibrations with a surface acoustic wave receiver offset from the center of the cylindrical transducer to the periphery, and measuring their frequency, wherein the flow rate determined by the difference of the measured frequencies [2]
The disadvantage of this method is the narrow range of measured costs.

Техническим результатом от использования изобретения является расширение диапазона измерения в сторону малых скоростей движения среды. The technical result from the use of the invention is the expansion of the measurement range in the direction of low speeds of the medium.

Это достигается тем, что дополнительно излучают нормальную акустическую волну на частоте, соответствующей одной из критических составляющих ряда ωкр а-1•(3,83; 7,02; 10,17; 13,32.)•с, где a - акустический радиус трубопровода, с скорость звука в среде, изменяют частоту излучения до достижения нового значения критической частоты, измеряют разность между исходным и новым значениями частот излучения, по которой определяют величину объемного расхода, по частоте отраженных цилиндрических волн определяют плотность среды, а величину массового расхода вычисляют произведением объемного расхода на плотность.This is achieved by the fact that they additionally emit a normal acoustic wave at a frequency corresponding to one of the critical components of the series ω kr a -1 • (3.83; 7.02; 10.17; 13.32.) • s, where a is the acoustic the radius of the pipeline, with the speed of sound in the medium, the radiation frequency is changed until a new critical frequency is reached, the difference between the initial and new values of the radiation frequencies is measured, which determine the volumetric flow rate, the density of the medium is determined from the frequency of the reflected cylindrical waves, and the mass flow rate is computes the product of the volumetric flow rate by the density.

На чертеже 1 показан вариант функциональной схемы устройства, реализующего способ. The drawing 1 shows a variant of the functional diagram of a device that implements the method.

Устройство содержит участок трубопровода 1 с излучателем акустических волн 2 на его внешней поверхности, создающий в среде внутреннего объема участка нормальные волны; приемный акустический цилиндрический преобразователь нормальных волн 3, регистрирующий прохождение нормальных волн через участок 1; приемный акустический цилиндрический преобразователь 4, регистрирующий на участке 1 радиальные колебания; акустический цилиндрический преобразователь 5, работающий последовательно в режимах излучения коротких импульсов, а затем приема после каждого импульса создаваемых им реверберационных волн в среде и предназначенного для измерения плотности среды; усилители сигналов 6; коммутатор 7 с мостовой схемой; регулятор "плавного" изменения частоты 8 генератора гармонических колебаний 9; устройство обработки информации 10; генератор импульсов 11 и частотомер 12. Для исключения возможности воздействия поверхностных волн используются акустические ловушки 13. The device comprises a pipeline section 1 with an acoustic wave emitter 2 on its outer surface, which creates normal waves in the medium of the internal volume of the section; receiving acoustic cylindrical transducer of normal waves 3, recording the passage of normal waves through section 1; receiving acoustic cylindrical transducer 4, detecting radial vibrations in section 1; an acoustic cylindrical transducer 5 operating sequentially in the modes of emission of short pulses, and then receiving after each pulse the reverberation waves created by it in the medium and intended for measuring the density of the medium; signal amplifiers 6; switch 7 with a bridge circuit; a regulator of "smooth" change of frequency 8 of the harmonic oscillation generator 9; information processing device 10; pulse generator 11 and frequency counter 12. To exclude the possibility of surface waves, acoustic traps 13 are used.

Способ измерения расхода жидких и газообразных сред на основе волноводных свойств участка трубопровода осуществляется следующим образом. С выхода генератора гармонических колебаний 8 электрический сигнал гармонических колебаний поступает на акустический преобразователь 2, который излучает проходящий через стенку трубопровода 1 также гармонический сигнал в заполняющую трубопровод среду. Частота колебаний нормальных волн при скорости движения среды V 0 выбирается равной значению одной из критических, составляющих ряд: ωкр a-1(3,83; 7,02; 10,17; 13,32.)•сo, получаемого из последовательности нулей бесселевой функции условия: I1(ma) 0, где а внутренний радиус участка трубопровода 1; m ω rh i •Co, сo скорость звука в лабораторной системе координат при V 0. При частоте ω = ω кр i нормальная волна с волновым вектором

