Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ методов и устройств измерения расхода, плотности и вязкости нефтепродуктов 7
1.1 Нефтепродукты как объект исследования 7
1.2 Классификация методов и устройств измерения расхода, плотности и вязкости нефтепродуктов
1.2.1 Расходомеры 17
1.2.2 Плотномеры 32
1.2.3 Вискозиметры 1.3 Требования к современным ПИК 40
1.4 Модификация конструкций акустических ППК 41
1.5 Теоретические проблемы построения устройств измерения расхода, плотности и вязкости нефтепродуктов и постановка задачи исследований .47 Выводы 50
2. Теоретические основы анализа ППК 51
2.1. Математические основы распространения акустических сигналов в движущихся жидкостях 51
2.2. Акустические характеристики жидких углеводородных сред и их взаимосвязь с контролируемыми параметрами 62
2.3. Анализ вектора скорости движения вязкой жидкости в трубе и его влияния на распространение акустических импульсов 69
2.4. Анализ влияния диаграммы направленности и конечных 83
размеров излучателя и приемника 83
2.5. Методы и алгоритмы измерений вязкости, плотности и расхода нефтепродуктов 86
Выводы 95
3. Метрологические характеристики ППК 97
3.1 Основные погрешности ППК
3.2 Дополнительные погрешности ПИК 104
3.3. Суммарная погрешность измерения расхода 119
Выводы 122
4. Конструктивно- технологические и схемотехнические особенности построения ППК 123
4.1 Выбор и технические характеристики элементной базы 123
4.2 Схемотехника ППК 131
4.3 Алгоритм работы микроконтроллера 142
Выводы 147
5. Экспериментальные исследования и практическое использование электронно-акустических ППК 148
5.1 Результаты исследований на экспериментальных установках 148
5.2 Анализ результатов измерений прибором «Волна-721» 157
5.3. Использование разработанного устройства в системе смешения судовых топлив 164
Выводы 168
Основные результаты и выводы 169
Список литературы 171
- Классификация методов и устройств измерения расхода, плотности и вязкости нефтепродуктов
- Акустические характеристики жидких углеводородных сред и их взаимосвязь с контролируемыми параметрами
- Суммарная погрешность измерения расхода
- Алгоритм работы микроконтроллера
Введение к работе
Актуальность работы.
Точное дозирование компонентов в процессе смешения с оперативным контролем по определяющему показателю качества является важнейшим фактором эффективного производства высококачественных углеводородных топ-лив. При смешении нефтепродуктов необходимо решить задачу одновременного измерения скорости потока, а так же измерение двух важнейших показателей качества — вязкости и плотности. Для этих целей в настоящее время используются сразу несколько разнородных устройств - расходомеры, плотномеры, вискозиметры, каждое из которых требует специальной системы про-боподготвки и калибровки. Одним из решений данной проблемы является разработка прибора комплексного поточного контроля вязкости, плотности и расхода нефтепродуктов (далее по тексту - ППК).
Задача комплексного поточного измерения расхода, плотности и вязкости жидких продуктов актуальна не только на нефтеперерабатывающих предприятиях, но и на нефтебазах, ТЭЦ, в научно-исследовательских институтах. Возможно применение ППК также в пищевой промышленности и в медицине.
Ультразвуковая расходометрия жидких сред хорошо исследована и служит принципиальной основой предлагаемой работы, которая развивает данное научное направление с позиций расширения функциональных возможностей.
Работа основывается на трудах, Красильникова В.А, Кремлевского П.П, Гинзбурга В.Л., Ванштейна Л.А., Галямина А.Я. , Глебовича Г.В., Викторова В.А., Наумчука А.П. , Скворцова Б.В., Фукса Г.И., и учитывает разработки следующих российских и зарубежных фирм: НИИ «Экран», «Акустрон», «Сигма-S», «Взлет», «Центросоник», «Solatron», «Krone».
Целью работы является разработка электронно-акустических приборов и методов комплексного поточного контроля вязкости, плотности и скорости движения жидких сред.
Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих основных задач:
1. Анализ существующих методов и средств контроля вязкости, плотно
сти и расхода нефтепродуктов.
Создание математической модели распространения акустических сигналов в жидкостях, движущихся по трубопроводам с позиций получения информации о требуемых показателях качества.
Разработка методов и алгоритмов контроля нефтепродуктов.
Экспериментальные и теоретические исследования законов распространения акустических сигналов в нефтепродуктах, движущихся по трубопроводи.
5. Исследование влияния климатических и технологических факторов на
арактеристики электронно-акустических ППК, метрологический анализ.
6. Разработка конструкций ППК, а также электронных схем, алгоритмов и программ обработки сигналов.
Методы исследований. При решении поставленных задач использовались методы дифференциального, интегрального и операционного исчислений, теория погрешностей, физика акустических процессов. При проведении моделирования на ЭВМ использовался математический пакет Mathcad, для расчёта параметров принципиальных схем использовался пакет Oread.
Научная новизна работы:
Создана математическая модель процесса распространения акустического импульса и формирования акустического поля в движущейся среде, связывающая физические параметры излучаемого и прошедшего через среду сигналов, с плотностью, вязкостью и скоростью движения жидкости.
Разработаны методы и алгоритмы измерения контролируемых параметров по характеристикам сигнала в разных точках акустического поля.
Получены аналитические выражения, связывающие в явном виде физические параметры прошедшего через контролируемую среду акустического импульса с плотностью, вязкостью и скоростью потока жидкости.
Практическая ценность работы:
Разработано устройство поточного контроля вязкости, плотности и расхода нефтепродуктов, осуществляющее одновременный контроль трех параметров нефтепродуктов (вязкость, плотность и расход) с помощью одного измерительного канала (2 пьезоэлектрических преобразователя) и датчика температуры, обеспечивающее достаточную для технологического процесса точность измерения указанных параметров.
Создан руководящий технический материал по разработке конструкций и принципиальных схем интеллектуального модуля обработки данных устройств измерения вязкости, плотности и расхода, находящихся в реальных климатических и технологических условиях и обладающих требуемыми сервисными функциями.
Даны рекомендации по улучшению эксплуатационных характеристик устройств измерения вязкости, плотности и расхода нефтепродуктов.
Создан испытательный стенд для экспериментальных исследований устройств комплексного поточного контроля вязкости, плотности и расхода нефтепродуктов.
Реализация результатов работы.
Созданный действующий образец устройства эксплуатируются на одном из предприятий г. Самары на опытном образце системы смешения нефтепродуктов, где используется для отладки алгоритмов управления технологическим процессом.
Результаты работы используются также в учебном процессе СГАУ при выполнении курсовых и дипломных проектов, а также при чтении лекций по курсам, связанным с датчиками и элементами автоматики.
Автором получен грант на Областном конкурсе «Молодой ученый-2007г».
Основные положения, выносимые на защиту.
Математическая модель распространения акустических импульсов и формирования акустического поля в жидкостях, движущихся по трубопроводам;
Методы и алгоритмы измерения вязкости, плотности и расхода жидкостей по характеристикам сигнала в различных точках акустического поля.
Аналитические выражения, связывающие в явном виде физические параметры прошедшего через контролируемую среду акустического импульса с плотностью, вязкостью и скоростью потока нефтепродуктов.
Апробация работы. Результаты работы представлялись на следующих научно-технических конференциях: «Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций», г. Самара, 2006г.; «Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности «АСТИНТЕХ-2007», г. Астрахань, 2007г.; «Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций», г. Самара, 2007г.
Публикации. По результатам исследований и разработок опубликовано 11 печатных работ, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 3 патента на полезную модель, 3 тезиса докладов.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Основное содержание работы изложено на 181 страницах текста, в 59 рисунках, 12 таблицах, 4 приложениях. Список литературы включает в себя 148 наименований.
