Ультразвуковой одноканальный способ измерения расхода сред

 

Использование: в различных областях промышленности для измерения расхода жидкостей и газа. Сущность изобретения: ультразвуковой одноканальный способ измерения расхода сред заключается в излучении обратимыми акустическими преобразователями по и против потока одновременно и встречно друг другу двух разночастотных ультразвуковых волн, преобразовании принятых теми же преобразователями волн в электрические сигналы и выделении огибающей суммарного электрического сигнала. Особенность способа состоит в том, что излучение обратимыми акустическими преобразователями ультразвуковых волн производят на частотах механического резонанса при относительной расстройке частот ζ, которую определяют по приведенному в описании математическому выражению, а выделение огибающей суммарного электрического сигнала осуществляют на одном из преобразователей, при этом, поддерживая постоянной амплитуду напряжения огибающей электрического сигнала на этом преобразователе путем изменения напряжения возбуждения другого преобразователя, по этому изменению напряжения возбуждения судят о величине измеряемого расхода среды. Благодаря высокой крутизне преобразования расхода потока в выходной сигнал повышается чувствительность измерений. 1 ил.

Изобретение относится к расходомерной технике и может найти применение для контроля расхода жидкостей и газов.

Существует способ измерения расхода сред, заключающийся в одновременном излучении преобразователями по и против потока встречно друг другу двух разночастотных ультразвуковых волн, преобразовании принятых теми же преобразователями волн в электрические сигналы и измерении разности фаз этих электрических сигналов. По этой разности фаз судят о контролируемом расходе (Бражников Н.И. Ультразвуковая фазометрия. М.: Энергия, 1968, с. 223-234.).

Недостатком этого способа является низкая чувствительность измерений, связанная с малой скоростью потока среды по сравнению со скоростью распространения ультразвука в среде.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению (прототипом) является ультразвуковой одноканальный способ измерения расхода, заключающийся в одновременном излучении обратимыми преобразователями по и против потока одновременно и встречно друг другу двух разночастотных ультразвуковых волн, линейном преобразовании принятых теми же преобразователями волн в электрические сигналы, выделении первой и второй огибающих суммарных электрических сигналов преобразователей, нормировании огибающих сигналов, векторном суммировании первой и второй огибающей, векторном суммировании напряжений обоих частот излучений, выделении третьей огибающей. При этом по разности фаз между третьей огибающей и суммой первых двух судят о контролируемом расходе (см. авторское свидетельство СССР N 1273710).

Недостатком указанного способа измерения является низкая чувствительность измерений, вызванная линейной зависимостью выходного сигнала от расхода среды.

Техническим результатом является повышение чувствительности измерений за счет высокой крутизны преобразования расхода потока в выходной сигнал.

Сущность изобретения состоит в том, что в известном способе измерения расхода сред, заключающемся в одновременном излучении обратимыми преобразователями по и против потока одновременно и встречно друг другу двух разночастотных ультразвуковых волн, линейном преобразовании принятых теми же преобразователями волн в электрические сигналы, выделении огибающей суммарного электрического сигнала, согласно изобретению, излучение обратимыми акустическими преобразователями ультразвуковых волн производят на частотах механического резонанса при относительной расстройке их частот ζ, которую определяют по формуле где γ_o - коэффициент акустической связи при неподвижной среде; U₁₀, U₂₀ - напряжения возбуждения на соответственно первом и втором преобразователях; выделение огибающей суммарного электрического сигнала осуществляют на одном из преобразователей и, поддерживая постоянной амплитуду напряжения огибающей на этом преобразователе путем изменения напряжения возбуждения другого преобразователя, по этому изменению напряжения возбуждения судят о величине измеряемого расхода среды.

Такой способ измерения расхода сред за счет излучения обратимыми акустическими преобразователями ультразвуковых волн на частотах механического резонанса при относительной расстройке частот ζ, выделения огибающей суммарного электрического сигнала на одном из преобразователей и поддержания постоянной амплитуды напряжения огибающей на этом преобразователе путем изменения напряжения возбуждения другого преобразователя позволяет достичь высокой крутизны преобразования скорости потока в выходной сигнал, что повышает чувствительность измерения расхода жидкости или газа.

На приведенном чертеже показано устройство, реализующее предлагаемый способ.

Устройство для измерения расхода среды содержит обратимые акустические преобразователи 1 и 2, подключенные соответственно к выходам автогенераторов 3 и 4, блок выделения сигнала 5, входом подключенный к выходу одного из автогенераторов, например 4, а выходом - ко входу блока управления 6. Выход блока управления 6 подключен к управляющему входу автогенератора 3, к выходу которого подключен измерительный прибор 7.

