Способ и устройство акустического измерения расхода газа

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения расхода жидких и газообразных сред и, в частности, для измерения расхода природного газа. Акустический способ измерения расхода газа заключается в измерении скорости потока газа по изменению частоты и фазы акустических колебаний, распространяющихся вдоль оси трубопровода. Два излучающих и два принимающих акустических преобразователя устанавливают вдоль образующей трубопровода таким образом, чтобы их акустические оси были перпендикулярны направлению движения потока газа. Причем принимающие акустические преобразователи разнесены на расстояние, меньшее минимальной длины акустической волны, и расположены симметрично между двумя излучающими преобразователями, удаленными относительно принимающих преобразователей на расстояние, достаточное для формирования однородной акустической волны. Поочередно возбуждают низкочастотные акустические колебания, распространяющиеся по направлению движения потока и против него. По измеряемым фазовым сдвигам вычисляют действительный фазовый сдвиг, свободный от погрешностей, вызываемых неидентичностью фазовых сдвигов принимающих акустических преобразователей и узкополосных входных усилителей. Объемный и массовый расходы газа определяют по отношению доплеровского сдвига частоты к фазовому сдвигу акустической волны, вычисляемому через фазовые сдвиги сигналов, измеренных при поочередном возбуждении излучающих акустических преобразователей. Технический результат - повышение точности измерения расхода газа. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения расхода жидких и газообразных сред и, в частности, для измерения расхода природного газа.

Известен способ ультразвукового измерения расхода жидких и газообразных сред, в котором используется эффект Доплера, состоящий в векторном суммировании скорости распространения акустических колебаний С, проходящих через жидкую или газообразную среду, со скоростью движения этой среды v. По типу возбуждаемых акустических колебаний этот способ можно разделить на импульсный, при котором измеряется время прохождения коротких ультразвуковых импульсов по и против потока среды, и с непрерывным излучением, при котором измеряется разностная частота или сдвиг фаз двух непрерывных гармонических ультразвуковых сигналов, распространяющихся по и против потока контролируемой среды. В обоих случаях используются дифференциальные схемы измерения, в которых сравниваются скорости распространения акустических колебаний, направляемых по и против потока контролируемой среды. По используемой измерительной схеме в импульсных расходомерах может применяться либо измерение разности времен прохождения коротких ультразвуковых импульсов через контролируемую среду при заданной длине измерительной базы, излучаемых по и против потока, либо измерение разности частот ультразвуковых импульсов, генерируемых двумя замкнутыми контурами синхроколец, в которых импульс, воспринимаемый принимающим акустическим преобразователем, запускает очередной импульс излучающего акустического преобразователя, включенного в данное синхрокольцо. В одно синхрокольцо включен акустический тракт с импульсами, проходящими по потоку, а в другое - против потока контролируемой среды. Расходомеры с непрерывным излучением используют фазовый или частотный метод измерения.

Импульсные расходомеры по своему принципу действия требуют использования ультразвуковых колебаний высокой частоты (1…5) МГц, чтобы можно было сформировать короткие ультразвуковые импульсы, длительность которых существенно влияет на точность измерения времени их прохождения через контролируемую среду.

Акустические расходомеры с непрерывным излучением, в принципе, не требуют высокой частоты ультразвуковых колебаний. Напротив, при использовании фазового метода с повышением частоты ограничивается допустимый диапазон вариаций скорости потока контролируемой среды, с тем, чтобы на заданной измерительной базе изменение времени прохождения ультразвуковых колебаний не превысило одного периода ультразвуковых колебаний. Однако это далеко не единственный и не самый важный аргумент в пользу снижения частоты акустических колебаний. Более существенными являются следующие аргументы.

1. Для чистых жидкостей и газов коэффициент затухания акустических колебаний пропорционален квадрату частоты колебаний. Поэтому если снизить рабочую частоту в 100 раз коэффициент затухания уменьшится в 10000 раз. А значит при той же чувствительности приемника акустических колебаний и той же длине измерительной базы (расстояния между источником и приемником акустических колебаний) можно существенно уменьшить амплитуду генерируемых колебаний.

