Ультразвуковой датчик расхода газовых и жидких топливных сред

Предлагаемое устройство относится к приборостроению и предназначено для измерения расхода газовых и жидких топливных сред. Ультразвуковой датчик расхода газовых и жидких топливных сред содержит генератор 1 псевдослучайной последовательности, генератор 2 гармонического колебания, фазовый манипулятор 3, усилители 4, 8 и 14, излучатель 5, трубопровод 6, приемный элемент 7, блок 9 регулируемой задержки, дифференциатор 10, перемножитель 11, коррелятор 12, фильтр 13 нижних частот и указатель 15 расхода. Технический результат - повышение точности измерения скорости движущихся частиц в трубопроводе заданного диапазона путем использования производной автокорреляционной функции и сложных сигналов с фазовой манипуляцией. 2 ил.

 

Предлагаемое устройство относится к приборостроению и предназначено для измерения расхода газовых и жидких топливных сред.

Известны датчики расхода газовых и жидких топливных сред (авт. свид. СССР №№913076, 1185093, 1435944, 1812433; патенты РФ №№2003944, 2010167, 2084833, 2176072, 2190191, 2190833, 2190834, 2511638; патенты США №№4308752, 4741215, 5440925; патенты Великобритании №№1165398, 2166550; патент ФРГ №2756873; патент Японии №56-54566; Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. Л.: Машиностроение, 1989; Никитин В.И. современные проблемы измерения малых расходов жидкости и газа. Измерительная техника, 1986, №2; Хамидуллин В.К. Ультразвуковые контрольно-измеритеьные устройства и системы. Л.: Машиностроение, 1989, с. 176, рис. 3.22 и другие).

Из известных датчиков и устройств наиболее близким к предполагаемому является «Ультразвуковой расходомер» (патент РФ №2003944, G01F 1/66, 1991) который и выбран в качестве прототипа.

Известный расходомер обеспечивает измерение скорости движущихся частиц в трубопроводе заданного диапазона. Это достигается автокорреляционной квадратурной обработкой акустических сигналов с использованием генератора белого шума.

В известном устройстве для измерения скорости корреляционным методом используются два сигнала: u(t) и u(t-τз), где - транспортное запаздывание второго сигнала.

Для точного измерения скорости нужно возможно точнее определить значение регулируемого запаздывания τз, соответствующее максимуму корреляционной функции.

Однако в области максимума автокорреляционная функция R(τ) имеет очень малую крутизну и изменяется незначительно при изменениях τ (фиг. 2, а).

Кроме того, автокорреляционная функция R(τ) имеет высокочастотное заполнение. Гораздо более благоприятной для поиска максимума является форма производной от автокорреляционной функции (фиг. 2, б).

В точке)=0 производная имеет значительную крутизну и, кроме того, меняет знак в зависимости от положении относительно точки τ=0. Таким образом, отыскание максимума автокорреляционной функции R(τ) (максимальный принцип - экстремальная задача) заменяется минимальным принципом измерения - стабилизацией нулевого значения регулируемой величины.

Технической задачей изобретения является повышение точности измерения скорости движущихся частиц в трубопроводе заданного диапазона путем использования производной автокорреляционной функции и сложных сигналов с фазовой манипуляцией.

Поставленная задача решается тем, что ультразвуковой датчик расхода газовых и жидких топливных сред, содержащий, в соответствии с ближайшим аналогом, генератор гармонического колебания, последовательно включенные первый усилитель и излучатель, последовательно включенный приемный элемент и второй усилитель, последовательно включенные блок регулируемой задержки и коррелятор, состоящий из последовательно включенных перемножителя и фильтра нижних частот, при этом излучатель и приемный элемент установлены на трубопроводе на расстоянии друг от друга, отличается от ближайшего аналога тем, что он снабжен генератором псевдослучайной последовательности, фазовым манипулятором, дифференциатором, третьим усилителем и указателем расхода, причем к выходу генератора гармонического колебания подключен фазовый манипулятор, второй вход которого соединен с выходом генератора псевдослучайной последовательности, а выход подключен к входу первого усилителя и блока регулируемой задержки, выход второго усилителя через дифференциатор подключен к второму входу перемножителя, к выходу фильтра нижних частот последовательно подключены третий усилитель, блок регулируемой задержки и указатель расхода.