Реализация способа заключается в следующем. Преобразователи 1 и 2, возбуждаемые соответственно автогенераторами 3 и 4 на частоте механического резонанса при относительной расстройке их частот ζ, пропускают через поток контролируемой среды одновременно и встречно друг другу две разночастотные ультразвуковые волны. Возбуждающие напряжения на первом 1 и втором 2 преобразователях имеют синусоидальную форму: U₁₀= U₁sin(ω₁t+ϕ₁) U₂₀= U₂sin(ω₂t+ϕ₂) где ω₁, ω₂ - круговые частоты электрических напряжений и возбуждаемых ультразвуковых волн; t - текущее время; U₁ - амплитуда возбуждающего напряжения первого 1 преобразователя;
U₂ - амплитуда возбуждающего напряжения второго 2 преобразователя;
ϕ₁ - начальная фаза возбуждающего напряжения первого 1 преобразователя;
ϕ₂ - начальные фазы возбуждающего напряжения второго 2 преобразователя.

Волна, возбуждаемая первым преобразователем 1 с амплитудой U₁₀, распространяется от первого 1 ко второму 2 преобразователю по направлению потока, а волна, возбуждаемая вторым преобразователем 2 с амплитудой U₂₀, распространяется от второго преобразователя 2 к первому 1 против направления потока. Наличие акустической связи между преобразователями 1, 2 через поток контролируемой среды, характеризуемой коэффициентом связи γ, зависящим от скорости потока,
γ = γ_o+Δγ

где γ_o - коэффициент акустической связи при неподвижной среде;
Δγ - изменение коэффициента акустической связи при изменении скорости среды;
c - скорость ультразвука в среде;
v - скорость потока среды;
обуславливает установление режима связанных колебаний с частичным увлечением частот при выполнении условия

где U₁₀, U₂₀ - напряжения возбуждения на соответственно первом 1 и втором 2 преобразователях;
ζ - относительная расстройка частот возбуждения преобразователей.

После прохождения потока разночастотные волны поступают каждая на другой преобразователь и линейно преобразуются преобразователями 1 и 2 в электрические сигналы. Преобразованные из принятых волн электрические сигналы векторно суммируют с возбуждающими напряжениями U₁₀ и U₂₀. Суммарное напряжение с одного из преобразователей, например с преобразователя 2, подают на блок выделения сигнала 5, где выделяют огибающую суммарного электрического сигнала

где Q₂ - добротность второго преобразователя.

Далее огибающую суммарного напряжения U₂^~ сравнивают с опорным напряжением U₀ в блоке управления 6. Выходное напряжение блока управления 6, пропорциональное рассогласованию входных сигналов,
U_B = U₂^~-U₀
где U₂^~ - огибающая суммарного напряжения на втором 2 преобразователе;
подают на управляющий вход первого автогенератора 3 и изменяют напряжение возбуждения первого преобразователя 1 на величину ΔU₁₀,
где ΔU₁₀ - изменение возбуждающего напряжения первого 1 преобразователя;
до тех пор, пока величина рассогласования опорного напряжения U₀ и напряжения огибающей суммарного напряжения U₂^~ не станет равной нулю. Измеренное измерительным прибором 7 напряжение ΔU₁₀ пропорционально коэффициенту акустической связи γ, а следовательно, и контролируемому расходу.

В режиме связанных колебаний с частичным увлечением частот достигается высокая крутизна преобразования скорости потока в выходной сигнал, что позволяет повысить чувствительность измерений.

Формула изобретения

Ультразвуковой одноканальный способ измерения расхода сред, заключающийся в излучении обратимыми акустическими преобразователями по и против потока одновременно и встречно друг другу двух разночастотных ультразвуковых волн, линейном преобразовании принятых теми же преобразователями волн в электрические сигналы, выделении огибающей суммарного электрического сигнала, отличающийся тем, что излучение обратимыми акустическими преобразователями ультразвуковых волн производят на частотах механического резонанса при относительной расстройке частот ζ, которую определяют по формуле

где γ - коэффициент акустической связи при неподвижной среде;
U₁₀, U₂₀ - напряжения возбуждения на соответственно первом и втором преобразователях;
выделение огибающей суммарного электрического сигнала осуществляют на одном из преобразователей и, поддерживая постоянной амплитуду напряжения огибающей электрического сигнала на этом преобразователе путем изменения напряжения возбуждения другого преобразователя, по этому изменению напряжения возбуждения судят о величине измеряемого расхода среды.

РИСУНКИ

Рисунок 1