Дослідження можливості розробки фазо-частотного ультразвукового вимірювального перетворювача швидкості потоку природного газу в закритих трубопроводах малого діаметра

Abstract

Досліджено можливість розробки фазо-частотного ультразвукового вимірювального перетворювача швидкості потоку природного газу в закритих трубопроводах малого діаметра. Аналіз сучасних ультразвукових витратомірів показує наявність мертвої зони у разі невеликого діаметра газопроводу, що вимагає інших рішень в умовах ближньої зони. Це зумовлює необхідність створення витратомірів з високими метрологічними характеристиками та широкою сферою застосування. Розроблено математичну модель фазо-частотного ультразвукового вимірювального перетворювача, використовуючи яку, швидкість потоку можна визначити за допомогою чотирьох частот ультразвукової хвилі та відповідних фазових зсувів сигналів, за яких фазові зсуви лежали в межах кількості цілих довжин акустичної хвилі. Це дає змогу розширити робочий діапазон, вибрати оптимальну частоту ультразвукової хвилі для роботи вимірювального перетворювача та збільшити точність вимірювання. На основі запропонованої математичної моделі, розроблено структурну схему фазо-частотного вимірювального перетворювача швидкості потоку та засобу вимірювального контролю витрат природного газу, який складається з ділянки трубопроводу, двох передавальних та двох приймальних п’єзоелементів, двох генераторів, двох формувачів імпульсів, двох фазових детекторів та мікропроцесорного блока. Для дослідження запропонованої математичної моделі вимірювального перетворювача зібрано експериментальну установку, що складається з генератора сигналів, осцилографа, вимірювальних датчиків, розміщених на ділянці трубопроводу, та генератора потоку повітря, і дає змогу отримати залежність зсуву фази сигналів від швидкості потоку. Отримані експериментальні дані свідчать про перспективність практичного застосування фазо-частотного методу вимірювання швидкості потоку та створення на його базі ультразвукового витратоміра з високими метрологічними характеристиками, здатного працювати в умовах ближньої зони.

The article explores the possibility of developing a phase-frequency ultrasonic measuring transducer of the gas flow velocity in closed pipelines of small diameter. Analysis of modern ultrasonic flow meters shows the presence of a dead zone with a small diameter of the pipeline, which requires other solutions in the near zone, which necessitates the creation of flow meters with high metrological characteristics and a wide range of applications. A mathematical model of a phase-frequency ultrasonic transducer has been developed, in which the flow rate can be determined using four ultrasonic wave frequencies and the corresponding phase shifts of the signals at which the phase shifts lie within the number of whole acoustic wavelengths. This allows extending the working range, selecting the optimal frequency of the ultrasonic wave for the operation of the measuring transducer and increasing the measurement accuracy. Based on the proposed mathematical model, a structural diagram of a phase-frequency measuring transducer for flow velocity and measuring means for controlling natural gas consumption was developed, which contains a pipeline section, two transmitting and two receiving piezoelectric elements, two generators, two pulse shapers, two phase detectors and a microprocessor unit. To study the proposed mathematical model of the measuring transducer, an experimental setup was assembled, consisting of a signal generator, an oscilloscope, measuring sensors located on the pipeline section, and an air flow generator, which allows to obtain the dependence of the phase shift of signals on the flow velocity. The obtained experimental data indicate the prospects for the practical application of the phase-frequency method of measuring the flow rate and create an ultrasonic flow meter based on this method with high metrological characteristics, which is able to work in near-zone conditions.

Исследована возможность разработки фазо-частотного ультразвукового измерительного преобразователя скорости потока газа в закрытых трубопроводах малого диаметра. Анализ современных ультразвуковых рас-ходомеров показывает наличие мертвой зоны при небольшом диаметре газопровода, что требует других ре-шений в условиях ближней зоны. Это вызывает необходимость создания расходомеров с высокими метрологи-ческими характеристиками и широкой сферой применения. Разработана математическая модель фазо-частот-ного ультразвукового измерительного преобразователя, используя которую можно определить скорость пото-ка с помощью четырех частот ультразвуковой волны и соответствующих фазовых сдвигов сигналов, при ко-торых фазовые сдвиги лежали бы в пределах количества целых длин акустической волны. Это позволяет рас-ширить рабочий диапазон, выбрать оптимальную частоту ультразвуковой волны для работы измерительного преобразователя и увеличить точность измерения. На основе предложенной математической модели, разра-ботана структурная схема фазо-частотного измерительного преобразователя скорости потока и средства измерительного контроля расхода природного газа, который содержит участок трубопровода, два передающих и два принимающих пьезоэлемента, два генератора, два формирователя импульсов, два фазовых детектора и микропроцессорный блок. Для исследования предложенной математической модели измерительного преобразо-вателя собрана экспериментальная установка, состоящая из генератора сигналов, осциллографа, измери-тельных датчиков, расположенных на участке трубопровода, и генератора потока воздуха, которая позволяет получить зависимость сдвига фазы сигналов от скорости потока. Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о перспективности практического применения фазо-частотного метода измерения скоро-сти потока и создания ультразвукового расходомера на базе предложенного метода с высокими метрологиче-скими характеристиками, способного работать в условиях ближней зоны.