Классификация методов и устройств измерения расхода, плотности и вязкости нефтепродуктов
В настоящее время наибольшее распространение получили следующие методы измерения расхода вещества и конструкции расходомеров: переменного перепада давления с сужающими устройствами, постоянного перепада давления, тахометрические, кориолисовы, электромагнитные, ядерно-магнитные, ионизационные, оптические, тепловые, ультразвуковые [21].
Измерение расхода по перепаду давления на сужающем устройстве, которое устанавливают в трубопроводах диаметром от 50 до 1600 мм. К сужающим устройствам относят диафрагмы, сопла и сопла Вентури. Эти устройства используют в комплекте с дифференциальными манометрами для измерения расхода и количества жидкостей, газов и паров в горизонтальных, наклонных и вертикальных трубопроводах без индивидуальной градуировки.
Диафрагма [34] представляет собой тонкий диск с центральным отверстием, передняя часть которого имеет цилиндрическую форму, переходящую в расширяющийся конус. Отбор давления осуществляется с помощью кольцевых камер, расположенных по окружности трубы, или с помощью отдельных отверстий в трубопроводе (бескамерный отбор). Диафрагмы широко применяют для измерения расходов жидкости, пара или влажного газа.
Сопло [34] имеет спрофилированную входную часть, которая переходит в цилиндрический участок. Отбор давления осуществляется так же, как и в диафрагме. Сопла используют для измерения расхода паров и газов, причем они позволяют измерять больший расход, чем диафрагма. Потери давления и ошибки измерения у сопла ниже, чем у диафрагмы.
Сопло Вентури [34] применяют там, где при измерении расхода недопустимы большие потери давления. Оно состоит из двух частей: стандартного сопла и диффузора. Отбор давления от сопла осуществляется через кольцевые камеры. Для определения расхода жидкости через дроссель пользуются формулой Q = »w\p - (1.11) где со - площадь проходного сечения дросселя; АР - перепад давлений у дросселя; у - удельный вес жидкости; /л - коэффициент расхода, зависящий от конструкции дросселя, числа Рейнольдса, формы и размеров отверстия.
Зависимость между перепадом давлений в сужающем устройстве и расходом среды позволяет градуировать эти приборы в единицах расхода. Для получения линейной шкалы расходомеров в электрическую или кинематическую схему приборов включают устройства, осуществляющие операцию извлечения квадратного корня из измеряемой разности давлений. Это затрудняет обслуживание расходомеров и является их существенным недостатком. Другой недостаток таких расходомеров — суженный диапазон измерения расхода среды (30—100% максимального значения измеряемой величины).
Ротаметры (расходомеры постоянного перепада давления) применяются для измерения небольших объемных расходов жидкостей (до 16 м3/ч) и газов (до 40 м3/ч) в вертикальных трубопроводах (диаметром от 4 до 100 мм). Принцип действия ротаметров основан на обтекании измеряемым потоком вещества чувствительного элемента так, что перепад давления на нем сохраняется постоянным [5]. Это обеспечивается установкой на вертикальных участках трубопроводов с восходящим потоком однородного вещества конусных трубок с чувствительным элементом в них (поплавок или поршень). С изменением измеряемого расхода чувствительный элемент перемещается вверх или вниз, при этом меняется проходное сечение отверстия для потока вещества. Положение чувствительного элемента зависит также от плотности измеряемого вещества, поэтому ротаметры разделяют на две группы: для жидкостей (градуируются по расходу воды); для газов (градуируются по расходу воздуха). В зависимости от устройства, различают стеклянные и металлические ротаметры. Стеклянные ротаметры являются показывающими и рассчитаны на давление до 0,6 МПа [35]. Считывание их показаний осуществляется по шкале, нанесенной на коническую стеклянную трубку. Указателем шкалы служит верхняя кромка поплавка. Металлические ротаметры применяют для измерения расхода сред давлением более 6,4 МПа. Коническая трубка у таких ротатометров изготавливается из металла. Передача показаний у данного типа ротаметров осуществляется дистанционно, либо с помощью дифференциально-трансформаторных, либо пневматических преобразователей. Выпускаются ротаметры классов точности 1,5; 2,5. Точность показаний может быть повышена в 2—3 раза в результате индивидуальной градуировки.
