Ультразвуковой способ измерения скорости потока и расходомер для его осуществления Советский патент 1984 года по МПК G01F1/66 

Ж

00 1

//

rfck

2. Ультразвуковой расходомер, содержащий расположенные на противоположных стенках трубопровода излучающий преобразователь/ подключенный к генератору зондирующих импульсов, и два приемных преобразователя, подключенные через приемные усилители к схеме сравнения, выход которой чет рез усилитель подключен к блоку электромеханической .перестройки, а также индикатор расхода, о т л и ча.ющий ся тем, что, с целью повышения точности, в него дополнительно введены преобразователь линейного перемещения в частоту, управляемый делитель частоты и измеритель временного интервала, а схема сравнения выполнена в виде двух формирователей, двух триггеров, схемы взаимногозапрета и полярного

детектора, причем входы формирователей подключены к выходам приемных усилителей, их выходы через триггеры подключены к входам схемы взаимного запрета и полярного детектора, выходы схемы взаимного запрета подключен к управляющим входам триггеров, первый вход измерителя временных интервалов подключен к выходу генератора зондирующих импульсов, его второй вход подключен к выходу одного из формирователей, а выход - к первому входу управляемого делителя частоты, второй вход которого через преобразователь линейного перемещения подключен к приемному преобразователю, установленному в направлении по потоку с возможностью линейного перемещения выход упрсшляемого делителя частоты подключен к индикатору расхода..

1. Ультразвуковой способ измерения скорости потока,включающий излу.чение ультразвуконлх импульсов в направлении потока жидкости и против него, прием прсииедашх поток импульсов, сравнение их и введение компенсирующего воздействия путем перест.рЬйки а1кустической базы, по величине которого судят о величине измеряемой скорости, отличающи йся тем, что, с целью повышения точности измерений, компенсирукяаее воздействие начинают с момента выделения первого йЫпульса одним из приемников и заканчивают по достижении равенства отрезков времени распространения импульсов по потоку и против него.§

1

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к расходометрии, и может быть использовано в нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей, химической., гидрометаллургической и в других отраслях промышленности для прецизионного измерения расходов и точного учета количества различных сред.

Известен ультразвуковой способ измерения скорости потока среды, заключающийся в излучении ультразвуковых колебаний в направлении потока среды и против него, приеме прошедших поток .импульсов и измерении разности времени распространения импульсов по потоку и Против него, пропорциональной скорости noTOKaflJ,

Известен ультразвуковойрасходомер , реализующий способ, содержащий .излучающий преобразователь, подключенный к генератору, два приемных преобразователя, выходы которых через формирователи временных интервалов. и функциональные преобразователи подключены к решающему устройству и индикатору Cl.

. Недостатком способа и устройства является низкая точность при измерении малых временных интервалов.

Наиболее близким по технической сущности н предлагаемому является способ измерения -скорости потока, включающий излучение ультразвуковых импульсов в направлении потока и против него, прием прошедших поток импульсов, их амплитудное сравнение и введение компенсирующего воздействия путем перестройки акустической

базы, по величинекоторого судят об измеряемой скорости 2 J.

Известно устройство для реализации предлагаемого способа, содер а5 щее расположенные на противоположных стенках трубопровода излучающий преобразователь, подключенный к генератору зондирующих импульсов и два приемных преобразователя, подключенQ ные через приемные усилители к схеме сравнения, выход которой через усилитель подключен к блоку электромеханической перестройки, осуществляющему механическое перемещение излуг чающего преобразователя, а также индикатор перемещения Гз.

Известные споооб и устройство не обеспечивают достаточную точность измерения из-за погрешности амплитудного сравнения принятых импульсов.

0 Целью изобретения является повышение точности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что согласно ультразвуковому способу измерения скорости потока, включаю5 тему излучение ультразвуковых импульсов в направлении потока и против него, прием прошедших поток импульсов, сравнение их и введение компенсирующего воздействия путем перестройки

0 акустической базы, по 1величине которого судят о величине измеряемой

скорости; компенсирующее воздействие начинают с момента выделения первого импульса одним из приемников и закан5 чивают по достижении равенства отрезков времени распространения импульсов по потоюу И против него.

