Вихревой расходомер

Изобретение относится к измерительной технике, а конкретно к вихревым расходомерам, предназначенным для измерения расхода жидкостей и газов, и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства для целей контроля, регулирования и учета потоков веществ. Вихревой расходомер содержит трубопровод 1, расположенное поперек потока тело обтекания 2, два пьезоэлемента 3, 4, установленных диаметрально противоположно за телом обтекания, генератор сигнала ультразвуковой частоты 5, генератор прямоугольных импульсов 6, фазовращатель 7 на π/2, два ключа 8, 9, фазовый детектор 10, полосно-пропускающий фильтр 11 и блок преобразования сдвига фаз в выходной сигнал 12. Выходной сигнал генератора прямоугольных импульсов 6 представляет собой последовательность прямоугольных импульсов со скважностью два и длительностью, равной времени задержки ультразвукового сигнала в контролируемой среде. Технический результат - повышение надежности измерений во всем диапазоне рабочих значений температуры, упрощение функциональной схемы расходомера. 3 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике, а конкретно к вихревым расходомерам, предназначенным для измерения расхода жидкостей и газов, и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства для целей контроля, регулирования и учета потоков веществ.

Известны вихревые расходомеры, принцип действия которых основан на измерении частоты следования вихрей, образующихся за помещенным в поток текучей среды плохообтекаемым телом (Кремлевский П.П., Расходомеры и счетчики количества: Справочник. - 4-е изд., перераб. и доп. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1989, с.361-369). Они обеспечивают высокую точность измерений и характеризуются большим диапазоном измерений и стабильностью метрологических характеристик. Основным узлом вихревого расходомера является чувствительный элемент, преобразующий колебательное изменение давления или скорости потока в вихревом следе в электрический сигнал. В настоящее время широкое распространение получили чувствительные элементы, совершающие колебания под воздействием разности давлений в центре и на периферии вихря. В одном случае колеблющимся элементом является само тело обтекания (Патент США №4934194 С2, МПК G01F 1/32, НКИ 78/861.22, опубл. 19.06.1990), в другом случае колебания совершает помещенная за телом обтекания лопатка в упругой заделке - «лопасть в потоке» (Патент США №6003384 С2, МПК G01F 1/32, НКИ 78/861.22, опубл. 21.12.1999). Колебания преобразуются емкостным, пьезоэлектрическим или иным чувствительным элементом в переменный электрический сигнал, частота которого пропорциональна расходу текучей среды.

Существенным недостатком указанных расходомеров является то, что при работе в сложных условиях эксплуатации, например, при наличии сильной вибрации трубопровода, чувствительный элемент вырабатывает наряду с полезным и паразитный сигнал, что приводит к снижению точности измерений.

Указанного недостатка лишен вихревой расходомер с акустическим зондированием вихревой дорожки (Патент США №4.924.710 С2, МПК G01F 1/32, НКИ 78/861.238, опубл. 15.05.1990). Он содержит отрезок трубопровода, плохообтекаемое тело, две пары "излучатель-приемник", генератор синусоидального сигнала, фазовый детектор, полосно-пропускающий фильтр и другие узлы. Обе пары "излучатель-приемник" расположены непосредственно за телом обтекания на противоположных стенках трубопровода. Непрерывный синусоидальный сигнал генератора подается на излучатели обеих пар "излучатель-приемник". Излучаемые ими ультразвуковые сигналы распространяются навстречу друг другу и поступают на приемники. Время задержки ультразвуковых сигналов неодинаково вследствие векторного сложения скорости их распространения со скоростью вихрей: разность времен задержки (и, соответственно, разность фаз) колеблется около среднего значения с частотой вихреобразования. С выходов приемников электрические сигналы поступают на фазовый детектор. С выхода фазового детектора сигнал поступает на полосно-пропускающий фильтр, который подавляет несущую частоту, убирает постоянную составляющую, а также высокочастотные помехи, частота которых лежит за пределами рабочего диапазона частот вихреобразования. В итоге на выходе фильтра формируется сигнал, близкий к синусоиде; частота этого сигнала равна частоте следования вихрей. Благодаря тому, что зондирующие сигналы имеют высокую частоту (0,5-5 МГц), лежащую далеко за пределами диапазона частот промышленных вибраций (10-2000 Гц), последние не оказывают влияния на работоспособность расходомера.

