[go: up one dir, main page]

RU2123668C1 - Method of measuring of liquid and gaseous media flow rate - Google Patents

Method of measuring of liquid and gaseous media flow rate Download PDF

Info

Publication number
RU2123668C1
RU2123668C1 RU96105865A RU96105865A RU2123668C1 RU 2123668 C1 RU2123668 C1 RU 2123668C1 RU 96105865 A RU96105865 A RU 96105865A RU 96105865 A RU96105865 A RU 96105865A RU 2123668 C1 RU2123668 C1 RU 2123668C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
waves
pipeline
frequencies
flow rate
measuring
Prior art date
Application number
RU96105865A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU96105865A (en
Inventor
А.И. Колмаков
И.А. Колмаков
Original Assignee
Колмаков Андрей Игоревич
Колмаков Игорь Александрович
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 by Колмаков Андрей Игоревич, Колмаков Игорь Александрович filed Critical Колмаков Андрей Игоревич
Priority to RU96105865A priority Critical patent/RU2123668C1/en
Publication of RU96105865A publication Critical patent/RU96105865A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2123668C1 publication Critical patent/RU2123668C1/en

Links

Landscapes

  • Measuring Volume Flow (AREA)

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: flow rate is measured by measuring the frequencies of combination waves (summary and difference frequencies). Use is made of acoustic waves, frequencies of which are close to each other. Waves propagate towards each other, and their fronts fill all points of pipeline transverse section. Excitation of probing signals and reception of information signals are performed from side of pipeline external surface (method remains contactless, and pipeline integrity is not disturbed). Given method features superhigh sensitivity due to extra fast propagation of waves of summary frequency which allows measurement of flow rate of less than 10-3 m/s. Method is characterized by simplicity of measurement principle and electronic circuit. EFFECT: removed auxiliary (circuit) errors, enhanced reliability. 1 dwg

Description

Использование - в расходометрии. Сущность изобретения: способ измерения жидких и газообразных сред заключается в том, что поток зондируют образованной наложением двух встречных плоских акустических волн с близкими между собой частотами интерференционной волной суммарной и разностной частот, по значениям частот которых определяют расход. Use - in flow measurement. The inventive method for measuring liquid and gaseous media lies in the fact that the flow is probed by superimposing two counterpropagating plane acoustic waves with similar frequencies of the interference wave of the total and difference frequencies, the frequency values of which determine the flow rate.

Изобретение относится к расходометрии и позволяет повысить точность измерения расхода жидких и газообразных сред с помощью акустических волн. The invention relates to flow measurement and improves the accuracy of measuring the flow rate of liquid and gaseous media using acoustic waves.

Известен способ измерения расхода [1] по смещению частот доплеровского типа, согласно которому расход определяется по величине изменения частоты бегущих плоских продольных акустических волн, возникающих при "схлопывании" - переносе части энергии цилиндрических волн, из приосевой области вблизи границы со средой без цилиндрических волн, через "торцевую" ее поверхность, в область без цилиндрических волн. A known method of measuring the flow rate [1] by the frequency offset of the Doppler type, according to which the flow rate is determined by the magnitude of the change in the frequency of traveling plane longitudinal acoustic waves that occur during the "collapse" - the transfer of part of the energy of cylindrical waves from the axial region near the boundary with the medium without cylindrical waves, through its “end” surface, into the region without cylindrical waves.

Однако в этом способе необходимо использование коротких импульсов и схемы отсчета определенного числа принимаемых волн с последующим запуском нового импульса, что ограничивает чувствительность способа и точность измерения расхода. However, in this method, it is necessary to use short pulses and a reference circuit for a certain number of received waves, followed by the start of a new pulse, which limits the sensitivity of the method and the accuracy of the flow measurement.

Технический результат, на решение которого направлено изобретение, заключается в повышении точности измерения расхода жидких и газообразных сред. The technical result, the solution of which the invention is directed, is to increase the accuracy of measuring the flow rate of liquid and gaseous media.

