Ультразвуковой фазовый цифровой расходомер Советский патент 1985 года по МПК G01F1/66 

Изобретение относится к ультразву ковой технике и может быть использо-вано для измерения расхода жидкости и газов в трубопроводах различного диаметра в нефтеперерабатывающей, химической и других отраслях промышленности. Известен ультразвуковой расходоме содержащий два преобразователя, переключающий блок, фазовый детектор, генератор, индикатор, блок проверки динамического диапазона, выполненный в виде последовательно сьединенных задатчика режима, низкочастотного генератора и делителя, блок синхрони зации, модулятор, демодулятор, фазовый дискриминатор и пороговое устройство l . Недостатком известного устройства является недостаточная точность измерения. Наиболее близким к предлагаемому является одноканальный ультразвуковой расходомер, содержащий два обратимых электроакустических преобразователя, закрепленных на измерительно участке трубопровода и соединенных через коммутатор с усилителем, фазовый дискриминатор , блок управления, управляемый генератор, преобразователь и дискриминатор с входом порого вого устройства, выполненного в 1виде последовательно соединенных схемы сравнения, нуль-органа, интегратора, выход которого подключен к блоку управления, вькод управляемого генератора подключен к блоку измерения раз ностной частоты, вьшолненного в виде электронного ключа, соединенного с р версивным счетчиком, и через модулятор к коммутатору, один из выходов которого через демодулятор подключен к дискриминатору, при этом выход нул органа подключен к третьему входу фа зового дискриминатора iz . Недостатком данного устройства яв ляется низкая точность измерения, ко торая обусловлена самопроизвольным изменением частоты зшравляемого гене ратора. Особенно это сказывается при измерении малых расходов, когда разность частот мала и даже небольшая паразитная девиация частоты приводит к значительным погрешностям. Цель изобретения - повышение точности измерения расхода. Поставленная цель достигается тем, что ультразвуковой фазовый цифровой расходомер, содержащий два обратимых электроакустических преобразователя, закрепленных на измерительном участке трубопровода и соединенных через блок коммутации с усилителем принятых сигналов, управляемый низкочастотный генератор, вход которого подключен к выходу блока управления, фазовый компаратор и блок вьщеления разностной частоты, состоящий из последовательно соединенных электронного ключа и реверсивного счетчика и подключенный к выходу блока коммутации, снабжен ус.шштелем мощности, двумя высокочастотными кварцевыми генераторами и тремя смесителями, причем входы первого смесителя подключены к выходам управляемого низкочастотного генератора и первого высокочастотного .кварцевого генератора, выход первого смесителя подключен к блоку коммутации через усилитель мощности, первые входы второго и третьего смесителей подключены к выходу второго высокочастотного кварцевого генератора, их вторые входы подключены соответственно к выходам фазового компаратора, при этом выходы третьего смесителя и фазового компаратора подключены к первому и второму входам блока управления. Управляемьй низкочастотный генератор вьшолнен в виде низкочастотного кварцевого генератора, соединенного через блок делителей с многоканальным коммутатором, причем вькод много|канального коммутатора является выходом управляемого низкочастотного генератора. Блок управления в расходомере содержит последовательно соединенные формирователь, схему сравнения, первьй электронный ключ, второй электронный ключ и реверсивный счетчик, а также высокочастотный кварцевый генератор, выход которого подключен к второму входу первого электронного ключа, инвертор, вход которого подключен к выходу схемы сравнения, а выход через третий электронный ключ подключен к второму входу реверсивного счетчика, при этом выход схемы сравнения дополнительно подключен к второму входу второго электронного ключа, входы формирователя и схемы сравнения являются первым и вторым входами блока управления, а выход реверсивного счетчика - его выходом. В предлагаемом устройстве излучае мая частота формируется как разнбсть частот высокочастотного кварцевого генератора и одной из ряда дискретны частот, которая выбирается управляемым коммутатором и является стабильной, так как она получена делением на соответствующий коэффициент часто ты низкочастотного кварцевого генератора: с fH.U - i я . --- - в.