Компенсационный одноканальный ультразвуковой расходомер

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ Сви ИИЗЬСТВУ (б1) Дополнительное и авт. сеид-ву(22) Заявлено 200577(21) 2488948/18-10

Р()М. Кл.

G 01 Р 1/66 с присоедииенивм заявки ЙЯ(53) УДК 534.232,(088. 8) Государственный комитет

СССР но дмам нзобретеннй н открытнй (23) йрьюритет

Опубяикевбио 0507.79. Бюллетень Но 25

Дата сюубликова ия описеиия 0507.79 (72) Авторы . из фретеимя В.л.Борцов, s.ê.õàìêëÓëëHH н В.В ° Рудин с

Ленинградский институт авиационного приборостроения. (7() Заявитель. (54) КОМПЕНСАЦИОННЫЙ ОДНОКАНАЛЬНЫЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ

РАСХОДОИЕР

Изобретение относится к технической акустике и может найти. применение в химической,: медицинской, пищевой и др. сФраслях народного хозяйства для измерения расхода широкого класса жидких и газообразных сред.

Известны одноканальные ультразвуковые расходомеры с одновременным излучением ультразвукових сигналов по потоку и против потока один нав стречу другому. В них измеряется разность времени между принимаемыми ультразвуковими сигналами, которая прямо пропорциональна расходу. Однако такие расходомеры, основанные как на импульсном, так и на фазовом методе измерения обладают сильной зависиf мостью своих показаний от абсолютной скорости ультразвука в измеряемой среде (1j

Наиболее близким по техническОй сущности является ультразвуковой расходомер, содержащий пару измерительных электроакустнческих элементов, установленних под острым углом к потоку, передающий и приемный электроакустические элементы, установленные перпендикулярно к потоку, генератор тактовых импульсов, два смесителя, блок регистрации и усилитель, вход

2 которого соединен с приемным электроакустическкм элементом. Однако это устройство дает значительную погрешйость, обусловленную задержкой срабатывания отдельных элементов (Я.

Целью изобретения является повышение точности измерения расхода.

Поставленная цель достигаетея благодаря тому,.что в устройство введены цель из последовательно соединенных фазового детектора, блока перестройки частоты,, первого управляемого генератора и модулятора,. второй управляемый генератор, делитель частоты и коммутатор, при этом входы фазового детектора подключены к выходам смесителей, один выход модулятора подключен к входам первого смесителя, соединенного вторым входом с выходом усилителя,и первого измери» тельного электроакустического элемен« та, а другой выход подключен ко входам второго смесителя и второго измерительного электроакустического эле« мента, второй. управляемый генератор включен между блоком перестройки частоты и коммутатором, выход которого подключен ко второму входу второго смесителя и к передающему электроакустическому элементу, вход делите672494 ля частоты соединен с выходом пер вого управляемого генератора, а выход — со вторым входом коммутатора и йервйи входом блока регистрации, второй вход которого подключен к выходу второго управляемого генератора, а управляющие входы блока перестройки частоты, модулятора и коммутатор . подключены к выходу генератора такто"вых импульсов.

Разность фаэ между принятыми пачками ультразвуковых сигналов с час- 0 тотой заполнения, прямо пропорцио нальной абсолютной скорости ультразвука в среде, излученных одновременно навстречу друг другу под углом о(., измеряемый поток компенсиру- f5 ется фазовым сдвигом, образующимся между ультразвукбвыми сигналами, распространяющимися перпендикулярно к потоку. Этот фазовый сдвиг получают TIQTeM изменения несущей частоты ультразвуковых колебаний, распространяющихся перпендикулярно к потоку, В момент компенсации разность между этой частотой и частотой, пропорциональной абсолютной скорости ультразвука в среде пропорциональна средней скорости потока и не зависит от. абсолютной скорости ультразвука в среде.

На чертеже изображена функциональная схема расходомера.

