ФАЗОВОЕ УЛЬТРАЗВУКОВОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ДАВЛЕНИЯ И РАСХОДА ЖИДКОСТИ Российский патент 2001 года по МПК G01F1/66 G01L11/06 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства для непрерывного и экспрессного контроля давления и расхода жидкости в трубопроводах.

Известны фазовые ультразвуковые устройства для контроля давления и расхода жидкости (авт. свид. СССР N N 314073, 416568, 551509, 1000763, 1141294; патенты РФ N N 2017067, 2032713, 2027149; патенты США N N 4300400, 4590805; патенты ФРГ N N 2756873, 2449881; патенты Японии N N 56-54565, 54-43066; Ультразвуковые расходомеры нефти и нефтепродуктов. - М., 1970; Бражников Н. И. Ультразвуковые фазометры. - М., 1968 и другие).

Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является "Фазовое ультразвуковое устройство для контроля давления и расхода жидкости" (авт. свид. СССР N 416568, G 01 F 1/00, 1972), которое и выбрано в качестве ближайшего аналога.

Указанное устройство содержит высокочастотный генератор, модулятор, модулирующий генератор, измерительный преобразователь, фазорегулятор, усилители, блоки задержанной автоматической регулировки усиления, фазовые детекторы, усилители-ограничители, демодулятор и регистраторы. Оно обеспечивает измерение фазовым методом давления и расхода жидкости в трубопроводах.

Технической задачей изобретения является повышение чувствительности устройства при измерении малых фазовых сдвигов, соответствующих малым давлению и расходу жидкости в трубопроводах.

Поставленная задача решается тем, что в фазовое ультразвуковое устройство для контроля давления и расхода жидкости, содержащее измерительный преобразователь с двумя наклонными встречно ориентированными акустическими каналами, модулятор, входы которого соединены с высокочастотным и модулирующим генераторами, а выход - с излучателями каналов, два приемника измерительного преобразователя, к каждому из которых последовательно подключены фазорегулятор, усилитель, второй вход которого через блок задержанной автоматической регулировки усиления соединен с его выходом, и фазовый детектор расхода, регистратор расхода, регистратор давления, фазовый детектор давления, первый вход которого через последовательно включенные третий фазорегулятор и первый усилитель-ограничитель соединен с вторым выходом модулирующего генератора, второй вход - через последовательно включенные демодулятор и второй усилитель-ограничитель соединен с вторым выходом второго усилителя, а первый выход через первый и второй сумматоры соединен с вторыми входами первого и второго блоков задержанной автоматической регулировки усиления соответственно, вторые входы первого и второго сумматоров соединены с выходами блока питания опорным напряжением, введены восемь квадраторов, два фазовращателя на 90^o, два масштабирующих перемножителя, два вычитателя, третий и четвертый сумматоры, причем к выходу фазового детектора расхода последовательно подключены первый фазовращатель на 90^o, первый квадратор, первый масштабирующий перемножитель, второй вход которого через второй квадратор соединен с выходом фазового детектора расхода, первый вычитатель, второй вход которого через третий квадратор соединен с выходом второго квадратора, третий сумматор, второй вход которого через четвертый квадратор соединен с выходом первого квадратора, и регистратор расхода, к второму выходу фазового детектора давления последовательно подключены второй фазовращатель на 90^o, пятый квадратор, второй масштабирующий перемножитель, второй вход которого через шестой квадратор соединен с вторым выходом фазового детектора давления, второй вычитатель, второй вход которого через седьмой квадратор соединен с выходом шестого квадратора, четвертый сумматор, второй вход которого через восьмой квадратор соединен с выходом пятого квадратора, и регистратор давления.

Структурная схема предлагаемого устройства представлена на чертеже.

Устройство содержит модулятор 2, входы которого соединены с высокочастотным 1 и модулирующим 3 генераторами, а выход - с излучателями И₁ и И₂ каналов измерительного преобразователя 4, два приемника П₁ и П₂ измерительного преобразователя 4, к каждому из которых последовательно подключены фазорегулятор 5(6), усилитель 7(8), второй вход которого через блок 9(10) задержанной автоматической регулировки усиления соединен с его выходом, фазовый детектор 11 расхода, первый фазовращатель 22 на 90^o, первый квадратор 23, первый масштабирующий перемножитель 24, второй вход которого через второй квадратор 25 соединен с выходом фазового детектора 11 расхода, первый вычитатель 27, второй вход которого через третий квадратор 26 соединен с выходом второго квадратора 25, третий сумматор 29, второй вход которого через четвертый квадратор 28 соединен с выходом первого квадратора 23, и регистратор расхода 12. К второму выходу модулирующего генератора 3 последовательно подключены третий фазорегулятор 14, первый усилитель-ограничитель 15, фазовый детектор 13 давления, первый 19 и второй 20 сумматоры, вторые входы которых соединены с выходами блока питания 21 опорным напряжением, а выходы подключены к вторым входам блоков 9 и 10 задержанной автоматической регулировки усиления соответственно. К второму выходу второго усилителя 8 последовательно подключены демодулятор 17 и второй усилитель-ограничитель 16, выход которого соединен с вторым входом фазового детектора 13 давления. К второму выходу фазового детектора 13 давления последовательно подключены второй фазовращатель 30 на 90^o, пятый квадратор 31, второй масштабирующий перемножитель 32, второй вход которого через шестой квадратор 33 соединен с вторым выходом фазового детектора 13 давления, второй вычитатель 35, второй вход которого через седьмой квадратор 34 соединен с выходом шестого квадратора 33, четвертый сумматор 37, второй вход которого через восьмой квадратор 36 соединен с выходом пятого квадратора 31, и регистратор давления 18.

