Ультразвуковой способ измерения расхода

 

1. УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА, заключающийся в одновременной встречной посылке радиочастотных ультразвуковых колеб ний через контролирующий поток среды , приеме колебаний, прошедашх поток , их преобразовании и измерении разности фаз преобразованных колеба ний, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений , выделяют первые биения с частотой, равной разности частот колебаний, излученных по потоку и прошедших против потока, вторые биения с частотой, равной разности частот колебаний, излучаемых против потока и прошедших по потоку, опорные биения МЕЖДУ излучаемлми сигналами, измеряют сдвиг фаз между опорныкм и первыкн биениями и между опорными и вторыми биениями, а скорость потока среды определяют по формуле ( COj CJt ЛФоФ Г COS А 2 скорость потока среды i длина акустической базы угол между направлением распространения ультразвука и направлением потока среды; fJfiCJj- частоты непрерывных колебаний , излучаемых во взаимно противоположных направлениях ) fj - сдвиг фаз между опорными и первыми биениями; . сдвиг фаз между опорными и вторыми биениями.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (19) (11) gCS1) G 01 F 1/66

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

nO glEWM ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТЮ (21) 3375147/18-10 (22) 29.12. 81 (46) 23.06.83, Бюл. М,23 (72) H.A. Чернобай, Н. В. Бычков, В.В.Жуков и A.È.Øàòêîâñêèé (71) Научно-исследовательский институт прикладных физических проблем им. акад. A.Í. Севченко при Белорусском ордена Трудового Красного Знамени государственном университете им. В.И. Ленина (53) 681.121 (088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

Р 488983, кл. С 01 F 1/66, 1973.

2. Авторское свидетельство СССР

9 489950, кл. Q 01 F 1/00, 1974 (прототип). (54) (57) 1. УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СПОСОБ

ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА, заключающийся в одновременной встречной посылке радиочастотных ультразвуковых колебаний через контролирующий поток среды, приеме колебаний, прошедших поток, нх преобразовании и измерении разности фаз преобразованных колебаний, отличающийся тем, что, с целью повышения точности иэмерений, выделяют первые биения с I частотой, равной разности частот колебаний, иэлученных по потоку и прошедших против потока, вторые биения с частотой, равной разности частот колебаний, излучаемых против потока и прошедших по потоку, опорные биения между излучаемыми сигналамн, измеряют сдвиг фаз между опорны) ж и первымн биениями и между опорными и вторыми биениями, а скорость потока среды определяют по формуле где Y - скорость потока среды, Ф вЂ” длина акустической базы Е

1 (. - угол между направлением распространения ультразвука и направлением потока в среды

М„И - частоты непрерывных колебаиий, излучаемых во взаимно противоположных направлениях, Ф(- сдвиг фаэ между опорными и первыми биениями; сдвиг фаз между опорными и вторыми биениями.

1024727

Изобретение относится к измери:тельной технике, в частности к расходометрикр и может быть использовано в нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей, химической, гидрометаллургической и других отраслях промыш- 5 ленности для прецизионного измерения расхода и точного учета количест- . ва различных сред, а также в.медицинских целях для измерения скорости кровотока. 10

Известен ультразвуковой однока. нальный Фазовый бескоммутационный способ измерения расхода, основанный на встречной посылке в одном направлении .колебаний двух симметричных 15 составляющих основной частоты,- а в другом направлении — колебаний ос. нонной частоты, выделении на выходе обоих направлений второй гармоники основной частоты и определении для них разности фаз, по которой судят о величине расхода f1) .

Недостатками способа. являются . зависимость .измерений от абсолютной величины скорости распространения ультразвука в среде и невысокая точ-, ность измерений, зависящая от фазовых погрешностей при балансном преобразовании и удвоении частот.

Наиболее близким по технической сущности .к предлагаемому является ультразвуковой одноканальный Фазовый бескоммутационный способ. измерения расхода, заключающийся в одновременной встречной посылке равночастотных ультразвуковых колебаний через контролируемый поток, преобразовании. колебаний, прошедших через поток, последующей Фильтрации и измерении разности фаз преобразованных колебаний f2) . 40

Недостатком известного способа является зависимость измерений .от абсолютной величины. скорости распространения ультразвука:.в среде и, как . следствие, недостаточная высокая точ-45 ность измерений.

Целью изобретения является повышение точностри измерений и устранение зависимости.от скорости распространения ультразвука в среде.