Недостатком описанного расходомера является сложность конструкции, обусловленная наличием двух акустических каналов. Кроме того, для обеспечения работоспособности расходомера в широком диапазоне температур должна быть обеспечена их полная идентичность.

От указанного недостатка свободен выбранный в качестве прототипа вихревой расходомер с одним акустическим каналом (Патент России №212136 С1, МПК G01F 1/32, 1/66, опубл. 27.02.1998). Он содержит расположенное поперек потока тело обтекания, два пьезоэлемента, установленных диаметрально противоположно за телом обтекания, два генератора ультразвуковых колебаний, разность частот которых не превышает 2%, формирователь сигнала разностной частоты, по два амплитудных и фазовых детектора, сумматор, блок преобразования сдвига фаз в выходной сигнал.

Расходомер работает следующим образом. Пьезоэлементы, возбуждаемые каждый своим генератором, излучают ультразвуковые колебания, которые распространяются в противоположных направлениях, достигают противоположных пьезоэлементов и преобразуются ими в электрические (приемные) сигналы. Таким образом, на вход каждого амплитудного детектора одновременно поступают сигнал возбуждения и сигнал приема. Поскольку эти сигналы имеют разные частоты, образуются биения. Амплитудные детекторы выделяют огибающие сигналов, которые поступают на входы фазовых детекторов, на опорные входы которых поступает сигнал формирователя разностной частоты. При этом разность фаз сигналов, выделенных на амплитудных детекторах, и фазы опорного сигнала составляют

$$\Delta {\varphi }_1=\frac{\omega du}{c^2}+\frac{{\omega }_{2}d}{c}и\left(1\right)$$

$$\Delta {\varphi }_2=\frac{\omega du}{c^2}+\frac{{\omega }_{1}d}{c},\left(2\right)$$

где ω₁, ω₂ - круговые частоты генераторов,

$$\omega =\frac{{\omega }_1+{\omega }_2}{2},\left(3\right)$$

d - диаметр трубопровода, u - осредненное вдоль пути ультразвукового сигнала значение поперечной составляющей скорости вихря, с - скорость звука в контролируемой среде.

Первая составляющая выражений (1) и (2) несет полезную информацию, используемую при измерениях, а вторая (паразитная) составляющая представляет собой постоянную часть времени задержки ультразвукового сигнала в среде, которая определяет положение точки u=0 на характеристике фазового детектора. Выходные сигналы фазовых детекторов, пропорциональные Δφ₁ и Δφ₂, поступают на сумматор: полезные составляющие выражений (1) и (2), имеющие одинаковые знаки, складываются, а паразитные, имеющие разные знаки, - вычитаются. При этом, согласно изобретению, поскольку ω₁≈ω₂, разность паразитных составляющих близка к нулю, т.е. выходной сигнал сумматора пропорционален $$\frac{2\omega du}{c^2}\text{~u}$$ .

Недостатком описанного вихревого расходомера является снижение точности измерений в случаях, когда при изменении температуры контролируемой среды значение паразитной составляющей сдвига фаз одного из каналов - $$\frac{{\omega }_{1}d}{c}$$ или $$\frac{{\omega }_{2}d}{c}$$ - становится равным n·π за счет изменения скорости звука в этой среде с. Эти значения являются «особыми» точками характеристики фазового детектора, в которых возникают значительные искажения выходного сигнала детектора, приводящие к увеличению погрешности измерений.

Ожидаемый технический эффект изобретения заключается в повышении надежности измерений во всем диапазоне рабочих значений температуры контролируемой среды.

Указанный технический эффект достигается тем, что в вихревой расходомер, содержащий расположенное поперек потока тело обтекания, два пьезоэлемента, установленных диаметрально противоположно за телом обтекания, генератор сигнала ультразвуковой частоты, фазовый детектор и блок преобразования сдвига фаз в выходной сигнал, дополнительно введены генератор прямоугольных импульсов, фазовращатель, два ключа и полосно-пропускающий фильтр, причем выход генератора ультразвукового сигнала подключен к одному из пьезоэлементов через первый ключ, а к другому пьезоэлементу - через последовательно соединенные фазовращатель и второй ключ, выход генератора прямоугольных импульсов подключен к управляющим входам ключей, а пьезоэлементы подключены к входам фазового детектора, выход которого подключен через полосно-пропускающий фильтр ко входу блока преобразования сдвига фаз в выходной сигнал.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых представлены:

- на фиг.1 - функциональная схема расходомера;

- на фиг.2 - форма сигналов в высокочастотной части расходомера (до фазового детектора);

- на фиг.3 - форма сигналов в низкочастотной части расходомера (после фазового детектора).

