УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБЪЕМА ПРОДУКТА, ПРОШЕДШЕГО ПО ТРУБОПРОВОДУ, И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G01F1/66 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения объема продукта, прошедшего через сечение трубопровода, с помощью ультразвуковых сигналов.

Известен ультразвуковой способ определения скорости потока, включающий излучение и прием ультразвуковых импульсов по потоку и против него измеряемой среды с образованием в одном канале двух синхроколец, исключение совпадения во времени импульсов обоих синхроколец и вычисление по параметрам синхроколец величины скорости потока [1]
Наиболее близким аналогом изобретения является ультразвуковой способ определения скорости потока, реализованный устройством [2] Способ включает в себя излучение и прием ультразвуковых импульсов по потоку и против него измеряемой среды с образованием в одном канале двух синхроколец, квантование периода синхрокольца n периодами специального генератора, исключение совпадения во времени импульсов обоих синхроколец и вычисление по их параметрам скорости потока.

Известное устройство содержит два пьезодатчика, установленные на стенках трубопровода, последовательно соединенные генератор с коммутатором, усилитель-формирователь, первую и вторую схемы И, первый триггер, схему ИЛИ, первый одновибратор, причем генератор через коммутатор подключен к пьезодатчикам, первый триггер первым и вторым выходом соединен соответственно с первыми входами первой и второй схем И.

Недостатком известного способа и устройства является наличие погрешности определения за счет того, что не учитывается время задержки при определении разностной частоты синхроколец.

Техническим результатом от использования изобретения является увеличение точности измерения.

Технический результат в способе достигается тем, что предварительно определяют время прохождения импульсов неизмерительных участков синхроколец и задержку излучения импульса синхрокольца против потока измеряемой среды, величину которой осуществляют на m периодов квантующего генератора, а объем жидкости, прокачиваемой за один период разностной частоты, определяют по формуле

где D диаметр трубопровода;
a угол наклона акустической оси;
K коэффициент гидродинамической поправки, показывающий отклонение средней скорости между излучающими головками от средней скорости в трубопроводе;
L база (расстояние между преобразователями);
T₂ полный период синхрокольца против потока измеряемой среды;
t₃ время прохождения импульсами синхроколец неизмерительных участков при условии их адекватности;
n число периодов квантующего генератора в периоде T₂, по которым производится синхронизация генератора периодом синхрокольца против потока;
m число периодов квантующего генератора, на которое производится задержка запуска синхрокольца против потока после схождения колец;
V скорость продукта;
C скорость ультразвука в среде.

При этом для масштабирования периода схождения используют задержку излучения импульса синхрокольца.

Кроме того, величину задержки излучения импульса против потока подбирают либо для масштабирования, либо для компенсации изменений коэффициента гидродинамической поправки.

Кроме того, фазу сигнала на входе приемного усилителя-формирователя изменяют на 180^o после каждого схождения импульсов синхроколец.

