Меточный расходомер жидкости

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для точного измерения расхода жидкости. Технический результат выражается в повышении точности измерения расхода жидкости. Меточный расходомер жидкости содержит расположенный на трубопроводе импульсный ультразвуковой излучатель, подключенный к выходу импульсного генератора, установленные на трубопроводе за импульсным ультразвуковым излучателем по потоку две пары излучателей и приемников ультразвуковых колебаний, генератор, подключенный к двум излучателям ультразвуковых колебаний, два усилителя, соединенных с двумя приемниками ультразвуковых колебаний, блок управления и измерительно-вычислительное устройство. Расходомер также снабжен вторым импульсным ультразвуковым излучателем, расположенным на трубопроводе диаметрально противоположно первому а импульсный генератор имеет второй выход с регулируемым сдвигом по фазе кратковременных электрических сигналов по отношению к сигналам с первого выхода и управляющий вход, соединенный с блоком управления, причем второй выход импульсного генератора подключен к второму импульсному ультразвуковому излучателю. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для точного измерения расхода жидкостей.

Известен расходомер, действие которого основано на измерении времени перемещения на заданном участке пути локальной теплофизической неоднородности - области заполненной продуктами кавитации, которую создают кратковременным воздействием на поток фокусированными в этой области ультразвуковыми волнами с амплитудой звукового давления выше порога кавитации (А.с. 446757 СССР, М. Кл. G 01 F 9/00, 15.10.74).

Основным недостатком этого расходомера является невысокая точность, что обусловлено возможностью определения расхода по местной скорости потока только в одной определенной зоне его сечения, в которой сфокусировано ультразвуковое излучение, без учета профиля скоростей по всему сечению потока. Указанный недостаток особенно проявляется при измерении расхода потока с деформированным профилем скоростей.

Другим недостатком известного расходомера является значительная потеря энергии в его фокусирующем устройстве.

Наиболее близким аналогом изобретения является меточный расходомер жидкости, содержащий расположенный на трубопроводе импульсный ультразвуковой излучатель, подключенный к выходу импульсного генератора, установленные на трубопроводе за импульсным ультразвуковым излучателем по потоку две пары излучателей и приемников ультразвуковых колебаний, генератор, подключенный к двум излучателям ультразвуковых колебаний, два усилителя, соединенные с двумя приемниками ультразвуковых колебаний, блок управления и измерительно-вычислительное устройство (А. с. 527662 СССР, М. Кл. G 01 F 9/00, 05.09.76).

Известный расходомер имеет низкую точность, так как кавитационная метка - область, заполненная продуктами кавитации создается непосредственно на импульсном ультразвуковом излучателе, в результате чего расход определяется по местной скорости потока вблизи стенки трубопровода без учета профиля скоростей потока.

Целью изобретения является повышение точности измерения расхода жидкости. Поставленная цель достигается тем, что известный меточный расходомер жидкости, содержащий расположенный на трубопроводе импульсный ультразвуковой излучатель, подключенный к выходу импульсного генератора, установленные на трубопроводе за импульсным ультразвуковым излучателем по потоку две пары излучателей и приемников ультразвуковых колебаний, генератор, подключенный к двум излучателям ультразвуковых колебаний, два усилителя, соединенные с двумя приемниками ультразвуковых колебаний, блок управления и измерительно-вычислительное устройство, отличается тем, что он снабжен вторым импульсным ультразвуковым излучателем, расположенным на трубопроводе диаметрально противоположно первому, а импульсный генератор имеет второй выход с регулируемым сдвигом по фазе кратковременных электрических сигналов по отношению к сигналам с первого выхода и управляющий вход, соединенный с блоком управления, причем второй выход импульсного генератора подключен к второму импульсному ультразвуковому излучателю.

Отличительными признаками предлагаемого меточного расходомера жидкости является то, что он снабжен вторым импульсным ультразвуковым излучателем, расположенным на трубопроводе диаметрально противоположно первому, а импульсный генератор имеет второй выход с регулируемым сдвигом по фазе кратковременных электрических сигналов по отношению к сигналам с первого выхода и управляющий вход, соединенный с блоком управления, причем второй выход импульсного генератора подключен к второму импульсному ультразвуковому излучателю.

Благодаря этому повышается точность измерения расхода жидкости, обеспечивается возможность определения поля скоростей потока и учитывается влияние деформации поля скоростей потока на показания расходомера.

На чертеже показана функциональная схема меточного расходомера. Расходомер содержит трубопровод 1, импульсные ультразвуковые излучатели 2 и 3, установленные диаметрально противоположно в стенке трубопровода 1. За импульсными ультразвуковыми излучателями 2 и 3 по потоку на трубопроводе 1 установлены две пары излучателей 4 и 5 и приемников 6 и 7 ультразвуковых колебаний. Излучатели обеих пар 4 и 5 размещены диаметрально противоположно соответственно приемникам 7 и 6 в двух контрольных сечениях трубопровода, расположенных на фиксированном расстоянии одно от другого.

Измерительная схема расходомера включает импульсный генератор 8, усилители 9 и 10, генератор 11, блок управления 12 и измерительно-вычислительное устройство 13. Импульсный генератор 8, предназначенный для выработки кратковременных электрических сигналов, имеет два выхода, один из которых с регулируемым сдвигом по фазе электрических сигналов по отношению к сигналам с другого выхода, и управляющий вход для регулирования сдвига по фазе электрических колебаний.

Элементы расходомера связаны между собой следующим образом.