Структурная схема ультразвукового датчика расхода газовых и жидких топливных сред представлена на фиг. 1. вид автокорреляционной функции R(τ) и ее производной показаны на фиг. 2.

Ультразвуковой датчик расхода газовых и жидких топливных сред содержит последовательно включенных генератор 2 гармонического колебания, фазовый манипулятор 3, второй вход которого соединен с выходом генератора 1 псевдослучайной последовательности, первый усилитель 4 и излучатель 5, последовательно включенные приемный элемент 7, второй усилитель 8, дифференциатор 10, перемножитель 11, второй вход которого через блок 9 регулируемой задержки соединен с выходом фазового манипулятора 3, фильтр 13 нижних частот, третий усилитель 14, блок 9 регулируемой задержки и указатель 15 расхода. Перемножитель 11 и фильтр 13 нижних частот образуют коррелятор 12. Излучатель 5 и приемный элемент 7 установлены на трубопроводе 6 на расстоянии друг от друга.

Ультразвуковой датчик расхода газовых и жидких топливных сред работает следующим образом.

Гармоническое колебание

uc(t)=Uc⋅Cos(ωct+ϕc), 0≤t≤Тс,

где Uc, ωc, ϕс, Tc - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность гармонического колебания,

с выхода генератора 2 гармонического колебания поступает на первый вход фазового манипулятора 3, на второй вход которого подается модулирующий код M(t) с выхода генератора 1 псевдослучайной последовательности. На выходе фазового манипулятора 3 формируется сложный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМн)

u1(t)=U1⋅Cos[(ωct+ϕk(t)+ϕс], 0≤t≤Тс,

где ϕк(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы сигнала, отражающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t), причем ϕк(t)=const при kτЭ<t<(k+1) τЭ и может изменяться скачком при t=kτЭ, т.е. на границах между элементарными посылками (k=1, 2, …, N);

τЭ, N, - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Тсс=N⋅τЭ),

который через первый усилитель 4 и излучатель 5 поступает в движущуюся топливную среду. Отражаясь от движущихся частиц, акустический ФМн сигнал поступает на вход приемного элемента 7

u2(t)=U2⋅Cos[ωc(t-τз)+ϕk(t-τз)+ϕс], 0≤t≤Тс,

где - время распространения акустического ФМн сигнала от излучения до приема;

- расстояние от излучателя 5 до приемного элемента 7;

V - скорость движения частиц.

Следовательно, принятый сигнал соответствует по форме излученному, но задержанному на τз в акустическом канале. Одновременно с этим излучаемый ФМн сигнал u1(t) через блок 9 регулируемой задержки.

На выходе такой схемной конструкции сигнал будет соответствовать производной от автокорреляционной функции .

Таким образом, продифференцировав один из входных сигналов на выходе указанной схемной конструкции получим знакопеременный сигнал с большой крутизной в области максимума корреляционной функции, который может быть использован для автоматического управления блоком 9 регулируемой задержки. Если указанная производная не равна нулю, то на выходе фильтра 13 нижних частот формируется управляющее напряжение, амплитуда которого пропорциональна степени отклонений производной корреляционной функции от нулевого значения, а полярность направлению отклонения. Это напряжение через усилитель 14 воздействует на управляющий вход блока 9 регулируемой задержки, изменяя временную задержку τ так, чтобы производная корреляционной функции была равна нулю. Указатель 15 расхода, связанный со шкалой блока 9 регулируемой задержки, позволяет непосредственно считывать расход газовых и жидких топливных сред.