Технический результат в устройстве достигается тем, что устройство снабжено третьей, четвертой и пятой схемами И, вторым, третьим, четвертым, пятым и шестым триггерами, третьим одновибратором, временным селектором, квантующим генератором, интегратором, счетчиком-делителем, задатчиком программы, мультиплексором-дешифратором, фазорасщепителем входного сигнала и первым и вторым переключателями, причем выход второй схемы И подключен к первому входу схемы ИЛИ, счетному входу второго триггера, второму входу третьей схемы И и второму входу временного селектора, который через интегратор подключен к первому входу квантующего генератора, подключенного выходом к счетному входу счетчика-делителя, управляющий вход которого соединен с первым выходом третьего триггера, второй выход которого соединен с управляющим входом квантующего генератора, к первому входу третьего триггера подключен первый вход временного селектора, третий вход которого соединен с выходом второго одновибратора, подключенного входом к единичному выходу второго триггера и первому входу третьей схемы И, соединенной выходом с вторым входом третьего триггера и вторым входом четвертого триггера, который выходом соединен с первым входом четвертой схемы И, второй вход которой соединен с выходом первой схемы И и третьим входом схемы ИЛИ, а выход четвертой схемы И подключен к первому входу пятого триггера, второй вход которого соединен с выходом третьего одновибратора, а выход с первым входом пятой схемы И, соединенной выходом с установочным входом второго триггера, входом третьего одновибратора и вторым входом схемы ИЛИ, выход которой подключен к входу генератора и через первый одновибратор к входу первого триггера, который первым и вторым выходами соединен с коммутатором, причем усилитель-формирователь подключен выходом к вторым входам первой и второй схем И, вход фазорасщепителя подключен к коммутатору, а выходы соответственно к входам первого и второго переключателей, выходы которых соединены между собой и с входом усилителя-формирователя, управляющие входы первого и второго переключателей соединены соответственно с прямым и инверсным выходами шестого триггера, счетный вход которого подключен к выходу пятого триггера, а задатчик программы соединен с мультиплексором-дешифратором, подключенным соответствующим числом входов к выходам счетчика делителя, к первому входу третьего триггера и первому входу временного селектора, вторым выходом к второму входу пятой схемы И, а третьим выходом к первому входу четвертого триггера.

Сущность способа заключается в следующем: как известно, объем продукта, прошедшего через трубопровод, рассчитывают по формуле
θ = s•v•t,
где S сечение трубопровода;
V средняя скорость измеряемой среды;
t время измерения.

При частотно-импульсном ультразвуковом способе измерения в среде распространяются во встречных направлениях ультразвуковые импульсы, период следования которых

где T₁ период прохождения импульса по потоку измеряемой среды;
T₂ то же, против потока;
τ₃ время прохождения импульса неизмерительных участков;
C скорость ультразвука в среде;
проекция скорости измеряемой среды на акустическую ось с учетом гидродинамической поправки

где a угол наклона акустической оси;
K коэффициент гидродинамической поправки.

Если имеются две последовательности импульсов с периодами T₁ и T₂ (T₁ <T₂), то приближение импульсов друг к другу при каждом истечении T₂ происходит на шаг T₂ T₁, от одного схождения импульсов до другого набирается шагов, т.е. импульсов синхрокольца с периодом T₁, отсюда период схождения

В предлагаемом способе импульс синхрокольца с периодом T₂ задерживается после схождения на время T₃, следовательно, от одного схождения импульсов до другого наберется шагов и период схождения синхроколец выразится в виде

Время же прохождения одного периода разностной частоты T_р.ч (полный период) выразится в виде
T_р.ч T + T₃.

Выразим T₃ через число периодов квантующего генератора m в периоде T₂, на которое производится задержка запуска синхрокольца против потока

тогда

Объем продукта, прошедший через датчик расхода за один период разностной частоты синхроколец

Из этой формулы следует, что влияние c и v на цену деления (объем) одного импульса тем меньше, чем больше база L и меньше время задержки в соединительных линиях "τ₃" а также время задержки T_з при переносе импульса.

В то же время учитывая, что коэффициент гидродинамической поправки K зависит от числа Рейнольдса Re, а число Re зависит в свою очередь (прямопропорционально) от скорости потока, то очевидно, что можно подобрать такое значение которое нейтрализует изменение K от числа Re.

Кроме того, за счет задержки излучения импульса синхрокольца против потока можно производить масштабирование V относительно T_ΔF т.е. получать заданный объем продукта на единицу ΔF а для получения заданного коэффициента масштабирования излучение импульса синхрокольца против потока после охлаждения колец необходимо произвести через m периодов квантующего генератора при числе квантующих импульсов n в периоде T₂.

Таким образом, используя заявляемый способ и устройство, можно получить заранее заданную цену импульса информационного потока в единицах технологического параметра или же рассчитать коэффициент масштабирования единицы импульсов последовательности информационного потока для последующей ее обработки.

На чертеже представлена принципиальная схема устройства для осуществления способа.

