Ультразвуковой способ измерения скорости потока и расходомер для его осуществления

 

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.§

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

3(Д) 0 01 F 1/66

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ. 1

Ъ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСИОМЪГ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21 ) 3297187/18-10 (22) 02 ° 06.81 (46) 23.01.84. Бюл. У 3 (72) И. A. Чернобай и A. И. Матковский (71). Научно-исследовательский инсти" тут прикладных физических проблем им. акад. A. Н. Севченко (53) 681.121(088.8)

: (56) 1. Авторское свидетельство СССР ,9 735683, кл. 0 01 F 1/66., 1978.

2. Авторское свидетельство СССР

:Р 617683, кл. а 01 Р.1/бб, 1976. (54 ) УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СПОСОБ ИЗИ РЕНИЯ

СКОРОСТИ 00ТОКА И РАСХОДОМЕР ДЛЯ ЕГО

ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ. (57 ) 1. Ультразвуковой способ измерения скорости потока, включающий излу,чение. ультразвуковых импульсов в направлении.потока жидкости и против него, прием прошедших поток импульсов, сравнение их и введейие компенсирующего воздействия путем перест.рЬйки акустической базы, по величине которого судят о величине измеряемой . скорости, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, компенсирующее воздействие начинают с момента выделения первого импульса одним из приемников и заканчивают по достижении равенства отрезков времени распространения импульсов по потоку и против него.

1068716

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 через усилитель подключен к блоку электромеханической, перестройки, а также индикатор расхода, о т л и ч а .ю шийся 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, схевзаимного запрета и полярного

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 прошед. ших поток импульсов и измерении разности времени распространения импульсов по потоку и против него, пропорциональной скорости потока(1).

Известен ультразвуковой расхадомер; 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 Г1 3Недостатком способа и устройства является низкая точность при измерении малых временных интервалов.

Наиболее близким по технической сущности к 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

35 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 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 делителя частоты, второй вход которого через преобразователь линейного перемещения подключен к приемному преобразователю, установленному в направлении по потоку с возможностью линейного перемещения, выход управляемого делителя частоты подключен к индикатору расхода. базы, по величине которого судят об измеряемой скорости (2 ).

Известно устройство для реализации предлагаемого способа, содержащее расположенные на противоположных стенках трубопровода излучающий пре-. образователь, подключенный к генератору зондирующих импульсов и два приемных преобразователя, подключенные через приемные усилители к схеме сравнения, выход которой .через усилитель подключен к блоку электромеханической перестройки, осуществляющему механическое перемещение излучающего преобразователя, а также индикатор перемещения 2).

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

Целью изобретения является повышение точности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что согласно ультразвуковому способу измерения скорости потока, включающему излучение ультразвуковых импульсов в направлении потока и против него,прием прошедших поток импульсов, сравнение их и введение компенсирующего воздействия путем перестройки акустической базы, по :величине которого судят о величине измеряемой скорости, компенсирующее воздействие начинают с момента выделения первого импульса одним из приемников и заканчивают по достижении равенства отрезков времени распространения импульсов по потоку и против него.

Кроме того, ультразвуковой расходомер, содержащий расположенные на

1068716

Ь

С - V co"; то+ д (2) 0 где С скорость ультразвука в измеряемой среде; скорость потока среды; угол между осью потока и направлением распространения ультразвука; акустическая база; время расположения ультразвука в акустическом канале 60 при нулевой скорости потока среды; временной интервал, обусловленный скоростью потока среды ° 65

I тро

Д1 противоположных стенках трубопровода иэлучанхций преобразователь, подключенный к генератору зондирующих импульсов, и два приемных преобразователя, подключенные через приемные усилители к схеме сравнения, выход которой через усилитель подключен к блоку электромеханической перестройки, а также индикатор расхода, дополнительно снабжен преобразователем линейного перемещения в часто- l0 ту, управляемым делителем временного интервала, а схема сравнения в нем выполйена в виде двух формирователей, двух триггеров, схемы взаимного запрета .и полярного детек- 15 тора, причем входы формирователей подключены к выходам приемных. усилителей, их выходы через триггеры подключены к входам схемы взаимного . запрета и полярного детектора, выходы схеьы взаимного запрета подключены к управляющим входам триггеров, первый вход измеритеяя 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 в частоту подключен к приемному преобразователю, установленному в направлении по потоку с воэ-. можностью линейного перемещения, выход управляемого делителя частоты подключен к индикатору расхода. 35

Сущность ультразвукового способа измерения скорости потока заключается в следующем..

При симметричнб расположенных относительно оси трубопровода акусти- 40 ческих базах суммарную скорость распространения ультразвука по потоку среды и против потока можно представить в виде

Ь

С + V cos aL рО

Для выполнения условия равенства времени распространения ультразвука в обоих измерительных каналах .необходимо перемещение перестраиваемого преобразователя на величину акустической базы, эквивалентную временному интервалу + Qt, обусловленную скоростью потока среды. При этом выполняется условие взаимного равенства времени распространения ультразвука по потоку среды и против него т „=т, =т времена распространения ультразвука в.одном и, соответственно в другом направлении; время распространения, удовлетворяющее критерию работы расходомера. (1) и (2) принимают при где т „, тр т

Ур ав не ния этом вид

С + Ч сОБС/.=

= т Ф (3) С вЂ” Ч cosc(,=

? — Ь ?