2. Если жидкость или газ содержит неоднородности: мелкодисперсные взвешенные частицы, пузырьки нерастворенного газа в жидкости или капельки влаги (тумана) в газе, а также микротурбулентности, на границах которых в жидкости происходит преломление акустических волн, а в газе из-за локальных изменений давления меняется скорость звука, а поперечные размеры этих неоднородностей сравнимы или превосходят длину волны, то на них происходит дополнительное рассеяние акустических волн, из-за чего коэффициент затухания возрастает многократно по сравнению с чистыми жидкостями и газами, а также имеет место дисперсия скорости распространения звука, из-за чего фронты ультразвуковых импульсов размываются, и точность измерения их временного запаздывания снижается. В звуковом же диапазоне длина волны составляет несколько сантиметров и на несколько порядков превышает поперечные размеры неоднородностей. Поэтому их влияние на распространение акустических волн практически сводится к нулю.

3. Во всех ультразвуковых расходомерах (кроме тех, в которых используется рассеянное на неоднородностях потока ультразвуковое излучение) излучающий и приемный ультразвуковые преобразователи располагаются на одной акустической оси, совпадающей с осями главного лепестка диаграмм направленности излучающего и принимающего пьезоэлектрических преобразователей. А поскольку поперечные размеры пьезопластин много меньше поперечных размеров сечения измеряемого потока (жидкости или газа), то интегрирование (усреднение) скорости потока происходит только вдоль линии, соединяющей излучатель и приемник ультразвука. Реальные же потоки жидкости и газа в трубопроводах характеризуются значительной дисперсией скорости потока по сечению трубопровода даже при ламинарных потоках. Поэтому измеренная скорость потока может существенно отличаться от усредненной по сечению трубопровода скорости потока, а значит и вычисленный по ней мгновенный расход может характеризоваться существенными погрешностями.

Для уменьшения этих погрешностей, которые особенно существенны при больших сечениях трубопровода, предпринимают целый ряд мер. Во-первых, первичный преобразователь должен размещаться на прямолинейных участках трубопровода, вдали от любых устройств (колен, тройников, ответвлений, вентилей, задвижек и т.п.), могущих нарушить ламинарное течение потока (расстояние до них должно быть от 8 до 48-кратного значения диаметра трубопровода, в зависимости от вида встроенного в трубопровод устройства). Во-вторых, вместо одного ультразвукового луча применяют несколько, направляемых по различным траекториями пересекающих сечение трубопровода по нескольким различным хордам, с последующим усреднением измеренных скоростей потока. Это, безусловно, приводит к значительному усложнению и удорожанию и самого первичного преобразователя, и вторичной аппаратуры, но кардинально проблему не решает. При использовании же низкочастотного акустического излучения, как будет показано ниже, имеется возможность без усложнения первичного преобразователя и вторичной аппаратуры решить проблему усреднения скорости потока по всему сечению трубопровода.

4. Во всех существующих конструкциях ультразвуковых расходомеров (кроме тех, в которых используется рассеянное на неоднородностях потока ультразвуковое излучение) излучающий и принимающий акустические преобразователи располагают на одной акустической оси. Это обусловлено требованием когерентности колебаний в любой точке поверхности принимающего пьезоэлектрического преобразователя, поскольку при высокой частоте длина волны существенно меньше поперечных размеров пьезопластины и, если направление движения фронта волны не будет совпадать с акустической осью преобразователя (т.е. не будет перпендикулярно поверхности пьезопластины), то фаза колебаний в разных точках поверхности пьезопластины будет различна, по поверхности пластины произойдет усреднение генерируемого электрического сигнала, что может привести к резкому снижению (вплоть до нуля) чувствительности преобразователя. Даже в расходомерах, использующих рассеянное на неоднородностях потока излучение, хотя акустические оси излучающего и принимающего преобразователей не совпадают, но принимающий преобразователь принимает рассеянные на неоднородностях волны, фронты которых движутся перпендикулярно его поверхности. Но полной когерентности здесь добиться невозможно за счет разных расстояний от тех неоднородностей, на которых происходит рассеяние. Это снижает чувствительность этих преобразователей. На низких же частотах, когда длина волны много больше поперечных размеров принимающего пьезопреобразователя, направление его акустической оси не имеет существенного значения и может быть даже перпендикулярным направлению движения фронта волны, поскольку на локальном участке, соответствующем поперечным размерам пьезопластины и составляющем малую долю длины волны, мгновенное значение акустического давления (т.е. фаза колебаний) для всей поверхности пьезопластины будет почти одинакова.

Аналогом по используемой измерительной схеме является серийно выпускаемый в настоящее время расходомер-счетчик «Днепр-7» (Расходомер-счетчик ультразвуковой «Днепр-7». Руководство по эксплуатации.).