Таким образом, предлагаемый датчик по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает повышение точности измерения скорости движущихся частиц в трубопроводе заданного диапазона. Это достигается использованием производной автокорреляционной функции и сложных сигналов с фазовой манипуляцией.

Метод измерения временных интервалов по минимуму производной автокорреляционной функции (прохождению через нуль), наряду с высокой точностью и чувствительностью, обладает еще одним весьма существенным преимуществом нулевого метода, а именно амплитуда входных сигналов входных сигналов и ее флюктуации не оказывают влияния на результат измерений. Достоинством нулевого метода является также относительная простота получения нужного сигнала рассогласования, производная в точке τ=0. Предлагаемая корреляционная система обеспечивает методическую погрешность измерений, равную долям процента.

Сложные сигналы с фазовой манипуляцией обладают высокой помехоустойчивостью, энергетической и структурной скрытностью. Автокорреляционная функция указанных сигналов обладает хорошими свойствами, которые использованы в предлагаемом датчике.

Ультразвуковой датчик расхода газовых и жидких топливных сред, содержащий генератор гармонического колебания, последовательно включенные первый усилитель и излучатель, последовательно включенные приемный элемент и второй усилитель, последовательно включенные блок регулируемой задержки и коррелятор, состоящий из последовательно включенных перемножителя и фильтра нижних частот, при этом излучатель и приемный элемент установлены на трубопроводе на расстоянии друг от друга, отличающийся тем, что он снабжен генератором псевдослуйчайной последовательности, фазовым манипулятором, дифференциатором, третьим усилителем и указателем расхода, причем к выходу генератора гармонического колебания подключен фазовый манипулятор, второй вход которого соединен с выходом генератора псевдослучайной последовательности, а выход подключен к входу первого усилителя и блока регулируемой задержки, выход второго усилителя через дифференциатор подключен к второму входу перемножителя, к выходу фильтра нижних частот последовательно подключены третий усилитель, блок регулируемой задержки и указатель расхода.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу и устройству для непрерывного определения параметров потока смеси и предназначено для использования в нефте- и газодобывающей промышленности.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в измерительных устройствах для определения расхода жидких или газообразных сред с помощью ультразвука.

В заявляемом изобретении предложен ультразвуковой расходомер (10) для определения скорости потока протекающей в трубопроводе (12) текучей среды, имеющий по меньшей мере один измерительный контур (18), в котором расположены напротив друг друга первый ультразвуковой преобразователь (16а) и второй ультразвуковой преобразователь (16b) с протекающей текучей средой между данными преобразователями, а также имеющий блок оценки, выполненный для вычисления скорости потока из разницы времени прохождения ультразвуковых импульсов по измерительному контуру (18) по направлению потока (14) и против потока (14).

Заявлено ультразвуковое устройство (10) измерения расхода с множеством ультразвуковых преобразователей (16а-е) для определения скорости потока текучей среды, текущей в трубопроводе (12), имеющее множество измерительных лучей (18a-d), на каждом из которых расположены два из ультразвуковых преобразователей (16а-е) напротив друг друга, с потоком между ними и на осевом расстоянии (Δх) друг от друга в продольном направлении трубопровода (12), и вычислительный блок, выполненный с возможностью вычисления скорости потока из разностей времени прохождения ультразвуковых сигналов вдоль соответствующих измерительных лучей (18a-d) в направлении по потоку и против потока.

Предложен способ и измерительное устройство для определения параметров качества газа, в котором газ или газовая смесь протекает как через ультразвуковой расходомер (4), так и через микротермический датчик (7), и первый используют для определения скорости звука и течения, а с помощью второго определяют теплопроводность и теплоемкость газа или газовой смеси.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в информационно-измерительных системах нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей, химической и других отраслях промышленности для измерения содержания компонентов многофазной среды.