Поставленная цель достигается тем, что согласно ультразвуковому способу измерения расхода, заключающемуся.в одновременной встречной посылке разночаст»зтных ультразвуковых колебаний через контролируемый поток, приеме колебаний, прошедших поток, йх преобразовании и измерении разности фаэ преобразованных колебаний, выделяют первые биения с частотой, равной разности частот ко- 60 лебаний, иэлученных по потоку и прошедших против потока, вторые биения с частотой, равной разности частот колебаний, излучаемых против потока и прошедших по потоку, опорные 65 биения;-между иэлучае»ыми сигналами, измеряют сдвиг фаз между опорными и первыми, биениями и между опорными и вторыми;биениями, а скорость потока среды определяют по формуле где Ч вЂ” скорость потока среды;

4 - длина акустической базы" о — угол между направлением распространения .ультразвука и направлением потока среды,"

4)»,И2- частоты непрерывных колебаний., излучае»ых.во взаимно противоположных направлениях»

Ф»- сдвиг фаз мещду опорными и

-первыми биениями, Ф " сдвиг Фаз между вторыми и

2. опорными биениями.

Сущность ультразвукового способа измерения расхода заключается в следующем.

В момент времени t = О в направлении по потоку среды начинают излучать непрерывные ультразвуковые колебания с частотой Q» и начальной Фазой ф, а против потока — непрерывные колебания с частотой 4) и начальной

Фазой (2. Время Тр„. и Тр распространения колебаний по потоку среды и против потока определяется соответственно

С» ecosoc

li

2 . С -М сО 5 0(В момент времени t =. Тр, колебания представляются следующйм образом: а) на передающем пьеэозлементе для частоты Ы»

UÄo> =0m cosfco1(рр, (1) . (Н б) на приемном пьезоэлементе для частоты Я»

= О „СОб(4}„1+(,) (4) в) .на передающем пьезоэлементе для частоты (d2. ( ((лерр= («(m coo Eeoc (t рр„lO V o) (р>

r) на приемном пьезоэлементе для частоты Я

Uco. -.Umcosjcoqlt+>p рр,)i(pc) (6)

На Одном из смесителей выделяют первые биения между колебаниями частоты (р», посланными по потоку, и колебаниями" частоты 4), р прошедшими

1024727

Опорные же биения. между колебаниями, излученными по потоку и против потока среды, выражаются формулой

20, Us = О.о cos ((и,-ы:,) +

+М %) р, ) ((-фд)j

Разность фаз между первыми и опорными биениями на основании выражений (7) и (9) равна

Зо (И) 35

Вычитая из (11) и (10) и принимая во внимание выражение (1) и (2), получим формулу для вычисления скорости V потока среды 40

В полученном выражении (12) отсутствует абсолютная величина скорос-45 ти С распространения ультразвука в контролируемой среде, следовательно, в способе осуществляется автоматическая коррекция на скорость распространения ультразвука в среде.

На чертеже представлена. блоксхема устройства для реализацииспособа.

Устройство содержит акустический датчик с двумя обратимыми электроакустическими преобразователями.

1 и 2, подключенными к .двум измерительным каналам, каждый из которых содержит последовательно соединенные опорный генератор 3 и 4, смеси- 60 тель 5 и 6, избирательный фильтр 7 и 8, -формирователь 9 и 10 коротких импульсов, счетчик 11 и 12.импульсов управляемый делитель 13 и 14 частоты.

65 против потока. Эти биения выражаются формулой

0 -Ug cos((u,-о,)1

+(+i )21ТР Я ТРф4 (9d«N)did.На другом пьезоэлементе выделяют . ,вторые биения между коЛебаниями час-.

)тоты И, прошедшими по потоку среды,)p и колебаниями частоты (д, посланными против потока. Эти биения записываются в виде () О со ((dq Йсд„-<а )1-истр, lq,-q,))(s) 15

Ф, - Гр (0)

Разность фаз между опорными и вторыми биениями на основании выра жений (8) и (9) равна

Ф, =4) ) р

Устройство содержит третий измерительный канал, состоящий из последовательно соединенных смесителя

15, избирательного фильтра 16 и формирователя 17 коротких импульсов, выход которого подключен к входу

"Старт" счетчика 11 импульсов первого измерительного .канала и входу "Стоп" счетчика 12 импульсов второго измерительного канала. Выходы кварцевого генератора 18 подключены к третьим входам счетчиков 11 и 12 импульсов первого и второго измерительных каналов. Выходы управляемих делителей

13 и 14 частоты первого и второго измерительных каналов подключены к входам блока 19 разности, его выход - к регистрирующему устройству

20. Выходы опорных генераторов 3 и .

4 первого и второго измерительных каналов подключены к обратным электроакустическим преобразователям, их дополнительные выходы подключены к входам смесителя 15 третьего измерительного канала и к вторым входам управляемых делителей 13 и

14 частоты первого и второго измерительных каналов.

Устройство работает следующим образом.

