Ультразвуковой импульсный расходомер

 

Предлагаемый расходомер относится к технике измерения расхода жидких и газообразных сред и может быть применен, например, в нефтяной промышленности. Технической задачей изобретения является повышение точности измерения расхода жидких и газообразных сред. Расходомер содержит импульсный генератор, излучатели, приемники, усилители, элемент фазировки, нуль-орган, блок перестройки частоты, ключ, измерительный блок и фазовый детектор. 1 ил.

Предлагаемый расходомер относится к технике измерения расхода жидких и газообразных сред и может быть применен, например, в нефтяной промышленности.

Известны ультразвуковые расходомеры (авт. свид. СССР 314073, 416568, 502224, 551509, 1000763, 1141294; патенты РФ 2017067, 2032713, 2027149; патенты США 4300400, 4590805; патенты ФРГ 2756873, 2449881; патенты Японии 56-54565, 54-43060; Бражников Н. И. Ультразвуковые фазометры. - М., 1968; Ультразвуковые расходомеры нефти и нефтепродуктов. - М., 1970 и другие).

Из известных расходомеров наиболее близким к предлагаемому является "Ультразвуковой импульсный расходомер" (авт. свид. СССР 502224, G 01 F 1/00, 1974), который и выбран в качестве прототипа.

Указанный расходомер содержит два канала, один из которых образован генератором, излучателем, приемником, усилителем и преобразователем "время-напряжение", а другой - генератором, излучателем, приемником, усилителем и преобразователем. Выходы преобразователей соединены с нуль-органом, выход которого связан со входом управления частотой генератора 6.

При работе устройства период следования импульса генераторов выбирается в несколько раз меньшим, чем время прохождения импульса через среду. При неравенстве временных интервалов между зондирующими и принятыми импульсами на выходе нуль-органа образуется сигнал, обеспечивающий такое изменение периода следования импульсов генератора, при котором сигналы на выходе преобразователей "время-напряжения" равны.

Технической задачей изобретения является повышение точности измерения расхода жидких и газообразных сред.

Поставленная задача решается тем, что ультразвуковой импульсный расходомер, содержащий два акустических канала, состоящих из излучателя и приемника, направленные по потоку и против потока, импульсный генератор, соединенный с излучателем первого акустического канала, два усилителя, подключенные соответственно к приемникам, и нуль-орган, снабжен фазовым детектором, блоком перестройки частоты, элементом фазировки, ключом и измерительным блоком, причем излучатель второго акустического канала соединен с выходом импульсного генератора, к выходу второго усилителя последовательно подключены элемент фазировки, фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя и блок перестройки частоты, выход которого связан со входом управления частотой импульсного генератора, к выходу фазового детектора последовательно подключены нуль-орган, ключ, второй вход которого соединен с выходом импульсного генератора, и измерительный блок.

На чертеже изображена структурная схема расходомера.

Расходомер содержит два акустических канала, один из которых образован излучателем 2, соединенным с выходом импульсного генератора 1, приемником 3 и усилителем 4, а другой - излучателем 7, соединенным с выходом импульсного генератора 1, приемником 8 и усилителем 9. К выходу усилителя 8 последовательно подключены элемент фазировки 6, фазовый детектор 14, второй вход которого соединен с выходом усилителя 4 и блок 11 перестройки частоты, выход которого связан со входом управления частотой импульсного генератора 1. К выходу фазового детектора 14 последовательно подключены нуль-орган 10, ключ 12, второй вход которого соединен с выходом импульсного генератора 1, и измерительный блок 13.

Расходомер работает следующим образом.

Высокочастотное напряжение с выхода импульсного генератора 1 поступает на акустические излучатели 2, 7 и возбуждает их. Возбужденные ультразвуковые колебания проходят через исследуемую (жидкую или газообразную) среду, протекающую по трубопроводу и поступают на акустические приемники 3 и 8.

Вследствие разной скорости распространения ультразвука по потоку и против потока ультразвуковые колебания поступают на акустические приемники 3 и 8 со сдвигом фаз где f- частота управляемого генератора; l - расстояние между электроакустическими преобразователями (излучателями и приемниками); с - скорость ультразвука в исследуемой среде при V=0; V - скорость потока; α - угол между векторами V и с.

В акустических приемниках 3 и 8 ультразвуковые колебания снова преобразуются в электрические напряжения, которые через усилители 4, 9 и элемент фазировки 6 поступают на два входа фазового детектора 14. Фазовый детектор 14 выделяет напряжение рассогласования, величина которого является функцией величины фазового сдвига Δϕ. При появлении напряжения рассогласования на выходе фазового детектора 14 оно поступает на вход нуль-органа 10 и блока 11 перестройки частоты, который управляет частотой генератора 1. Изменение частоты этого генератора происходит до тех пор, пока выходное напряжение фазового детектора 14 (напряжение рассогласования) не станет нулевым. После этого сдвиг фазы будет иметь величину Δϕ_з, заданную выбором параметров элемента 6 фазировки.

При изменении скорости потока V изменяется и сдвиг фазы, в результате чего на выходе фазового детектора 14 появляется напряжение рассогласования, которое поступает на вход блока 11 перестройки частоты. Перестройка частоты генератора 1 заканчивается при нулевом значении напряжения рассогласования, что соответствует установке заданного фазового сдвига величиной Δϕ_з. Момент времени, соответствующий нулевому значению напряжения рассогласования, фиксируется нуль-органом 10 посредством выдачи импульса напряжения, которым открывается ключ 12. Значение частоты f в указанный момент времени регистрируется измерительным блоком 13, а скорость V потока определяется из выражения (1).

Следовательно, частота f колебаний управляемого генератора 1, проходящих через исследуемую среду по и против потока, пропорционально скорости V потока и является мерой объемного расхода.

Объемный расход жидких или газообразных сред равен Q=VS, (2) где S - площадь поперечного сечения трубопровода.

Таким образом, предлагаемый расходомер по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного значения обеспечивает повышение точности измерения расхода жидких и газообразных сред. Это достигается использованием фазового метода измерения и представлением измеряемого расхода в частотном виде.

Формула изобретения

Ультразвуковой импульсный расходомер, содержащий два акустических канала, состоящих из излучателя и приемника, направленные по потоку и против потока, импульсный генератор, соединенный с излучателем первого акустического канала, два усилителя, подключенные соответственно к приемникам акустических каналов, и нуль-орган, отличающийся тем, что он снабжен фазовым детектором, блоком перестройки частоты, элементом фазировки, ключом и измерительным блоком, причем излучатель второго акустического канала соединен с выходом импульсного генератора частоты, выход которого связан со входом управления частотой импульсного генератора, к выходу фазового детектора последовательно подключены нуль-орган, ключ, второй вход которого соединен с выходом импульсного генератора, и измерительный блок.

РИСУНКИ

Рисунок 1