Figure 00000002
становится нераспространяющейся, т. е. ее продольная составляющая
Figure 00000003
0, а радиальная принимает одно из критических максимальных значений: m a-1(3,83; 7,02;). В результате, на снабженный мостовой схемой коммутатор 7 после усиления в 6 будут поступать сигналы с преобразователя 4 и будет отсутствовать сигнал с преобразователя 3. В таких ситуациях мостовая схема коммутатора 7 сбалансирована, на регулятор 8 сигнал не поступает и генератор 9 подает на излучатель 2 сигналы прежней частоты ω кр i . При появлении движения среды в трубопроводе, т. е. при V≠0, и при прежней частоте ω кр i , длина волны λ, а с ней и волновое число К изменяется вследствие сноса потоком излучения:
Figure 00000004
. Изменение длины волны приведет к "отпиранию" трубопровода и нормальные волны, пройдя участок 1, попадают на преобразователь 3, после усиления в 6 поступают на коммутатор 7. Амплитуда радиальной составляющей колебаний среды, регистрируемая преобразователем 4, уменьшится. Произойдет разбалансировка мостовой схемы коммутатора 7, с выхода которого на регулятор 8 поступает усиленный в 6 сигнал и частота генератора 9 начинает изменяться. При этом изменяется длина и волновое число нормальной волны в трубопроводе и при
Figure 00000005
трубопровод вновь запирается. Сбалансированный мост коммутатора 7 приводит к закрытию его выхода на регулятор 8; генератор 9 продолжает возбуждение излучателя 2 на частоте ω кр i+1 . Одновременно коммутатор 7 открывает канал передачи информации с выходов преобразователей 3, 4 на устройство 10, осуществляющее расчет и выдающего информацию о скорости потока (объемном расходе). При последующих изменениях скорости движения подобная процедура повторяется до нового критического значения частоты
Figure 00000006
и т.д. (знак ± определяется направлениями векторов
Figure 00000007
).A method for measuring the flow rate of liquid and gaseous media based on the waveguide properties of the pipeline section is as follows. From the output of the harmonic oscillation generator 8, the electric harmonic oscillation signal is supplied to the acoustic transducer 2, which also emits a harmonic signal passing through the wall of the pipeline 1 into the medium filling the pipeline. The oscillation frequency of normal waves at a medium velocity V 0 is chosen equal to the value of one of the critical components of the series: ω kr a -1 (3.83; 7.02; 10.17; 13.32.) • with o obtained from the sequence zeros of the Bessel function of the condition: I 1 (ma) 0, where a is the inner radius of the pipeline section 1; m ω rh i • Co, with o the speed of sound in the laboratory coordinate system at V 0. At a frequency ω = ω cr i normal wave with wave vector
Figure 00000002
becomes non-proliferating, i.e., its longitudinal component
Figure 00000003
0, and the radial takes one of the critical maximum values: ma -1 (3.83; 7.02;). As a result, to the switch 7 equipped with a bridge circuit, after amplification of 6, signals from the converter 4 will be received and there will be no signal from the converter 3. In such situations, the bridge circuit of the switch 7 is balanced, the signal is not supplied to the regulator 8, and the generator 9 sends signals to the emitter 2 previous frequency ω cr i . When medium flows in the pipeline, i.e., at V ≠ 0, and at the same frequency ω cr i , the wavelength λ, and with it the wave number K, changes due to drift by the radiation flux:
Figure 00000004
. Changing the wavelength will lead to the "unlocking" of the pipeline and normal waves, passing section 1, fall on the transducer 3, after amplification of 6 go to the switch 7. The amplitude of the radial component of the oscillations of the medium, recorded by the transducer 4, will decrease. There will be an imbalance in the bridge circuit of the switch 7, from the output of which a signal amplified in 6 is supplied to the regulator 8 and the frequency of the generator 9 starts to change. In this case, the length and wave number of the normal wave in the pipeline and at
Figure 00000005
the pipeline is again blocked. The balanced bridge of the switch 7 leads to the closure of its output to the regulator 8; the generator 9 continues the excitation of the emitter 2 at a frequency ω cr i + 1 . At the same time, the switch 7 opens a channel for transmitting information from the outputs of the converters 3, 4 to the device 10, which calculates and provides information on the flow rate (volume flow). With subsequent changes in speed, this procedure is repeated until a new critical frequency value
Figure 00000006
etc. (the sign ± is determined by the directions of the vectors
Figure 00000007
)

Статическая характеристика устройства имеет вид

Figure 00000008
[1]
где Q объемный расход, а радиус трубопровода на участке измерения 1, Δωкр = ω кр i+1 - ω кр i ; (i 1, 2, 3.).The static characteristic of the device is
Figure 00000008
[1]
where Q is the volumetric flow rate and the radius of the pipeline in the measuring section 1, Δω cr = ω cr i + 1 - ω cr i ; (i 1, 2, 3.).