Устройство содержит преобразователь 1 с пьезоэлектрическими (электроакустическими) преобразователями 2 и 3, коммутатор 4, генератор 5, фазорасщепитель 6, вход и выход которых соответственно соединены через коммутатор 4 с пьезопреобразователями 2 и 3, выходы фазорасщепителя 6 соединены соответственно с первым и вторым переключателями 7 и 8, имеющими общий выход, соединенный через усилитель-формирователь 9 с входами первой и второй схемы И 10 и 11, одна из которых работает при зондировании "по потоку", а другая "против потока". Выходы из схем И 10 и 11 соединены с двумя входами схемы ИЛИ 12, которая по выходу соединена с входом генератора 5 и через первый одновибратор 13 задержки переключения направления с входом первого триггера 14 направления, выходы которого соединены с входами схем И 10 и 11 и с управляющими входами коммутатора 4. Выход второй схемы И 11 соединен с вторым триггером 15 режима, выход которого через второй одновибратор 16 запрета сравнения соединен с управляющим входом временного селектора 17 и с первым входом третьей схемы И 18, а также с вторым входом временного селектора 17 и вторым входом третьей схемы И 18, выход которой соединен с вторым входом третьего триггера 19 и с вторым входом четвертого триггера 20 схождения импульсов.

Выход временного селектора 17 через интегратор 21 соединен с квантующим генератором 22, выход которого соединен с входом счетчика-делителя 23, выходы которого соединены с мультиплексором-дешифратором 24, соединенного входом с задатчиком 25 программы. Первый выход дешифратора 24 соединен с первым входом временного селектора 17 и с первым входом третьего триггера 19, выходы которого соединены с квантующим генератором 22 и счетчиком-делителем 23. Второй выход дешифратора 24 соединен с вторым входом пятой схемы И 26, первый вход которой соединен с выходом пятого триггера 27 переходного режима и счетным входом шестого триггера 28 переключения фазы, а выход пятой схемы И 26 соединен с вторым входом схемы ИЛИ 12, с вторым входом триггера 15 режима и входом третьего одновибратора 29 задержки переключения, выход которого соединен с вторым входом пятого триггера 27 переходного режима. Третий выход мультиплексора-дешифратора 24 соединен с входом четвертого триггера 20 схождения импульсов, выход которого соединен с первым входом четвертой схемы И 30, второй вход которой соединен с выходом первой схемы И 10, а выход с первым входом пятого триггера 27. Выходы шестого триггера 28 соединены соответственно с управляющими входами переключателей 7 и 8.

Устройство работает следующим образом.

Примем, что триггер 14 направления находится в положении, при котором подготовлено синхрокольцо, работающее против потока. В этом случае подготовлена к работе схема И 11, а коммутатор 4 соединяет пьезопреобразователь 3 с входом фазорасщепителя 6 и пьезопреобразователь 2 с генератором 5. Как только акустический импульс, распространяющийся в измеряемой среде в преобразователе расхода от пьезопреобразователя 2, достигнет пьезопреобразователя 3, он будет преобразован в электрический импульс, который, пройдя фазорасщепитель 6 и один из переключателей 7 и 8, в зависимости от состояния триггера 28 усилится в усилителе-формирователе 9 и появится на выходе схемы И 11. Далее электрический импульс, во-первых, через схему ИЛИ 12 поступит на генератор 5, который возбудит пьезопреобразователь 2, и вновь в преобразователе расхода в измеряемой среде начнет распространяться акустический импульс от пьезопреобразователя 2 к пьезопреобразователю 3, а, во-вторых, электрический импульс поступит на одновибратор 13 и после задержки переведет триггер 14 в противоположное состояние, при котором будет подготовлено синхрокольцо, работающее по потоку, т.е. будет подготовлена к работе схема И 10, пьезопреобразователь 2 будет соединен через коммутатор 4 с фазорасщепителем 6 и далее через переключатели 7 и 8 с усилителем-формирователем 9, а пьезопреобразователь 3 с генератором 5.

