Компенсационный одноканальный ультразвуковой расходомер Советский патент 1979 года по МПК G01F1/66 

. / ,. / . - Йзобретейие относится к технической акустике и может Ндйти фййёнемие в химической,медицинскойt пищевой и др. офраслях народного хозяй ства для измерения расхода широкб1:Ь класса жидких и газообразных сред. Известны одиоканальные ультра звуковы е расхсщомеры ё одновремевньв излучением ультразвуковых сигналр1з по потоку и против потока один навстреЧу дфугому. В них измеряется разность времени между принимаемыкш ультразвуковыми сигналами, которая прямо пропорциональна расходу. Однак такие расходс еры, основанные как на импульсном, так и на фазовом методе измерения обладают сильной зависимостью своих показаний от абсолютной скорости ультразвука в измеряемой среде ij . Наиболее близким по технической сущности является ультразвуковой рас ходомер, содержащий пару измерительных электроакустических элементов, установленных под острым углом к потоку, передающий и гфиемный электроа кустические элементы, установленные перпендикулярно к потоку, гейератор тактовых импульсов, два смесителя, блок регистрации и усилитель, вход которого соединен с приемным электроакустическим элементом. Однако устрбйствЪ дает значительную погрешность, обусловленную задержкой срабатывания отдельных элементов 12. Целью изобретения Является повы- . шение точности измерения расхода. Поставленная цель достигается благод я толу, что в устройство введены цель из последовательно соединенных фазового дётектс5 а, блока перестройки частоты,, первого упра вляемого генератора и модулятора,, второй управляемый гейератор, делитель частоты и кокмутатсф, при этом входы фазового детектора подключены к выходам смесителей, один выход модулятора подключен к входам первого смесителя, соединенного вторым входом с выходом усилителя,и первого измерительного электроакустического элемента, а даугой выход подключен ко входам второго смесителя и второго измерительного электроакустического элемента, второй, управляемый генератор включен между блоком перестройки частоты и KOh iyTaTopoM, выход которого подключен ко второму входу второго смесителя и к передающему злектроакустическом - элементу, вход делитея мчстоты соединен с выходом перого уиравляемого генератора, а выод - со вторым входом коммутатора и ервым входом блока регистрации, торой вход которого подключен к выходу второго управляемого генератора, а управляющие входы блока перестройки частоты, модулятора и коммутатора . подключены к выходу генератора тактоых импульсов.

Разность фаз между принятыми пачками ультразвуковых сигналов с частотой заполнения прямо пропорциональной абсолютной скорости ультразвука в среде, излученных одновременно навстречу друг другу под уг- . лом oi. , измеряемый поток компенсируется фаэовым сдвигом, образую цймся между ультразвукбвыми сигналами, распространяющимися перпендикулярно к потоку. Этот фазовый сдвиг получают ттутём изменения несущей частоты ультразвуковых колебаний, распространяющихся перпендикулярно к потоку. Вмомент коштёнсации разность между эт&й частотой и частотой, пропорциональной абсолютной скорости ультра- . звука в среде, пропорциональна средней скорости потока и не зависит ОТ абсолютной скорости ультразвука в среде;. .

На чертеже изображена Функциональная схема расходомера. , .

Расходомер содержит генератор 1 тактовых импульсов, соединенный с управляющими входами блока 2 перестройки частоты, коммутатора 3 и модулятора 4, выходи которого подключены к первым, .входам смесителей 5,6 и к измерительным электроакустическим элементам 7, 8.. Выходы смесителей . 5j 6 соединены со входами фазового детектора 9, выход которого подключен к входу блока 2. Выходы последнего соединены,с входами управляемых генераторбв 10, 11. Выход Генер1атора 10 соединён; .со входами модулятора 4 и делителя 12 частоты, выход которого подключён к первым входам коммутатора 3 иблока 13 регистрации. Выход генератора 11 соединен с вторыми, вхсдакм блока регистрации 13 и ком- , му :атора 3, выход которого подключен ко второму входу смесителя 6- и передг1йщему электроакустическому элементу 14. Приемный электроакустический элемент 15 через усилитель 16 , соединен со вторым входом смесителя 5.