Недостатками ротаметров являются необходимость их установки на вертикальных трубопроводах, непригодность для измерения расхода сред с высокими давлением и температурой, необходимость разрыва трубопровода для установки конической трубки.
Принцип действия тахометрических расходомеров основан на измерении средней скорости потока Vcp, которая пропорциональна объемному расходу вещества G0 = SVcp, где S - площадь поперечного сечения трубопровода. В таких расходомерах рабочее тело под действием потока вращается, при этом его угловая скорость вращения пропорциональна скорости потока вещества, а, следовательно, и объемному расходу [5].
Акустические характеристики жидких углеводородных сред и их взаимосвязь с контролируемыми параметрами
Учитывая, что любой импульс можно представить виде набора гармоник, полученные выражения можно использовать как базовые для анализа акустического поля при импульсном режиме источника излучения. Разложим координатные составляющие импульса (2.19) в ряд Фурье, который определит его спектральный состав - комплексный амплитудный спектр A(jco),m.e амплитуду фазу каждой гармоники, содержащейся в данном импульсе. Сделаем это сначала по одной координате: ее Ах(0,а )= \px(Q,t)ejmdt = Re(» + ylm( y) = Рх(0,со)еМш), (2.21) -со где Рх (О,со) = \АХ(0,со)\ = д/Re2 (со) + Im2 (со) - спектральная плотность импульса, определяющая распределение амплитуды (энергии) импульса по частоте, (p(co) = arctg—— - фазовый спектр импульса, который определяет фазы его Re(ai) гармонических составляющих. Импульс любой формы есть сгусток энергии, который возбуждает вокруг себя набор колебаний разных частот, которые распространяются в контролируемой среде. Причем форма импульса в любой точке создаваемого акустического поля может быть определена через обратное преобразование Фурье по формуле [24]: 1 А( 0 = - /Л(0,"У" «/« . (2.22) —00 Полученное выражение для акустического давления в общем случае комплексное. рх (х, t) = Re(jc, t) + j Im(x, t) = Px (x, t)eM A, (2.23) где модуль Px(x,l)-\px(x,t)\ определяет физическое содержание сигнала, связанного с энергетическим воздействием звукового давления на датчик. Аналогично для координаты у: Ау(0,со)= jpy(0,t)e-jm dt = Rc(co) + jlm(co) = Py(0,co)eJ ) (2.24) -ОД 1 РуМ = Ъг іМ У 0 = Ру(У ОеМУ 1) , (2.25) где Py(y,t) = \py(y,ti. Суммарное звуковое давление в произвольной точке акустического поля, созданного одиночным возбуждающим импульсом (2.20) при отсутствии отражения от стенок определится как геометрическая сумма координатных составляющих: Р(х,ys) = Jp;(x,0 + P?(y,t) (2-26) Звуковое давление в каждой точке акустического поля можно определить по другому, если волновой вектор записать через координатные составляющие в виде: к = Jkl + к2 = со(1 - j—% — + . v Зрс2 (cx+vj2 (cy+vyy (2.27) а звуковое давление излучателя определить как модуль вектора излучения по оси диаграммы направленности: Р№0 = Т1РІ№+РІ№ (2-28) Тогда комплексный амплитудный спектр излучаемого сигнала в направлении максимума диаграммы направленности определиться: СО Л(0Дю)= J py(0,0,t)e-jm,dt = Re(a ) + ylm( ») = Р(0,0, у) (2.29) —to где P (0,0,0)) = Л(0,0,й ) = JRe2{o)) + lm2((a) 1 / p(x,y,t) = j- ІАф,0,о )е х+у-ш»сІФ (2.зо) —00 P(x,y,i) = \p(x,y,t)\ Комплексный амплитудный спектр сигнала в произвольных точках акустического поля, созданного зондирующим импульсом в контролируемой СО среде определится: ьР{х,у,а ) = jF(x,y,t)e at (2.31)
Спектральная плотность является высоко информативным параметром, содержащим в себе информацию о контролируемой среде. Формулы (2.20) — (2.31) связывают между собой звуковое давление, создаваемое возбуждающим импульсом заданной направленности и формы в начале координат p(0,0,t) со звуковым давлением в каждой точке акустического поля контролируемой среды P(x,y,t).