Принцип "усиления" малого фазового сдвига Δϕ, пропорционального малому расходу или давлению жидкости в трубопроводе, с целью повышения чувствительности устройства основан на использовании алгоритма
cos⁴Δϕ-6cos²Δϕ•sin²Δϕ+sin⁴Δϕ = cos4Δϕ.
Устройство работает следующим образом.

Сигналы высокочастотного генератора 1 поступают на один из входов модулятора 2, другой вход которого соединен с выходом модулирующего генератора 3, а выход с излучателями И₁ и И₂ измерительного преобразователя 4.

Ультразвуковые колебания, прошедшие поток жидкости, поступают на приемники П₁ и П₂ преобразователя 4 со сдвигом фазы несущей частоты Δϕ₁, пропорциональным расходу жидкости, и сдвигом фазы частоты модуляции Δϕ₂, пропорциональным давлению.

С выходов приемников П₁ и П₂ амплитудно-модулированные сигналы через фазорегуляторы 5, 6 и усилители 7, 8, соединенные с блоками задержанной автоматической регулировки усиления 9 и 10, поступают на входы фазового детектора 11. Амплитуды этих сигналов стабилизированы и определяются блоками задержанной автоматической регулировки усиления 9 и 10, на которые подается опорное напряжение постоянного тока.

Фазовый детектор 11 вырабатывает напряжение
u₁(t) = U₁cosΔϕ,
пропорциональное амплитуде поступающих на него сигналов и разности их фаз Δϕ₁, т.е. расходу жидкости, которое поступает на вход фазовращателя 22 на 90^o, на выходе которого образуется напряжение
u₂(t) = U₁cos(Δϕ₁+90^°) = -U₁sinΔϕ₁.
Это напряжение поступает на вход первого квадратора 23, на выходе которого образуется напряжение
u₃(t) = U21

sin²Δϕ₁.
Одновременно напряжение u₁(t) с выхода фазового детектора 11 расхода поступает на вход второго квадратора 24, на выходе которого образуется напряжение
u₄(t) = U21cos²Δϕ₁.
Это напряжение поступает на вход третьего квадратора 26, на выходе которого образуется напряжение
u₅(t) = U41cos⁴Δϕ₁.
Напряжения u₃(t) и u₄(t) поступают на два входа масштабирующего перемножителя 24, на выходе которого образуется напряжение

Напряжения u₅(t) и u₆(t) поступают на два входа вычитателя 27, на выходе которого формируется напряжение

Напряжение u₃(t) с выхода первого квадратора 23 поступает на вход четвертого квадратора 28, на выходе которого образуется напряжение
u₈(t) = U41•sin⁴Δϕ₁.
Напряжение u₇(t) и u₈(t) поступают на два входа третьего сумматора 29, на выходе которого формируется напряжение

которое подается на регистратор расхода 12.

Одновременно с измерением расхода на другой фазовый детектор 13 поступают сигналы модулирующего генератора 3 через фазорегулятор 14 и усилитель-ограничитель 15, а также через усилитель-ограничитель 16 полученная на выходе демодулятора 17 огибающая усиленного модулированного сигнала приемника П₂. Положение фазорегулятора 6 определяется по равенству нулю сигнала детектора 13 при начальном значении контролируемого давления.

Пропорциональный давлению выходной сигнал детектора 13 с его первого выхода подается на входы первого 19 и второго 20 сумматоров, на другие входы которых подано опорное напряжение от блока питания 21. Выходы сумматоров 19, 20 соединены с блоками задержанной автоматической регулировки усиления 9 и 10.

В результате этого амплитуда напряжений высокочастотных сигналов, поступающих с выходов усилителей 7 и 8 на входы фазового детектора 111, получает положительное приращение, пропорциональное величине контролируемого давления.

Такое приращение компенсирует уменьшение регистрируемого детектором 11 межканального фазового сдвига, вызванное увеличением давления, и, соответственно, повышает точность измерения расхода жидкости при изменениях давления, которые регистрируются одновременно с расходом.