Вихревой расходомер содержит (фиг.1) трубопровод 1, тело обтекания 2, два пьезоэлемента 3 и 4, генератор 5 сигнала ультразвуковой частоты, генератор прямоугольных импульсов 6 со скважностью два и длительностью, равной времени задержки ультразвукового сигнала в контролируемой среде, фазовращатель 7, два ключа 8 и 9, фазовый детектор 10, полосно-пропускающий фильтр 11 и блок преобразования сдвига фаз в выходной сигнал 12. Пьезоэлементы 3 и 4 расположены непосредственно за телом обтекания 2 на противоположных стенках трубопровода 1 так, что их совместная ось перпендикулярна оси трубопровода 1 и оси плохообтекаемого тела 2. Сигнал возбуждения поступает с генератора 5 на пьезоэлемент 3 через фазовращатель 7, создающий сдвиг фаз π/2, и ключ 8, а на пьезоэлемент 4 - через ключ 9. Управление ключами 3 и 4 осуществляется импульсным сигналом генератора прямоугольных импульсов 6, причем длительность импульсов равна времени прохождения ультразвукового сигнала через контролируемую среду d/c. Оба пьезоэлемента 3 и 4 подключены ко входам фазового детектора 10, а выход фазового детектора 10 подключен ко входу полосно-пропускающего фильтра 11, выход которого подключен ко входу блока преобразования сдвига фаз в выходной сигнал 12.

Расходомер работает следующим образом. При прохождении контролируемой среды через трубопровод 1 за телом обтекания 2 образуется вихревая дорожка Кармана. В вихревой дорожке имеют место периодические колебания местной скорости потока с частотой, равной частоте вихреобразования. Для выделения этих колебаний через вихревую дорожку пропускаются ультразвуковые зондирующие сигналы, формирование которых осуществляется следующим образом. Синусоидальный сигнал U₅ с выхода генератора 5 (здесь и далее значок амплитуды опускается) поступает на ключ 9 и через фазовращатель 7 - на ключ 8:

$$U_5=\sin \omega t\left(4\right)$$

На управляющие входы ключей 8 и 9 поступают прямоугольные импульсы U₆ с выхода генератора 6:

$$U_6=H\left(\sin \Omega \right),\left(5\right)$$

где Н(х) - функция Хевисайда: Н(sinΩt)=1 при sinΩt>0 и H(sinΩt)=0 при sinΩt≤0 (Волков И.К., Канатников А.Н. Интегральные преобразования и операционное исчисление: Учеб. для вузов / Под ред. В.С. Зарубина, А.П. Крищенко. - 2-е изд. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2002. - с.228).

При этом согласно изобретению Ω=πc/d, т.е. длительность прямоугольных импульсов (5), формируемых генератором 6, равна времени распространения ультразвукового сигнала через поток от излучателя к приемнику d/c. Сигнал на выходе фазовращателя сдвинут по фазе на π/2 относительно сигнала генератора 5:

$$U_7=\sin (\omega t+\frac{\pi }{2})\left(6\right)$$

На пьезоэлементы 3 и 4 с выходов ключей 8 и 9 поступают радиоимпульсные сигналы возбуждения U_8a и U_9a:

$$U_{8a}=H(\sin \Omega t)\times \sin \omega t\left(7\right)$$

$$U_{9a}=H(\sin \Omega t)\times \sin (\omega t+\frac{\pi }{2})\left(8\right)$$

Эти сигналы преобразуются в ультразвуковые сигналы, также имеющие форму радиоимпульсов, которые проходят через вихревую дорожку и вновь поступают на пьезоэлементы 3 и 4, где преобразуются в электрические сигналы приема U_8б и U_9б:

$$U_{8б}=H[\sin \Omega (t-\frac{d}{c+u})]\times \sin [\omega (t-\frac{d}{c+u})+\frac{\pi }{2}]\left(9\right)$$

$$U_{9б}=H[\sin \Omega (t-\frac{d}{c+u})]\times \sin [\omega (t-\frac{d}{c-u})\left(10\right)$$

При этом, т.к. длительность сигналов U_8a и U_9a равна времени пробега сигнала от одного преобразователя к другому d/с, то сигналы приема U_8б и U_9б целиком заполняют промежуток между радиоимпульсами возбуждения.

