УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОДНОКАНАЛЬНЫЙ ФАЗОВЫЙ БЕСКОММУТАЦИОННЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА Российский патент 2002 года по МПК G01F1/66 

Изобретение относится к ультразвуковой технике и может найти применение при автоматизации контроля и управления расходом жидких и газообразных веществ в технологических процессах в химической, нефтяной и других отраслях промышленности.

Известны ультразвуковые способы измерения расхода (авт. свид. СССР 488983, 553456, 620818, 673852, 723374, 802790, 934228, 1068716, 1273740, 1453178, 1659717, 1749711; патенты РФ 2027149, 2047097, 2047098; патенты США 3204457, 3693439, 3772919, 4590805; патент ФРГ 2449881; патент Японии 54-43066; Хамидуллин В.К. Ультразвуковые контрольно-измерительные устройства и системы. - Л., 1989; Труман С.Г. Современные ультразвуковые расходомеры. - М., 1984 и другие).

Из известных способов наиболее близким к предлагаемому является "Ультразвуковой одноканальный фазовый бескоммутационный способ измерения расхода" (авт. св. СССР 488983, G 01 F 1/00, 1973), который и выбран в качестве ближайшего аналога.

Указанный способ основан на встречной посылке по акустическому каналу непрерывных разночастотных колебаний, при этом в одном направлении посылают колебания на двух симметричных составляющих основной частоты, а в другом направлении - колебания основной частоты, выделяют на выходе обоих направлений вторую гармонику основной частоты и определяют для них разность фаз, по которой судят о величине расхода. Причем разность фаз, определяющая величину расхода, измеряется только на второй гармонике основной частоты 2ω₀. Но не используется вторая гармоника вспомогательной частоты 2ω₁. Ее использование позволяет повысить достоверность и надежность измерения расхода.

Технической задачей изобретения является повышение достоверности и надежности измерения расхода путем дополнительного измерения разности фаз на второй гармонике вспомогательной частоты.

Поставленная задача решается тем, что согласно ультразвуковому одноканальному фазовому бескоммутационному способу измерения расхода, основанному на встречной посылке по акустическому каналу непрерывных разночастотных колебаний, в одном направлении посылают колебания на двух симметричных составляющих основной частоты, а в другом направлении - колебания основной частоты, выделяют на выходе обоих направлений вторую гармонику основной частоты и определяют для них разность фаз, по которой судят о величине расхода, дополнительно посылают в другом направлении колебания вспомогательной частоты, выделяют на выходе обоих направлений вторую гармонику вспомогательной частоты и определяют для них разность фаз, по которой уточняют величину расхода.

На чертеже приведена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ измерения расхода.

Устройство содержит дуплексную пару излучатель-приемник 1 и 2, генератор 3 колебаний основной частоты ω₀, генератор колебаний 4 вспомогательной частоты ω₁, балансный модулятор 5, узкополосные фильтры 6, 7, 8 и 14 на частоты (ω₀+ω₁),(ω₀-ω₁),ω₀ и ω₁ соответственно, смеситель 9, узкополосные фильтры 12 и 13 на частоты 2ω₀ и 2ω₁ соответственно, удвоители 10 и 15 частоты, фазометры 11 и 16, блок 17 регистрации.

Устройство работает следующим образом.

Генераторы 3 и 4 формируют гармонические колебания:
u₀(t) = U₀Cos(ω₀t+ϕ₀);
u₁(t) = U₁Cos(ω₁t+ϕ₁),
где U_o, U₁, ϕ₀,ϕ₁ - амплитуды и начальные фазы гармонических колебаний;
ω₀,ω₁ - основная и вспомогательная частоты, которые воздействуют на пьезопреобразователь 2.

Для получения ультразвука в диапазоне частот (1-5 МГц) наибольшее распространение получили пьезоэлектрические преобразователи, в которых активными являются пьезоэлементы, изготовленные из монокристалла кварца или пьезокерамических материалов - титаната бария, цирконата титаната свинца и др. На плоские поверхности пьезоэлементов наносят тонкие слои серебра, служащие электродами. При подведении к электродам знакопеременного электрического напряжения пьезоэлемент совершает вынужденные механические колебания (растягивается и сжимается) с частотой подавляемого электрического напряжения. Данное явление называется обратным пьезоэффектом.