Это достигается тем, что поток на измерительном участке трубопровода, который в отличие от [1] может иметь произвольную форму: цилиндрическую, эллиптическую, прямоугольную и т.д., зондируется распространяющимися навстречу друг другу волнами с близкими частотами ω1, ω2, фронты которых заполняют все точки радиального сечения трубопровода, и по величине образуемых в области наложения первичных волн частот ω1, ω2, частот комбинационных волн - суммарной и разностной, определяется расход.This is achieved by the fact that the flow in the measuring section of the pipeline, which, unlike [1], can have an arbitrary shape: cylindrical, elliptical, rectangular, etc., is probed by waves propagating towards each other with close frequencies ω 1 , ω 2 , fronts which fill all the points of the radial section of the pipeline, and the flow rate is determined by the magnitude of the frequencies ω 1 , ω 2 formed in the overlapping region of the primary waves, the frequencies of the combination waves — total and difference.

Сущность способа заключается в следующем. На измерительном участке трубопровода в заполняющей его среде создаются бегущие навстречу друг другу - встречные плоские волны с близкими между собой частотами ω1, ω2. В случае цилиндрического трубопровода, такие волны образуются при "схлопывании" на продольной цилиндрической оси цилиндрических же волн, излучаемых установленными со стороны внешней поверхности трубопровода, цилиндрическими излучателями акустических волн. Если трубопровод имеет не цилиндрическую форму, то подобные плоские волны образуются при введении, также со стороны внешней поверхности, плоских волн под острым углом к продольной оси участка трубопровода, на некотором расстоянии от места введения. Ввиду того, что наиболее распространенными являются цилиндрические трубопроводы, далее рассматриваются только цилиндрические трубопроводы (отличие заключается только в способе создания бегущих навстречу плоских акустических волн). В области наложения встречных первичных волн образуется интерференционная волна суммарной ωc = ω1+ ω2 и разностной

Figure 00000002
частот, имеющих резко отличающиеся скорости распространения: суммарной частоты
Figure 00000003
и разностной
Figure 00000004
Из приведенной зависимости для скорости волны суммарной частоты следует возможность неограниченно больших (с позиций "сплошной" среды) значений Vc; в этих выражениях c - скорость звука в среде. При движении среды в трубопроводе со скоростью U, частоты
Figure 00000005
изменяются на величину, пропорциональную средней, по площади поперечного сечения трубопровода, скорости:
Figure 00000006
или - расходу
Figure 00000007
, где S - площадь поперечного (радиального) сечения трубопровода.The essence of the method is as follows. On the measuring section of the pipeline in the medium that fills it, running opposite to each other are created - oncoming plane waves with frequencies close to each other ω 1 , ω 2 . In the case of a cylindrical pipeline, such waves are generated by “collapsing” on the longitudinal cylindrical axis of the cylindrical waves emitted by the cylindrical emitters of acoustic waves mounted on the outer surface of the pipeline. If the pipeline has a non-cylindrical shape, then similar plane waves are formed during the introduction, also from the outside of the surface, of plane waves at an acute angle to the longitudinal axis of the pipeline section, at a certain distance from the injection site. Due to the fact that the most common are cylindrical pipelines, only cylindrical pipelines are considered below (the difference is only in the way of creating plane acoustic waves running towards one another). In the overlapping region of counterpropagating primary waves, an interference wave is formed with the total ω c = ω 1 + ω 2 and the difference
Figure 00000002
frequencies having sharply different propagation speeds: total frequency
Figure 00000003
and difference
Figure 00000004
The above dependence for the wave frequency of the total frequency implies the possibility of unlimitedly large (from the standpoint of a "continuous" medium) values of V c ; in these expressions, c is the speed of sound in the medium. When the medium moves in the pipeline at a speed U, frequency
Figure 00000005
change by a value proportional to the average over the cross-sectional area of the pipeline, speed:
Figure 00000006
or - expense
Figure 00000007
where S is the cross-sectional (radial) cross-sectional area of the pipeline.

Таким образом, значение расхода определяется по изменению частоты комбинационных волн относительно частоты таких волн при неподвижной среде. Thus, the flow rate is determined by the change in the frequency of the combination waves relative to the frequency of such waves in a stationary medium.

На чертеже представлена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ. The drawing shows a functional diagram of a device that implements the proposed method.

