Способ измерения расхода жидких сред Советский патент 1991 года по МПК G01F1/66 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения объемного расхода жидкости.

Цель изобретения - повышение точности измерения.

На фиг. 1 показан вариант функциональной схемы устройства для реализации предлагаемого способа с приемником поверхностных акустических волн; на фиг. 2 - то же, с приемником объемных акустических волн.

Устройство с приемником поверхностных акустических волн (фиг. 1) содержит участок трубопровода 1, в который установлен кольцевой акустический преобразователь 2 с внутренним диаметром равным внутреннему диаметру трубопровода.

На внутренней поверхности преобразователя 2 в зоне, примыкающей к участку трубопровода, расположенному от него

вниз по потоку, размещен приемник 3 поверхностных акустических волн. Кольцевой акустический преобразователь 2 соединен с выходом импульсного генератора 4 и через коммутатор 5 с входом усилителя 6. Управляющий вход коммутатора 5 подключен к схеме запуска генератора 4. Приемник 3 поверхностных акустических волн подключен к усилителю 7. Выходы усилителей 6 и 7 соединены с входом смесителя 8 частоты, выход которого через Фильтр 9 подключен к частотомеру 10.

Прямой FF 1 обозначена одна из боковых границ фронта акустических цилиндрических волн в отсутствии движения Среды, а прямой FiF показано одно из ее текущих положений в процессе сноса цилиндрических волн потоком среды.

Способ измерения расхода жидких сред осуществляется следующим образом.

сь ел

Ч) V4

С выхода импульсного генератора 4 электрический импульс поступает на кольцевой акустический преобразователь 2, который излучает в среду акустический импульс цилиндрической волны в направлении оси потока. В результате многократного обращения цилиндрического фронта этого импульса в-приосевой области в направлении внутренней поверхности кольцевого преобразователя 2 и обратно в среде создаются импульсы (затухающие) цилиндрических волн, частота которых определяется из выражения

fo- §(D

где С - скорость ультразвука в среде;

D - внутренний диаметр кольцевого преобразователя.

В предлагаемом устройстве длина цилиндра акустического преобразователя 2 во много раз больше его радиуса. В таких случаях источники расходящихся цилиндрических волн (образуемые п приосевой облас ги) когерентные (небольшие отклонения на краях цилиндра несущественны). .

Проведенные эксперименты даже с кольцевым преобразователем, возбуждаемым на 1-й резонансной частоте, подтвердили наличие реверберационных волн (t эксперименте были обнаружены 8-10 отражений цилиндрических волн, зафиксированных на осциллограмме)

Принятые кольцевым преобразователем 2 акустические импульсы после обратного преобразования в электрические импульсы через коммутатор 5 поступают на вход усилителя 6. Коммутатор 5, который запирается от схемы запуска генератора 4 на время подачи возбуждающего импульса к кольцевому преобразователю 2, предназначен для исключения прямого воздействия этого импульса на вход усилителя 6.

В отсутствии движения среды область распространения цилиндрических волн ограничена внутренней полостью кольцевого преобразователя 2 и одна из боковых границ фронта цилиндрических волн занимает положение FF . При движении среды импульсы цилиндрических волн сносятся потоком, вследствие чего граница фронта цилиндрических волн, текущее положение которой обозначено линией FF , и область их распространения будут перемещаться относительно внутренней поверхности кольцевого преобразователя 2 с интегральной по площади поперечного сечения потока скоростью среды

(2)

V..IQ

яО2

)

где Q - расход среды,

В результате последовательного воздействия на внутреннюю поверхность кольцевого преобразователя 2 реверберационных

затухающих цилиндрических волн, сносимых потоком, на ней образуется движущаяся со скоростью V по направлению вдоль оси потока зона возбуждения поверхностных колебаний, вбспринимаемых приемником 3

поверхностных акустических волн, в направлении к которому движется эта зона, являющаяся вторичным источником ультразвуковых колебаний с частотой

fi-Mi-Ј).о)

Электрические колебания с выходов усилителей б и 7 с частотой- соответственно fo и fi поступают на вход смесителя 8. Фильтр 9 используется для выделения доплеровского смещения частоты fi - f0, пропорционального расходу среды Q, которое регистрируется частотомером 10.

С учетом (1) - (3) статическая характеристика устройства может быть представлена

в виде

0 лО2- , ч Q -(fi-fo) .

(4)

В дальнейшем после следующего запуска импульсного генератора 4 цикл измерения повторяется.

