Ультразвуковой способ измерения расхода Советский патент 1983 года по МПК G01F1/66 

Изобретение относится к изиерительной технике, в частности к расходометрйк, и может быть, использов.ано в нефтедобывающей,. нефтеперера батывающей , химической, гидрометаллургическр.й и других отраслях промы ленности для прецизионного измерения расхода и точного учета количес ва различных сред, а также в медицинских целях для измерения скорост кровотока. Известен ультразвуковой одноканальный фазовый бескоммутационный способ измерения расхода, основанны на встречной посылке а одном направ лении .колебаний двух симметричных составляющих основной частоты, а в другом направлении - колебаний ос новной частоты, выделении на выходе обоих направлений второй гармоники основной частоты и определении для них разности фа, по которой судят о величине расхода ij , Недостатками способа являются зависимость измерений от абсолютной величины скорости распространения ультразвука в среде и невысокая точ ность измерений , зависящая от фазовых погрешностей при балансном преобразовании и удвоении частот. . Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является ультразвуковой одноканальный фазовый бескоммутационный способ измерения расхода, заключающийся в одновременной встречной посылке раэночастотнцх ультразвуковых колебаний через контролируемый поток, преобразовании колебаний, прошедших через поток, последующей фильтрации и измерении разности фаз преобразованных колебаний 2 . Недостатком известного способа является зависимость измерений .от абсолютной величины, скорости распро странения ультразвука: в среде и, ка следствие, недо.статрчная высокая то ность измерений. Целью изобретения является .повышение точности измерений и устранение зависимости от скорости распространения ультразвука в среде. Поставленная цель достигается тем, что согласно ультразвуковому способу измерения расхода, заключающемуся в одновременной встречной посылке pa3HO4acTt)THux ультразвуковых колебаний через контролируемый поток, приеме колебаний,прошедших поток, их преобразовании и измерении разности фаз преобразованных ко лебаний, выделяют первые биения с частотой, равной разности частот ко лебаний, излученных по потоку и про шедших против потока, вторые биения с частотой, равной разности час тот колебаний, излучаемых против по тока и прошедших по потоку, опорные биениягмежду излучаемыми сигналами, измеряют сдвигфаз между опорными и первыми ,биениями и между опорными и вторыми .биениякш, а скорость потоiKa среды определяют по формуле скорость потока среды у длина акустической базы:| угол между Направлением распространения .ультраз1вука : и направлением потока среды;; Q,COj- частоты непрерывных колебаний, излучаемых.во взаимно противоположных направленияХ( сдвиг фаз мезкду опорными и первыкш биениями; .сдвиг фаз между вторыми и опорными биени.ями.. Сущность ультразвукового способа измерения расхода заключается в следующем. .. В момент времени t О в направлении по потоку среды начинают излучать непрерывные ультразвуковые колебания с частотой СО, и начальной фазой (f,, а ПРОТИВ потока- непрерывные коебания с частотой (02 и начальной азой Cf,jr . Время Тр и Тр распространения колебаний по потоку среды против потока определяется соотетх:твенноPlC4V.COS«, PZ с-у COS 06 В момент времени t Тр колебаия представляются следующим образом: на Передак щем пьезоэлементе для астоты (х)4 {c0;,lt4rpjtcf . () -и ft) cos ) на.приемном пьезоэлементе для часоты 00 1 , Unp,-U.co5(w,)J (4) | .на передающем пьезоэлементе для астоты О)- , . J:nepj UmCos; G3i(t С) . ) на приемном пьезЪэлементе для астоты COi : : . . Пр..г ° 1 2 - РГр.2)Ч2 (6) На одном из смесителей выделяют ервые .