Акустические волны основной ω₀ и вспомогательной ω₁ частот распространяются, например, против потока жидкости, протекающего по трубопроводу.

Гармонические колебания U₀(t) и U₁(t) с вторых выходов генераторов 3 и 4 одновременно поступают на два входа балансного модулятора 5, на выходе которого образуются следующие напряжения:
u₂(t) = U₂Cos[(ω₀-ω₁)t+ϕ₂];
u₃(t) = U₃Cos[(ω₀+ω₁)t+ϕ₃];
которые возбуждают пьезопреобразователь 1, и акустические волны этих частот распространяются по направлению движения потока жидкости.

Таким образом, в потоке жидкости распространяются ультразвуковые колебания четырех частот: ω₀,ω₁,(ω₀-ω₁) и (ω₀+ω₁). Эти колебания воспринимаются пьезоэлементами и выделяются узкополосными фильтрами 6, 7, 8 и 14 соответственно:
u₆(t) = U₆Cos[(ω₀+ω₁)t+ϕ₆];
u₇(t) = U₇Cos[(ω₀-ω₁)t+ϕ₇];
u₈(t) = U₈Cos(ω₀t+ϕ₈);
u₁₄(t) = U₁₄Cos(ω₁t+ϕ₁₄).
Напряжения u₆(t) и u₇(t) с выходов узкополосных фильтров 6 и 7 поступают на два входа смесителя 9, на выходе которого образуется следующее напряжение


K₁ - коэффициент передачи смесителя.

Узкополосными фильтрами 12 и 13 выделяются следующие напряжения соответственно:


которые поступают на первые входы фазометров 11 и 16.

Напряжения u₈(t) и u₁₄(t) с выходов узкополосных фильтров 8 и 14 поступают на входы удвоителей частоты 10 и 15, на выходе которых образуются следующие напряжения:
u₁₀(t) = U₁₀Cos(2ω₀t+ϕ₁₀);
u₁₄(t) = U₁₄Cos(2ω₁t+ϕ₁₄).
Эти напряжения подаются на вторые входы фазометров 11 и 16 соответственно, которые измеряют фазовые сдвиги:


По фазовым сдвигам Δϕ₁ и Δϕ₂ определяют скорости V₁ и V₂ контролируемого потока жидкости, которые являются мерой объемных расходов.

Объемные расходы контролируемой среды равны:
Q₁ = V₁•S,
Q₂ = V₂•S,
где S - площадь поперечного сечения трубопровода.

Таким образом, предлагаемый способ по сравнению с прототипом и другими аналогичными способами обеспечивает повышение достоверности и надежности измерения расхода. Это достигается путем дополнительного измерения разности фаз на второй гармонике вспомогательной частоты.

Использование: при автоматизации контроля и управления расходом жидких и газообразных веществ в технологических процессах в химической, нефтяной и других отраслях промышленности. Сущность: осуществляют встречную посылку по акустическому каналу непрерывных разночастотных колебаний. Выделяют на выходе обоих направлений вторые гармоники основной и вспомогательной частот, определяют для них разность фаз, по которой судят о величине расхода. Технический результат изобретения заключается в повышении достоверности и надежности измерения расхода путем дополнительного измерения разности фаз на второй гармонике вспомогательной частоты. 1 ил.

Ультразвуковой одноканальный фазовый бескоммутационный способ измерения расхода, основанный на встречной посылке по акустическому каналу непрерывных разночастотных колебаний, при этом в одном направлении посылают колебания на двух симметричных составляющих основной частоты, а в другом направлении - колебания основной частоты, выделяют на выходе обоих направлений вторую гармонику основной частоты и определяют для них разность фаз, по которой судят о величине расхода, отличающийся тем, что дополнительно посылают в другом направлении колебания вспомогательной частоты, выделяют на выходе обоих направлений вторую гармонику вспомогательной частоты и определяют для них разность фаз, по которой уточняют величину расхода.