Он содержит два накладных (прикрепляемых к наружной поверхности трубопровода) наклонных ультразвуковых первичных преобразователя, процессорный блок (ПБ) и блок питания (БП) с цифровым отсчетным устройством (ЖКИ-дисплеем).

По принципу действия он соответствует ультразвуковым расходомерам непрерывного излучения с измерением доплеровского сдвига частоты ультразвуковых сигналов, распространяющихся по и против потока контролируемой среды. Измеряемой величиной, по которой вычисляется текущий объемный расход, является отношение разностной и суммарной частот ультразвуковых, колебаний F₁ и F₂, измеренных по потоку и против потока контролируемой среды:

где F₁ и F₂ - частоты ультразвуковых колебаний распространяющихся соответственно по потоку и против потока;

m - масштабный коэффициент;

Q - текущий объемный расход;

Q_max - максимальный расход;

α - угол между направлением скорости потока и направлением распространения ультразвука;

С - скорость распространения звука в данной среде.

Из данного выражения следует, что показания расходомера будут зависеть от скорости распространения звука С в данной среде, которая для газовой среды зависит от давления и плотности газа [Кухлинг X. Справочник по физике: Пер. с нем., 2-е изд. - М.: Мир, 1985. - С.253]. Причем значение Q_max здесь вводится только для того, чтобы иметь возможность изменять предел измерения (с измеряемыми частотами F₁ и F₂ он не связан). Масштабный коэффициент m учитывает сечение трубопровода.

Для газа скорость звука равна

где - отношение теплоемкостей газа при постоянном давлении (C_p) и объеме (C_v) для конкретного газа есть величина постоянная;

p₀ - давление газа в равновесном состоянии (при отсутствии упругих волн);

ρ₀ - плотность газа в равновесном состоянии.

В то же время плотность газа зависит и от его давления в равновесном состоянии p₀, и от его температуры. Это означает, что показания расходомера будут зависеть и от химического состава газа, и от давления газа в трубопроводе, и от его температуры. К этим погрешностям добавляются еще погрешности, связанные с неодинаковостью скорости потока газа по сечению трубопровода (здесь происходит усреднение скорости потока вдоль акустической оси преобразователей, а не по сечению трубопровода). К этим недостаткам добавляются еще общие недостатки ультразвуковых расходомеров, рассмотренные выше.

Наиболее близким решением является способ и устройство акустического измерения расхода газа, который принят за прототип (Патент на изобретение №2396518, 10.08.2010, Бюл. №22).

Способ позволяет полностью устранить влияние скорости распространения звука в контролируемой среде на показания расходомера и учитывает среднюю по сечению трубопровода скорость потока газа. Это обеспечивается существенным (на два порядка) снижением рабочей частоты возбуждаемых акустических колебаний, построением схемы акустических трактов таким образом, что акустические оси и излучающего, и принимающих акустических преобразователей параллельны между собой и перпендикулярны вектору скорости потока контролируемой среды, но разнесены в пространстве, а также использованием комбинированной частотно-фазовой измерительной схемы. Для обеспечения возможности измерения массового расхода газа расходомер должен содержать дополнительный канал измерения давления газа в трубопроводе.

Первичный преобразователь расходомера состоит из корпуса, представляющего собой отрезок трубы того же диаметра, что и трубопровод, в который он встраивается с помощью муфтовых или фланцевых соединений. В стенке трубы вдоль образующей размещены один излучающий и три идентичных принимающих пьезоэлектрических (или других типов) акустических преобразователей, акустические оси которых перпендикулярны скорости потока, т.е. оси трубы. Первый и второй принимающие преобразователи размещены симметрично на расстоянии L от излучающего преобразователя. Третий принимающий преобразователь размещен за вторым, по направлению движения газа, на расстоянии l<λ_min, где λ-длина генерируемой акустической волны в контролируемой среде.

Измерительная схема состоит из автогенератора гармонического сигнала с частотой f_г, выход которого соединен с излучающим акустическим преобразователем. Выходы всех принимающих акустических преобразователей подключены, соответственно, к входам трех идентичных узкополосных усилителей с центральной частотой полосы пропускания, равной частоте генерируемого сигнала f_г. Выходы первого и второго узкополосных усилителей соединены с входами смесителя, а выходы второго и третьего узкополосных усилителей - со входами фазового детектора. Выход смесителя соединен с фильтром нижних частот, а выход последнего - с формирователем импульсов, который соединен с первым сигнальным входом микропроцессора. Второй сигнальный вход микропроцессора соединен с выходом фазового детектора. Один выход микропроцессора соединен с цифровым отсчетным устройством, а второй - с интерфейсным устройством.

