Вихревой расходомер

 

Изобретение может быть использовано для измерения расхода жидкости в трубопроводах. Вихревой расходомер содержит расположенное поперек потока тело обтекания, два пьезоэлемента, установленных диаметрально противоположно за телом обтекания, два генератора ультразвуковых колебаний, два фазовых детектора, формирователь сигнала разностной частоты в виде D-триггера, два амплитудных детектора и сумматор. Разница частот генераторов составляет менее 2%. Изобретение обеспечивает повышение точности измерений при низких расходах жидкости и в условиях изменения ее свойств, вызванных колебаниями температуры и давления. 1 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в химической, нефтехимической и других областях промышленности, а также в системах тепло- и водоснабжения для точного измерения расхода текучей среды, преимущественно жидкости, протекающей в трубопроводах.

Известен вихревой расходомер, содержащий тело обтекания треугольного сечения, помещенное внутри трубопровода перпендикулярно оси потока, установленные за ним по потоку диаметрально противоположно излучатель и приемник ультразвуковых колебаний - пьезоэлементы, соединенные, соответственно, с генератором и предварительным усилителем, выходы которых соединены с входами фазового детектора, и блок регистрации (DE, патент, 2036597, кл. 4201500, 1972).

Недостатком этого устройства является невысокая точность измерения.

Большую точность измерений позволяет получить вихревой расходомер, усовершенствованный по сравнению с вышеописанным за счет включения между фазовым детектором и блоком регистрации преобразовательного блока. Расходомер работает следующим образом. Ультразвуковое излучение воспринимается приемником ультразвуковых колебаний, с выхода которого модулированный по фазе сигнал поступает на вход фазового детектора. С выхода фазового детектора снимается низкочастотный сигнал, состоящий из смеси полезного сигнала и сигнала помех, обусловленного турбулентными пульсациями потока. Преобразовательный блок позволяет практически полностью отсекать сигналы помех. В результате на блок регистрации поступают импульсы, частота которых пропорциональна расходу среды (RU, патент, 2091716, G 01 F 1/32, 1997). Этот расходомер является наиболее близким аналогом предлагаемого устройства по совокупности существенных признаков и достигаемому результату.

Однако известный расходомер не обеспечивает высокую точность измерений при низких расходах жидкости, а также в условиях, когда скорость распространения в ней ультразвука изменяется во времени, например из-за колебаний температуры и давления.

Задачей изобретения являлось повышение точности измерений, в том числе при низких расходах жидкости и в условиях изменения во времени ее свойств.

Это достигается тем, что вихревой расходомер, содержащий расположенное поперек потока тело обтекания, два пьезоэлемента, установленных диаметрально противоположно за телом обтекания, генератор ультразвуковых колебаний и фазовый детектор, дополнительно снабжен вторым генератором ультразвуковых колебаний с частотой, близкой, но не равной частоте первого генератора, вторым фазовым детектором, формирователем сигнала разностной частоты, двумя амплитудными детекторами и сумматором, причем выходы первого и второго генераторов соединены, соответственно, с первым и вторым пьезоэлементами, а также с входами первого и второго амплитудных детекторов и входами формирователя сигнала разностной частоты, выходы первого и второго амплитудных детекторов соединены, соответственно, с одним из входов первого и второго фазовых детекторов, другой вход каждого из которых соединен с выходом формирователя сигнала разностной частоты, а выходы фазовых детекторов соединены с входом сумматора, выход которого соединен с блоком преобразования в выходной сигнал. В частном случае исполнения разница частот ультразвуковых колебаний первого и второго генераторов составляет менее 2%. В качестве формирователя сигнала разностной частоты расходомер может содержать D-триггер, на D-вход которого подается сигнал с одной сравниваемой частотой, а на C-вход (тактовый) - с другой.

На чертеже показана функциональная схема предлагаемого вихревого расходомера.

Расходомер содержит помещенное в трубопровод тело обтекания 1, первый и второй пьезоэлементы 2, 3, первый и второй генераторы ультразвуковых колебаний 4, 5, первый и второй амплитудные детекторы 6, 7, формирователь сигналов разностной частоты 8, первый и второй фазовые детекторы 9, 10, сумматор 11 и блок преобразования и выходной сигнал 12.