Сигналы U_8в и U_9в на входах фазового детектора 10 будут представлять собой сумму сигналов возбуждения и сигналов приема:

$$\begin{array}{l}{U}_{8в}=U_{8a}+U_{8б}=\\ =H(\sin \Omega t)\times \sin \omega t+H[\sin \Omega (t-\frac{d}{c+u})]\times \sin [\omega (t-\frac{d}{c+u})+\frac{\pi }{2}]\left(11\right)\end{array}$$

$$\begin{array}{l}{U}_{9в}=U_{9a}+U_{9б}=\\ =H(\sin \Omega t)\times \sin (\omega t+\frac{\pi }{2})+H[\sin \Omega (t-\frac{d}{c-u})]\times \sin \omega (t-\frac{d}{c-u})\left(12\right)\end{array}$$

Сигнал на выходе фазового детектора 10 пропорционален сдвигу фаз входных сигналов:

$$\Delta {Ф}_{в}={Ф}_{8в}-{Ф}_{9в}\left(13\right)$$

Анализ выражений (11) и (12) показывает, что на интервалах времени, совпадающих с сигналами возбуждения, сдвиг сигналов U_8a и U_9a по фазе равен

$$\Delta {Ф}_{а}={Ф}_{8а}-{Ф}_{9а}=\frac{\pi }{2}=const\left(14\right)$$

На интервалах времени, лежащих между сигналами возбуждения, фазы сигналов U_8б и U_9б имеют следующую величину:

$${Ф}_{8б}=\omega (t-\frac{d}{c+u})+\frac{\pi }{2}=\omega t-\frac{\omega d}{c}+\frac{\omega du}{c^2}+\frac{\pi }{2}и\left(15\right)$$

$${Ф}_{9б}=\omega (t-\frac{d}{c-u})=\omega t-\frac{\omega d}{c}-\frac{\omega du}{c^2}\left(16\right)$$

откуда сдвиг фаз между ними составляет

$$\Delta {Ф}_{б}={Ф}_{8б}-{Ф}_{9б}=\frac{2\omega du}{c^2}+\frac{\pi }{2}\left(17\right)$$

Из выражения (17) следует, что постоянная составляющая этого сдвига равна π/2, а переменная составляющая пропорциональна осредненной вдоль пути зондирующего сигнала скорости потока, которая изменяется по закону, близкому синусоидальному с частотой, равной частоте вихреобразования F_B. Полосно-пропускающий фильтр 11, частота среза которого соответствует максимальной для данного диаметра трубопровода частоте вихреобразования, F_Вmax, выделяет полезную составляющую U₁₀ сигнала фазового детектора 10 и подавляет паразитную составляющую с частотой, равной частоте Ω следования радиоимпульсов посылки. Блок преобразования сдвига фаз в выходной сигнал 11 преобразует сигнал U₁₀ в прямоугольные импульсы U₁₁. Частота следования импульсов U₁₀ равна частоте следования вихрей F_B, пропорциональной расходу.

Из вышеприведенного следует, что постоянная составляющая сдвига фаз на выходе фазового детектора равна π/2 вне зависимости от величины скорости звука в среде, что обеспечивает нормальную работу расходомера во всем диапазоне возможных значений температур контролируемой среды, что повышает надежность измерений. Дополнительным достоинством предлагаемого технического решения является значительное упрощение функциональной схемы расходомера.

Проведенные на расходомерном стенде испытания показали, что применение предлагаемого технического решения обеспечивает работоспособность вихревого расходомера с акустическим зондированием вихревой дорожки и посылкой зондирующих сигналов по одному каналу во взаимно-противоположных направлениях при заданных значениях температуры контролируемой среды.

Вихревой расходомер, содержащий расположенное поперек потока тело обтекания, два пьезоэлемента, установленных диаметрально противоположно за телом обтекания, генератор сигнала ультразвуковой частоты, фазовый детектор, блок преобразования сдвига фаз в выходной сигнал, отличающийся тем, что в него введены генератор прямоугольных импульсов, фазовращатель, два ключа и полосно-пропускающий фильтр, причем выход генератора ультразвукового сигнала подключен к одному из пьезоэлементов через первый ключ, а к другому пьезоэлементу - через последовательно соединенные фазовращатель и второй ключ, выход генератора прямоугольных импульсов подключен к управляющим входам ключей, а пьезоэлементы подключены к входам фазового детектора, выход которого подключен через полосно-пропускающий фильтр к входу блока преобразования сдвига фаз в выходной сигнал.