Расходомер работает следующим обраэёй, : :.

Выходные прямоугольные импульсы .генератора тактовых импульсов 1 с Длительностью Т, которая выбирается меньше времени распространения ультразвука между измерительными электроакустическими элементами 7, 8 и периодомповторения Т, поступают на управляющие входьг модулятора 4, Ййм(лутатора 3 и блока 2.

Во время действия импульса TO генератора I его выходное напряжение открывает модулятор 4, и выходной : сигнал управляемого генератора 10 с частотой oJo подается на смесители 5, 6 и измерительные электроакустические элементы 7, 8 которые излучают ультразвуковой сигнал одновременно и синфазно навстречу друг другу под углом ot в измеряемый поток, протекающий в трубе со средней скоростью V. В это же время сигнал с генератора 10 с частотойtUp через делитель частоты 12 с коэффициентом деления N через коммутатор 3 пост паёт на смеситель 6 и передающий электроакустический элемент 14, ось которого перпендикул.ярна оси потока. , Ультразвуковой сигнал с частотой достигает приемного преобразователя 15 со сдвигом фаз Фо относительно

Q излучаемого сигнала. Этот сигнал фаз определяется только длиной акустического пути to и абсолютной скоростью С ультразвука и не зависит от скорости потока V

45 - .

а) С М

где ЕО - длина акустического пути ;

между элементами 14, 15. .

0 Принимаемый ул.ьтразвуковой сигнал с элемента 15 преобразуется в элект-. рическое напряжение с частотой -- и фазой if(, , которое через усилитель 16 под ается на вход смесителя 5.

5 На выходйх каждого из смесителей 5 и 6 выделяется сигнал разностной. ч.астоты. Так. к.ак на одни входы сне- сителей подано синфазно напряжение с.частотой ( ., а на другие входы -.с

0 частотой 1 и с разностью фаз ф,, , то выходные сигналы смесителей будут. такжесдвинуты один относительно другого на величину vpo Эта разность фаз преобразуется фазовым детектором 9 в постоянное напряжение, по.ступающее на блок перестройки Частоты 2, который изменяет Частоту и . управляемого генератора Ю таким образом, чтобы выходное напряжение фазового детектора 9 равнялось Нулю.

Пр|И этом разность фаз сигналов на входах фазового детектора 9 равна . . . q)o 2flt-n, .. (2) где n- целое число.

- Из формул (1)и(2) находят значение частоты (t)t) в момент компенсации

. 2fltn ,

(3)

