ДВУХКАНАЛЬНЫЙ ЧАСТОТНЫЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ РАСХОДОМЕР Российский патент 1995 года по МПК G01F1/00 

Изобретение относится к технике частотной ультразвуковой расходометрии и может быть использовано для измерения с повышенными разрешающей способностью и точностью скорости потоков жидкостей и газов в трубопроводах.

Известен двухканальный пакетно-частотный ультразвуковой расходомер, содержащий два пьезоизлучателя и два пьезоприемника, две пары пьезоизлучатель-пьезоприемник образуют в акустической среде потока два одинаковых по длине параллельных акустических канала, причем пьезоизлучатели расположены так, что в одном из акустических каналов излучение пьезоизлучателем происходит в направлении проекции вектора скорости потока на ось канала, а во втором в противоположном направлении, два электронных автогенераторных тракта, в цепь положительной обратной связи каждого из которых включен один из акустических каналов, и измеритель разности частот, генерируемых автогенераторными трактами [1] Эта разность частот Δf f⁺ f^- (где f⁺ частота, генерируемая трактом, в цепь положительной обратной связи которого включен акустический канал с излучением ультразвука в направлении проекции вектора скорости потока на ось канала; f^- частота, генерируемая трактом, в цепь положительной обратной связи которого включен акустический канал с излучением ультразвука в противоположном направлении) пропорциональна модулю скорости v-проекции вектора скорости потока v_п на ось канала:
v v_пcosα (f⁺ -f^-) где v_п скорость потока;
α угол между осью трубопровода и осью акустического канала;
L длина акустического канала;
К 0,5, или 1; 2; любое целое число, меньшее c/v_max и определяющее номер гармоники частоты f , которую генерирует расходомер при v_п 0 (с скорость звука в покоящейся акустической среде потока).

В аналоге [1] реализован при К 0,5 так называемый частотно-пакетный расходомер. При К ≥ 1 реализуется частотно-импульсный расходомер, либо частотный расходомер с генерацией непрерывных синусоидальных колебаний. Одноканальный расходомер последнего типа, но с одним акустическим каналом, образуемым двумя обратимыми пьезопреобразователями, описан в [2]
Автогенераторные тракты в нем выполнены в виде частотно-избирательных усилителей, снабженных автоматическими регуляторами усиления.

Частотную избирательность обеспечивают включенные на входах усилителей полосовые фильтры с вентральными частотами f⁺= K и f^-= K и полосами K, пропускающие полезные частоты f⁺ K и f^- K и отсеивающие остальные (соответствующие иным значениям К). Следует отметить взаимные помехи в усилительных цепях при малых v, когда f⁺ и f^- весьма близки.

Обоим аналогам, описанным в [1] и [2] присущи ошибки измерения, вызванные асимметрией электронных трактов различием времени задержки сигнала в них; отклонением вектора скорости потока v_пот оси трубопровода, вызывающим изменение модуля проекции этого вектора на ось акустического канала.

Эти недостатки отсутствуют в частотно-импульсном расходомере, описанном в [3] наиболее близком по технической сущности к предлагаемому и являющемся его прототипом. Расходомер содержит четыре обратимых пьезопреобразователя, две пары которых образуют в среде потока два акустических канала одинаковой длины. Оси акустических каналов симметричны относительно оси трубопровода и пересекаются на середине их длины. Каждый из каналов поочередно, с помощью двухтактного коммутатора, подключается в цепь положительной обратной связи своего автогенераторного тракта так, что одновременно в течение одного такта коммутатора в обоих каналах распространяются акустические колебания в направлениях, совпадающих с направлением проекции вектора скорости потока на ось канала, а в течение второго такта коммутатора в противоположном направлении. Автогенераторы в течение 1-го такта генерируют частоты f₁⁺ и f₂^-, на сумму которых f⁺ f₁⁺ + f₂⁺ отклонение вектора скорости потока v от оси трубопровода влияния не оказывает. В течение 2-го такта автогенераторы генерируют частоты f⁺ и f₂^-, сумма f которых обладает аналогичным свойством независимости от отклонения v_п от оси трубопровода. Искомая разность частот Δ f f⁺ f^-(пропорциональная v, а следовательно, и скорости потока v_п) также не зависит от отклонения вектора v_п от оси трубопровода, а использование одного и того же автогенераторного тракта для генерации f₁⁺ и f₁^- (и, аналогично, f₂⁺ и f₂^-) исключает и ошибку от асимметрии трактов, характерную для расходомеров [1] и [2]
Прототип построен по схеме частотно-импульсного расходомера, но вполне возможно его построение по схеме расходомера с генерацией непрерывных синусоидальных колебаний в течение каждого такта (полупериода) работы коммутатора. При этом аналогично [2] автогенераторные тракты представляют собой автогенераторные частотно-избирательные усилители с автоматической регулировкой усиления.

Обеспечивающие частотную избирательность полосовые фильтры, включенные на входе усилителей, имеют в этом случае одинаковые центральные частоты f_ц= K и полосы пропускания 2 > ΔF > 2, что позволяет им пропускать полезные частоты f^±K и отсеивать остальные (соответствующие невыбранным иным значениям К).