Для определения массового расхода Qm = Qρ, где ρ плотность среды, предварительно измеряют плотность среды r. Это осуществляется или преобразователем 4, или таким же преобразователем 5, но установленным вне участка 1. В первом случае преобразователь 4 кроме функции измерителя радиальных колебаний в промежутке времени установления критических частот выполняет функцию измерителя плотности. Во втором случае преобразователем 5 измеряется только плотность среды, что во многих случаях предпочтительнее. В обоих случаях при определении плотности преобразователь 4 (5) выполняет последовательно функции излучателя, а затем приемника сигналов. С этой целью с выхода генератора импульсов 11 сигналы в виде коротких импульсов поступают на преобразователь 5, который излучает в среду цилиндрические волны, распространяющиеся к цилиндрической оси преобразователя, и после обращения фронта волны на этой оси в обратном направлении от оси к внутренней стенке; затем после отражения от нее вновь образуются сходящиеся к оси цилиндрические волны и т.д. В результате, в среде внутри преобразователя создается последовательность реверберационных вол (15 20 и более, в зависимости от амплитуды, длительности импульса, радиуса a, свойств среды и т.д./, частота которых измеряется частотомером 12 и пропорциональна плотности среды:

Figure 00000009
[2]
где γ = Cp•C -1 v ;; Cp, Cv теплоемкости; βиз изотермическая сжимаемость среды.To determine the mass flow rate Q m = Qρ, where ρ is the density of the medium, the density of the medium r is previously measured. This is done either by transducer 4, or by the same transducer 5, but installed outside of section 1. In the first case, transducer 4, in addition to the function of a radial vibration meter, performs the function of a density meter in the time interval for establishing critical frequencies. In the second case, the transducer 5 measures only the density of the medium, which in many cases is preferable. In both cases, when determining the density, the transducer 4 (5) sequentially performs the functions of a transmitter and then a signal receiver. To this end, from the output of the pulse generator 11, the signals in the form of short pulses arrive at the transducer 5, which radiates into the medium cylindrical waves propagating to the cylindrical axis of the transducer, and after the front of the wave rotates on this axis in the opposite direction from the axis to the inner wall; then, after reflection from it, cylindrical waves converging to the axis again form, etc. As a result, a sequence of reverberation waves is created inside the converter inside the medium (15 20 or more, depending on the amplitude, pulse duration, radius a, medium properties, etc. /, the frequency of which is measured by the frequency meter 12 and is proportional to the density of the medium:
Figure 00000009
[2]
where γ = C p • C -1 v ;; C p , C v heat capacity; β from isothermal compressibility of the medium.

Информация о частоте с выхода частотомера 12 поступает в устройство 10, которое после вычислений по формулам [1 3] выдает информацию о плотности, объемном и массовом расходах. Information about the frequency from the output of the frequency counter 12 enters the device 10, which after calculating by the formulas [1 3] provides information about the density, volume and mass flow rates.

Статическая характеристика массового расходомера имеет вид:

Figure 00000010
[3]
и не зависит (при βиз- const-const) от скорости звука в среде Сo.The static characteristic of the mass flow meter is:
Figure 00000010
[3]
and does not depend (for β from - const-const) on the speed of sound in a medium With o .

Применение предлагаемого способа измерения расхода жидких и газообразных сред позволяет осуществить измерение массового расхода и повысить точность измерения за счет следующих факторов: измеряемой величиной является частота, точность измерения которой чрезвычайно высока и становится еще более высокой при использовании высоких значений критических частот; использования в качестве зондирующих нормальных волн, распространяющихся без искажений; исключения влияний абсолютной скорости звука в среде на точность измерения массового расхода, т.к. скорость звука и определяющие ее изменения - температурный фактор отсутствуют; охвата зондирующим излучением всех точек радиальной площади сечения потока измеряемой среды. The application of the proposed method for measuring the flow rate of liquid and gaseous media allows to measure the mass flow rate and increase the measurement accuracy due to the following factors: the measured quantity is the frequency, the measurement accuracy of which is extremely high and becomes even higher when using high critical frequencies; use as sounding normal waves propagating without distortion; eliminating the effects of the absolute speed of sound in the medium on the accuracy of measuring the mass flow, because the speed of sound and the changes that determine it - there is no temperature factor; probing radiation coverage of all points of the radial cross-sectional area of the measured medium flow.

Существенным преимуществом предлагаемого способа является возможность измерения малых скоростей движения среды, не доступных ультразвуковым и иным способам измерения скорости (расхода). A significant advantage of the proposed method is the ability to measure small velocities of the medium that are not accessible by ultrasonic and other methods of measuring speed (flow).