биения- между колебаниями часоты С0 , посланными по потоку, и олебаниями частоты 602 , прошедшими против потока. Эти биения выражаютс формулой ,„с°( U4-iJ2 Tp/u)(,-q) U) На другом пьезоэлементе выделяют I вторые биения между колебаниями ча тоты 1)« / прошедшими по потоку сред и колебаниями частоты С07 , посланными против потока. Эти биения запи ваются в виде ,s(;-«Jt)i-WzTpHUrq 2)C . Опорные же биения между колебани ми, излученными по потоку и против потока среды, выражаются формулой , и «5 U.J. cos Г((0 /- ОП От - + ()(сГг(РЛ Разность фаз между первыми и опорными биениями на основании выражений (7) и 9) равна Ф,-Ы2Тр,(10) Разность фаз между опорными и вторыми биениями на основании выра жений (iBV и (э; равна Ф,-а)Др Вычитая из (11) и (10) и приним во внимание выражение (1) и (2) , по лучим формулу для вычисления скоро ти V потока среды V 2М г --Ф7/ cos. в полученном выражении (12; отсутствует абсолютная величина скоро ти С распространения ультразвука в контролируемой среде, следовательно в способе осуществляется автоматическая коррекция на скорость paicпространения ультразвука в среде. На чертеже представлена, блоксхема устройства для реализации способа.. . Устройство содержит акустический датчик с Двумя обратимыми элек роакустическими преобразователями. 1 и 2у подключенными к .двум измери тел1,ным каналам, каждый из которых содержит последовательно соединенные опорный генератор 3 и 4, смеси тель 5 и б, избирательный фильтр 7 и 8, формирователь 9 и 10 коротких импульсов, счетчик 11 и 12 импульсов управляемый делитель 13 и 14 частоты. (И) Устройство содержит третий измерительный канал, состоящий из последовательно соединенных смесителя 15, избирательного фильтра 16 и формирователя 17 коротких импульсов, выход которого подключен к входу Старт счетчика 11 импульсов первого измерительного канала и входу Стоп счетчика 12 импульсов второго измерительного канала. Выходы кварцевого генератора 18 подключены к третьим входам счетчиков 11 и 12 импульсов первого и второго измерительных каналов. Выходы управляемых делителей 13и 14 частоты Первого и второго измерительных каналов подключены к входам блока 19 разности, его выход - к регистрирующему устройству 20. Выходы опорных генераторов 3 и 4 первого и второго измерительных каналов подключены к обратным электроакустическим преобразователям, их дополнительные выходы подключены к входам смесителя .15 третьего измерительногсэ канала и к вторым входам управляемых делителей 13 и 14частоты первого и второго измерительных каналов,. Устройство работает следующим образом. Опорный генератор 3 вырабатывает колебания с частотой CJ , которые поступают на вход смесителя 5 и на пер- . вый пьезоэлемент 1, в котором преобразуются в ультразвуковые колебания, . распространяются по потоку среды и достигают второго пьезоэлемента 2. На пьезоэлементе 2 эти колебания преобразуются в электрический сигнал и поступают на вход смесителя б. Одновременно опорный генератор 4 вырабатывает колебания с частотой которые поступают на вход смесителя б и на пьезоэлемент 2, в котором преобразуются в акустические колебания и излучаются против потока среды, достигнув пьезоэлемента 1, эти колебания преобразуются вэлектрический сигнал к поступают на вход смесителя 5. В смесителе 5 выделяются колебания биений, описываемые выражением (8) , отфильтровываются от побочных и гармонических составляющих избирательным фильтром 7 и поступают на вход формирователя 9 коротких импульсов. В формирователе 9 синусоидальные колебания преобразуются в последовательность коротких импульсов с частотой, равной исходной частоте биений. Аналогично в смесителе б выделяются колебания биений, описываемые выражением (7), отфильтровываются от побочных .