Прототип обладает недостатками, связанными с коммутацией акустических каналов. Во-первых, коммутационные шумы, накладываясь на полезный сигнал, маскируют его малые измерения, т.е. ухудшают разрешающую способность расходомера и тем самым увеличивают погрешность измерения скорости потока. Во-вторых, ограничение времени измерения каждой из генерируемых частот (полупериодом коммутации) повышает составляющую ошибки измерения частоты, связанную с дискретностью отсчета в электронно-счетном частотомере.

Сущность изобретения заключается в том, что в двухканальном частотном ультразвуковом расходомере, содержащем две пары первичных преобразователей, каждая из которых включает излучающий и приемный преобразователи, образующие в акустической среде измеряемого потока два одинаковых по длине акустических канала с распространением акустических волн под углом к оси потока и навстречу друг к другу, а также вторичный преобразователь, подключенный к блоку измерения и индикации, при этом выходы и входы первичных преобразователей подключены соответственно к входу и управляющему выходу вторичного преобразователя, первичные преобразователи в каждой из пар соединены между собой, вторичный преобразователь выполнен в виде последовательно соединенных частотного автогенераторного усилителя, буферного усилителя, детектора и фильтра низких частот, а управляющим выходом вторичного преобразователя является выход автогенераторного усилителя.

Благодаря отличительным признакам (электрическим соединениям узлов электронной схемы, расположению пьезоизлучателей и включению в состав расходомера детектора) предлагаемый расходомер, сохраняя достоинство прототипа (независимость показаний от отклонения v_п от оси трубопровода и от асимметрии электронных трактов), лишен его недостатков, порожденных коммутационными шумами. К тому же очевидна большая простота аппаратурной реализации его электронной части по сравнению с прототипом.

На фиг.1 изображена схема предлагаемого расходомера; на фиг.2 эпюры, поясняющие работу устройства.

Пьезопреобразователи (первичные преобразователи) 1-4, из которых 1 и 2 излучатели, а 3 и 4 приемники, образуют в потоке 5 (скорость v_пкоторого подлежит измерению) два акустических канала 1-3 и 2-4. Электрические выходы пьезоприемников 3 и 4 соединены с входом частотно-избирательного автогенераторного усилителя 6, состоящего из полосового фильтра 7 (с полосой 2 > Δf > 2 ) собственно усилителя 3 с автоматической регулировкой усиления. Измеритель разности частот состоит из буферного усилителя 9, детектора 10, фильтра 11 низких частот и частотомера 12. Блоки 6.11 составляют вторичный преобразователь с управляющим выходом автогенератора.

Коэффициент усилителя 8 удовлетворяет условию самовозбуждения на частотах в диапазоне (c ± v_max).

Полосовой фильтр имеет центральную частоту f K и полосу пропускания 2 > Δf_ф > 2K.

Работа расходомера происходит следующим образом. Благодаря выбору достаточного коэффициента усиления усилителя 8, наличию АРУ, частотной избирательности полосового фильтра 7 и акустических каналов 1-3 и 2-4 и усилителя поддерживается квазилинейный мягкий режим самовозбуждения одновременно на двух близких частотах: f⁺ (определяемой частотной избирaтельностью акустического канала 1-3) и f^- (определяемой частотной избирательностью акустического канала 2-4), где v₁₃ и v₄₂ проекции вектора скорости потока v_п на оси каналов 1-3 и 2-4 соответственно; t задержка сигнала в фильтре 7 и усилителе 8 (см. эпюры 1,2 на фиг.2).

Ввиду близости частот f⁺ и f^- (так как v<<c), на входах фильтра 7, автогенераторного усилителя 8 и буферного усилителя 9 имеются биения сигналов этих частот, огибающая биений изменяется с разностной частотой f⁺ f^- (см. эпюру 3 на фиг.2). Сигнал разностной частоты f⁺ f^-, присутствующий в выходном сигнале детектора 10, пропускается фильтром 11 низких частот и поступает на вход частотомера 12, показания которого пропорциональны скорости потока v_п.

Использование: для измерения с повышенными разрешающей способностью и точностью скорости потоков жидкостей и газов в трубопроводах. Сущность изобретения: двухканальный частотный ультразвуковой расходомер содержит два излучателя, два приемника, частотно-избирательный автогенераторный делитель, полосовой фильтр, усилитель, буферный усилитель, детектор, фильтр низкой частоты, частотомер. 2 ил.

ДВУХКАНАЛЬНЫЙ ЧАСТОТНЫЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ РАСХОДОМЕР, содержащий две пары первичных преобразователей, каждая из которых включает излучающий и приемный преобразователи, образующие в акустической среде измеряемого потока два одинаковых по длине акустических канала с распространением акустических волн под углом к оси потока и навстречу одна к другой, а также вторичный преобразователь, подключенный к блоку измерения и индикации, при этом выходы и входы первичных преобразователей подключены соответственно к входу и управляющему выходу вторичного преобразователя, отличающийся тем, что первичные преобразователи в каждой из пар соединены между собой, вторичный преобразователь выполнен в виде последовательно соединенных частотного автогенераторного усилителя, буферного усилителя, детектора и фильтра низких частот, а управляющим выходом вторичного преобразователя является выход автогенераторного усилителя.