Выражения (2.15). (2.18), (2.20) - (2.31) связывают между собой все искомые параметры, а именно. Скорость потока v, плотность р, и вязкость л среды с параметрами возбуждающего и прошедшего через среду импульсов, а именно с их амплитудой, временем распространения, и формой (спектральной плотностью). В принципе, контролируя звуковое давление в трех разных точках акустического поля (xt ,уі) (очевидно, что это нужно делать в диаметрально противоположных от источника точках внутренней поверхности трубы) можно, фиксируя время прихода этого импульса tt , составить три уравнения, решение которых даст искомые значения. Реально, кроме времени прихода tt импульса в заданную точку xb yt можно контролировать форму импульса (вычислять спектральную плотность Sp(Xj,yiQ))), а также его амплитуду (коэффициент поглощения а).
В идеальном случае целесообразно получение функций, в явном виде связывающих искомые параметры с сигналом звукового давления: v = Fx{Pix„yi,tt), р = F2(P(Xi,y„t,).г, = F3(P(x„yi,tt). (2.32) Полезны также и обратные зависимости: h =Qi(xi,yi,v,p,t])) SP(xi,ynw) = g2(x„yl,v,p,ri), a, = Q3(xj,yi,v,p,rj) (2.33) Либо иметь общее выражение вида: Q,(x,,ynt,,a,,v,p,T]) = 0 (2.34)
Задаваясь в уравнении (2.34) значениями координат и контролируя время прихода импульса и коэффициент можно составить необходимое количество уравнений, решение которых определит искомые параметры. В сущности, совокупность выражений (2.15). (2.18), (2.20) - (2.31), объединенных в систему, определяет (2.34). Указанных уравнений определяет общую математическую модель процедуры измерения, частные решения которой для различных видов зондирующих сигналов, а также различные алгоритмы вычислений приводится в последующих разделах работы.
В заключении данного раздела следует сказать следующее. Бесконечно короткий импульс (8-импульс) распространяется без искажения со скоростью «с», соответствующей идеальным условиям распространения. Реально любой импульс имеет конечную ширину, форму, амплитуду и в процессе распространения искажается. При этом скорость распространения импульса характеризуется двумя параметрами: фазовой скоростью, характеризующей скорость распространения фронта, и групповой скоростью, характеризующей скорость распространения энергии. Так как акустический приемник, как и любой другой, срабатывает по энергетическому уровню, то при определении времени распространения следует принять во внимание только групповую скорость импульса К.р: v у .=- _, (2.35) da где волновой вектор для движущейся среды определяется выражением (2.18). Групповая скорость распространения реального акустического сигнала в движущейся среде является комплексной векторной величиной и вычисляется по формуле, вытекающей из (2.35), (2.18):
v р,4 ±1 , (2.36) рс -WCO где с = 1сх+ ]су вектор скорости звука, направление которого определяется диаграммой направленности излучателя; с - фазовая скорость в неподвижной среде. Фазовая скорость определяется также по формуле [7]:
Суммарная погрешность измерения расхода
В предыдущих разделах доказано, что максимальной скорости движения жидкости соответствует минимальной значение интервала времени: Vn VMax - Atn?n = Atmin . Максимальной плотности соответствует минимальное значение коэффициента поглощения: рп = рмах — апп = amin Таким образом (Ati.i. o-i.i) совокупность максимальных значений ; ( Af„,ro ап,п ) - совокупность минимальных значений. Полученная таблица заносится в память контроллера. Если в процессе измерений получаются какие-то конкретные значения ( Atx, ах ), то контроллер отыскивает в своей памяти ближайшие к этим параметрам значения ( Vk , pt) и относительно этих значений вычисляет искомые параметры по формулам: (Att-M,) Л -А +1 ее, - а,+. (2.108) (2.109) Для полученных значений плотности, вязкость может быть определена по формуле, вытекающей из (2.126).