и гармоничес ких составляющих в избирательном фильтре 8 и поступают на вход формирователя 10 коротких импульсов. В формирователе 10 синусоидальные колобания преобразуются в последовательйость коротких импульсов с частотой равной исходной частоте биений. Одновременно в смесителе 15, входами подключенном к дополнительным выходам опорных генераторов 3 и 4, выделяютсяопорные биения, опи сываемые выражением (9) , которые проходят через избирательный фильтр 16, где отфильтровываются от побочных и гармонических составляющих и поступают на вход формирователя 1 коротких импульсов. С выхода формирова1еля 17 преобразованный в корот кие импульсы сигнал с частотой, рав ной частоте биений, поступает на вход Старт счетчика 11 импульсов и вход Стоп ечетчика 12 импульсов На вход Стоп счетчика 11 импульсов поступает сигнал с выхода формирователя 9 коротких импульсов/ на вход Старт счетчика 12 импульсов поступает сигнал с выхода формиро.вателя 10 коротких импульсов, а на третьи входы обоих счетчиков 11 и 12 импульсов поступает сигнал с частотой ( выхода высокочастотного кварцевого генератора 18. Такое управление счетчиками обеспечивает вычисление разности фаз в соответствии с уравнениями (1С и Частота следования импульсов с выхода формирователей 9, 17 и 10 ко ротких импульсов одинакова и постоя на, поэтому в счетчике 11 импульсов насчитывается количество импульсов N,, пропорциональное сдвигу фаз меж ду опорными и вторыми биениями , а в счетчике 12 - количество импуль сов N, пропорциональное сдвигу фаз между первыми и опорными биениями Ф, причем указанные фазовые сдвиги можно представить в виде Г где fi число импульсов высокочастотного генератора, укладывающихся в одном периоде колебания биений. Сигнал с выхода счетчика 11 импульсов поступает йа управляющий вход делителя 13 с переменным коэф-; фициентом деления, на второй вход которого подается сигнал с дополнительного выхода опорного генератора 3. В делителе 13 осуществляется управляемое деление частоты на число Nj, и с его выхода сигнал с f частотой-- подаемся на первый вход г блока 19 разности. С выхода счетчика 12 импульсов сигнал поступает на управляющий вход делителя 14 с переменным коэффициентом дёАения, на второй вход которого подаются колебания с дополнительного выхода второго опорного генератора 4. В делителе 14 осуществляется управляемое деление частоты COj на аисло N, и на его выходе формируется сигнал с частотой Wi fj t который подается на второй вход блока 19 разности. На выходе блока 19 разности формируется сигнал который подается на регистрирующий прибор 20, например частотомер, проградуированный в единицах скорости потока, или счетчик импульсов для-измерений интегрального расхода за определенный промежуток времени. Таким образом, предлагаемый способ измерения расхода обладает несомненныкм преимуществами, связанными с отсутствием зависимости измерений от скорости распространения ультразвука в среде, более высокой точностью измерений, удобным представлением информации в цифровом виде полной автоматизацией процесса измерений. Предлагаемый способ позволяет с высокой точностью измерять расход.

1. УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА, заключающийся в одновременной встречной посылке радиочастотных ультразвуковых колеб ний через контролирующий поток среды, приеме колебаний, прошедашх поток, их преобразовании и измерении разности фаз преобразованных колеба ний, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, выделяют первые биения с частотой, равной разности частот колебаний, излученных по потоку и прошедших против потока, вторые биения с частотой, равной разности частот колебаний, излучаемых против потока и прошедших по потоку, опорные биения МЕЖДУ излучаемлми сигналами, измеряют сдвиг фаз между опорныкм и первыкн биениями и между опорными и вторыми биениями, а скорость потока среды определяют по формуле (COj CJt ЛФоФ Г COS А 2 скорость потока среды i длина акустической базы угол между направлением распространения ультразвука и направлением потока среды; fJfiCJj- частоты непрерывных колебаний, излучаемых во взаимно противоположных направлениях) fj - сдвиг фаз между опорными и первыми биениями; . сдвиг фаз между опорными и вторыми биениями.