Расходомер работает следующим образом. Излучаемый акустическим преобразователем непрерывный гармонический акустический сигнал распространяется вдоль оси трубы в обе стороны благодаря волноводному эффекту, возникающему из-за большой разницы (на несколько порядков) акустических импедансов газа и материала трубы, вследствие чего акустическая волна, распространяющаяся в газовой среде, практически полностью отражается от внутренней поверхности трубы. Частота колебаний выбирается такой, чтобы длина полуволны в газе была больше диаметра трубы. Тогда на расстоянии нескольких диаметров трубы от излучающего преобразователя фронт волны будет практически перпендикулярен оси трубы. Принимающие акустические преобразователи имеют поперечные размеры чувствительных элементов много меньше длины волны акустических колебаний в газе. Поэтому они будут воспринимать локальное гармонически меняющееся давление газовой среды, усредненное по всему сечению трубы в месте расположения данного акустического преобразователя (поскольку длина волны больше диаметра трубы), и преобразовывать его в гармонический электрический сигнал.

При неподвижной среде скорости распространения звука в обе стороны от излучающего преобразователя будут одинаковыми, а значит частоты электрических сигналов, снимаемых со всех трех принимающих акустических преобразователей, будут равны между собой и равны f_г. Если же газовая среда движется со скоростью v, то при движении волны по потоку газа, ее частота, воспринимаемая неподвижными акустическими преобразователями, будет увеличиваться в соответствии с выражением:

а при распространении акустической волны против движения потока частота акустической волны, воспринимаемая акустическим преобразователем, будет уменьшаться

Поскольку даже при максимальной скорости v потока газа, она остается много меньшей скорости звука С, частоты F₁ и F₂ будут находиться в пределах полосы пропускания узкополосных усилителей. Тогда разностная частота, представляющая собой удвоенный доплеровский сдвиг частоты, выделяемая смесителем и фильтром нижних частот, будет равна

Сигнал разностной частоты поступает на формирователь импульсов, который формирует короткие импульсы той же частоты, поступающие на первый сигнальный вход микропроцессора.

Разность фаз двух сигналов, поступающих с выходов второго и третьего узкополосных усилителей на фазовый детектор, будет равняться

Учитывая, что l всегда меньше λ₁, т.к. расстояние l выбирается меньше, чем длина волны при нулевой скорости потока, неоднозначности отсчета не возникает. Сигнал с выхода фазового детектора в виде прямоугольных импульсов, длительность которых пропорциональна фазовому сдвигу сигналов, поступающих на входы фазового детектора, поступает на второй сигнальный вход микропроцессора.

Микропроцессор 14 программным путем осуществляет измерение разностной частоты и фазового сдвига и вычисляет их отношение:

Это отношение не зависит ни от скорости распространения звука С в неподвижной среде (которая зависит и от давления, и от температуры газа, и от его плотности), ни от частоты возбуждающего генератора f_г. Следовательно, погрешности от вариаций этих параметров будут полностью исключены. Измеренная скорость потока является усредненной по всему сечению трубы. Объемный расход газа получается умножением скорости потока на площадь поперечного сечения первичного преобразователя

где D - внутренний диаметр первичного преобразователя.

Для получения массового расхода используется канал измерения давления, поскольку

а

где - отношение теплоемкостей газа при постоянном давлении (С_р) и объеме (C_v) для конкретного газа есть величина постоянная.

Из (6) . Подставляя это в (10), а результат - в (9), получаем:

Измеренные значения мгновенного расхода газа и общий расход за заданный интервал времени вычисляются и отображаются на индикационном устройстве и передаются по запросу в систему верхнего уровня.

Недостатком способа является недостаточная точность измерения расхода газа, обусловленная низкой точностью измерения фазового сдвига акустической волны, проходящей базу l. Это связано с неодинаковыми, изменяющимися при изменении доплеровской частоты, вносимыми фазовыми сдвигами в акустических преобразователях и узкополосных усилителях, а также погрешностью фазового детектора. Поскольку для подавления акустических шумов и электромагнитных помех полоса пропускания узкополосных усилителей выбирается соответствующей диапазону изменения доплеровской частоты, то на границах этого диапазона абсолютная величина фазового сдвига может достигать ±45°. Конечно, использование дифференциальной схемы уменьшает эти погрешности, однако из-за неидентичности характеристик элементов этих устройств и их деградации и неидентичности их температурных дрейфов рассогласование фазовых сдвигов двух акустических преобразователей и узкополосных усилителей при эксплуатации расходомера неизбежно.