Электрический импульс после схемы И 11 поступит также на счетный вход триггера 15, который переведет его, допустим, в состояние 1, при котором он подготовит к работе схему И 18 и возбудит одновибратор 16. На время его работы будет заблокирована работа временного селектора 17. Наконец, электрический импульс после схемы И 11 и через схему И 18 переведет триггер 19 в положение, при котором начнет работать квантующий генератор 22, а счетчик-делитель 23 начнет отсчет импульсов, поступающих с квантующего генератора 22. Сигнал с выхода схемы И 18, кроме того, переведет триггер 20 в состояние контроля за схождением импульса синхроколец. С этого момента схема И 30 подготовлена к срабатыванию на случай появления импульса в синхрокольце, работающем по потоку на выходе схемы И 10. В таком состоянии триггер 20 будет находиться до тех пор, пока не появится импульс на третьем выходе мультиплексора-дешифратора 24 при поступлении на счетчик 23 определенного количества импульсов в зависимости от величины времени задержки зондирующего импульса. Если импульс с выхода схемы И 10 не поступит до появления импульса на третьем выходе дешифратора 24, тогда триггер 27 останется в состоянии, при котором схема И 26 не пропустит сигнал со второго выхода мультиплексора-дешифратора 24.

Импульс на выходе схемы И 10 появляется после возвращения триггера 20 в исходное состояние и поэтому не пройдет схему И 20, а поступит через схему ИЛИ 12 на генератор 5, который возбудит пьезопреобразователь 3, и очередной акустический импульс начнет распространяться по потоку, а также после задержки одновибратором 13 переводит триггер 14 в состояние, при котором будет подготовлено к работе синхрокольцо "против потока".

Некоторое время спустя, в свою очередь, акустический импульс, распространяющийся в акустическом канале преобразователя расхода против потока, достигнет пьезопреобразователя 3 и приемный электрический импульс после фазорасщепителя 6, переключателей 7 и 8, усилителя-формирователя 9 появится на выходе схемы И 11. Этот импульс через генератор 5 вновь возбудит пьезопреобразователь 2, спустя определенное время одновибратор 13 переключит триггер 14, переведет триггер 15 в "0" и поступит на второй вход схемы И 18.

Счетчик 23 будет продолжать отсчитывать импульсы, поступающие с квантующего генератора 22 до тех пор, пока не поступит импульс с первого выхода мультиплексора-дешифратора 24.

Этот импульс переведет в начальное состояние триггер 19 и вследствие этого прекратится работа квантующего генератора 22 и счетчика-делителя 23. Кроме того, этот же импульс поступит на временной селектор 17, на другой вход которого поступит сигнал с выхода схемы И 11.

В зависимости от того, на какой из входов временного селектора 17 поступит импульс раньше, будет заряжаться или разряжаться интегратор 21, изменяя тем самым управляющее напряжение на входе квантующего генератора 22 до тех пор, пока не установится выходная частота, при которой импульс с первого выхода дешифратора 24 будет приходить на селектор 17 одновременно с импульсом от второй схемы И 11.

После появления импульса на выходе первой схемы И 10 устройство перейдет в первоначальное состояние. Схема работает таким образом до тех пор, пока импульсы в синхрокольцах, работающих по потоку и против него, не сойдутся во времени настолько близко, что импульс с выхода схемы И 10 совпадает по времени с "1" на выходе триггера 20. В этом случае срабатывает схема И 30, которая переведет триггер 27 в состояние, в котором он подготовит к срабатыванию схему И 26 и переведет триггер 28 переключения фазы входного сигнала в противоположное состояние, переключив тем самым переключатели 7 и 8. Как только появится импульс с второго выхода мультиплексора-дешифратора 24, сразу возникает импульс на выходе схемы И 26. Этот импульс, во-первых, пройдя схему ИЛИ 12, поступит на генератор 5, который возбудит пьезопреобразователь 2, и в акустическом канале начнет распространяться импульс против потока, во-вторых, переведет триггер 14 в противоположное состояние и, в-третьих, переключит триггер 15 в "0" и возбудит одновибратор 29, который после небольшой задержки переключит триггер 27 в исходное состояние. Таким образом фаза входного сигнала на входе усилителя-формирователя 9 меняется на 180^o при каждом схождении колец.