ч k где f0, - частота излучения; - частота высокочастотного кварцевого генератора; - частота низкочастотного кварцевого генератора; k- - коэффициент деления выбран ного делителя частоты. Таким образом, при неизменнсш коде управления многоканальным коммута тором излучаемая частота является стабильной в пределах стабильности кварцевых генераторов. Код управлени формируется в зависимости от отклоне ния, измеренной разности фаз частот излучателя и приемника от заданной величины, при этом код изменяется всегда в сторону уменьшения имекщего ся разбаланса разности фаз за счет изменения частоты излучения. Таким образом, самой структурой построения предлагаемого устройства исключается паразитная девиация излучаемой часто ты. На фиг.1 приведена блок-схема устг рЬйства; на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие работу блока упра вления. Устройство содержит обратимые элект роакустические преобразователи 1 и 2 связанные через блок 3 коммутации с усилителем 4 принятых колебаний и с усилителем 5 мощности, вход которого связан с первым смесителем 6 частот, к которому подключен первый высокочастотный генератор 7. Выход усилителя принятых колебаний связан с вторым смесителем 8 частот, который также связан с третьим смесителем 9 и вторым кварцевым генератором 10. Выходы двух смесителей частоты подключены к фазовому компаратору 11, который соединен с блоком 12 выборки частоты. Блок управления состоит из формирователя 13, выход которого подключен к схеме 14 сравнения, которая соединена с электронным ключом 15, к другому входу которого подключен высокочастотный кварцевый генератор 16. К схеме сравнения подключен также инвертор 17, которьй соединен с электронными ключами 18 и 19, выходы которых связаны с входами реверсивного счетчика 20. Управляемый низкочастотный генератор 21 состоит из кварцевого низкочастотного генератора 22 и ряда делителей 23 частоты с различными коэффициентами деления, которые связаны между собой, а также с кварцевым генератором и многоканальным коммутатором 24. Блок 25 выделения разности частот, соединенный с усилителем мощности, состоит из электронного ключа 26, связанного с реверсивным счетчиком 27, причем электронный ключ соединен с блоком 3 коммутации. Ультразвуковой фазовый цифровой расходомер работает следующим образом. Блок 3 коммутации поочередно подключает к преобразователям 1 и 2 усилитель 5 мощности и усилитель 4 принятых колебаний. Поступающая на вход усилителя мощности частота представ- ляет собой разность „,, f... - -.-. 7Л ОЧ К Смесители частот 6, 8 и 9 вьтолнены на основе метода фазирования, поэтому нет необходимости в защите от зеркальной помехи, так как на выходе смесителей присутствует только одна боковая частота. Принятый и усиленный сигнал поступает на смеситель 8, а излучаемая частота - на смеситель 9. С помощью кварцевого генератора 10 на выходе смесителей 8 и 9 формируются сигналы разностной частоты. Это необходимо для того, чтобы получить возможно большую длительность импульсов Ui. на выходе фазового компаратора 11 (фиг.2), так как чем больше длительность самого импульса, соответствующего имеющейся разности фаз, тем больше и длительность приращения, которая возникает за счет изменения скорости потока и переводится в цифровую форму, т.е. чем больше длительность приращеш.я, тем точнее она может быть измерена цифровым методом, что особенно, важно при из lepeнии малых скоростей потоков. Разность фаз сигналов на выходах смесителей 8 и 9 равна разности фаз преобразующих сигналов. Формирователь 13 преобразует синусоидальньш .