Ультразвуковой частотно-импульсный способ измерения расхода и устройство для его осуществления

 

Использование: в измерительной технике для измерения скорости и расхода вещества. Сущность: поочередно излучают и принимают по и против потока измеряемой среды ультразвуковые колебания и определяют скорость потока по разности частот синхроколец. Ультразвуковые сигналы, передаваемые по линии связи, демпфируют на входе и выходе из нее. Расходомер содержит два электроакустических обратимых преобразователя, электронный блок, линию связи, четыре асинхронных переключателя и два реактивных сопротивления. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретения относятся к измерительной технике и могут быть использованы для измерения скорости и расхода вещества с помощью ультразвуковых сигналов.

Известен ультразвуковой способ измерения скорости потока, основанный на работе в одном электроакустическом канале одновременно двух синхроколец, одно из которых работает по потоку, другое - против потока (SU, а.с. 802790, кл. G 01 F 1/66, 1981).

Известен ультразвуковой расходомер, содержащий отрезок трубопровода с установленными на нем пьезоэлектрическими преобразователями и подключенную к ним измерительную схему, индикатор расхода (SU, а.с. 1476311, кл. G 01 F 1/66, 1989).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является ультразвуковой способ измерения расхода, заключающийся в поочередном излучении и приеме в измеряемую среду по и против потока ультразвуковых колебаний и определении скорости потока по разности частот синхроколец (Счетчик нефти ультразвуковой "Расход-3", НПО "Нефтехимавтоматика"/Проспект.- М., 1988).

Наиболее близким аналогом устройства является ультразвуковой счетчик нефти, содержащий преобразователь расхода с пьезоэлектрическими преобразователями на нем, электронно-измерительный блок и линию связи между ними (там же).

Недостаток известного способа и устройства заключается в том, что длина линии связи должна быть кратна полуволнам рабочих частот пьезопреобразователей, т.е.

где n - 1,2,3...

f - частота собственных колебаний пьезопреобразователей, а при коротких линиях не обеспечивается удовлетворительное согласование с нагрузкой.

При искажении ультразвукового импульса на собственные колебания излучения наложены какие-то другие колебания, например, линии связи и преобразователя, и если он в таком виде излучается в среду, то на его суммарную характеристику оказывает влияние эффект Доплера, т.е. скорость движения среды изменяет коэффициент искажения импульса в заданной точке характеристики. Такой импульс можно рассматривать как несколько отдельных импульсов, взаимоположение составляющих которых зависит от скорости среды, а так как пороговые устройства схемы обеспечения работы расходомера привязаны к конкретной точке характеристики, то это вызывает дополнительный выбег фазы точки измерения и как следствие резкое увеличение нелинейности градуировочной характеристики прибора. В известном счетчике компенсировать фазовые искажения зондирующего импульса, возникающие при отражениях его в линии связи, чрезвычайно трудно. Простой способ согласования с помощью L, C звеньев не обеспечивает необходимую широкополосность, а зондирующий импульс имеет крутые фронта, т.е. он может быть представлен в виде ряда Фурье как сумма большего или меньшего числа неограниченных во времени составляющих синусоидальной формы, содержащихся в более или менее широкой полосе частот. Таким образом, всегда могут присутствовать составляющие, для которых условия согласования не выполняются. А применение резистивных нагрузок и сложных фильтров приводит к нелинейному ослаблению сигнала не менее чем на 6 дБ.

Все это требует индивидуальной подстройки счетчиков в зависимости от длины линии связи, что исключает их взаимозаменяемость при эксплуатации и крайне затрудняет проведение их периодической и государственной поверок на поверочных установках, т.е. требуется по существу для каждого счетчика подключать свою индивидуальную линию связи, равную по длине линии связи эксплуатируемого счетчика.

Следовательно, для повышения линейности характеристики счетчика необходимо условия формирования моночастотного зондирующего сигнала с амплитудно-чатсотными характеристиками, совпадающими с характеристиками пьезоэлектрических преобразователей.

Техническим результатом от использования изобретения является устранение вышеуказанных недостатков и улучшение эксплуатационных возможностей за счет снижения фазовых искажений.

В способе это достигается тем, ультразвуковые сигналы, передаваемые по линии связи, демпфируют на входе и выходе из линии связи. В устройстве это достигается тем, что оно дополнительно содержит асинхронные переключатели, подключенные параллельно концам линии связи, причем переключатели со стороны преобразователя расхода соединены с электроакустическими преобразователями через реактивные сопротивления. Кроме того, асинхронные преобразователи выполнены в виде полупроводникового высокочастотного переключающего диода.

