Ультразвуковой расходомер

 

Использование: для измерения расхода жидкостей и газов в трубопроводах различного диаметра в нефтеперерабатывающем промышленности. Сущность изобретения: расходомер содержит два электроакустических преобразователя 1, 2, два согласующих трансформатора З, 4, два усилителя мощности 5, 6, два приемопередающих блока 7, 8, блок управления 9, два логических коммутатора 10,12, блок 11 формирования сигнала возбуждения, фазовый компаратор 15, интегратор 14, сумматор 15, управляемый генератор 16, блок индикации 17, блок 18 выделения разностной частоты, высокочастотный кварцевый генератор 19, субблок 20 делителей частоты, субблок 21 одновибраторов. Блок 18 выделения разностной частоты содержит ключ 22, реверсивный счетчик 23, преобразователь 24 код-частота. Блок 17 индикации содержит счетчик 25 суммарного расхода, аналоговый частотомер 26. Каждый приемопередающий блок 7 и 8 содержит делитель 28, 29, смеситель 30, 31 частот, усилитель.-ограничитель 32,33 и триггер Шмитта 34, 35. Блок 11 формирования сигнала возбуждения содержит смеситель 36 частот и триггер Шмитта 37. 5 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к ультразвуковой технике и может быть использовано для измерения расхода жидкостей и газов в трубопроводах различного диаметра в нефтеперерабатывающей, пищевой и других отраслях промышленности.

Известен ультразвуковой расходомер, содержащий два обратимых электроакустических преобразователя, подключенных через коммутатор к одному из входов фазометра, второй вход которого подключен к выходу задающего генератора, а выход к сумматору, блок управления коммутатором, выходом подключенный к управляющему входу коммутатора, стробирующий компаратор, ключ и ждущий мультивибратор [I] Недостатком этого расходомера является невысокая точность измерения расхода.

Ближайшим аналогом к изобретению является ультразвуковой фазовый цифровой расходомер, содержащий два обратимых электроакустических преобразователя, закрепленных на измерительном участке трубопровода, усилитель мощности, управляемый низкочастотный генератор, фазовый компаратор, блок выделения разностной частоты, блок управления, блок формирования сигнала возбуждения, управляемый генератор. Данный расходомер взят за прототип [2] Однако, этот расходомер имеет недостаточную точность измерения расхода. Это объясняется следующим. Если в устройстве f₁ частота зондирования по потоку, f₂ частота зондирования против потока, С скорость ультразвука в контролируемой среде, λ- длина волны и V- измеряемая скорость, то можно записать: C+Y=λ·f₁; C-Y=λ·f₂ (1), (2) или вычитая из (1) (2), получим: т.е. при условии поддержания λ = const при зондировании по потоку и против, разность частот f₁ f₂, является мерой скорости потока.

Поддержание λ = const равносильно поддержанию одинаковой разности фаз между передающим и приемным электроакустическими преобразователями, которое осуществляется за счет изменения частоты зондирования f₁ f₂. Для точного поддержания постоянной разности фаз необходимо формирование на выходе фазового компаратора временного интервала стандартной амплитуды, точно соответствующему текущему значению разности фаз между передатчиком и приемником. В то же время включение блока коммутации на выходе усилителя мощности приводит к тому, что передающий сигнал, имеющий амплитуду на несколько порядков больше, чем приемный сигнал (передающий десятки В, а приемный десятки мВ) всегда просачивается через паразитные связи, в основном, емкостные, в приемный канал, причем, амплитуда паразитного сигнала сравнима с амплитудой приемного сигнала. Это приводит к искажению информации о контролируемой разности фаз и вызывает большую погрешность поддержания λ = const.. Кроме того, при формировании сигнала возбуждения усилителей мощности в прототипе низкая частота управляемого генератора (40 60 Кгц) на смесителе частот вычитается из высокой частоты первого кварцевого генератора /1 МГц/. Полученный сигнал разностной частоты даже при самой тщательной фильтрации не свободен от низкочастотной составляющей частоты управляемого генератора, что приводит к паразитной амплитудной модуляции сигнала возбуждения, и, соответственно, нелинейным искажениям в передающем сигнале, что также сказывается на точности поддержания постоянной разности фаз.

Техническим результатом от использования изобретения является повышение точности измерения расхода за счет более четкого разделения передающего и приемного каналов, а также за счет уменьшения нелинейных искажений в передающем сигнале.