-T60Частота управляемого генератора

10Ыосвязана с абсолютной скоростью ультразвука С в среде прямо пропорциональной зависимостью (3), .т.е. в течение времени TO устройство одно65 временно .с излучением пачек ультразвуковых сигналов навстречу одйй другому под углом к потоку измеряет абсолютную скорость ультразвука в среде. Причем частота заполнения эт пачек равна частоте aj генератора 1 По окончании импульса тактового генератора 1 модулятор 4 закрываетс коммутатор 3 соединяет выход управляемого генератора 11, частота кото го равна to , со; смесителем 6 и пере дающим элементом 14, а блок 2 переключается на управление генератором 11. Измерительные электроакустический элементы 7,8 принимают ультразвуковы пачки с 1астотой заполнения (Uo со сдвигом фаз дц, который связан известной зависимостью со средней скоростью потока V I д.е.. t V / t- длина акустического пути между элементами 7,8. Сигналы измерительных электроакус тических элементов 7,8 с частотой за полнения iiJo и разностью фаз uip поступают на первые входы смесителей .: 5,6, На другие входи этих смесителей подается напряжение частоты Wj и с ра зностью фаз ц) , снимаемое с элект роакустических элементов 14,15, , Смесители 5,G осуществляют алгебраическое суммирование фаз сигналов, поступающих на их вх.оды, поэтому раз ность фаз между выходными напряжения ми смесителей 5,6 равна tp. фо-ДЦ) (6) . Поскольку фазовый сдвигф прямо пропорционально связан с частотойи генератора 11, то можно путём перестройки этого генератора скомпенсировать сдвиг фаз дер, обусловленный. скоростью потока V . Эта компенсация осуществляется по выходному напряжению фазового детектора 9, которое через блок 2 изменяет частоту csJ генератора 11 дотех пор, пока разность фаз ф не будет равна 2ilCn . При этом выходное напряжение детектора 9 в момент компенса:ций равна нулю. Подставляют в формулу (G) выражение из формул (1), (5) и (4): ,о(. OJo г° :V (7) f ЧПосле тояодественных алгебраических преобразований формулы (7), учитывая формулу (3), получают выражение, связывающее среднюю скорость потока V с разностной частотой д, которая из94меряется в цифровой форме блоком регистрации 13 . .f ZKnJJCDSoC, Д1л: - V --4С-.-Т). ® Из формулы 8) видно, что показания расходомера rie зависят от абсог лютной скорости ультразвука С в среде. Расход определяют по известной средней скорости потока, умножая её на площадь поперечного сечения трубопроводаВ данном расходомере для измере-ния интервала времени между принятыми ультразвуковыми сигналами, прошедшими под углом к оси потока, используется фазовый метод,а не амплитудный. Поэтому исключается погрешность, обусловленная переменной задержкой срабатывания импульсных .устройств при измерений амплитуды принимаекых сигналов в процессе эксплуатации. : . . Выходной сигнал фазового детектора слабо зависит от амплитуды входных сигналов. Работает он вблизи нулевой точки своей рабочей характё|)истики и изменение крутизны ёго статической характеристики при иэмене:нйях амплитуды входных сигналов .не оказывает влияния на выходные показания расходомера . Формула изобретения Компенсационный Ьднокйнальный ультразвуковой расходомер, содержа- . 1ЦИЙ пару измерительных электроакустических элементов, установленных под углом к потоку, передайщий и приемный электроакустические элементы, установленные перпендикулярно к потЬку, генератор тактовых импульсов, два смесителя, блок регистрации и усилитель/вход которого соединен с приемным электроакустическим злеМентом, отличают и и с я . тем, что, с целью повышения точности, в Hei-d введены цепь иэ побледовательно соединенных фанзового детектора, . .блока перестройки Част: оты, первого управляемого генератора и модулятора, второй. управляе№1й генератор, делитель частоты и коммутатор, при этом входи фазового детектора подкл|6чены к выходам смесителей, один выход модулятора подключен к входам первого смесителя, соединенного вторым входом с выходом усилителя, и первого измерительного электроакустического элемента, а другой выход подключен ко .входам второго смесителя и второго

Измерительного электрбакустического элемента, второй управляемый генератор включен между блоком перестройки частоты и кокмутатором, выход

кЬТОрОГб: ПЬДКЛН5Ч1ёН ко BTC4p6h

дувт)1$ОгО смесителя и к переAdXKiieMy электроакустическому эле;менту, вход делителя частоты соединен с выходом пёраогоуправляе14Ьго генератора, а его выход - со вторым входом коммутатора и первым входом блока регистрации, вто{)ой вход кото8

рого подключен к выходу второго упраляемого генератора, а управляющие входы блока перестройки частоты, модулятора и коммутатора подключены к выходу генератора тактовых импульсов. -..- .. ;, -

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1,Авторское свидетельство СССР 421884, кл QQiri/OO, 1974.

2.Авторское свидетельство CCCf 395724j кл. Q01 F: i/pO, 1975.