Claims (1)

Способ измерения массового расхода жидких и газообразных сред, включающий зондирование поперечного сечения потока акустическими цилиндрическими волнами, регистрацию отраженных цилиндрических волн и измерение их частоты, а также определение величины расхода, отличающийся тем, что в поток среды дополнительно излучают нормальную акустическую волну на частоте, соответствующей одной из критических составляющих ряда ωкр a-1 x /3,83; 7,02; 10,17; 13,32; / x c, где а акустический радиус трубопровода, c скорость звука в среде, изменяют частоту излучения до достижения нового значения критической частоты, измеряют разность между исходным и новым значениями критической частоты излучения, по которой определяют величину объемного расхода, по частоте отраженных цилиндрических волн определяют плотность среды, а величину массового расхода вычисляют произведением объемного расхода на плотность.A method for measuring the mass flow rate of liquid and gaseous media, including sensing the cross section of the flow with acoustic cylindrical waves, registering the reflected cylindrical waves and measuring their frequency, as well as determining the flow rate, characterized in that the normal acoustic wave is additionally emitted into the medium flow at a frequency corresponding to one of the critical components of the series ω cr a - 1 x / 3.83; 7.02; 10.17; 13.32; / xc, where a is the acoustic radius of the pipeline, c is the speed of sound in the medium, the radiation frequency is changed until a new critical frequency is reached, the difference between the initial and new values of the critical radiation frequency is measured, from which the volume flow is determined, the density of the reflected cylindrical waves is determined by the density medium, and the mass flow rate is calculated as the product of volumetric flow rate and density.
RU93000530A 1993-01-06 1993-01-06 Method of measurement of mass flow rate of liquid and gaseous media RU2068543C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU93000530A RU2068543C1 (en) 1993-01-06 1993-01-06 Method of measurement of mass flow rate of liquid and gaseous media

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU93000530A RU2068543C1 (en) 1993-01-06 1993-01-06 Method of measurement of mass flow rate of liquid and gaseous media

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU93000530A RU93000530A (en) 1995-02-27
RU2068543C1 true RU2068543C1 (en) 1996-10-27

Family

ID=20135256

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU93000530A RU2068543C1 (en) 1993-01-06 1993-01-06 Method of measurement of mass flow rate of liquid and gaseous media

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2068543C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2143101C1 (en) * 1999-06-03 1999-12-20 Бобровник Владимир Михайлович Process determining flow rate of gaseous heat transfer agent

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Киясбейли А.И., Измайлов А.М., Гуревич В.М., Частотно-кременные ультразвуковые расходомеры и счетчики, М.: Машиностроение, 1984, с.127. Авторское свидетельство СССР N 1659717, кл. G 01 F 1/66, 1991. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2143101C1 (en) * 1999-06-03 1999-12-20 Бобровник Владимир Михайлович Process determining flow rate of gaseous heat transfer agent

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101810724B1 (en) Multiphase fluid characterization system
EP0440701B1 (en) Method and apparatus for measuring mass flow
US7624650B2 (en) Apparatus and method for attenuating acoustic waves propagating within a pipe wall
US7624651B2 (en) Apparatus and method for attenuating acoustic waves in pipe walls for clamp-on ultrasonic flow meter
US4598593A (en) Acoustic cross-correlation flowmeter for solid-gas flow
GB1587152A (en) Method of measuring the volume flow of a fluid in a conduit
JPH04218779A (en) Fluid flow rate monitoring method and device
USRE28686E (en) Measurement of fluid flow rates
US3420102A (en) Acoustic fluid metering device
CN108474766B (en) Method for acoustically determining properties of a medium and device for acoustically determining properties of a medium by means of a reflective element
RU2068543C1 (en) Method of measurement of mass flow rate of liquid and gaseous media
RU2515129C1 (en) Vortex flow meter
US4391150A (en) Electro-acoustic flowmeter
RU2138023C1 (en) Process determining flow rate of components of multiphase medium
RU2073830C1 (en) Method of measurement of flow rate of liquid and gaseous media
RU2284015C2 (en) Method and device for measuring flux discharge
US11221244B2 (en) Clamp-on circumferential resonance ultrasonic flowmeter for collectively exciting and receiving circumferential modes of a pipe
RU2195635C1 (en) Method of measurement of level of liquid and loose media
GB2209218A (en) An ultrasonic fluid flow meter with anti-fraud means
RU1140571C (en) Method of measuring power of low-frequency hydroacoustic irradiator with internal air cavity
RU2091716C1 (en) Vortex flow meter
RU2123668C1 (en) Method of measuring of liquid and gaseous media flow rate
RU2047098C1 (en) Method of measuring flow rate of liquid and gaseous media
Kolmakov Liquid and gas flowmeters based on the waveguide properties of pipelines
SU964543A1 (en) Ultrasonic meter of gaseous media flow rate