Это достигается тем, что ультразвуковой расходомер, содержащий два обратимых электроакустических преобразователя, закрепленных на измерительном участке трубопровода, усилитель мощности, управляемый низкочастотный генератор, фазовый компаратор, блок выделения разностной частоты, блок управления, блок формирования сигнала возбуждения, управляемый генератор, снабжен вторым усилителем мощности, двумя согласующими транформаторами, двумя приемо-передающими блоками, двумя логическими коммутаторами, интегратором, сумматором, блоком индикации, причем, электроакустические преобразователи соединены с согласующими трансформаторами, другие входы которых соединены с усилителями мощности, а выходы с первыми входами приемо-передающих блоков, вторые входы которых соединены с первым выходом блока управления, выходы первого логического коммутатора соединены с входами усилителей мощности, а входы с первым выходом блока формирования сигнала возбуждения и с вторым выходом блока управления, входы второго логического коммутатора соединены с выходами приемо-передающих блоков и вторым выходом блока управления, а два выхода с входами фазового компаратора, выход которого через интегратор, сумматор и управляемый генератор соединен с первым входом блока формирования сигнала возбуждения, второй вход которого соединен с первым выходом блока управления; два входа блока индикации соединены с выходом блока выделения разностной частоты, первый вход которого соединен с выходом блока формирования сигнала возбуждения, а второй, третий и четвертый входы соответственно с первым, третьим и четвертым выходами блока управления.

Кроме того, блок управления содержит последовательно соединенные высокочастотный кварцевый генератор, субблок делителей частоты и субблок одновибратора, при этом выход кварцевого генератора является первым выходом блока управления, выходы субблока делителей частоты вторым и четвертым выходами, а выход субблока одновибраторов третьим выходом блока управления. Кроме того, блок выделения разностной частоты содержит последовательно соединенные ключ, реверсивный счетчик и преобразователь код- частота, при этом два входа ключа являются первым и четвертым входами блока выделения разностной частоты, вход реверсивного счетчика третьим входом, а вход преобразователя - вторым входом блока выделения разностной частоты.

Кроме того, блок индикации содержит счетчик суммарного расхода, аналоговый частотомер, соединенный с входом схемы формирования сигналов (O - SмА) и (4 20мА), причем, входы аналогового частотомера и счетчика суммарного расхода являются двумя входами блока индикации.

Кроме того, приемо-передающие блоки содержит последовательно соединенные делитель напряжения с переменным коэффициентом деления, смеситель частот, усилитель ограничитель и триггер Шмитта, при этом входы делителей напряжения и смесителей частот являются, соответственно, первыми и вторыми входами приемопередающих блоков, а выходы триггеров Шмитта их выходами.

Кроме того, блок формирования сигнала возбуждения содержит последовательно соединенные смеситель частот и триггер Шмитта, при этом входы смесителя частоты являются первым и вторым входами блока формирования сигнала возбуждения, а выход триггера Шмитта его первым и вторым выходами.

На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого ультразвукового расходомера, на фиг. 2 и фиг. 3 представлены варианты схемных решений делителя напряжения с переменным коэффициентом деления.

Расходомер содержит электроакустические преобразователи 1 и 2, установленные на измерительном участке трубопровода, связанные с входами согласующих трансформаторов 3 и 4, другие входы которых соединены с усилителями мощности 5 и 6, а выходы с первыми входами приемопередающих блоков 7 и 8, вторые входы которых соединены с первым выходом блока управления 9. Выходы первого логического коммутатора 10 соединены с входами усилителей мощности 5 и 6, а входы с первым выходом блока формирования 11 сигнала возбуждения и с вторым выходом блока управления 9. Входы второго логического коммутатора 12 соединены с выходами приемо-передающих блоков 7 и 6 и второго выхода блока управления 9, а два выхода с входом то фазового компаратора 13, выход которого через интегратор 14, сумматор 15 и управляемый генератор 16 соединен с первым входом блока формирования 11 сигнала возбуждения, второй вход которого соединен с первым выходом блока управления 9. Два входа блока индикации 17 соединены с выходом блока выделения 16 разностной частоты, первый вход которого соединен с вторым выходом блока формирования 11 сигнала возбуждения, а второй, третий и четвертый входы соответственно с первым, третьим и четвертым выходами блока управления 9.

Блок управления 9 содержит последовательно соединенные высокочастотный кварцевый генератор 10, субблок 20 делителей частоты и субблок 21 одновибраторов. Выход кварцевого генератора 19 является первым выходом блока управления 9, выход субблока 20 делителей частоты вторым и четвертым выходами, а выход субблока 21 одновибратора третьим выходом блока управления 9.

Блок выделения 16 разностной частоты содержит последовательно соединенные ключ 22, реверсивный счетчик 23 и преобразователь код частота 24. Два входа ключа 22 являются первым и четвертым входами блока выделения 18 разностной частоты, вход реверсивного счетчика 23 третьим входом, а вход преобразователя 24 вторым входом блока выделения 18 разностной частоты.