Устройство содержит участок трубопровода 1, со стороны внешней поверхности которого, соосно с ним, устанавливаются на некотором расстоянии друг от друга два цилиндрических излучателя цилиндрических же волн 2, 2', соединенные через усилители сигналов 3, 3' с выходами генераторов электрических сигналов 4, 4'; между излучателями, также со стороны внешней поверхности устанавливается приемник акустических сигналов 5; последний может быть, например, таким же как и излучатели. Выход приемника сигналов 5 через усилитель 6 соединен со смесителем частот 7, на который одновременно подаются также и сигналы с генераторов 4, 4'. Выход смесителя 7 соединен через фильтр 8 с частотомером 9. Используется демпфирование - механическое и с помощью электронных схем. The device contains a section of the pipeline 1, from the side of the outer surface of which, coaxially with it, two cylindrical emitters of the same cylindrical waves 2, 2 'are installed at a certain distance from each other, connected through signal amplifiers 3, 3' to the outputs of the electric signal generators 4, 4 '; between the emitters, also from the side of the outer surface, a receiver of acoustic signals 5; the latter may be, for example, the same as the emitters. The output of the signal receiver 5 through an amplifier 6 is connected to a frequency mixer 7, which simultaneously receives signals from the generators 4, 4 '. The output of the mixer 7 is connected through a filter 8 with a frequency counter 9. Damping is used - mechanical and using electronic circuits.

Способ измерения расхода жидких и газообразных сред осуществляется следующим образом. С выходов генераторов 4, 4', после усиления в 3, 3', на разнесенные на расстояние l излучатели 2, 2' подают электрические сигналы в виде волн с близкими между собой частотами ω1, ω2 или импульсов с заполнениями на таких же частотах, возбуждающие в заполняющей трубопровод среде цилиндрические волны, генерирующие в свою очередь при "схлопываниях" на продольной оси трубопровода фронтов сходящихся цилиндрических волн, бегущие вдоль трубопровода плоские акустические волны с теми же частотами ω1, ω2 и антипараллельными волновыми векторами:

Figure 00000008

На участке 1 трубопровода, между сечениями а и б образуется поле плоских интерференционных волн комбинационных частот:
Figure 00000009
с волновым вектором
Figure 00000010
при ω1 > ω2. Волны частот
Figure 00000011
распространяясь в среде трубопровода, возбуждают волны тех же частот
Figure 00000012
и того же направления распространения в стенке трубопровода. В результате, на устанавливаемый со стороны внешней поверхности трубопровода приемник сигналов 5 будут поступать сигналы частот
Figure 00000013
которые, после усиления в 6, прохождения через смеситель 7 и фильтр 8, попадают на частотомер 9, регистрирующий разность частот
Figure 00000014
равную разности между частотами
Figure 00000015
получаемыми с генераторов 4, 4', и частотами волн, прошедших через среду
Figure 00000016
(звездочка у символа - зависимость от U).The method of measuring the flow rate of liquid and gaseous media is as follows. From the outputs of the generators 4, 4 ', after amplification of 3, 3', emitters 2, 2 'spaced apart by a distance l emit electrical signals in the form of waves with close frequencies ω 1 , ω 2 or pulses with filling at the same frequencies that excite cylindrical waves in the medium filling the pipeline, which in turn generate “collapses” of the fronts of converging cylindrical waves on the longitudinal axis of the pipeline, plane acoustic waves traveling along the pipeline with the same frequencies ω 1 , ω 2 and antiparallel wave vectors:
Figure 00000008

In section 1 of the pipeline, between sections a and b, a field of plane interference waves of combination frequencies is formed:
Figure 00000009
with wave vector
Figure 00000010
for ω 1 > ω 2 . Frequency waves
Figure 00000011
propagating in the medium of the pipeline, excite waves of the same frequencies
Figure 00000012
and the same direction of propagation in the wall of the pipeline. As a result, frequency signals will arrive at the signal receiver 5 installed on the side of the external surface of the pipeline
Figure 00000013
which, after amplification in 6, passing through a mixer 7 and a filter 8, fall on a frequency meter 9 recording the frequency difference
Figure 00000014
equal to the difference between the frequencies
Figure 00000015
obtained from the generators 4, 4 ', and the frequencies of the waves transmitted through the medium
Figure 00000016
(the asterisk in the symbol is the dependence on U).

