Вихревой расходомер



Вихревой расходомер
Вихревой расходомер
Вихревой расходомер

 


Владельцы патента RU 2515129:

Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение измерительной техники" (RU)

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

Δ ϕ 1 = ω d u c 2 + ω 2 d c и ( 1 )

Δ ϕ 2 = ω d u c 2 + ω 1 d c , ( 2 )

где ω1, ω2 - круговые частоты генераторов,

ω = ω 1 + ω 2 2 , ( 3 )

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 2 ω d u c 2 ~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 - ω 1 d c или ω 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 ω t ( 4 )

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

U 6 = H ( sin Ω ) , ( 5 )

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 ( ω t + π 2 ) ( 6 )

На пьезоэлементы 3 и 4 с выходов ключей 8 и 9 поступают радиоимпульсные сигналы возбуждения U8a и U9a:

U 8 a = H ( sin Ω t ) × sin ω t ( 7 )

U 9 a = H ( sin Ω t ) × sin ( ω t + π 2 ) ( 8 )

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 и U:

U 8 б = H [ sin Ω ( t d c + u ) ] × sin [ ω ( t d c + u ) + π 2 ] ( 9 )

U 9 б = H [ sin Ω ( t d c + u ) ] × sin [ ω ( t d c u ) ( 10 )

При этом, т.к. длительность сигналов U8a и U9a равна времени пробега сигнала от одного преобразователя к другому d/с, то сигналы приема U и U целиком заполняют промежуток между радиоимпульсами возбуждения.

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

U 8 в = U 8 a + U 8 б = = H ( sin Ω t ) × sin ω t + H [ sin Ω ( t d c + u ) ] × sin [ ω ( t d c + u ) + π 2 ] ( 11 )

U 9 в = U 9 a + U 9 б = = H ( sin Ω t ) × sin ( ω t + π 2 ) + H [ sin Ω ( t d c u ) ] × sin ω ( t d c u ) ( 12 )

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

Δ Ф в = Ф 8 в Ф 9 в ( 13 )

Анализ выражений (11) и (12) показывает, что на интервалах времени, совпадающих с сигналами возбуждения, сдвиг сигналов U8a и U9a по фазе равен

Δ Ф а = Ф 8 а Ф 9 а = π 2 = c o n s t ( 14 )

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

Ф 8 б = ω ( t d c + u ) + π 2 = ω t ω d c + ω d u c 2 + π 2 и ( 15 )

Ф 9 б = ω ( t d c u ) = ω t ω d c ω d u c 2 ( 16 )

откуда сдвиг фаз между ними составляет

Δ Ф б = Ф 8 б Ф 9 б = 2 ω d u c 2 + π 2 ( 17 )

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 FB. Полосно-пропускающий фильтр 11, частота среза которого соответствует максимальной для данного диаметра трубопровода частоте вихреобразования, FВmax, 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 FB, 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.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике, преимущественно к средствам контроля потоков жидких металлов, и может быть использовано, например, для измерения расхода и количества жидкометаллических теплоносителей в ядерных энергетических установках.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения расходов жидких сред. .

Изобретение относится к измерительной технике, а конкретно к вихревым способам измерения объемного количества текучих, жидких или газообразных веществ в напорных трубопроводах, и может быть использовано для контроля потоков веществ в энергетике, коммунальном хозяйстве и других отраслях промышленности.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения расхода газа или жидкости, в частности в промышленных магистральных трубопроводах.

Изобретение относится к сборочному узлу, содержащему канал для текучей среды и расходомер, и к способу измерения расхода текучей среды. .

Изобретение относится к измерительной системе для измерения плотности среды, являющейся изменяющейся в отношении термодинамического состояния, в частности, по меньшей мере, частично сжимаемой, протекающей в технологическом трубопроводе, таком как технологическая магистраль или труба, вдоль оси потока в измерительной системе.

Изобретение относится к области диагностики энергетических установок и может использоваться преимущественно в атомной энергетике для контроля герметичности парогенераторов, в которых греющим теплоносителем является жидкий металл (натрий, свинец, свинец-висмут), передающий тепло воде и водяному пару через поверхность теплообмена.

Изобретение относится к измерительной системе для измерения при помощи измерительного преобразователя, по меньшей мере, одного измеряемого переменного параметра, в частности массового расхода, например удельного массового расхода, плотности, вязкости, давления или подобных характеристик среды, протекающей в технологическом трубопроводе, а также к формирователю потока, занимающему промежуточное положение между измерительным преобразователем и технологическим трубопроводом.

Изобретение относится к области автоматики и может быть использовано для измерения расхода газа с повышенной чувствительностью. Способ измерения расхода газа, состоящий в том, что создают колебания измеряемого газового потока струйным элементом с частотой, пропорциональной его расходу, затем выполняют пьезоэлектрическое преобразование колебаний в электрические импульсы и при этом определяют расход газа по количеству импульсов, отличающийся тем, что одновременно с пьезоэлектрическим преобразованием выполняют термоанемометрическое преобразование колебаний потока в электрические импульсы, по которым определяют расход газа, а импульсами, полученными от пьезоэлектрического преобразования обеспечивают электроэнергией термоанемометрическое преобразование. Технический результат - повышение чувствительности и расширение диапазона измерения расхода газа. 1 ил.

В изобретении раскрыто устройство, выполненное с возможностью детектирования физической величины, например плотности, движущейся текучей среды, при этом устройство включает в себя: тело (2) датчика, выполненное с возможностью простираться в движущуюся текучую среду, при этом тело датчика содержит волоконную брэгговскую решетку (FBG) датчика (3, 7, FBG) на основе волоконной брэгговской решетки для генерирования сигнала детектора, относящегося к колебанию, по меньшей мере, части (2В) тела (2) датчика; и блок обработки, выполненный с возможностью обработки сигнала детектора и определения физической величины на основе детектированного колебания на частоте собственных механических колебаний гибкой части (2В) тела (2) датчика. 4 н. и 31 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и представляет собой вихревой электромагнитный расходомер. Устройство содержит измерительный участок, тело обтекания, постоянный магнит, индукционную катушку. Измерительный участок выполнен в виде трубопровода. Тело обтекания установлено по диаметру измерительного участка так, чтобы его продольная ось была перпендикулярна потоку жидкометаллического теплоносителя. Постоянный магнит и индукционная катушка расположены внутри тела обтекания, при этом линия, соединяющая полюса постоянного магнита, образует угол с продольной осью измерительного участка, а ось индукционной катушки образует угол с линией, соединяющей полюса постоянного магнита. Технический результат - упрощение конструкции расходомера и повышение точности определения расхода жидкометаллического теплоносителя. 2 ил.
Наверх