В настоящем документе описаны многофазные расходомеры и связанные с ними способы. Устройство для измерения расхода содержит: впускной манифольд; выпускной манифольд; первый и второй каналы для потока, присоединенные между впускным и выпускным манифольдами; и анализатор для определения расхода текучей среды, протекающей через первый и второй каналы для потока, на основании параметра текучей среды, протекающей через первый канал для потока, причем параметр представляет собой перепад давления текучей среды, протекающей через первый канал для потока или плотность смеси текучей среды, протекающей через первый канал для потока, источник и детектор, соединенные с первым каналом для потока, причем анализатор использует полученные детектором значения для определения фазовой фракции текучей среды, протекающей через первый канал для потока, клапан для управления расходом текучей среды через второй канал для потока.

Изобретение относится к измерительному устройству для измерения скорости потока текучей среды, текущей в направлении основного потока в круглой линии. Устройство содержит входную часть для направления текучей среды из круглой линии в измерительное устройство; выходную часть для направления текучей среды из измерительного устройства в круглую линию; измерительную часть для соединения входной части с выходной частью; по меньшей мере одно ультразвуковое устройство для испускания и/или приема ультразвуковых волн, причем ультразвуковое устройство расположено на стенке измерительной части; и блок обработки для выполнения измерения разности времени прохождения и для определения скорости потока, при этом входная часть имеет первую суперэллиптическую переходную форму, выходная часть имеет вторую суперэллиптическую переходную форму, и измерительная часть имеет прямоугольную форму, в частности, с закругленными углами.

Использование: для определения скорости потока и/или расхода текучей среды. Сущность изобретения заключается в том, что устройство имеет по меньшей мере первый ультразвуковой преобразователь и второй ультразвуковой преобразователь, позволяющие определить скорость потока по времени прохождения ультразвукового сигнала, при этом устройство дополнительно включает шумоизмерительный ультразвуковой преобразователь, выполненный с возможностью измерения шума, создаваемого текучей средой при обтекании ультразвукового преобразователя, и в том, что устройство управления и обработки выполнено с возможностью определения скорости потока на основе измерений шума.

Изобретение относится к ультразвуковому расходомеру для измерения расхода текучей среды. Ультразвуковой расходомер для измерения расхода текучей среды (1) содержит измерительную трубку (2) и ультразвуковой преобразователь (3), причем измерительная трубка (2) имеет преобразовательную камеру (4), которая представляет собой выемку, находящуюся вне поперечного сечения потока в измерительной трубке (2), и генерирует завихрения в потоке текучей среды (1), причем для ультразвукового преобразователя (3) предусмотрен контакт с текучей средой (1) в преобразовательной камере (4) измерительной трубки (2), и ультразвуковой преобразователь (3) имеет корпус (5) преобразователя с ультразвуковым окном (8) и преобразовательный элемент (6), причем на направленной внутрь измерительной трубки (2) торцевой стороне (7) корпуса (5) преобразователя, у ультразвукового окна (8) корпуса (5) преобразователя предусмотрен цилиндрический экран (9), выполненный трубообразным и предназначенный для экранирования пути распространения ультразвуковых сигналов от завихрений, возникающих в потоке текучей среды.

Предлагаемое устройство относится к приборостроению и предназначено для измерения расхода газовых и жидких топливных сред. Ультразвуковой датчик расхода газовых и жидких топливных сред содержит генератор 1 псевдослучайной последовательности, генератор 2 гармонического колебания, фазовый манипулятор 3, усилители 4, 8 и 14, излучатель 5, трубопровод 6, приемный элемент 7, блок 9 регулируемой задержки, дифференциатор 10, перемножитель 11, коррелятор 12, фильтр 13 нижних частот и указатель 15 расхода. Технический результат - повышение точности измерения скорости движущихся частиц в трубопроводе заданного диапазона путем использования производной автокорреляционной функции и сложных сигналов с фазовой манипуляцией. 2 ил.

Наверх