Движение среды в трубопроводе со скоростью U сопровождается изменением частот комбинационных волн:

Figure 00000017

Figure 00000018

в приближенных равенствах которых использовано обычно выполняющееся условие: U•с-1<< 1.The movement of the medium in the pipeline with a speed U is accompanied by a change in the frequencies of the combination waves:
Figure 00000017

Figure 00000018

in approximate equalities of which the usually fulfilled condition is used: U • с -1 << 1.

Изменение частот комбинационных волн приведет к появлению в 7 нескомпенсированной разности

Figure 00000019
определяемой выражением:
Figure 00000020

Из (3), по значению
Figure 00000021
определяется скорость U, а вместе с ней и расход.The change in the frequencies of the combination waves will lead to the appearance in 7 of the uncompensated difference
Figure 00000019
defined by the expression:
Figure 00000020

From (3), by value
Figure 00000021
the speed U is determined, and with it the flow rate.

Величина

Figure 00000022
определяет и чувствительность способа. Из (3) видно, что чувствительность способа чрезвычайно высока даже на частоте
Figure 00000023
В связи с этим представляется возможным измерение потоков со скоростями течения менее 10-3 м/с. Для сравнения заметим, что, например, с помощью современных ультразвуковых методов возможно измерение расхода потоков, имеющих скорости не менее 1,0-1,5 м/с.Value
Figure 00000022
determines the sensitivity of the method. From (3) it is seen that the sensitivity of the method is extremely high even at a frequency
Figure 00000023
In this regard, it seems possible to measure flows with flow velocities of less than 10 -3 m / s. For comparison, we note that, for example, using modern ultrasonic methods, it is possible to measure the flow rate of flows having velocities of at least 1.0-1.5 m / s.

С учетом выражений (1-3), статическая характеристика устройства, на основе нового способа имеет вид:

Figure 00000024

где
Figure 00000025
определяется с помощью частотомера, а значения
Figure 00000026
известны.Given the expressions (1-3), the static characteristic of the device, based on the new method, has the form:
Figure 00000024

Where
Figure 00000025
determined using a frequency meter, and the values
Figure 00000026
known.

Применение предлагаемого способа определения расхода позволяет повысить точность измерения расхода за счет следующих основных факторов: использования плоских волн, заполняющих все точки поперечного сечения трубопровода и несущих информацию об интегральных по площади сечения значениях скоростей, с учетом любых особенностей в форме профиля скоростей потока; сверхвысокой чувствительности, исключения дополнительных погрешностей, обусловленных сложными схемами, за счет предельной простоты принципа, электронной схемы измерения расхода, отсутствия механических систем. The application of the proposed method for determining the flow rate allows to increase the accuracy of measuring the flow rate due to the following main factors: the use of plane waves filling all points of the cross-section of the pipeline and carrying information on velocity values integrated over the cross-sectional area, taking into account any features in the form of a flow velocity profile; ultra-high sensitivity, elimination of additional errors due to complex schemes, due to the extreme simplicity of the principle, electronic flow measurement circuitry, lack of mechanical systems.

Источники информации
1. Колмаков И. А., Самарцев В.В. Патент РФ N 2047098, кл. G 01 F 1/66, 1995, бюл. 30.
Sources of information
1. Kolmakov I.A., Samartsev V.V. RF patent N 2047098, cl. G 01 F 1/66, 1995, bull. thirty.

Claims (1)

Способ измерения расхода жидкой и газообразной сред, основанный на регистрации и измерении частот колебаний в потоке среды акустических волн, образуемых при зондировании поперечного сечения потока в трубопроводе акустическими волнами за счет воздействия на поток излучателями цилиндрических акустических волн, отличающийся тем, что создают в потоке среды вдоль трубопровода встречные плоские акустические волны с близкими между собой частотами и регистрируют величины суммарной и разностной частоты вторичных акустических колебаний, по которым определят величину расхода. A method for measuring the flow rate of liquid and gaseous media, based on the registration and measurement of vibration frequencies in the medium flow of acoustic waves generated when sounding a transverse cross-section of the flow in the pipeline by acoustic waves due to the action of cylindrical acoustic waves on the flow of emitters, characterized in that they create along the medium flow along the pipeline is opposed by plane acoustic waves with frequencies close to each other and record the values of the total and difference frequencies of the secondary acoustic waves which will determine the amount of flow.
RU96105865A 1996-03-26 1996-03-26 Method of measuring of liquid and gaseous media flow rate RU2123668C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU96105865A RU2123668C1 (en) 1996-03-26 1996-03-26 Method of measuring of liquid and gaseous media flow rate