Расходомер содержит генератор 1 тактовых импульсов, соединенный с управляющими входами блока 2 перестройки частоты, коммутатора 3 и модулятора 4, выходы которого подключены к первым входам смесителей 5,6 и к измерительным электроакустическим элементам 7, 8, Выходы смесителей

5 6 соединены со входами фазового .:детектора 9, выход которого подключен 40 к вхбду блока 2. Выходы последнего соединены с входами управляемых генераторов. 10., 11. Выход генератора 10 .:соединен со входами модулятора 4 и делителя 12 частоты, выход которого 4 подключен к первым входам коммутато" ра 3 и блока 13 регистрации. Выход генератора 11 "соединен с вторыми вхсдами блока регистрации 13 и ком му":атора. 3, выход которого подключен ко второму входу смесителя б и передающему электроакустическому элементу 14. Приемный электроакустический элемент 15 через усилитель lб,соединен со вторым входом смесителя 5. . Расходомер работает следующим обр азом.

Выходные прямоугольные импульсы .генератора тактовых импульсов 1 с длительностью Т, которая выбирается меньше времени распространения . 60 ультразвука между измерительными электроакустическими элементами 7, 8 и периодом повторения Т, поступают йа управляющие входы модулятора 4, йбьФлутатора 3 И блока 2. 65

Во время действия импульса TD veнератора 1 его выходное напряжение от крыв ае-. модулятор 4, и выходной сигнал управляемого генератора 10 с частотой ь подается на смесители

5, б и измерительные электроакустические элементы 7, 8 которые излуl чают ультразвуковой сигнал одновременно и синфазно навстречу друг другу под углом о в иэмеряежай поток, протекающий в трубе со средней скоростью V. В зто же время сигнал с генератора 10 с частотой > через делитель частоты 12 c êîýôôèöèåíòîì деления N через коммутатор 3 постУпает на смеситель б и передающий электроакустический элемент 14, ось которого перпендикулярна оси потока.

Cdo

Ультразвуковой сигнал с частотой—

Я достигает приемного преобразователя

15 со сдвигом фаз <Р относительно излучаемого сигнала. Этот сигнал фаз определяется только длиной акустического пути 4 и абсолютной скоростью С ультразвука и не зависит от скорости потока V о о

9 = —

О С И где, — длина акустического пути между элементами 14, 15.

Принимаемый ультразвуковой сигнал с элемента 15 преобразуется в элект-. рическое напряжение с частотой — и î

N фазой cp, которое через усилитель

16 подается на вход смесителя 5.

На выходах каждого из смесителей

5 и б выделяется сигнал разностной. частоты. Так как на одни входы смесителей подано синфазно напряжение с частотой ь>,, а на другие входы — с частотой о и с разностью фаз ц>, N то выходные сигналы смесителей будут. также сдвинуты один относительно другого на величину су . Эта разность фаз преобразуется фазовым детектором 9 в постоянное напряжение, поступающее на блок перестройки частоты 2, который изменяет частоту ы

D управляемого генератора 10 таким образом, чтобы выходное напряжение фазового детектора 9 равнялось нулю.

При этом разность фаз сигналов на входах фазового детектора 9 раВна ф,= 2Ж n, . (2) где л — целое число. из формул (1) и (2) находят значение частоты (,) в момент компенсации и = — C (3)

20tn о

Частота управляемого генератора

10М связана с абсолютной скоростью ультразвука С в среде прямо пропорциональной зависимостью (3), т;е, в течение времени Т устройство одновременно с излучением пачек ультра672 звуковых сигналов навстречу оди»1 другому под углом к потоку измеряет абсолютную скорость ультразвука в среде. Причем частота заполнения этих пачек равна частоте м генератора 10, По окончании импульса тактового генератора l модулятор 4 закрывается,,5 коммутатор 3 соединяет выход управ-. ляемого генератора 11, частота которого равна м,, со смесителем 6 и передающим элементом 14, а блок 2 переключается на управление генератором 10

11.

Измерительные электроакустические элементы 7,8 принимают ультразвуковые пачки с частотой заполнения ь» со сдвигом фаз ЬЧ», который связан известной зависимостью со средней скоростью потока V:

hf = — - — V

2КпКсаьо - о (8) <-д-("» )» где

Х— о (4)

30

<».» о

О с (5) СмЕсители 5,6 осуществляют алгебраическое суммирование фаз сигналов, поступающих на их входы, поэтому разность фаз между выходными напряженнями смесителей 5,6 равна ср= р - лц» . (6) . Поскольку фазовый сдвиг ср,» прямо пропорционально связан с частотой И, генератора 11, то можно путем перестройки этого генератора скомпейсировать сдвиг фаз дс(», обусловленный скоростью потока V, эта компенсация осуществляется по 45 выходному напряжению фазового детек» тора 9, которое через блок 2 изменяет частоту ь» генератора 11 до.тех пор, пока разность фаз Ч» не будет равна 2 Жп . При этом выходное напря- 50 жение детектора 9 в момент компенса. ций: равна нулю.