Реально прибор может быть откалиброван непосредственно изготовителем, у которого должен быть набор эталонных жидкостей. При этом калибровочные данные могут сохраняться в ПЗУ контроллера сколь угодно долго. Однако, при желании пользователь может сам организовать калибровочный процесс и настроить прибор, либо на узкий диапазон измерения, в котором он будет работать с высокой точностью, либо на широкий диапазон, при котором погрешность измерений будет большой. Такая принципиальная возможность настройки на разные диапазоны измерения без конструкторских изменений прибора определяет преимущества данного алгоритма. Отметим, что формулы (2.109), (2.110) дают линейную интерполяцию калибровочных данных. Проведенные в данной главе исследования дают возможность найти более точные, нелинейные формулы межузловой интерполяции в процедуре измерения.
В заключении отметим, что для проверки полученных результатов можно применять формулы (2.54) - (2.56), впервые полученные автором для неподвижной среды, напрямую связывающие акустическое поглощение и плотность жидкости.
Время-импульсный способ измерения с контролем затухания и использованием формы прошедшего через среду импульса. Данный способ является развитием известного метода, основанного на последовательной фиксации времени прохождения акустическим импульсом известного расстояния с составляющей вектора скорости звука по потоку и против потока жидкости. Сущность развития заключается в том, что при формировании одиночного направленного возбуждающего импульса Pi(t) по направлению и против направления потока, акустическое давление РгО) в точке с координатами (х,у) расположенной на диаметрально противоположной поверхности трубы, определяется по формуле, впервые полученной автором на основе выше изложенной теории:
Новизна этой формулы заключается в том, что она позволяет определить не только время прихода импульса в точку с заданной координатой, но и позволяет вычислить форму прошедшего через среду сигнала. Знание формы принятого импульса позволяет более точно измерять время его пролета между излучателем и приемником. В известных методах фактом прихода импульса считается момент достижения его амплитуды определенного уровня, задаваемым компаратором. Это справедливо если амплитуда и форма посланного и принимаемого импульсов одинакова. В предложенном методе впервые в задачах измерения скорости течения жидкости для измерения времени пролета импульса использовано понятие «задержки сигнала по Гильберту», под которой понимают положение максимума функции задержки, определяемой из спектральной плотности сигнала по следующему алгоритму: І.При помощи преобразования Гильберта находится фазовый спектр минимально-фазовой части сигнала в точке (х,у) : р(х,у,а ) = ± f р- }Ч9 . (2.112) 2. Находится спектр минимально-фазовой части сигнала: SMIN (x,y,ja)) = \Sp(x,y,co)\[cos p(co) + j sin p(a )]. (2.113) 3. Находится спектр максимально-фазовой части сигнала: M(x,y,ja ) = _ , . . (2.114) 4. С помощью обратного преобразования Фурье определяется функция задержки: m(t) = F 1[M(x,y,j6))]. (2.115) 5. Определяется время tm, при котором функция задержки максимальна, что и определяет время пролета акустического импульса между излучателем и приемником: Д/ = tm. После детектирования импульсов, прошедших по потоку и против него вычисление искомых параметров происходит по формулам v = cosa ry t t, (2.116) Kg t\t\Kc P=-r = с rJ + y»Xt,+t,J» t (2.Ц7) (2.118) где Kp - коэффициент, определяемый в процессе калибровки, tj, t2 - время пролета сигнала по потоку и против него, определяемые по алгоритму, описываемому формулами (2.116) - (2.118).