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU96105865A RU2123668C1 (en) 1996-03-26 1996-03-26 Method of measuring of liquid and gaseous media flow rate

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU96105865A RU96105865A (en) 1998-06-27
RU2123668C1 true RU2123668C1 (en) 1998-12-20

Family

ID=20178551

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU96105865A RU2123668C1 (en) 1996-03-26 1996-03-26 Method of measuring of liquid and gaseous media flow rate

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2123668C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2396518C2 (en) * 2008-04-16 2010-08-10 ФГУП Курский завод "Маяк" Method and device for acoustic measurement of gas flow rate

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3440873A1 (en) * 1983-11-17 1985-05-30 Fuji Electric Co., Ltd., Kawasaki Method for ultrasound flow measurement, and a circuit arrangement for carrying out the method
EP0250660A1 (en) * 1986-06-05 1988-01-07 Moore Products Co. Fluid velocity measuring method and apparatus
US5052230A (en) * 1988-07-08 1991-10-01 Flowtec Ag Method and arrangement for flow rate measurement by means of ultrasonic waves
RU2047098C1 (en) * 1993-05-12 1995-10-27 Игорь Александрович Колмаков Method of measuring flow rate of liquid and gaseous media

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3440873A1 (en) * 1983-11-17 1985-05-30 Fuji Electric Co., Ltd., Kawasaki Method for ultrasound flow measurement, and a circuit arrangement for carrying out the method
EP0250660A1 (en) * 1986-06-05 1988-01-07 Moore Products Co. Fluid velocity measuring method and apparatus
US5052230A (en) * 1988-07-08 1991-10-01 Flowtec Ag Method and arrangement for flow rate measurement by means of ultrasonic waves
RU2047098C1 (en) * 1993-05-12 1995-10-27 Игорь Александрович Колмаков Method of measuring flow rate of liquid and gaseous media

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2396518C2 (en) * 2008-04-16 2010-08-10 ФГУП Курский завод "Маяк" Method and device for acoustic measurement of gas flow rate

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0440701B1 (en) Method and apparatus for measuring mass flow
JP3028723B2 (en) Ultrasonic fluid flow meter
WO2012031302A1 (en) Multiphase fluid characterization system
US3443433A (en) Flowmeter
JP3045677B2 (en) Ultrasonic flow meter
US6842716B1 (en) Method and apparatus for measuring the propagation time of a signal, in particular a ultrasonic signal
GB1578660A (en) Method and apparatus for ultrasonic bubble detection in flowing liquid
US4391150A (en) Electro-acoustic flowmeter
RU2123668C1 (en) Method of measuring of liquid and gaseous media flow rate
KR100311855B1 (en) Fluid flow meter
WO2005083371A1 (en) Doppler type ultrasonic flowmeter
WO2005119182A1 (en) Method of measuring flowrate of fluid and flowrate measurement device
RU2073830C1 (en) Method of measurement of flow rate of liquid and gaseous media
JP3235637B2 (en) Ultrasonic fluid flow meter
RU2068543C1 (en) Method of measurement of mass flow rate of liquid and gaseous media
RU2085858C1 (en) Ultrasound method for detection of product volume which runs through pipe and device which implements said method
JPS58176522A (en) Ultrasonic current meter
RU2047098C1 (en) Method of measuring flow rate of liquid and gaseous media
JP4827008B2 (en) Ultrasonic flow meter, ultrasonic transducer, ultrasonic transmission / reception unit, and flow measurement method using ultrasonic flow meter
RU2313068C2 (en) Mode of measuring gas consumption in main pipelines and an arrangement for its execution
RU2190191C1 (en) Ultrasonic pulse flowmeter
JPH0915012A (en) Ultrasonic flow meter
RU2091716C1 (en) Vortex flow meter
Kolmakov Some new possibilities for using waves from cylindrical emitters
RU2064164C1 (en) Method of determination of flow rate