Подставляют в формулу (6) выражение из формул (Ц, (5) и (4);

Формула изобретения

Компенсационный одноканальный ультразвуковой расходомер, содержащий пару измерительных электроакустических Элементов, установленных под углом к потоку, передающий и приемный электроакустические элементы, установленные перпендикулярно к потоку, генератор тактовых импульсов, два смесителя, блок регистрации.и усилитель, вход которого соединен с †.приемным электроакустйческим элементом, отличающийся . тем, .что, с целью повышения точности, в него введены цепь мз последовательно соединенных фазового детектора, .блока перестройки частоты, первого управляемого генератора и модулятора, второй управляемый генератор, де литель частоты и коммутатор, при этом входы фазового детектора подключены к выходам смесителей, один выход модулятора подключен к входам первого

- смесителя, соединенного вторым входом

-с выходом усилителя, и первого измерительного электроакустического элемента, а другой выход подключен ко входам второго смесителя и второго

„, (» 2Е СОЯ04. 2 У где (. — длина акустического пути между элементами 7,8.

Сигналы измерительных электроакустических элементов 7,8 с частотой заполнения мо и разностью фаз м(» поступают на первые входы смесителей

5,6. На другие входи этих смесителей подается напряжение частоты с, и с разностью фаэ Ч»,, сйимаемое с электроакустических элементов 14, 15, — v (7) (Исаак ы, r М с 4

После тождественных алгебраических преобразований формулы (7), учитывая формулу (3), получают выражение, связывающее среднюю скорость потока V c разностной частотой ьй, которая из- 65

494 ь меряется в цифровой форме блоком регистрации 13

Из формулы(8) видно, что показания расходомера не зависят от абсо« лютной скорости ультразвука С в среде. РасхОд определяют по известной средней скорости потока, умножая ее на площадь поперечного сечения трубопровода.

В данном расходомере для Измере-ния интервала времени между принятыми ультразвуковыми "сигналами, прошедшими под углом к оси потока, используется фазовый метод,а не амплитудный. Поэтому исключается погрешность, обусловленная переменной задержкой срабатывания импульсных устройств при измерении амплитуды принимаемых сигналов в процессе эксплуатации.

Выходйой сигнал фазовОго детектора слабо зависит от амплитуды входных сигналов. Работает он вблизи нулевой точки своей рабочей характеристики и изменение крутизны его статичес- кой характеристики при изменениях амплитуды входных сигналов .не оказывает влияния на выходные показания расходомера.

7 б72494 8

: змерйтельного электроакустического рого подключен к выходу второго управэлемента, второй управляемый генера- ляемого генератора, а управляюаие тор включен между блоком перестрой- входы блока перестройки частоты, моки частоты и коммутатором, выход дулятора и коммутатора подключены которого " подключен ico второмУ вхо- к выходу генератора тактовых импуль ду втоРогб "сМесктеля и к пере- сов. дакщему электроакустйческову эле- 5 источники информации, принятые менту, вход делителя частоты сое- . во внимание нри экспертизе дйнен "с выходом первого управляемого 1. Авторское свидетельство сссР генератора, а его выход - со вторым 9 421884, кл G Ol t l/00, 1974. входом коммутатора и первым входом 2. Авторское свидетельство СССР блока регистрации, второй вход кото- !О В 395724, кл. %01 У 1/р0, 197), 1

Составитель В.Пирогов

Редактор O.Ôèëëèïîâà Техюел С. Ийгай КоЩектор С.Шекма1»

Заказ 3876/41 Тираж 865 Подписное .

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР, по делам изобретений и открытий

113035 Москва Ж-35с Раушская наб. л.4 5

4илиал ППП Патент, г.ужгород, ул.Проектная,4