Выходы импульсного генератора 8 подключены к импульсным излучателям 2 и 3, а управляющий вход к выходу блока управления 12, второй выход которого соединен с измерительно-вычислительным устройством 13. Генератор 11 подключен к излучателям ультразвуковых колебаний 4 и 5, приемники ультразвуковых колебаний 6 и 7 соответственно через усилители 10 и 9 подключены к двум входам измерительно-вычислительного устройства 13.

Расходомер работает следующим образом.

С двух выходов импульсного генератора 8 электрические сигналы определенной частоты, продолжительностью в 5-100 периодов с заданной с помощью блока управления 12 разностью фаз подаются на импульсные ультразвуковые излучатели 2 и 3, которые излучают в жидкость направленные взаимно противоположно бегущие ультразвуковые волны, с амплитудой звукового давления каждой волны, меньшей порога кавитации. В результате интерференции двух бегущих волн в жидкости между излучателями 2 и 3 образуется стоячая волна, положение узлов и пучностей смещения которой зависит от разности фаз сигналов с выходов импульсного генератора 8. В полученной стоячей волне пучности смещения соответствует узел звукового давления, а узлу смещения - пучность звукового давления, амплитуда которого, равная сумме амплитуд звукового давления исходных бегущих волн, превосходит порог кавитации (например, на 3-5%).

При таком воздействии на поток жидкости ультразвукового излучения в локальных областях, соответствующих узлам смещения стоячей волны, происходит кавитация и образуются кавитационные пузырьки, заполненные парами жидкости, т. е. создаются кавитационные метки, время существования которых составляет несколько секунд.

Количество узлов смещения стоячей волны, т. е. кавитационных меток, создаваемых одновременно в поперечном сечении трубопровода вдоль диаметра соединяющего импульсные излучатели 2 и 3, определяется соотношением диаметра трубопровода и длины стоячей волны, равной отношению скорости ультразвука в жидкости к частоте электрических сигналов, подаваемым на импульсные излучатели 2 и 3.

В случае, если длина стоячей волны в два раза больше внутреннего диаметра трубопровода 1, создается одна кавитационная метка, положение которой в точке поперечного сечения трубопровода 1 вдоль диаметра, соединяющего импульсные излучатели 2 и 3, определяется разностью фаз электрических сигналов, поступающих на них.

Кавитационная метка, движущаяся с местной скоростью потока в определенной точке поперечного сечения трубопровода 1, в моменты пересечения зондирующих ультразвуковых лучей, создаваемых подключенными к генератору 11 излучателями ультразвуковых колебаний 4 и 5, установленными в двух контрольных сечениях трубопровода 1, поочередно модулирует интенсивность ультразвукового излучения, воспринимаемого приемниками ультразвуковых колебаний 7 и 6, с выходов которых через усилители соответственно 9 и 10 модулированные по амплитуде сигналы поступают на два входа измерительно-вычислительного устройства 13.

Измерительно-вычислительным устройством 13 фиксируются моменты начала модуляции сигналов, поступающим с выходов приемников 7 и 6 и измеряется время τ прохождения кавитационной меткой расстояния L между двумя контрольными сечениями. Местная скорость V_r потока в точке поперечного сечения трубопровода 1, расположенной на расстоянии r от его оси, которое определяется разностью фаз сигналов с выходов импульсного генератора 8, заданной блоком управления 12, вычисляется по формуле V_r = L/τ. (1) В следующих циклах измерения с помощью блока управления 12 производится дискретное изменение разности фаз сигналов с выходов импульсного генератора 8 и, следовательно, положения кавитационной метки в поперечном сечении трубопровода 1 и вычисляются местные скорости потока на различных расстояниях r от оси трубопровода 1, т.е. определяется профиль скоростей потока по сечению трубопровода 1.

В результате численного интегрирования поля местных скоростей вычисляется средняя скорость V_c потока по сечению трубопровода и расход жидкости Q Q=V•S, (2) где S - площадь поперечного сечения трубопровода.

В случае, если в жидкости образуется стоячая волна, длина которой меньше внутреннего диаметра трубопровода 1, в его поперечном сечении вдоль линии, соединяющей импульсные излучатели 2 и 3 одновременно, создаются несколько кавитационных меток, при этом расстояние между соседними метками равно половине длины стоячей волны. При движении кавитационных меток, расположенных первоначально на одной прямой линии, с потоком форма линии искажается в зависимости от профиля скоростей, существующего в потоке. Вследствие этого кавитационные метки проходят через контрольные сечения с различными сдвигами по времени, значения которых зависят от местных скоростей потока по сечению трубопровода, что позволяет определять профиль скоростей потока и его расход непосредственно за один цикл измерений.

К достоинствам расходомера относятся высокая точность измерения расхода потоков с нарушенной осевой симметрией за счет учета влияния деформации поля скоростей на показания расходомера, а также возможность определения профиля скоростей потока за один или несколько циклов измерений.

Формула изобретения

Меточный расходомер жидкости, содержащий расположенный на трубопроводе импульсный ультразвуковой излучатель, подключенный к выходу импульсного генератора, установленные на трубопроводе за импульсным ультразвуковым излучателем по потоку две пары излучателей и приемников ультразвуковых колебаний, генератор, подключенный к двум излучателям ультразвуковых колебаний, два усилителя, соединенных с двумя приемниками ультразвуковых колебаний, блок управления и измерительно-вычислительное устройство, отличающийся тем, что он снабжен вторым импульсным ультразвуковым излучателем, расположенным на трубопроводе диаметрально противоположно первому, а импульсный генератор имеет второй выход с регулируемым сдвигом по фазе кратковременных электрических сигналов по отношению к сигналам с первого выхода и управляющий вход, соединенный с блоком управления, причем второй выход импульсного генератора подключен к второму импульсному ультразвуковому излучателю.

РИСУНКИ

Рисунок 1