Фазовый детектор 13 вырабатывает напряжение
u₁₀(t) = U₂cosΔϕ₂,
пропорциональное давлению жидкости в трубопроводе, которое с второго выхода поступает на вход второго фазовращателя 30 на 90^o, на выходе которого образуется напряжение
u₁₁(t) = U₂cos(Δϕ₂+90^°) = -U₂sinΔϕ₂.
Это напряжение поступает на вход пятого квадратора 31, на выходе которого образуется напряжение
u₁₂(t) = U22

sin²Δϕ₂.
Одновременно напряжение u₁₀(t) с второго выхода фазового детектора 13 давления поступает на вход шестого квадратора 33, на выходе которого образуется напряжение
u₁₃(t) = U22cos²Δϕ₂.
Это напряжение поступает на вход седьмого квадратора 34, на выходе которого образуется напряжение
u₁₄(t) = U42cos⁴Δϕ₂.
Напряжения u₁₂(t) и u₁₃(t) поступают на два входа второго масштабирующего перемножителя 32, на выходе которого формируется напряжение

Напряжения u₁₄(t) и u₁₅(t) поступают на два входа второго вычитателя 35, на выходе которого формируется напряжение

Напряжение u₁₂(t) с выхода пятого квадратора 31 поступает на вход восьмого квадратора 36, на выходе которого образуется напряжение
u₁₇(t) = U42sin⁴Δϕ₂.
Напряжения u₁₆(t) и u₁₇(t) поступают на два входа четвертого сумматора 37, на выходе которого формируется напряжение

которое фиксируется регистратором давления 18.

Таким образом, измеряемые фазовые сдвиги Δϕ₁ и Δϕ₂, пропорциональные расходу и давлению жидкости в трубопроводе, в 4 раза больше, чем исходные фазовые сдвиги. Тем самым в предлагаемом устройстве по сравнению с известным обеспечивается значительное повышение чувствительности при измерении малых фазовых сдвигов, соответствующих малым расходу и давлению жидкости в трубопроводе.

Кроме того, предлагаемое устройство обеспечивает возможность проведения измерений в широком диапазоне расходов, давлений и диаметров трубопроводов, начиная с весьма малых.

Сущность изобретения: устройство содержит высокочастотный и модулирующий генераторы, модулятор, измерительный преобразователь с двумя наклонными встречно ориентированными акустическими каналами, 3 фазорегулятора, 2 усилителя, 2 блока задержанной автоматической регулировки усиления, фазовый детектор расхода, регистратор расхода, фазовый детектор давления, 2 усилителя-ограничителя, демодулятор, регистратор давления, 4 сумматора, блок питания опорным напряжением, 8 квадраторов, 2 масштабирующих перемножителя, 2 фазовращателя, 2 вычитателя. Каждый акустический канал включает в себя излучатель и приемник. Изобретение обеспечивает повышение чувствительности за счет четырехкратного усиления малых фазовых сдвигов, соответствующих малым расходу и давлению жидкости в трубопроводах. 1 ил.

Фазовое ультразвуковое устройство для контроля давления и расхода жидкости, содержащее измерительный преобразователь с двумя наклонными встречно ориентированными акустическими каналами, модулятор, входы которого соединены с высокочастотным и модулирующим генераторами, а выход - с излучателями каналов, два приемника измерительного преобразователя, к каждому из которых последовательно подключены фазорегулятор, усилитель, второй вход которого через блок задержанной автоматической регулировки усиления соединен с его выходом, и фазовый детектор расхода, регистратор расхода, регистратор давления, фазовый детектор давления, первый вход которого через последовательно включенные третий фазорегулятор и первый усилитель-ограничитель соединен с вторым выходом модулирующего генератора, второй вход - через последовательно включенные демодулятор и второй усилитель-ограничитель соединен с вторым выходом второго усилителя, а первый выход через первый и второй сумматоры соединен с вторыми входами первого и второго блоков задержанной автоматической регулировки усиления соответственно, вторые входы первого и второго сумматоров соединены с выходами блока питания опорным напряжением, отличающееся тем, что в него введены восемь квадраторов, два фазовращателя на 90^o, два масштабирующих перемножителя, два вычитателя, третий и четвертый сумматоры, причем к выходу фазового детектора расхода последовательно подключены первый фазовращатель на 90^o, первый квадратор, первый масштабирующий перемножитель, второй вход которого через второй квадратор соединен с выходом фазового детектора расхода, первый вычитатель, второй вход которого через третий квадратор соединен с выходом второго квадратора, третий сумматор, второй вход которого через четвертый квадратор соединен с выходом первого квадратора, и регистратор расхода, к второму выходу фазового детектора давления последовательно подключены второй фазовращатель на 90^o, пятый квадратор, второй масштабирующий перемножитель, второй вход которого через шестой квадратор соединен с вторым выходом фазового детектора давления, второй вычитатель, второй вход которого через седьмой квадратор соединен с выходом шестого квадратора, четвертый сумматор, второй вход которого через восьмой квадратор соединен с выходом пятого квадратора, и регистратор давления.