Кроме того, ультразвуковой расходомер , содержащий расположенные на противоположных стенках трубопровод излучающий преобразователь, подключенный к генератору зондирующих им пульсов , и два приемных преобразова теля, подключенные через приемные усилители к схеме сравнения, выход которой через усилитель подключен к блоку электромеханической перестройки/ а также индикатор расхода, дополнительно снабжен преобразователем линейного переглещения в часто ту, управляемым делителем временного интервала, а схема сравнения в нем выполнена в виде двух формирователей, двух триггеров, схег« взаимного запрета и полярного детек тора, причем входы формирователей подключены к выходам приемных-усилителей, их выходы через триггеры подключены к входам схемл взаимного запрета и полярного детектора, выходы cxeNH взаимного запрета подключены к управляющим входам триггеров, первый вход измерителя временных интервалов подключен к выходу генератора зондирующих импульсов его второй вход подключен к выходу одного из формирователей, а выход к первому входу управляемого .делите ля частоты, второй вход которого через преобразователь линейного перемещения в частоту подключен к при емному преобразователю, установленному в направлении по потоку с врзможностью линейного перемещения, вы ход управляемого делителя частопл подключен к индикатору расхода. Сущность ультразвукового способа измерения скорости потока заключает в следукацем. При симметрично расположенных от носительно оси трубопровода акустических базах сул1марную скорость рас пространения ультразвука по потоку среды и против потока можно предста вить в виде L , С + V С05 oL г.г ; (1) Т ро -At С - V COS оС Тро+ at .где С - скорость ультразвука в измеряемой среде; V - скорость потока среды; оС - угол между осью потока и направлением распространения ультразвука Ii - акустическая база} TPQ- время расположения ультразвука в акустическом канал при нулевой скорости поток среды; ut - временной интервал, обусло ленный скоростью потока cp ды. Для выполнения условия равенства ремени распространения ультразвука обоих измерительных каналах .неободимо перемещение перестраиваемого реобразователя на величину акустиеской базы, эквивалентную временному нтервалу + t, обусловленную скоротью потока среды. При этом выполнятся условие взаимного равенства вреени распространения ультразвука по отоку среды и против него Тр - Трд, - Тр, где Тр,,, Тр2 - времена распространения ультразвука в- одном и, соответственно в другом направлении; Тр - время распространения, удовлетворяющее критерию работы расходомера. Уравнения (1) и (2) принимают при этом вид . LI cos ot ггL - 4 L с - V cosoL где ДЬ - приращение длины акустической базы, эквивалентное временному интервалу + вычитании уравнения Т4) из (3) получим 2 V cos oL откуда 2 cos di. Т. В уравнении (5) отсутствуют параметры временного интервала, пропорционального скорости потока среды, абсолютной величины акустической базы и скорости распространения ультразвука в измеряемой среде. На чертеже представлена блок-схема устройства для реализации предлагаемого способа. Импульсный ультразвуковой-расходомер содержит генератор 1 зондирующих импульсов, подключенный к излучающему преобразователю 2 с двухлучевой диаграммой направленности, два приемных преобразователя 3 и 4, расположенных в створе каждого из ультразвуковых лучей, причем первый преобразователь 3 закреплен .неподвижно, а второй преобразователь 4 может перемещаться вдоль оси ультразвукового луча, усилители 5 и 6, вxoдa и подключенные к приемным преобразователям 3 и 4, а выходами через формирователи 7 и 8 коротких импульсов - к триггерам 9 и 10, связанным между собой схемой 11 взаим- 5 ного запрета. К выходам триггеров 9 и 10 подключены входы полярного детектора 12, который через усилитель

13постоянного тока связан с блоком

14электромеханической перестройки Ю акустической базы перестраиваемого приемного преобразователя 4. Блок 14 электромеханической перестройки конструктивно объединен с преобразователем 15 линейного перемещения в 15 частоту, выход которого подключен

к входу управляемого делителя 16 частоты. К второму входу управляемого делителя 16 подсоединен выход измерителя 17 временных интервалов, име- 20 няцего связь по одному входу с выхо дом генератора 1 зондируквдих импульсов, по второму .ВХОДУ - с выходом формирователя 7 коротких импульсов. Чаблго.томер 18/ являющийся индикато- 25 ром расхбда- подключен к выходу управляемого делителя 16 частоты.

Устройство работает следующим образом.

Генератор/ 1 зондирующих импульсов вырабатывает короткие: электрические импульсы с периодом повторения, обеспечивающим полное затухание реверберационных помех в контролируемой среде. Указанные импульсы возбуждают греобразоватепь 2, который излучает ультразвуковые сигналы против потока среды по направлению приемного преобразователя 3 и по потоку среды по направлению приемного преобразователя 4. Через время Тр после излучения 40 ультразвуковые сигналы достигают приемников 3 и 4 и преобразуются ими в электрические сигналы. Далее сигналы усиливаются и нормируются по амплитуде в соответствующих уси- 45 лителях 5 и 6, формируются в короткие запускающие импульсы в формирователях 7 и В..

По передним фронтам сформированных импульсов осуществляется запуск JQ триггеров 9 и-iO, однако схема 11 взаимного запрета, осу1Чвствляющая двухстороннюю связь мелоду ними, запрещает переброс того триггера, запускающий импульс на который пришел „ позже. Так, например, если им- пульс на запуск триггера 9 поступил несколько раньше, чем на запуск триг- . , то триггер 9 срабатывает и : запускает своим передним фронтом схему 1 взаимного , которая бло- кирует триггер 10, не позволяя ему срабатывать от запускающего и шyльса, поступаквдего на его вход несколько позже. Если-же импульс поступает аньше на запуск триггера 10 , то в i 65

этом случае срабатывает триггер 10 и блокируется триггер 9. Таким обра зом осуществляется сравнение времен№лх Интервалов Тр и Tpj при распространении ультразвука по потоку среды и против него.