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение точности измерения расхода газа за счет компенсации влияния фазовых сдвигов, вносимых акустическими преобразователями, узкополосными усилителями и фазовым детектором.

Данная задача решается за счет изменения схемы акустических трактов таким образом, что акустические оси излучающих и принимающих акустических преобразователей параллельны между собой и перпендикулярны вектору скорости потока контролируемой среды, при этом принимающие акустические преобразователи, разнесенные на величину базы, находятся между излучающими преобразователями, а также поочередного излучения акустических волн по направлению и против направления потока газа с поддержанием одинаковой их частоты. Для измерения частоты и фазы используется комбинированная частотно-фазовая измерительная схема.

Предлагаемый способ измерения объемного расхода газа иллюстрируется фиг.

Первичный преобразователь расходомера состоит из корпуса 7, представляющего собой отрезок трубы того же диаметра, что и трубопровод, в который он встраивается с помощью муфтовых или фланцевых соединений. В стенке трубы между двумя излучающими акустическими преобразователями 2, 3, вдоль образующей размещены два идентичных принимающих акустических преобразователя 4 и 5, при этом акустические оси всех акустических преобразователей перпендикулярны оси трубы. Принимающие акустические преобразователи 4 и 5 размещены на расстояниях L от излучающих акустических преобразователей 2 и 3, в области однородной акустической волны, а расстояние между принимающими акустическими преобразователями 4 и 5 равно l<λ_min, где λ_min - длина акустической волны при максимальной скорости потока газа (т.е. при максимальном расходе).

Измерительная схема состоит из узкополосного фильтра 10, выделяющего гармонический сигнал с частотой f_г из импульсного сигнала той же частоты, формируемого микроконтроллером 12, выход узкополосного фильтра 10 соединен с входом коммутатора 11, двух идентичных усилителей 6 и 7, подключенными входами к выходам коммутатора 77, а выходами - к излучающим акустическим преобразователям 2 и 3. Выходы принимающих акустических преобразователей 4 и 5 подключены к входам двух идентичных узкополосных усилителей 8 с центральной частотой полосы пропускания, равной частоте генерируемого сигнала f_г+f_pmax/2, где f_pmax - максимальное значение доплеровского сдвига частоты (разность доплеровской частоты сигнала, снимаемого с принимающих преобразователей, и частоты генерируемого сигнала). Выходы узкополосных усилителей 8 соединены с соответствующими входами фазового детектора 9, а выход фазового детектора 9 подключен к первому сигнальному входу микроконтроллера 12. Один выход микроконтроллера соединен с цифровым отсчетным устройством 13, второй - с интерфейсным устройством 14. Третий выход микроконтроллера 12, на котором генерируются прямоугольные импульсы, соединен с входом узкополосного фильтра 10, а управляющий выход управляет коммутатором 11 через его управляющий вход. Выход первичного преобразователя давления газа 15, встроенного в тот же корпус первичного преобразователя расхода 1, соединен с входом преобразователя аналогового сигнала 16, пропорционального давлению, в цифровой, а выход преобразователя аналогового сигнала 16 соединен со вторым сигнальным входом микроконтроллера 12.

Расходомер работает следующим образом. Микроконтроллер 12 формирует на третьем выходе прямоугольные импульсы частотой f_г, получаемые делением его тактовой частоты (поэтому частота f_г не измеряется и известна точно). Из них узкополосным фильтром 10 выделяется гармонический сигнал, направляемый коммутатором 77 на вход усилителя 6. Непрерывный гармонический акустический сигнал, излучаемый излучающим акустическим преобразователем 2, распространяется вдоль оси трубы в обе стороны. Благодаря волноводному эффекту, возникающему из-за большой разницы (на несколько порядков) акустических импедансов газа и материала трубы, акустическая волна, распространяющаяся в газовой среде, практически полностью отражается от внутренней поверхности трубы. Частота акустических колебаний выбирается такой, чтобы длина полуволны в газе была больше диаметра трубы. Тогда на расстоянии нескольких диаметров трубы от излучающего преобразователя фронт волны будет практически перпендикулярен оси трубы, т.е. вдоль трубы будет распространяться плоская волна. Принимающие акустические преобразователи имеют поперечные размеры чувствительных элементов много меньше длины волны акустических колебаний в газе. Поэтому они будут воспринимать локальное гармонически меняющееся давление газовой среды, усредненное по всему сечению трубы в месте расположения данного акустического преобразователя, и преобразовывать его в гармонический электрический сигнал.