сигнал с выхода смесителя 9, который является опережающим по фазе, в импульсы прямоугольной формы и(фиг.2). Прямоугольные импульсы U,,j и U(( поступают на схему 1А еравнения, которая формирует импульсы и(фиг.2), длительность кото Uрых равна разйости длительностей и и и,,. Кроме того, на другом выходе схемы 14 сравнения присутствует потенциал (фиг.2) логической 1 или О в зависимости, от того, дсаКОЙ из двух импульсов Ui3H UHI имеет большую длительность.. На выходе элек ронного ключа 15 присутствуют пачки высокочастотных импульсов Ш(фиг.2) которые формируют высокочастотный кварцевый г.енератор прямоугольных импульсов 16. Эти пачки импульсов (в зависимости от того, какой потенциал на выходе схемы 14 сравнения) серез электронный ключ 18 или 19 поступают на суммирующий или вычитаюпщй реверсивного счетчика 20, выходной код которого управляет работой многоканального коммутатора 24 и опреде ляет частоту излучения, которая всегда изменяется в сторону уменьшения длител11.ности импульса И(а,, Таким образом, система всегда стремится поддержать разность фаз равной ЬЧ Излучаемая частота поступает в блок 25 выделения разности частот, в котором под управлением блока коммутации в реверсивном счетчике 27 формируется код, пропорциональный разности частот, излучаемьк по потоку и против него. Разность частот, излучаемьрс по потоку и против потока (при условии поддержания одинаковой разности фаз между передающим и приемным преобразователями, т.е. одинаковой длины волны акустических ко(лебаний в измеряемой среде), пропорциональна скорости потока и не зависит от скорости ультразвука в среде. V - f.(f, - f,), 2 2 скорость потока; длина волны УЗ колебаний, которая поддерживается постоянной;частота УЗ колебаний, излучаемых по потоку; частота УЗ колебаний, излучаейых против потока. Предлагаемое устройство отличается ысокой точностью измерения расхода а счет исключения паразитной девиаии частоты управляемого генератора, оторая приводила к плаванию показа-ИИ измеряемого расхода.

Фиг,1 L3 Js xx /x X/ X /x л / X/

1. УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ФАЗОВЫЙ ЦИФРОВОЙ РАСХОДОМЕР, содержащий два обратимых электроакустических преобразователя, закрепленных на измерительном участке трубопровода и соединенных через блок коммутации с усилителем принятых сигналов, управляемый низкочастотный генератор, вход которого подключен к выходу блока управления, фaзoвьd компаратор и блок ввделения разностной частоты, состоящий -из последовательно соединенных электронного ключа и реверсивного счетчика и подключенный к выходу блока коммутации, о т л,и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повьшения точности измерений, он снабжен усилителем мощности, двумя высокочастотными кварцевыми генераторами и тремя смесителями, причем входы первого смесителя подключены к выходам управляемого низкочастотного генератора и первого высокочастотного кварцевого генератора, выход первого смесителя подключен к блоку коммутации через усилитель мощности, первые входы второго, и третьего смесителей подключены к выходу второго высокочастотного кварцевого генератора, их вторые входы подключены соответственно к выходам усилителей, и первого смесителя, а выходы - к входам фазового компаратора, при этом выходы третьего смесителя и фазового компаратора подключены к первому и второму входам блока управления. 2.Расходомер по п. 1, отличающийся тем, что управляемый низкочастотный генератор выполнен в виде низкочастотного кварцевого генератора, соединенного через блок делителей с многоканальным коммутатором, причем выход многоканальКЛ ного коммутатора является выходом управляемого низкочастотного генератора . ., 3.Расходомер по п. 1, о т л йчающийся тем, что блок управ ления содержит последовательно соеди. иенные формирователь, схему сравнения, первый электронный ключ,второй электронный ключ и реверсивный счетчик, а 00 также высокочастотный кварцевый, генео ратор , выход которого подключен к О) второму входу первого электронного ключа,инвертор,вход которого подключен к выходу схемы сравнения, а выход через третий электронный ключ подклют чён к второму входу реверсивного счет- . чика, при этом выход схемы сравнения дополнительно подключен к второму входу второго электронного ключа, входы формирователя и схемы сравнения являются первым и вторым входами блока управления, а выход реверсивного счетчика - его выходом.