Длительность запрещакяцих импульсо схемы 11 взаимного запрета меньше периода следования запускающих имДульсов, однако она является достаточно большой, чтобы запретить срабатывани триггеров от реверберационных помех, которые могут иметь место в исследуемой ,среде за счет многократного переотражения акустического сигнала от приемных преобразователей и излучателя. По окончании генерирования запрещающих импульсов схемой 11 взаимного запрета триггеры 9 и 10 возвращаются в исходное состояние.

Взаимное выравнивание временных интервалов Трздо величины Тpi Т р2 - Т р осуществляется системой автоматической подстройки в следующей последовательности. В зависимости- от того, переключился ли триггер 9 или триггер 10, на выходе полярного детектора 12 вырабатывается постоянное напряжение, положительной или отрицательной полярности. Это напряжение усиливается в усилителе 13 постоянного тока и подается на блок 14 электромеханичеекой перестройки акустической базы, который изменяет вдоль акустической баз.ы положение перестраиваемого преобразователя 4 так, чтобы выполнялось условие равенства времени распространения, ультразвукового сигнала в обоих каналах. В этом случае запускающие полосы поступают на входы триггеров 9 и 10 одновременно/ в результате триггеры 9 и 10 блокируются схемой 11 взаимного запрета также одновременно и на выхо да полярного детектора 12 имеет место напряжение, близкое или равное нулю. Напряжение на выходе усилителя

13постоянного тока также становится близким к нулю. В свою очередь блок

14перестройки акустической базы вместе с преобразователем 4 остаются в прежнем положении, и это состояние является устойчивым до тех пор, пока не изменится скорость потока средаа. При изменении скорости потока среды взаимное временное сравнение и выравнивание временных интервалов осуществляется системой автоматической подстройки в описанной последовательности. .

Определение скорости потока производится по величине перестройки

ДЬ акустической базы. Измерение перестройки ЛЬ акустической базы осуществляется посредством преобразователя 15 линейного перемещения в частоту, связанного с перестраиваемлм преобразователем 4. Частота, генерируемая преобразователем 15 линейного перемещения в частоту, оппределяется величиной Ль перестройки преобразователя 4, которая в свою очередь определяется скоростью потока среды. .Следовательно, частота преобразователя 15 является мерой скорости потока среды. Кроме того, в данном устройстве осуществляется поправка в измерениях скорости потока на время распространения сигнала в среде в соответствии с формулой (5). Указанная поправка -вносится посредством управляемого делителя 16 частоты с помощью измерителя 17 временных интервалов в следующей последовательности. Временной интервал Тр определяется путем измерения времени распространения ультразвука от момента излучения генератором 1зондирующего-импульса до момента появления приемного запу екающего импульса в формирователе од ного из каналов с учетом того, что Т р Т р2 Тр.. Для этого зондирующий импульс с генератора 1 поступае на один вход измерителя 17 временных интервалов, а запускающий импульс от формирователя 7 коротких импульсов поступает, на второй вход измерителя 17 временных интервалов.Длительност временного интервала Тр определяется в измерителе 17 путем дискретного подсчета количества И высокостабильных периодов опорных колебаний, укладывающихся на временном отрезке длительностью Тр. Велишна N в кодовом виде подается на вправляющий вход управляемого делителя 16 частоты. В соответствии с этим управляемый делитель 16 «зменяет свой коэффициент деления, и частота на выходе делителя 16 обратно пропорциональна количеству N импульсов, прямо пропорциональному длительности временного интервала Тр. Таким образом, осуществляется коррекция частоты, пропорциональной скорости потока, на время распространения сигнала в среде. Результирующая частота с выхода управляемого делителя 16 частоты подается на частотомер 18, KOTOpEJM регистрируется как величина,., прямо пропорциональная скорости поток а среды. Формула (5) для определения скорости потока среды в соответствии с принципом работы устройства представляется в виде К -| Kf (6) 2 Тр cosoi где К - коэффициент пропорциональности, учитывакяций размерность.} f - частота на выходе преобразователя 15 линейного перемещения в частоту f - siacTOxa на выходе управляемого делителя 16 частоты f N - количество импульсов, пропорциональное длительности временного интервала Тр. Частотомер 18.измеряет частоту f которая пропорциональна измеряемой величине скорости потока. Таким образом, предложенные способ и устройство позволяют повысить точность измерения за счет замены измерения временного интервала измерением линейного перемещения, а также за счет введения поправки на скорость распространения ультразвука в измеряемой среде.