На этом переходный режим оканчивается, и схема вновь работает по вышеописанному порядку. Отметим, что в этот момент в акустическом канале в направлении против потока распространяются два акустических импульса (излученные до переходного режима и во время него). Но из-за переключения триггера 14 во время переходного режима на работу синхрокольца "по потоку", первый по времени импульс "против потока" будет заблокирован и не попадет на фазорасщепитель 6 и далее на усилитель-формирователь 9.

Итак, в предлагаемом устройстве при каждом схождении импульсов синхроколец зондирование потока измеряемой среды в кольце, работающем против потока, произойдет через время, прошедшее до появления сигнала на втором выходе мультиплексора-дешифратора 24, которое устанавливается задатчиком 25 программы в зависимости от заданных величин T₃ или K или числе периодов m квантующего генератора 22.

Конфигурация мультиплексора-дешифратора 24 не раскрывается, так как она зависит от конкретных конструктивных особенностей устройства, его назначение
формирование необходимых временных интервалов для функционирования устройства в зависимости от T₃ и K. Задатчик 25 программы в простейшем случае - обычный переключатель, коммутирующий входы мультиплексора. Кроме того, могут быть использованы выносной микропроцессорный комплекс для расчета и установки T₃, использующий информацию о T₁, T₂, ΔF_и, и вход управления D.

Для придания измерительному устройству свойств фазонечувствительности после каждого законченного цикла измерения (схождения синхроколец) необходимо изменять фазу входного сигнала на 180^o. Тогда в двух соседних циклах точки привязки к логическим схемам будут f и f + 180^o, а так как циклы многократно повторяются, то усредненное значение точки привязки будет f + 90^o и устройством приобретаются средства нечувствительности результатов измерения к полярности импульса возбуждающего пьезоизлучателя. Отпадает необходимость в соблюдении дозировки соединительной линии.

Кроме того, при передаче сигнала от измерительного устройства к пьезопреобразователю из-за неточного согласования входного сопротивления с линией передачи, что практически всегда сопровождает передачу видеоимпульса из-за его слишком крутых фронтов, в линии связи возникают отражения, искажающие импульс возбуждения электроакустического преобразователя. В этом случае искажению подвергается одна полуволна акустического сигнала при неискаженной другой. Тогда "поворот" приемного сигнала на 180^o также ослабляет влияние искажений как минимум в 2 раза, так как за два соседних цикла результаты усредняются.

Использование: в измерительной технике. Сущность изобретения: излучают и принимают ультразвуковые импульсы, прошедшие среду по потоку и против него с образованием двух синхроколец, квантуют периоды синхрокольца n периодами специального генератора, исключают совпадение во времени импульсов синхроколец и вычисляют скорость потока, при этом предварительно определяют время прохождения импульсами неизмерительных участков синхроколец и величину задержки импульса синхрокольца против потока среды, которую квантуют m периодами генератора, а объем продукта определяют по формуле. Устройство 1 содержит два пьезопреобразователя 2,3, коммутатор 4, генератор 5, фазорасщепитель 6, два переключателя 7, 8, усилитель-формирователь 9, пять схем И 10,11,18,30,26, шесть триггеров 14,15,19,20,27,28, схему ИЛИ 12, три одновибратора 13,16,29, временной селектор 17, интегратор 21, квантирующий генератор 22, счетчик делителя 23, мультиплексор-дешифратор 24, задатчик программы 25. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Ультразвуковой способ определения объема продукта, прошедшего через сечение трубопровода, включающий излучение и прием ультразвуковых импульсов по потоку измеряемой среды и против него с образованием в одном канале двух синхроколец, квантование периода синхрокольца n периодами специального генератора, исключение совпадения во времени импульсов обоих синхроколец и вычисление по параметрам синхроколец величины скорости потока, отличающийся тем, что предварительно определяют время прохождения импульсов неизмерительных участков синхроколец и задержку излучения импульса синхрокольца против потока измеряемой среды, величину которой осуществляют на m периодов квантующего генератора, а объем жидкости, прокачиваемой за один период разностной частоты, определяют по формуле