При движении газовой среды со скоростью v частота акустической волны, воспринимаемая принимающими акустическими преобразователями 4 и 5, будет увеличиваться в соответствии с выражением:

где С - скорость звука в неподвижной среде.

Поскольку даже при максимальной скорости ν потока газа, она остается много меньшей скорости звука С, частота F₁ будет находиться в пределах полосы пропускания узкополосных усилителей 8. Выходные сигналы узкополосных усилителей 8 имеют одинаковую частоту F₁, но отличаются по фазе. Сигнал с выхода фазового детектора 9 в виде прямоугольных импульсов частоты F₁, длительность которых пропорциональна фазовому сдвигу сигналов, поступающих на входы фазового детектора 9, поступает на сигнальный вход микроконтроллера 12. Таким образом, сигнал на выходе фазового детектора 9 содержит информацию и о частоте, и о фазовом сдвиге акустической волны. Частота F₁ измеряется микроконтроллером, а доплеровский сдвиг частоты вычисляется по выражению:

Одновременно микроконтроллер 12 измеряет фазовый сдвиг, представленный выходным сигналом фазового детектора 9:

где Δφ=φ₅-φ₄+φ_фд - погрешность фазового сдвига, создаваемая принимающими акустическими преобразователями 5 и 4 и узкополосными усилителями 8 (φ₅ и φ₄ соответственно),

φ_фд - погрешность фазового детектора 9, определяемая разными задержками при формировании фронта и спада выходного прямоугольного импульса.

Расстояние l выбирается меньше λ₁ - минимальной длины волны, чтобы исключить неоднозначность отсчета.

Для компенсации погрешности измерения фазового сдвига частота f_г на третьем выходе микроконтроллера увеличивается на 2×f_р программным изменением коэффициента деления тактовой частоты микроконтроллера и с помощью коммутатора 11 через усилитель 7 подается на излучающий акустический преобразователь 3. При этом частота возбуждения излучающего акустического преобразователя 3 будет определяться как:

Частота акустической волны, распространяющейся навстречу движению газа и воспринимаемая принимающими акустическими преобразователями 4 и 5, будет равна:

Поскольку частота воспринимаемой акустической волны не изменилась, то фазовый сдвиг, вычисляемый микроконтроллером 12, в этом случае будет определяться выражением:

Здесь погрешность фазового сдвига Δφ изменяет свой знак, поскольку фазовый сдвиг отсчитывается в обратном порядке - как разность фаз сигнала канала с акустическим преобразователем 5 и канала с акустическим преобразователем 4. С учетом (13):

Подставляя это в (17), получаем:

Погрешность Δφ, вносимая при этом, остается по абсолютной величине той же, что и при измерении фазового сдвига φ₁, так как частота воспринимаемых акустических колебаний принимающими акустическими преобразователями остается той же, что в первом случае, т.е. F₂=F₁. Поэтому, суммируя (14) и (19) и учитывая, что , получим:

Откуда:

Микроконтроллер 12 программным путем осуществляет измерение доплеровской частоты и фазовых сдвигов φ₁ и φ₂ и вычисление доплеровского сдвига частоты, фазового сдвига акустической волны (21) и отношения:

Из (22) следует, что это отношение уже не будет зависеть ни от скорости распространения звука С в неподвижной среде (которая зависит и от давления, и от температуры газа), ни от частоты возбуждающего генератора f_г. Следовательно, погрешности от вариаций этих параметров будут полностью исключены. Поскольку измерение частоты, вычисление доплеровского сдвига частоты и фазового сдвига производится цифровыми методами (программным способом с помощью микроконтроллера), то вычисление их отношения не будет приводить к дополнительным погрешностям. Таким образом, найденная из (22) скорость потока газа будет определяться выражением

Соответственно объемный расход газа

где D - внутренний диаметр первичного преобразователя.