Опорный генератор 3 вырабатывает колебания с частотой Я, которые поступают на вход смесителя 5 и на пер- . вый пьезоэлемент 1, в котором преобразуются в ультразвуковые колебания, ., распространяются по потоку среды и достигают. второго пьезоэлемента 2.

На пьезоэлементе 2 эти колебания преобразуются в электрический сигнал и поступают на вход смесителя 6.

Одновременно опорный генератор 4 вырабатывает колебания с частотой 4)<, которые поступают на вход смесителя

6 и на пьезоэлемент 2, в котором преобразуются в акустические колебания и излучаются против потока среды.

Достигнув пьезоэлемента 1, эти .колебания преобразуются в электрический сигнал и поступают на вход смесителя

5. В смесителе 5 выделяются колебания биений, описываемые выражением (8), отфильтровываются от побочных и гармонических составляющих избирательным фильтром 7 и поступают на вход формирователя 9 коротких импульсов °

В формирователе 9 синусоидальные колебания преобразуются в последовательность коротких импульсов с частотой, равной исходной частоте биений.

Аналогично в смесителе 6 выде.ляются колебания биений, описываемые выражением (7), отфильтровываются от побочных .и гармонических составляющих в избирательном фильтре 8 и поступают на вход формирователя 10 коротких импульсов. В формирователе 10 синусоидальные колеба1024727

Составитель Н. Бурбело

ТехредЖ.Кастелевич Корректор Г. Решетник

Редактор Т. Кугр ллева

Заказ .4379/36 Тираж 643 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Проектная, 4 ния преобразуются в последовательйость коротких импульсов с частотой, равной исходной частоте биений, Одновременно в смесителе 15,входами подключенном к дополнительным выходам опорных генераторов 3 и 4, выделяются опорные биения, описываемые выражением (9), которые проходят через избирательный фильтр

16, где отфильтровываются от поббчных и гармонических составляющих 10 и поступают на вход формирователя 17 коротких импульсов. С выхода формирователя 17 преобразованный в коротКие импульсы сигнал с частотой, равной частоте биений, поступает на 15 вход "Старт" счетчика 11 импульсов и вход "Стоп" счетчика 12 импульсов.

На вход "Стоп" счетчика 11 им.пульсов поступает сигнал с выхода формирователя 9 коротких импульсов; на вход "Старт" счетчика 12 импульсов поступает сигнал с выхода формирователя 10 коротких импульсов, а на третьи входы обоих счетчиков

11 и 12 импульсов поступает сигнал с частотой 4)од с выхода высокочастотного кварцевого генератора 18.

Такое управление счетчиками обеспечивает вычисление разности фаэ в соответствии с уравнениями (10} и (11) .

Частота следования импульсов с выхода формирователей 9, 17 и 10 коротких импульсов одинакова и постоянна, поэтому в счетчике 11 импульсов насчитывается количество импульсов 35

N2, пропорциональное сдвигу фаз между опорными и вторыми биениями 2 а в счетчике 12 — количество импульсов И, пропорциональное сдвигу фаз между первыми и опорными биениями 40

9, причем укаэанные фазовые сдвиги можно представить в виде

45 Оп где Н = — — число импульсов (d Я2 высокочастотного генератора, укладывающихся в одном периоде колебания биений.

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул.

Сигнал с выхода счетчика 11 импульсов поступает иа управляющий вход делителя 13 с неременным коэф- фициентом деления, на второй вход которого подается сигнал с дополни« тельного выхода опорного генератора 3. В делителе 13 осуществляется управляемое деление частоты 6)q на число 02, и с его выхода сигнал с

I» >h. ,63 частотой †подается на первый вход и блока 19 разности. С выхода счетчика 12 импульсов сигнал поступает на управляющий вход делителя 14 с переменным коэффйциентом деления, на. второй вход которого подаются колебания с дополнительi ного выхода второго опорного генератора 4. В делителе 14 осуществляется управляемое деление частоты +2 на Кисло N g и на его Выходе формируется сигнал с частотой

0 2 который подается на второй вход

I блока 19 раэностн. На выходе блока

19 разности формирует "я сигнал,(ь Ы 1 вида — „- — ) который подается

"2 4 на регистрирующий прибор 20, например частотомер, проградуированный в единицах скорости потока, или счетчик импульсов для.измерений интегрального расхода за определенный промежуток времени.

Таким образом, предлагаемый способ измерения расхода обладает несомиенными преимуществами, связанными с отсутствием зависимости из- мерений от скорости распространения ультразвука в среде, более высокой точностью измерений, удобным представлением информации в цифровом виде, полной автоматизацией процесса измерений.

Предлагаемый способ позволяет с высокой точностью измерять расход.