Блок индикации 17 содержит счетчик 25 суммарного расхода, аналоговый частотомер 26, соединенный с входом схемы 27 формирования сигналов /0-5 мА/ и /4-20 мА/. Входы аналогового частотомера 26 и счетчика 25 суммарного расхода являются двумя входами блока индикации 17.

Приемо-передающие блоки 7 и 8 содержат каждый последовательно соединенные делитель 28 и 29 напряжения с переменным коэффициентом деления, смеситель 30 и 31 частот, усилитель-ограничитель 32 и 33 и триггер Шмитта 34 и 35. Входы делителей 28 и 29 напряжения и смесителей 30 и 31 частот являются соответственно первыми и вторыми входами приемопередающих блоков 7 и 8, а выходы триггеров Шмитта 34 и 35 их выходам.

Блок формирования 11 сигнала возбуждения содержит последовательно соединенные смеситель 36 частот и триггер Шмитта 37. Входы смесителя 36 частоты являются первым и вторым входами блока формирования 11 сигнала возбуждения, а два выхода триггера Шмитта 37 его первым и вторым выходами.

На фиг. 2 и 3 показаны схемные решения делителя напряжения с переменным коэффициентом деления. Диоды Д1 и Д2 для сигналов малой амплитуды /десятки мВ/ имеют очень большое сопротивление, поэтому, для них практически отсутствует уменьшение амплитуды, а сигналы с амплитудой в несколько десятков В ограничиваются на уровне 0,5 0,7 В. Эту же задачу можно решить с использованием управляемых ключей /фиг. 3/. Подбором сопротивлений 1 и 2 можно практически выравнить амплитуды приемного и передающего сигналов на выходе приведенной электрической цепи. На фиг. 3 показано состояние для передающего сигнала, когда требуется максимальное ослабление.

Ультразвуковой расходомер работает следующим образом.

С субблока 20 делителей частоты блока управления 9 снимается меандр низкой частоты, который управляет работой логических коммутаторов 10 и 12 так, что в единичный интервал происходит возбуждение усилителя мощности 5, а в нулевой усилителя мощности 6. Логический коммутатор 12 в единичный интервал подключает к передающему входу фазового компаратора 13 приемопередающий блок 8, который в этот интервал связан с передающим усилителем мощности 6, а к приемному входу фазового компаратора 13 подключает приемопередающий блок 7, который связан в этот интервал с приемным электроакустическим преобразователем 1. В нулевой интервал положение меняется и приемный и передающий входы фазового компаратора 13 подключаются к другим приемопередающим блокам. С фазового компаратора 13 снимается сигнал стандартного уровня и с длительностью, соответствующей разности фаз между передатчиком 1 /2/ и приемником 2 /1/. Проинтегрированный сигнал с интегратора 14 суммируется в сумматоре 15 с постоянным напряжением, определяющим рабочую точку управляемого генератора 16, который всегда подстраивает свою частоту так, чтобы поддерживать определенную длительность сигнала на выходе фазового компаратора 13. Низкая частота с выхода управляемого генератора 16 поступает на смеситель 36 частот, где выделяется разностная частота высокочастотного кварцевого генераторна 19 /1 МГц/ и управляемого генератора 16 /40 6О МГц/. Перенос зондирующего сигнала на высокую частоту необходим для получения большей чувствительности к изменениям скорости контролируемого потока. Измерение же разности фаз производится на низкой частоте управляемого генератора 16. Обратное преобразование частот происходит на смесителях 30 и 31 частот приемо-передающих блоков 7 и 8. Измерение разности фаз на низкой частоте /гетеродинный способ измерения разности фаз/, как известно, повышает точность измерения. Делители 28 и 29 напряжения с переменным коэффициентом деления выравнивают амплитуды передающего и приемного сигналов на входах смесителей 30 и 31 частот. Сигналы низкой частоты усиливаются до ограничения на усилителях - ограничителях 32 и 33 и подаются на триггеры Шмитта 34 и 35, где формируются сигналы стандартной логической амплитуды с фронтами, совпадающими с моментами перехода входных сигналов через ноль. Согласующие трансформаторы З и 4 кроме задачи согласования выхода усилителей мощности 5 и 6 с линией связи выполняют еще функции искрозащиты. В середине интервалов зондирования по потоку и против потока на субблоке 20 делителей частоты вырабатываются строб-импульсы кварцованной частоты, в течении которых производится запись частоты излучения по суммирующему и вычитающему входам реверсивного счетчика 23. В результате после окончания цикла измерений на выходе реверсивного счетчика 23 фиксируется цифровой код, равный /или пропорциональный/ f₁ f₂. На преобразователе код частота 24 из полученного кода формируется выходная частота, численно равная /или пропорциональная/f₁ f₂. Выходная частота поступает в блок индикации 17, где на счетчике 25 суммарного расхода подсчитывается суммарный объем продукта, прошедшего по трубопроводу, на аналоговом частотомере 26 и схемах 27 формирования сигналов /0-5 мА/ и /4-20 мА/ выделяется сигнал, пропорциональный мгновенному расходу.