В предлагаемом расходомере условие формирования моночастотного зондирующего сигнала с амплитудно-частотными характеристиками, совпадающими с характеристиками пьезоэлектрических преобразователей, образователей, выполняется за счет того, что рабочая зона ультразвукового импульса формируется за счет собственных колебаний пьезопреобразователя при возбуждении последнего коротким (менее полпериода собственных колебаний) электрическим импульсом и демпфированием всех паразитных составляющих апериодическими переключателями. Смысл их работы заключается в избирательной реакции на приходящий электрический сигнал, причем управление производится тем же сигналом. Кроме того, они обеспечивают независимость собственных колебаний преобразователя от параметров линии связи.

На чертеже представлена принципиальная схема предлагаемого расходомера.

Расходомер состоит из преобразователя расхода 1, представляющего собой отрезок трубопровода необходимого сечения с установленными на нем электроакустическими преобразователями 2 обратимого типа, т.е. использующимися поочередно для излучения и приема ультразвукового сигнала через измеряемую среду; электронного блока 3, обеспечивающего необходимый алгоритм формирования и обработку частотно-импульсной последовательности с целью выделения информационной составляющей о текущем расходе измеряемого продукта; линии связи 4 произвольной длины, служащей для передачи электрического сигнала от электроакустических преобразователей 2 к электронному блоку 3 и обратно, на концах которой расположены селективные асинхронные переключатели 5, соединенные через реактивные сопротивления 6 с электроакустическими преобразователями 2. Переключатели 5 обеспечивают блокирование (демпфирование) тех составляющих электрического сигнала, имеющего на возбуждение электроакустических преобразователей, которые приводят к фазовым искажениям акустического импульса, излучаемого в среду и припускающие без изменения сигналы, принятые из среды.

Расходомер работает следующим образом.

В линии связи 4 между преобразователем расхода 1 и электронным блоком 3 присутствуют электрические сигналы, идущие для возбуждения электроакустических преобразователей 2 в виде однополярных видеоимпульсов амплитудной порядка десятков вольт, и электрические сигналы, принятые из среды, которые имеют вид радиоимпульсов с амплитудой, не превышающей сотен милливольт. Один из переключателей (диодов) 5 установлен на выходе электронного блока 3 (на входе линии связи 4) в полярности, противоположной возбуждающему видеоимпульсу, и обеспечивает его прохождение в линию связи 4 без искажений и демпфирование затухающих колебаний, возникающих в линии под воздействием этого импульса вследствие того, что отраженные импульсы имеют полярность, обратную зондирующему, и эффективно ограничиваются диодом. Приемный сигнал проходит без искажений, так как его уровень недостаточен для отпирания диода. На противоположном конце линии связи 4 включен второй такой же переключатель (диод) 5, который также демпфирует паразитные колебания в линии, но, кроме того, подключает к пьезоакустическому преобразователю 2 фиксированную нагрузку в виде реактивного сопротивления 6. Зондирующий сигнал возбуждает излучатель, колебания которого повторяют форму зондирующего сигнала, а затем пьезоэлемент излучателя продолжает колебаться с собственной частотой, причем 2-й полупериод колебаний пьезоэлемента через реактивное сопротивление замыкается на переключатель (диод), исключая тем самым влияние линии связи на собственные колебания излучателя.

Формула изобретения

1. Ультразвуковой частотно-импульсный способ измерения расхода, заключающийся в образовании в одном измерительном канале двух синхроколец, включающих излучение ультразвуковых колебаний по потоку измеряемой среды и против него, прием прошедших среду колебаний и преобразование их в электрический сигнал, причем в каждом синхрокольце электрические сигналы передаются по линии связи, измерение частоты следования сигналов в каждом синхрокольце и определение величины расхода по разности измеренных частот, отличающийся тем, что электрические сигналы, передаваемые по линии связи, демпфируют на ее входе и выходе.

2. Ультразвуковой частотно-импульсный расходомер, содержащий преобразователь расхода, выполненный в виде двух электроакустических преобразователей, установленных на измерительном участке трубопровода и связанных с электронным блоком линией связи, отличающийся тем, что он дополнительно содержит асинхронные переключатели, установленные параллельно входу и выходу линии связи, причем переключатели, установленные в месте соединения линии связи с преобразователем расхода, соединены с электроакустическими преобразователями через реактивные сопротивления.

РИСУНКИ

Рисунок 1