Ультразвуковой расходомер Советский патент 1983 года по МПК G01F1/66 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства при измерении расхода. Известен одиоканальный ультразвуковой расходомер, содержащий одноканальный акустический преобразователь расхода с двумя приемоизлучающими головками, два ключа, схему логики, Зсщающий генератор, два смесителя, перестраиваемый фазовый ком пенсатор llНаиболее близ5 им к предлагаемому является устройство, реализующее способ измерения расхода, которое содержит две приемоизлучающие -головки, установленные на отрезке трубопровода, и измерительную схему,вклю чающую два ключа, первые входы кото рых подключены соответственно к пер вой и второй приемоизлучающим голов кам, вторые входы к задающему генератору, третьи - к схеме логики, а -выходы через первый и второй смесители, вторые входы которых соединены, подключены к входам нуль-детекг тора, выход которого подключен к измерителю временных интервалов, Зсщающий генератор и генератор вспо могательной частоты, выходы которых подключены к входам схемы логики. Использование в качестве опорного сигнала вспомогательной частоты обеспечивает синхронизацию фаз приемных сигналов и опорного. Благодаря этому имеет место постоянство начальной фазы единичного периода колебаний разностной частоты на выходе одного из смесителей.При этом остается постоянным расположение нуль-перехода этого сигнала относительно его граничных точек (общих для обоих сигналов) . Однако известный расходомер характеризуется недостаточной точностьк при измерении знакопеременных расходов. Действительно, порядок .расположения на временной оси нуль-переходов единичных периодов колебаний разностной частоты должен быть однозначно связан с направлением течения среды через преобразователь расхода. При изменении направления течения он меняется на противоположный. Так как в рассматриваемом расходомере положение нуль-перехода о; ного из сигналов постоянно относительно его граничных точек и для реализации максимально возможного сдвига фаз межДу сигналами приема, равного 2ir,- этот переход располагае ся у одной из границ сигнала, при изменении направления течения среды нужный нуль-переход второго сигнала переходит через эту границу, при этом расходомер дает неверную инфор мацию как о величине, так и о знаке контролируемого расхода. Цель изобретения - повышение точ ности при измерении расхода знакопеременных потоков.IУказанная цель достигается тем, что в устройство.введены третий клю индикатор знака и третья и четверта приемоизлучающие головки, причем входы индикатора знака подключены к выходам смесителей, управляющий вход третьего ключа подключен к схе ме логики, сигнальный вход - к генератору вспомогательной частоты, а выход - к третьей приемоизлучающей головке, четвертая приемоизлучающая головка подключена к вторым входам смесителей, при этом расстоя ние между первой и второй и третьей и четвертой приемоизлучающими голов ками равны между собой. На фиг.1 показана структурная схема предлагаемого расходомера; на фиг.2 - акустический преобразовател с приемоизлучающими головками, разрез; ga фиг.З - временные диаграммы поясняющие работу расходомера. Расходомер включает (см.фиг.1) акустический преобразователь 1 расхода с четырьмя приемоизлучающими головками 2-5, три ключа 6-8, задающий генератор 9, генератор 10 вспомогательной частоты, два смесителя 11 и 12, нуль-детектор 13,измеритель 14 временных интервалов, индикатор 15 знака и схему 16 логики . Преобразователь расхода (фиг.2) содержит корпус 17 с фланцами 18 и 19 для подстыковки к контролируемому трубопроводу. Корпус имеет четыр гнезда 20-23, в которых монтируются четыре приемоизлучающие головки 2427. Ось пары головок 24-25- расположена под углом 90 к оси корпуса 17 Ось второй пары 26-27 расположен под углом oiк оси корпуса 17. Расстояния ://( и ./2между головками 2425 и 26-27 равны между собой. Расходомер работает следующим образом. Через преобразователь расхода пропускается контролируемая жидкост При этом формируется поток со средней скоростью V , где D - диаметр трубопровода, а Q- объемный расход. На ключи 6 и 7 поступают сигналы (см.фиг.3) с задающего генератора 9 V --v siHC8{,-t () и управляющий - со схемы 16 логики V.,U), . (2) где , Utt)IG(-l--|i) (з; -л HJO-WY- /1 где п 1,2,3.,.к- целое число. .G -lo-H/ 4,teLo,-t;o3,T;o-Управляющий сигнал представляет собой последовательность импульсов с периодом следования, кратным периоду колебаний сигнала разностной частоты На сигнальный вход ключа 8 поступает сигнал с генератора вспомогательной частоты N,,--Vn;cosu;v--t. а на его управляющий вход - сигнал V На ультразвуковые головки 2 и 3 поступает сигнал ,Ct).in%t , (5) на ультразвуковую головку 4 Vf-VwiO.(i)C05Utfrt: (б) Электрические сигналы у, и V преобразуются ультразвуковыми головками 2 - 4 в три ультразвуковых импульса. Два из них (от головок 2 и 3) движутся во взаимнопротивоположных направлениях по одному пути под углом с к потоку. При наличии течения жидкости скорость движения одного из сигналов равна C+V, а другого C-V, где V - проекция скорости среды на направление распространения сигналов. В итоге один сигнал получает временную задержку в преобразователе расхода у , другой - . Третий импульс, излученный головкой 4, движется перпендикулярно потоку, поэтому составляющая скорости среды на направление его движения равна нулю. Скорость движения этого импульса равна скорости звука в неподвижной среде С, так что он получает Li задержку -;;;- . Звуковыв импульсы, достигнуй приемных головок, преобразуются в электрические сигналы: головкой 3 ,li - )(4- V),0 головкой 2 )iKict;o(t-c)Ag) NvV C itголовкой 4 (i-J)51HUyj t--) (P)