Таким образом, поочередное возбуждение усилителей мощности 5 и 6 производится сигналами стандартного логического уровня, который формируется триггером Шмитта 27, включенном на выходе смесителя 36 частот блока формирования 11 сигнала возбуждения. Первый логический коммутатор 10 работает под управлением потенциалов из блока управления 9 и обеспечивает распределение сигналов возбуждения между усилителями мощности 5 6. Под управлением этих же потенциалов работает и второй логический коммутатор 12, который подключает передающий и приемный сигналы, поступающие с приемопередающих блоков 7 и 6, имеющие стандартную логическую амплитуду и фронты, совпадающие с моментами перехода через ноль синусоидального входного сигнала, всегда к "своему" входу фазового компаратора 13, Поэтому, полностью исключается как амплитудная модуляция сигнала возбуждения, так и паразитная связь между передающим и приемным каналами.

Предлагаемый ультразвуковой расходомер позволяет с высокой точностью измерять расход различных жидкостей, в том числе и вязких, а также может быть использован для измерения расхода газов.

Формула изобретения

Ультразвуковой расходомер, содержащий два обратимых электроакустических преобразователя, закрепленных на измерительном участке трубопровода, усилитель мощности, управляемый низкочастотный генератор, фазовый компаратор, блок выделения разностной частоты, блок управления, блок формирования сигнала возбуждения, отличающийся тем, что в него введены второй усилитель мощности, первый и второй согласующие трансформаторы, первый и второй приемопередающие блоки, первый и второй логические коммутаторы, интегратор, сумматор и блок индикации, при этом выходы электроакустических преобразователей соединены с соответствующими согласующими трансформаторами, вторые входы которых соединены с выходами соответствующих усилителей мощности, а выходы с первыми входами соответствующих приемопередающих блоков, вторые входы которых объединены и соединены с первым выходом блока управления, первый и второй выходы первого логического коммутатора соединены с входами соответственно первого и второго усилителей мощности, а первый и второй входы соответственно с первым выходом блока формирования сигнала возбуждения и вторым выходом блока управления, первый и второй входы второго логического коммутатора соединены соответственно с выходами первого и второго приемопередающих блоков, третий выход второго логического коммутатора соединен с вторым входом первого логического коммутатора, а его первый и второй выходы с входами фазового компаратора, выход которого через последовательно соединенные интегратор, сумматор и управляемый низкочастотный генератор соединен с первым входом блока формирования сигнала возбуждения, второй вход которого соединен с первым выходом блока управления, первый и второй входы блока индикации соединены с выходом блока выделения разностной частоты, первый вход которого соединен с выходом блока формирования сигнала возбуждения, а второй, третий и четвертый входы соединены соответственно с первым, третьим и четвертым выходами блока управления.

2. Расходомер по п. 1, отличающийся тем, что блок управления содержит последовательно соединенные высокочастотный кварцевый генератор, субблок делителей частоты и субблок одновибраторов, при этом выход кварцевого генератора является первым выходом блока управления, выходы субблока делителей частоты вторым и четвертым выходами блока управления, а выход субблока одновибраторов третьим выводом блока управления.

3. Расходомер по п. 1, отличающийся тем, что блок выделения разностной частоты содержит последовательно соединенные ключ, реверсивный счетчик и преобразователь код частота, при этом два входа ключа являются первым и четвертым входами блока выделения разностной частоты, вход реверсивного счетчика третьим входом, а вход преобразователя вторым входом блока выделения разностной частоты.

4. Расходомера по п. 1, отличающийся тем, что блок индикации содержит счетчик суммарного расхода, аналоговый частотомер, соединенный с входом схемы формирования сигналов, при этом входы аналогового частотомера и счетчика суммарного расхода являются соответственно первым и вторым входами блока индикации.

5. Расходомер по п. 1, отличающийся тем, что приемопередающий блок содержит последовательно соединенные делитель напряжения с переменным коэффициентом деления, смеситель частот, усилитель-ограничитель и триггер Шмитта, при этом входы делителей напряжения и смесителей являются соответственно первыми и вторыми входами приемопередающего блока, а выход триггера Шмитта является его выходом.

6. Расходомер по п. 1, отличающийся тем, что блок формирования сигнала возбуждения содержит последовательно соединенные смеситель частоты и триггер Шмитта, при этом входы смесителя частоты являются первым и вторым входами блока формирования сигнала возбуждения, а два выхода триггера Шмитта его первым и вторым выходами.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3