Алгоритм работы микроконтроллера
Для повышения точности ультразвукового расходомера перед преобразователем расхода можно установить сопло или сходящийся конус (конфузор), создающий на выходе профиль скоростей, который с достаточной степенью достоверности можно считать равномерным. При этом значение множителя к можно принять равным 1. Особенно необходимо это при недостаточной длине прямого участка и, следовательно, деформированном профиле скоростей. Если в трубопроводе имеются сопротивления, то перед соплом или конфузором следует поместить струевыпрямитель.
При малых диаметрах труб гидродинамическую погрешность можно исключить, если изготовить преобразователь расхода с прямоугольным каналом и прямоугольными пьезоэлементами, создающими акустические колебания по всему поперечному сечению потока.
Изменение скорости ультразвука. Скорость ультразвука с в жидкостях и газах зависит от плотности р последних, которая изменяется с изменением температуры Т, давления Р и состава или содержания (концентрации) отдельных компонентов. Для жидкостей скорость с практически зависит лишь от температуры и содержания.
Изменение скорости имеет существенное значение для фазовых и времяимпульсных расходомеров, в уравнения вычисления расхода которых входит множитель с2. У них погрешность измерения расхода от изменения с может легко достичь 2-4 % и более, так как при изменении скорости на 1 % погрешность возрастает на 2%. У расходомеров с излучением, перпендикулярным к оси трубы, погрешность в два раза меньше, так как в формулу измерения входит множитель с, а не с2. У частотных расходомеров изменение значения с очень мало сказывается на результатах измерения.
Устранить влияние изменения скорости с на показания фазовых и времяимпульсных расходомеров, а также расходомеров с излучением, перпендикулярным к оси трубы, можно, применяя или соответствующие схемы коррекции, или же переходя на измерение массового расхода.
В первом случае вводится дополнительный акустический канал, перпендикулярный к оси трубы. В преобразователях с преломлением возможна [3] частичная компенсация влияния с путем подбора материала звукопровода и угла а его расположения в соответствии с формулой: sin а = -уШ+Ь , (3.14) где с3 — скорость звука в материале звукопровода; Ь3 и Ъ — температурные коэффициенты скоростей с3 и с. Компенсация происходит потому, что температурное воздействие измерения показателя преломления с/с3 на разность времен Ах в фазовых и времяимпульсных расходомерах противонаправлено непосредственному воздействию на Лт изменения скорости с. Но при значительных изменениях температуры этот способ малоэффективен из-за нестабильности температурных коэффициентов Ъ и 63. Несколько большие возможности данный способ имеет при установке пьезоэлементов снаружи трубы и применении жидкостных звукопроводов.
Влияние температуры жидкости. Скорость распространения ультразвука в жидкостях составляет 800 — 2000 м/сек. Она зависит от состава жидкости и ее температуры. Влияние температуры выражается зависимостью: и = /%(!+МП (3.15) где с — скорость распространения ультразвука при температуре Т, с0 — скорость распространения ультразвука при начальной температуре То, AT - разность температур, /л - температурный градиент.
Во всех жидкостях, кроме воды, скорость ультразвука с увеличением температуры уменьшается. Зависимость кинематической вязкости от температуры выражается формулой (1.5) и изображена на рисунке 1.2. Зависимость плотности жидкости от температуры выражается формулами (1.8)-(1.9) и изображена на рисунке 1.5. Зависимость относительной погрешности измерений расхода от температуры приведена на рисунке 3.8. Как видно из рисунка 3.8, без использования каких либо приемов термокоррекции температурная составляющая погрешности измерения расхода в указанном диапазоне составит 4.1%, или 0,05% / С. На рисунке 3.9 представлена зависимость относительной погрешности измерений плотности нефтепродуктов от температуры. Как видно из рисунка 3.9, без использования каких либо приемов термокоррекции температурная составляющая погрешности измерения расхода в указанном диапазоне составит 20%. На рисунке 3.10 представлена зависимость относительной погрешности измерений вязкости нефтепродуктов от температуры. Как видно из рисунка 3.10, без использования каких либо приемов термокоррекции температурная составляющая погрешности измерения расхода в указанном диапазоне составит более 90%.