Устройство с приемником объемных акустических волн (фиг. 2) содержит акустический волновод 11, выполненный в виде разъемной втулки, установленный в участке

трубопровода 12. В цилиндрической проточке на внутренней поверхности волновода 11 размещен кольцевой акустический преобразователь 13, наружная поверхность которого охвачена акустической фокусирующей линзой 14. Причем дно проточки в волноводе 11 совпадает по форме с контактирующей с ним преломляющей поверхностью акустической линзы 14, а внутрен: ние диаметры волновода 11, трубопровода 12

и кольцевого преобразователя 13 равны между собой. На передней, по потоку, торцовой поверхности волновода 11 закреплен приемник 15 объемных акустических волн. Преобразователь 13 соединен.с импульсным генератором 16 и через коммутатор 17 - с усилителем 18. Управляющий вход коммутатора 17 подключен к схеме 16 запуска генератора. Приемник 15 объемных акустических волн через усилитель 19 подключен

к смесителю 20, второй вход которого соединен с выходом усилителя 18, а выход через фильтр 21 подключен к частотомеру 22. Отрезком AAi показана траектория движения фронта объемной акустической волны, сфокусированного линзой 14 в узкое кольцо.

Способ при работе устройства (фиг, 2) осуществляется следующим образом.

Электрический импульс генератора 16 возбуждает кольцевой акустический преобразователь 13. После импульсного возбуждения преобразователя 13 в среде создаются многократно обращаемые по направлению от внутренней поверхности преобразователя 13 к оси потока и обратно затухающие импульсы цилиндрических волн с частотой f0.

Акустические импульсы частотой f0, воздействующие на внутреннюю поверхность преобразователя 13, преобразуются им в электрические импульсы, которые через коммутатор 17 поступают на вход усилителя 18. В результате последовательного воздействия на внутреннюю поверхность преобразователя 13 затухающих импульсов цилиндрических волн, сносимых потоком, на ней и в теле преобразователя 13 образуется движущаяся со скоростью V по направлению вдоль оси потока зона возбуждения поверхностных и объемных волн.

Цилиндрический фронт объемных волн, излучаемых этой зоной, после достижения им наружной поверхности преобразователя 13с помощью акустической линзы 14 фокусируется в узкое кольцо, являющееся источником объемных акустических волн в волноводе 11. При этом движение зоны возбуждения объемных волн в направлении по потоку со скоростью V в результате отображения линзой 14 преобразуется в движение кольцевого источника в противоположном направлении по траектории АА1 со скоростью

Vi kV,(5)

где k- постоянный коэффициент, определяемый параметрами акустической линзы 14, Приемник 15 акустических объемных волн воспринимает колебания от движущегося ему навстречу со скоростью кольцевого источника объемных акустических волн, как колебания с частотой

. i , .. . kV4 f 1 fo (1 + -Ј-)

(6)

0

5

0

5

0

5

0

5

0

Электрические колебания с выходов усилителей 18 и 19 частотой соответственно fo и fi поступают на вход смесителя 20. С помощью фильтра 21 выделяется доплеров- ское смещение частоты fi - f0, пропорциональное расходу Q, которое регистрируется частотомером 22.

Статическая характеристика устройства имеет вид

ЛГУ

. Ли fti .

(fi-f°).

°J iС)

Применение предлагаемого способа определения расхода среды позволяет повысить точность измерения за счет следующих факторов: устранения искажений фронта зондирующей цилиндрической волны; возможности измерения расхода среды по доплеровскому сдвигу частоты; исключения влияния изменений абсолютной скорости ультразвука в среде на результаты измерений; охвата зондирующим излучением всех точек среды площади радиального сечения потока.

Предлагаемый способ может применяться для точного определения расхода среды при произвольном профиле скоростей потока по сечению трубопровода,

Формула изобретения

Способ измерения расхода жидких сред, включающий зондирование поперечного сечения потока жидкой среды акустическими цилиндрическими волнами, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, акустические цилинд-. рические волны возбуждают .Кольцевым преобразователем в направлении оси трубопровода, регистрируют тем же преобразователем многократно отраженные колебания, измеряют их частоты, регистрируют вторичные колебания, на внутренней поверхности кольцевого преобразователя приемником поверхностных акустических волн, смещенным от центра цилиндрического преобразователя к периферии, и измеряют их частоту, а величину расхода определяют по разности измеренных частот.

1 2

Редактор Т.Парфенова

Фиг. 2

Составитель В.Ярыч

Техред М.МоргенталКорректор Т.Палий

Изобретение относится к расходомет- рии и позволяет повысить точность измерения расхода жидких сред акустическим способом. Поток жидкой среды зондируют акустическими цилиндрическими валками, направленными перпендикулярно оси трубопроводов. Зондирование осуществляют в направлении от стенок трубопровода к его оси, при этом акустические цилиндрические волны создают затухающими ревербераци- онными. Значение расхода определяют по доплеровскому смещению частоты вторичных колебаний, возбуждаемых на поверхности и в теле кольцевого преобразователя, охватывающего поток, относительно зондирующих колебаний.2 ил.