Ультразвуковой способ измерения расхода Советский патент 1979 года по МПК G01F1/66 

(54) УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА

1

Изобретение относится к ультразвуковой технике и может найти применение при автоматизации контроля и управления расхода жидких и газообразных веществ в технологических процессах в химической, нефтяной и других отраслях промышленности.

Известны способы определения скорости потока, в которых измерение осуществляют в два такта путем попеременного измерения времени распространения ультразвука по потоку и против потока 1.

Однако этот способ не имеет высокой точности измерения расхода, вследствие значительного влияния на точность измерения абсолютной скорости ультразвука в исследуемой среде, которая изменяется при изменении параметров исследуемой среды (температура, состав, плотность, вязкость и т. д.) а также неидентичности и неодновременности преобразования времени распространения ультразвука по потоку и против потока в соответствующие сигналы фазового сдвига. Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ измерения расхода, основанный на излучении ультразвуковых колебаний в направлениях по потоку и против потока исследуемой среды, приеме ультразвуковых колебаний, прошедщих через среду, измерении сдвига фаз между излучаемыми и принимаемыми колебаниями для одного из направлений, изменении

частоты ультразвуковых колебаний, излучаемых в другом направлении при поддержании постоянным измеренного фазового сдвига и определении разности частот излучаемых колебаний 2. Этот известный способ характеризуется невысокой точностью измерения, из-за сложности выполнения идентичного преобразования скоростей ультразвука по потоку и против потока в высокие частоты.

Для повышения точности измерения расхода предлагается после приема ультразвуковых колебаний дополнительно выделять для каждого из направлений сигналы разностных частот излучаемых и принимаемых колебаний, измерять сдвиг фаз между ними и изменять частоту ультразвуковых колебаний для противоположного направления при поддержании постоянным измеренного фазового сдвига сигналов разностных частот.

На чертеже приведена блок-схема устройства для реализации описываемого способа. :

Оно содержит канал преобразования скорости ультразвука по потоку в частоту и дифференциальный канал преобразования и измерения скорости потока в разностную частоту. Канал преобразования скорости ультразвука по потоку в частоту содержит излучатель 1 и приемник 2 ультразвука по потоку, установленные на трубопроводе, пос ледовательно соединенные фазовый ;детектор 3, устройство 4 управления и генератор 5. Выход генератора 5 подключен к излучателю 1 и опорному входу фазового детектора 3, а сигнальный вход фазового детектора 3 соединен с приемником 2 ультразвука. Дифференциальный канал измерения и преобразования скорости потока в разностную частоту содержит излучатель 6 и приемник 7 ультразвука против потока, установленные на трубопроводе, смесители 8 и 9, последовательно соединенные фазовый детектор 10, устройство 11 управления и генератор 12. Выходы генераторов 5 и 12 подключены к входам смесителя 8, а его выход - к опорному входу фазового детектора 10. Приемники 2 и 7 подключены к входам смесителя 9, выход которого соединен с сигнальным входом фазового детектора 10. Выход смесителя 8 соединен со входом частотомера 1

Измерение расхода по предлагаемому способу осуществляется следующим образом. Работа канала преобразования скорости ультразвука по потоку в частоту и дифференциального канала измерения и преобразования скорости потока в разностную частоту происходит одновременно. Ультразвуковые колебания, излучаемые излучателем 1 по потоку исследуемой среды с частотой Ш5 генератора 5, проходят через среду на приемник 2 и, после преобразования в нем в электрические колебания, поступают на сигнальный вход фазового детектора 3. На опорный его вход поступают электричекие колебания, подаваемые на излучатель 1. Фазовый детектор 3 преобразовывает сдвиг фаз р 4- V входных сигналов в соответствии с выражением

p + v a)sT -fv , ( где Ш5 - круговая частота генератора 5; T4Y- время прохождения ультразвукового сигнала по потоку от излучателя 1 до приемника 2.

В свою очередь.„.

.,«,

где t - расстояние между излучателем 1 и приемником 2;

V - скорость потока;

С - скорость ультразвука в исследуемой среде при V О,

f - угол между векторами V и С.

Тогда, если подставить выражения (2) и (1), получаем

Ф+V шв. Входной сигнал фазового детектора 3 через устройство 4 так изменяет частоту ыз генератора 5, что сдвиг фаз излучаемых и принимаемых ультразвуковых колебаний, распространяющихся по потоку, поддерживается постоянным, равным заданной величине и соответствующий выражению (3). В результате этого частота управляемого генератора 5 оказывается пропорциональной скорости ультразвука по потоку, т. е.

соб (C+Vcos P). (4) Одновременно с этим ультразвуковые колебания, излучаемые излучателем против потока исследуемой среды с частотой олг генератора 12 проходят через среду на приемник 7. При этом электрические колебания с частотой 0)5 с выхода генератора бис частотой 1)12 с генератора 12 поступают на смеситель 8, где выделяются гармонические колебанияUsinAtot с разностной частотой Дш 605 -0)1 г, которые поступают на опорный вход фазового детектора 10. А ультразвуковые колебания, прошедшие через среду по потоку и преобразованные приемником 2 в электрические колебания Usin(W5t + + f -f v) с фазовым сдвигом согласно выражению (4), поступают на один вход смесителя 9, на другой вход которого поступает электрический сигнал Usin(w,itf Yv) с приемника 7 ультразвуковых волн, прошедших через среду прбтив потока с фазовым сдвигом.

ф-у totau-v«)s

На смесителе 9 происходит выделение гармонических колебаний U sin(uajt. + (f-fv- f-y с разностной частотой Дш, которые подаются на сигнальный вход фазового детектора 10. Фазовый детектор 10 выделяет фазовый сдвиг колебаний в соответствии с выражением(gj

Фо f+v - cp-v

Этот сигнал через устройство 11 так изменяет частоту (4)1. генератора 12, что фазовый сдвиг между входными гармоническими сигналами разностной частоты фазового детектора 10, определяемый формулой (6). поддерживается равным нулю, т. е. осуществляется компенсация изменения фазового сдвига частотой ультразвука. Тогда, подставив выражения (3) и (5) в формулу (7) и обозначив еоц 0)5 +Ди). получаем

W5c4li.- (-s + До) )ст 0. (7) откуда после преобразований находим зависимость разностной частоты от скорости

потока

(8)

Лл1 ..Si.-. V оси -C-fVcejd LUS

Подставляя значение ш; из выражения (4) в формулу (8) получаем,-.;

До) Vcosoc KV. У где К постоянный коэффициент пропорциональности.

Измеряя частотомером 13 разностную частоту До) с выхода смесителя 8 и зная величину К и площадь поперечного сечения трубопровода, получаем значение объемного расхода.

Формула изобретения

Ультразвуковой способ измерения расхода, основанный на излучении ультразвуковых колебаний в направлениях по потоку и против потока исследуемой среды, приеме ультразвуковых колебаний, прошедших через среду, измерении сдвига фаз между излучаемыми и принимаемыми колебаниями для одного из направлений, изменении частоты ультразвуковых колебаний, излучаемых в другом направлении при поддержании

ПОСТОЯННЫМ измеренного фазового сдвига и определении разности частот излучаемых колебаний, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения расхода, после приема ультразвуковых колебаний дополнительно выделяют для каждого из направлений сигналы разностных частот излучаемых и принимаемых колебаний, измеряют сдвиг фаз между ними и изменяют частоту ультразвуковых колебаний для противоположного направления при поддержании постоянным измеренного фазового сдвига сигналов разностных частот.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

2.Авторское свидетельство СССР № 162335, кл. G 01 F 1/100, 1964.