Элементы расходомера связаны между собой следующим образом. Выходы первого 4 и второго 5 генераторов соединены, соответственно, с первым 2 и вторым 3 пьезоэлементами, а также с входами первого 6 и второго 7 амплитудных детекторов и входами формирователя сигнала разностной частоты 8. Выходы первого 6 и второго 7 амплитудных детекторов соединен с одним из входов, соответственно, первого 9 и второго 10 фазовых детекторов, другой вход каждого из которых соединен с выходом формирователя сигнала разностной частоты 8. Выходы фазовых детекторов соединены с входом сумматора 11, выход которого соединен с блоком преобразования в выходной сигнал 12.

Расходомер работает следующим образом. Пьезоэлементы 2, 3 возбуждаются, соответственно, генераторами 4, 5, разница частот колебаний которых составляет, например, менее 2%. На каждом пьезоэлементе электрические колебания преобразуются в механические и в виде ультразвука (УЗ) излучаются в сторону противоположного пьзоэлемента, где, в свою очередь, преобразуются в электрические колебания. Таким образом, каждый пьезоэлемент 2, 3 одновременно излучает и принимает УЗ. При этом на каждом из них происходит суммирование генераторного сигнала и сигнала, пришедшего от другого пьезоэлемента, т.е. от другого генератора. Ввиду близости по величине частот генераторов 4, 5 происходит биение колебаний. Огибающая этих биений выделяется на амплитудных детекторах 6, 7. Эта огибающая представляет собой периодические колебания с частотой, равной разности частот генераторов 4, 5. Полученные сигналы подаются на входы фазовых детекторов 9, 10, другие входы которых соединены с выходом формирователя разностной частоты (например, D-триггера) 8. При этом сдвиги фаз выделенных на амплитудных детекторах 6, 7 колебаний относительно опорного сигнала, полученного с формирователя разностной частоты, равны соответственно где ω - круговая частота УЗ, рад/с; d - диаметр трубопровода, м; v - поперечная составляющая скорости вихря, м/с; W - скорость УЗ, м/с.

Первая составляющая выражений (1), (2) пропорциональна скорости вихря, т. е. расходу текучей среды. Именно эта составляющая несет полезную информацию. Вторая составляющая, по существу, является паразитной величиной, т.к. не несет полезной информации. В реальных условиях изменения скорости УЗ за счет изменения свойств среды малы - порядка 0,1-1%. При этом изменения полезной составляющей сигнала, обусловленные изменениями скорости УЗ, незначительны, а изменения паразитной составляющей могут быть велики и соизмеримы с полезным сигналом.

Однако особенностью предлагаемого расходомера является обеспечение высокой точности измерений за счет того, что полезные составляющие выходных сигналов двух фазовых детекторов 9, 10 совпадают по знаку и величине, а паразитные составляющие по абсолютной величине совпадают, но имеют противоположные знаки.

Сигналы с двух фазовых детекторов 9, 10 суммируются на сумматоре 11, при этом паразитные составляющие взаимно компенсируются. На выходе сумматора образуется сигнал, пропорциональный расходу среды, который подается на блок преобразования в выходной сигнал.

Вихревой расходомер по данному изобретению обеспечивает в широком диапазоне температур погрешность измерения при беспроливной поверке не более 1%, а при проливной - 0,3-0,5% от измеряемого значения. При этом нижний предел измеряемого расхода уменьшается до величин, при которых скорость жидкости в трубопроводах составляет 6-7 см/с.

Формула изобретения

Вихревой расходомер, содержащий расположенное поперек потока тело обтекания, два пьезоэлемента, установленных диаметрально противоположно за телом обтекания, генератор ультразвуковых колебаний, первый фазовый детектор и блок преобразования в выходной сигнал, отличающийся тем, что он снабжен вторым генератором ультразвуковых колебаний, вторым фазовым детектором, формирователем сигнала разностной частоты, двумя амплитудными детекторами и сумматором, при этом выходы первого и второго генераторов, разница частот которых составляет менее 2%, соединены соответственно с первым и вторым пьезоэлементами, а также со входами первого и второго амплитудных детекторов и входами формирователя сигнала разностной частоты, выходы первого и второго амплитудных детекторов соединены соответственно с одним из входов первого и второго фазовых детекторов, другой вход каждого из которых соединен с выходом формирователя сигнала разностной частоты, а выходы фазовых детекторов соединены со входом сумматора, выход которого соединен с блоком преобразования в выходной сигнал.

РИСУНКИ

Рисунок 1