Если необходим массовый расход газа, то для этого необходима информация о давлении газа в трубопроводе, получаемая от первичного преобразователя давления 15, преобразуемая в цифровой сигнал преобразователем аналогового сигнала 16 и подаваемая с его выхода на второй сигнальный вход микроконтроллера 12. Вычисление массового расхода производится так же, как и в прототипе:

Из него следует, что никаких настроечных коэффициентов, определяемых экспериментально при градуировке расходомера, вводить не надо. Постоянный коэффициент определяется только геометрическими параметрами первичного преобразователя, точно известной частотой возбуждения f_г, задаваемой от кварцевого генератора и показателя адиабаты γ, значение которого для каждого газа известно и является постоянной величиной. Остальные три величины: р, φ и f_р измеряются с высокой точностью. Таким образом, градуировка и поверка такого расходомера возможна расчетным путем.

Значения мгновенного расхода газа отображаются на индикационном устройстве и по запросу передаются через интерфейсное устройство в систему верхнего уровня, а также суммируются микроконтроллером с момента подключения расходомера в систему (или последнего сброса показаний счетчика), образуя накопленный на текущий момент расход, который также отображается на индикационном устройстве и передается по запросу в систему верхнего уровня.

Литература

1. Расходомер-счетчик ультразвуковой «Днепр-7». Руководство по эксплуатации.

2. Кухлинг X. Справочник по физике: Пер. с нем., 2-е изд. - М.: Мир, 1985. С.253.

3. Патент на изобретение №2396518 «Способ и устройство акустического измерения расхода газа». Опубл. Бюл. №22, 10.08.2010.

1. Способ акустического измерения расхода газа в трубопроводе, заключающийся в измерении скорости потока газа по отношению доплеровского изменения частоты акустических колебаний, распространяющихся вдоль оси трубопровода, к фазовому сдвигу акустической волны, измеряемому двумя последовательно расположенными на расстоянии меньшем минимальной длины волны приемными акустическими преобразователями, отличающийся тем, что устанавливают два излучающих и два принимающих акустических преобразователя вдоль образующей трубопровода таким образом, чтобы их акустические оси были перпендикулярны направлению движения потока газа, причем принимающие акустические преобразователи расположены симметрично между двумя излучающими преобразователями, удаленными относительно принимающих преобразователей на расстояние, достаточное для формирования однородной акустической волны, при этом левый и правый излучающие преобразователи возбуждаются поочередно, причем частота возбуждения во втором такте работы, когда акустическая волна распространяется против движения потока, программно увеличивается на удвоенный доплеровский сдвиг частоты, измеренный в первом такте, когда волна распространяется по направлению движения потока, и вторично измеряется фазовый сдвиг, и по результатам этих двух измерений вычисляется действительный фазовый сдвиг, который уже свободен от погрешностей, вносимых принимающими акустическими преобразователями и узкополосными усилителями.

2. Устройство для измерения расхода газа в трубопроводе, предназначенное для осуществления способа акустического измерения расхода газа по п.1, состоящее из первичного преобразователя расхода газа и электронного блока, причем первичный преобразователь расхода газа состоит из корпуса первичного преобразователя, выполненного в виде отрезка трубы, монтируемого в контролируемый трубопровод с помощью муфтовых или фланцевых соединений и вмонтированных в него акустических преобразователей, и первичного преобразователя давления газа в трубопроводе, а электронный блок состоит из двух идентичных узкополосных усилителей с центральной частотой, соответствующей середине рабочего диапазона принимаемых частот, входы которых соединены с выходами принимающих акустических преобразователей, а выходы с входами фазового детектора, выходом подключенного к первому сигнальному входу микроконтроллера с цифровым отсчетным устройством и интерфейсным устройством для связи с системой верхнего уровня, при этом второй сигнальный вход микроконтроллерного устройства соединен с выходом преобразователя аналогового сигнала, входом подключенного к первичному преобразователю давления газа в трубопроводе, отличающееся тем, что первичный преобразователь содержит два излучающих и два принимающих акустических преобразователя, расположенных симметрично между излучающими акустическими преобразователями, а электронный блок дополнительно содержит коммутатор и два усилителя, выходами соединенные с излучающими акустическими преобразователями, а входами с первым и вторым сигнальными выходами коммутатора соответственно, и узкополосный фильтр, при этом управляющий вход коммутатора подключен к управляющему выходу микроконтроллера, а узкополосный фильтр входом подключен к сигнальному выходу микроконтроллера, а выходом к сигнальному входу коммутатора.