Приемные, сигналы поступают с головок 2 и 3 со сдвигом по времени

V,

t,c учетом C77V do}

C-V С

С помощью смесителей 11 и 12 осуществляется преобразование несущей частоты приемных сигналов V и V-J путем смещения его с опорным сигналом. Согласно изобретению в качестве опорного используется сигнал Vg, набег фазы которого в акустическом преобразователе t8JyiL2/C равен набегу фазы сигналов V и V- при отсутствии расхода. Сигналы Vg и V на выходах смесителей 11 и 12 пропорциональны низкочастотным составляющим произведений Vg и Vj Vg:

-Vv.b(t-:)G(t-f-)5i.Cu;o--.)(t-). С..)

,G (t-evH-).)

t-b

ЛЛ-

где

Так как согласно (3) период повторения сигналов V и кратен периоду колебаний сигнала разностной частоты uLiQ-dV, то при фиксированном V положения нуль-переходов t и t сигналов Vg и v с определенным знаком производной по времени постоянны относительно их граничных точек.

„ -кг

Разность между t и t является

мерой скорости потока (объемного расхода)

t-t-- (13)

Она в М раз больше сдвига по времени между сигналами V, и Vy, что обеспечивает возможность измерения весьма малых расходов. ,

. При отсутствии расхода t О и нуль-переходы t и t располагаются на середине импульсов Vp и р. При наличии расхода (V 0) точки t и t согласно (11) и (12) сдвигаиотся относительно середины сигналов приема Vn и V на величины

МЦУ

АЛЦУ

Преобразователь расхои +

С 1 да рассчитывается таким образом, .что при максимальном расходе V V,,,

а 4 - . iK

4-(

-X /у,

/шок

С

откуда следует, что сдвиг нуль-переходов t и t относительно середины сигналов приема не превышает ±То/2.

Нуль-детектор 13 (обьино триггер в сочетании с усилителями-ограничителями, формирующими из сигналов

V и напряжения прямоугольной формы) срабатывает в моменты t и t перехода сигналов V и V p4epe3 нуль с одинаковыми знаками производной по времени, например отрицательными (т.е. срабатывает от задних фронтов усиленных сигналов V и ) . На выходе нуль-детектора 13 формируется временной интервал, равный модулю разности tf- t. При изменении знака расхода (V -сО) порядок расположения точек t и t на оси времени изменяется. Максимально допустимый интервал между t и t составляет /vV, что соответствует сдвигу фаз

27f между приемными сигналами Vg и v как в известном устройстве.

Длительность временного интервала / t - t/ , формируемого нульдетектором 13, измеряется измерителем 14 временных интервалов. Индикатор 15 знака находится в положеО

в зависимости

НИИ

или

от того, какой из сигналов Vp и V поступает первым по времени на его

входы, т.е. позволяет определить направление, течения среды через преобразователь расхода.

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает при сохранении всех прочих характеристик известного устройства измерение знакопеременного расхода, т.е. позволяет измерять расход при произвольном направлении течения контролируемой среды через преобразователь расхода и определять направление течения.

Формула изобретения

Ультразвуковой расходомер, содержащий первую и вторую приемоизлучающие головки, установленные на отрезке трубопровода, и измерительную схему, включающую два ключа,

первые входы которых подключены соответственно к первой и второй приемоизлучающим головкам, вторые входы - к задающему генератору, третьи - к схеме логики, а выходы через первый и второй смесители,вторые входы которых соединены, подключены к входам нуль-детектора, выход которого подключен к измерителю временных интервалов, задсиощий генера- тор и генератор вспомогательной

частоты, выходы которых подключены к входам схемы логики, о т л и ч аю щ ии с я тем, что, с целью повышения точности при измерении расхода знакопеременных потоков, в него

введен третий ключ, индикатор знака и третья и четвертая приемоизлучающие головки, причем входы индикатора знака подключены к выходам смесителей, управляющий вход третьего клю, подключен к схеме логики, сигналь.ный вход - к генератору вспомогательной частоты, а выход - к третьей приемокэлучающей головке, четвертая приемоизлучающая головка подключена к вторым входам смесителей, при этом расстояние между первой и второй и третьей и четвертой приемоизлучакицими головками равны между собой.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Патент США 3935735,кл.73-194, 1976.

2; Авторское свидетельство СССР 767523,кл, G 01 F 1/66, 1978 (прототип) .

fe

Уг

fff

7

УВ

Vf

Vn