) (4) тр где dL †приращение длины акустйческой базы, эквивалентное временному интервалу + Qt,.

При вычитании уравнения (4) из (3) получим

2 V cos cL

ЬЬ

P откуда

ЬЬ

V —

2 cos oL T (5) В уравнении (5) отсутствуют параметры временного интервала, пропорционального скорости потока среды, абсолютной величины акустической ба зы 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 иэлучакщвму преобразователю 2 с двухлучевой диаграммой направленности, два приемных преобразователя 3 и 4, расположенных в створе каждого иэ ультразвуковых лучей, причем первый преобразователь 3 закреплен .не подвижно, а второй преобразователь

4 может перемещаться вдоль оси ульт1068716 развукового луча, усилители 5 и 6, входами 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 взаимного запрета. К выходам триггеров 9 и 10 подключены входы полярного детектора 12, который через усилитель

13 постоянного тока связан с блоком

14 электромеханической перестройки 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, игле- 2О ющего связь по одному входу с выхо— дом генератора 1 зондирующих импульсов, по второму:входу — с выходом . формирователя 7 коротких импульсов.

Частотомер 18., являющийся индикатором 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 преобразователь 2, который излучает ультразвуковые сигналы против потока среды по направлению приемного преобразователя 3 и по потоку среды по направлению приемного преобразователя 4. Через время T 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 8.

По передним фронтам сформирован-: ных импульсов осуществляется запуск триггеров 9 и.10,.однако схема 11 .взаимного запрета, осуществляющая двухстороннюю связь между ними, за,прещает переброс того триггера, запускающий импульс на который пришел позже. Так, например, если импульс на запуск триггера 9 поступил несколько раньше, чем на запуск триггера.-10, то триггер 9 срабатывает и запускает своим передним фронтом схему 11 взаимного запрета, которая бло-®О кирует триггер 10, не позволяя ему срабатывать от запускающего импульса, поступающего на его вход несколько позже. Если же импульс поступает раньше на запуск триггера 10, то в 65 этом случае срабатывает триггер 10 и блокируется триггер 9.. Таким образом осуществляется сравнение временmax интервалов Tpz и Т 2 при распространении ультразвука по потоку срет ды и против него.

Длительность запрещающих импульсов схемы 11 взаимного запрета меньше периода следования запускающих имйульсов, однако она является достаточно большой, чтойы запретить срабатывание 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 Тр1и Триада величины Т =

= Т р2 = T p 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 электромеханической перестройки акустической базы, который изменяет вдоль акустической базы 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-. де полярного детектора 12 имеет место напряжение, близкое или равное нулю. Напряжение на выходе усилителя

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

14 перестройки акустической базы вместе с преобразователем 4 остаются в прежнем положении, и это состояние является устойчивым до тех пор, пока не изменится скорость потока среды.

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

gLL акустической базы. Измерение перестройки 4Ь акустической базы осуществляется посредством преобразователя 15 линейного перемещения в частоту, связанного с перестраи1068716

Составитель Н. Бурбело

Редактор Н. Лазаренко ТехредЖ,Кастелевич Корректор A- Тяско

Тираж 614 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

11303 5, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ 11447/34

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная 4 ваеьым преобразователем 4. Частота, генерируемая преобразователем 15 линейного перемещения в частоту, оп.пределяется величиной ЬЬ 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 измерени- 10 ях скорости потока на время распространения сигнала в среде в соответствии с формулой (5). Указанная поправка вносится посредством управляемого делителя 16 частоты с помощью 35 измерителя 17 временных интервалов в следующей последоватеЛьности. Временной интервал Т определяется путем измерения времени распростране- . ния ультразвука от момента излучения 2О генератором 1 зондирующего. импульса до момента появления приемного запу скающего импульса в формирователе одного из каналов с учетом того, что

T р. = T р = Тр Для этого зондирую 5 щий импульс с генератора 1 поступает на один вход измерителя 17 временных интервалов,а запускающий импульс от формирователя 7 коротких импульсов поступает. на второй вход измерителя

17 временных интервалов. Длительность временного интервала Тр определяется в измерителе 17 путем дискретного подсчета количества

N высокостабильных периодов опорных колебаний, укладывающихся на времен35 ном отрезке длительностью Тр. Величина N в кодовом виде подается на выправляющий вход управляемого делигеля 16 частоты. В соответствии с ртим управляеьый делитель 16 изменя- 40 ет свой коэффициент деления, и частота на выходе делителя 16 обратно пропорциональна количеству N импульсов, прямо пропорциональному длительности временного интервала Т . 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, которым регистрируется как величина,, прямо пропорциональная скорости потока среды.

Формула (5) для определения скорости потока среды в соответствии с принципом работы устройства представляется в виде й1 f

КN=Kf (6) где K — коэффициент пропорциональности учитывающий размерность частота на выходе преобразователя 15 линейного перемещения в частоту; ( частота на выходе управляемого делителя 16 частоты;

N — количество импульсов, пропорциональное длительности временного интервала Т,.

Частотомер 18 измеряет частоту которая пропорциональна измеряемой величине скорости потока.

Таким образом, предложенные спосо6 и устройство позволяют повысить точность измерения эа счет замены измерения временного интервала измерением линейного перемещения, а также за счет введения поправки на скорость распространения ультразвука в измеряемой среде.