где D диаметр трубопровода;
a - угол наклона акустической оси;
K коэффициент гидродинамической поправки, показывающий отклонение средней скорости между излучающими головками от средней скорости в трубопроводе;
L база (расстояние между преобразователями);
Т₂ полный период синхрокольца против потока измеряемой среды;
τ₃ - время прохождения импульсами синхроколец неизмерительных участков при условии их адекватности;
n число периодов квантующего генератора в периоде Т₂, по которым производится синхронизация генератора периодом синхрокольца против потока;
m число периодов квантующего генератора, на которое производится задержка запуска синхрокольца против потока после схождения колец;
v скорость продукта;
с скорость ультразвука в среде,
при этом для масштабирования периода схождения используют задержку излучения импульса синхрокольца. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что величину задержки излучения импульса синхрокольца против потока подбирают либо для масштабирования, либо для компенсации изменений коэффициента гидродинамической поправки. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что фазу сигнала на входе приемного устройства изменяют на 180^o после каждого схождения импульсов синхроколец. 4. Устройство для определения объема продукта, содержащее два пьезодатчика, установленные на стенках трубопровода, последовательно соединенные генератор с коммутатором, усилитель-формирователь, первую и вторую схему И, первый триггер, схему ИЛИ, первый и второй одновибраторы, причем генератор через коммутатор подключен к пьезодатчикам, первый триггер первым и вторым выходами соединен соответственно с первыми входами первой и второй схем И, отличающееся тем, что оно содержит третью, четвертую и пятую схему И, второй шестой триггеры, третий одновибратор, временной селектор, квантующий генератор, интегратор, счетчик-делитель, задатчик программы, мультиплектор-дешифратор, фазорасщепитель входного сигнала, первый и второй переключатели, причем выход второй схемы И подключен к первому входу схемы ИЛИ, счетному входу второго триггера, второму входу третьей схемы И и второму входу временного селектора, который через интегратор подключен к первому входу квантующего генератора, подключенного выходом к счетному входу счетчика-делителя, управляющий вход которого соединен с первым выходом третьего триггера, второй выход которого соединен с управляющим входом квантующего генератора, к первому входу третьего триггера подключен первый вход временного селектора, третий вход которого соединен с выходом второго одновибратора, подключенного входом к единичному выходу второго триггера и первому входу третьей схемы И, соединенной выходом с вторым входом третьего триггера и вторым входом четвертого триггера, который выходом соединен с первым входом четвертой схемы И, второй вход которой соединен с выходом первой схемы И и третьим входом схемы ИЛИ, а выход четвертой схемы И подключен к первому входу пятого триггера, второй вход которого соединен с выходом третьего одновибратора, а выход с первым входом пятой схемы И, соединенной выходом с установочным входом второго триггера, входом третьего одновибратора и вторым входом схемы ИЛИ, выход которой подключен к входу генератора и через первый одновибратор к входу первого триггера, который первым и вторым выходами соединен с коммутатором, причем усилитель-формирователь подключен выходом к вторым входам первой и второй схем И, вход фазорасщепителя подключен к коммутатору, а выходы соответственно к входам первого и второго переключателей, выходы соответственно к входам первого и второго переключателей, выходы которых соединены между собой и с входом усилителя-формирователя, управляющие входы первого и второго переключателей соединены соответственно с прямым и инверсным выходами шестого триггера, счетный вход которого подключен к выходу пятого триггера, а задатчик программы соединен с мультиплексором-дешифратором, подключенным соответствующим числом входов к выходам счетчика-делителя, первым выходом к первому входу третьего триггера и первому входу временного селектора, вторым выходом к второму входу пятой схемы И, а третьим выходом к первому входу четвертого триггера.