способ измерения расхода жидкости или газа и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ измерения расхода жидкости или газа, заключающийся в формировании сигналов ультразвуковой частоты по потоку и против него, измерении разности времен распространения сигнала по потоку и против него и определении величины расхода, отличающийся тем, что формирование сигналов осуществляют на различных некратных частотах, модулируют сформированные сигналы по частоте, пропорциональной времени их распространения, а измерение разности времен распространения сигналов осуществляют путем выделения подуляционных составляющих, смешивания их и выделения разностного сигнала биений.

2. Устройство для измерения расхода жидкости или газа, содержащее измерительный отрезок трубопровода с колиброванным сечением и закрепленными на нем двумя сопряженными акустическими парами излучателей и приемников, включенными в соответствующие синхрокольца, состоящие из последовательно соединенных автогенератора и усилителя синхрокольца, подключенного к излучателю, а также блок регистрации, отличающееся тем, что в него введены последовательно соединенные смеситель, первый усилитель, детектор и второй усилитель, подключенный выходом к входу блока регистрации, а в каждом синхрокольце сопряженные акустические пары излучатель и приемник выполнены с основной частотой, равной частоте автогенератора соответствующего синхрокольца, а также дополнительно введены последовательно соединенные предварительный усилитель, подключенный входом к выходу приемника, детектор синхрокольца и модулятор, подключенный к второму входу усилителя синхрокольца, при этом выходы детекторов синхроколец подключены к соответствующим входам смесителя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерений расхода жидкости или газа в трубопроводных магистралях.

Известны способы и устройства для измерений массового или объемного расхода с использованием зависимости времени распространения ультразвука в жидкой или газовой средах от скорости потока [1] содержащие электронные ключи для формирования коротких ультразвуковых сигналов, требуют широкополосных трактов передачи и приема этих сигналов, что в сочетании с значительным ослаблением сигнала между излучателем и приемником (-80 ЭБ и более) существенно усложняет устройство, в частности из-за мер, принимаемых с целью защиты от помех широкополосного и высокочувствительного канала приема и преобразования сигналов.

Наиболее близкими по технической сущности к предлагаемым способу измерения расхода жидкости или газа и устройству для его реализации является частотно-импульсный способ [2] используемый в ультразвуковом расходомере по измерению времени прохождения ультразвуковых дискретных сигналов в форме цугов в потоке жидкости или газа, в котором частота следования цугов пропорциональна скорости потока.

Формирование ультразвуковых цугов в этом ультразвуковом расходомере осуществляется также электронными ключами, причем дискретно-импульсное формирование сигнала происходит с неучтенными временными задержками, соизмеримыми с периодом следования и длительностью цугов, что снижает точность измерений.

Технический результат, на решение которого направлено изобретение, заключается в повышении точности ультразвукового способа измерения расхода жидкости или газа и упрощение устройства, реализующего способ.

Для этого в способе измерения расхода жидкости или газа, заключающемся в формировании сигналов ультразвуковой частоты по потоку и против него и определении величины расхода по измерению разности времен распространения сигналов по потоку и против него, формирование сигналов осуществляют на различных некратных частотах, модулируют сформированные сигналы по частоте, пропорциональной времени их распространения, а измерение разности времен распространения сигналов осуществляют путем выделения модуляционных составляющих, смешивания их и выделения разностного сигнала биений.

В устройство для реализации этого способа, содержащее измерительной отрезок трубопровода с калиброванным сечением и закрепленными на нем двумя сопряженными акустическими парами излучателей и приемников, включенными в соответствующие синхрокольца, состоящие из последовательно соединенных автогенератора и усилителя синхрокольца, подключенного к излучателю, а также блок регистрации, введены последовательно соединенные смеситель, первый усилитель, детектор и второй усилитель, подключенный выходом к входу блока регистрации, а в каждом синхрокольце сопряженные акустические пары излучатель и приемник выполнены с основной частотой резонанса, равной частоте автогенератора соответствующего синхрокольца, а также дополнительно введены, последовательно соединенные предварительный усилитель, подключенный входом к выходу приемника, детектор синхрокольца и модулятор, подключенный к второму входу усилителя синхрокольца, при этом выходы детекторов синхроколец подключены к соответствующим входам смесителя.

На фиг.1 блок-схема конкретного примера устройства, реализующего способ измерения расхода жидкости или газа; на фиг.2 изображена электронная схема конкретного примера одного из синхроколец устройства, реализующего способ измерения расхода жидкости или газа.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Каждое из синхроколец устройства, реализующего способ измерения расхода жидкости или газа, состоит из автогенератора ультразвуковых колебаний на транзисторе Т₁ (фиг. 1) индуктивной трехточки, усилителя синхрокольца на транзисторах Т₂ и Т₃, где транзистор Т₃ выполняет также роль модулятора и соединен с акустическим излучателем первого или второго синхрокольца U₁ и U₂ соответственно, акустического приемника Р₁ и Р₂, соответственно расположенного на расстоянии l₁ и l₂ от акустического излучателя U₁ и U₂ соответственно, причем каждая сопряженная акустическая пара излучатель и приемник выполнены с основной частотой резонанса, равной частоте автогенератора соответствующего синхрокольца, а их активные поверхности контактируют с жидкой или газообразной средой магистрали, предварительного усилителя на транзисторах Т₄ и Т₅ с входом, соединенным с выходом приемника акустического сигнала Р₁ и Р₂ соответственно, регулятора положительной обратной связи на потенциометре R₁, детектора синхрокольца на диода D₁ с фильтром высших гармоник модуляции R*C*, модуляционного трансформатора Т_р, цепи смещения рабочей точки транзистора Т₃, состоящей из потенциометра R₂, вторичной обмотки модуляционного трансформатора Т_р и резистора R₃.

Элементами синхроколец на блок-схеме (фиг.2) являются автогенераторы 1 и 2, усилители 3 и 4 синхроколец, соединенные с акустическими излучателями U₁ и U₂, сопряженные с каждым из них акустические приемники Р₁ и Р₂ соответственно, причем акустические излучатели U₁ и U₂ и приемники Р₁ и Р₂ закреплены на отрезке трубы 5 так, что проекция направления луча А от излучатетеля U₁ к приемнику Р₁ на ось трубы 5 противоположная по направлению проекции луча В от излучателя U₂ к приемнику Р₂ на эту ось.

Акустические приемники Р₁ и Р₂ соединяются соответственно с последовательной цепью из предварительного усилителя 6, 7, детектора 8, 9 синхрокольца, модулятора 10, 11. занимающего синхрокольцо на усилителе 3, 4 синхрокольца.

Выходы детекторов 8 и 9 синхрокольца соединены соответственно с входами смесителя 12, выход которого соединен с последовательной цепью, состоящей из первого усилителя 13, детектора 14, второго усилителя 15 и блока 16 регистрации, например, частотомером или счетчиком импульсов с оцифрованной шкалой или таблом.

Работа каждого синхрокольца происходит следующим образом.

Напряжение от автогенератора несущей ультразвуковой частоты подается на затвор транзистора Т₂ (фиг.1) и после предварительного усиления подается на затвор транзистора Т₃, рабочая точка которого смещена в начало вольт-амперной характеристики отрицательным напряжением, которое устанавливается потенциометром R₂. После усиления на транзисторе Т₃ усилителя синхрокольца напряжение несущей частоты подается на акустический излучатель U₁, U₂, основная частота резонанса которого совпадает с несущей частотой соответствующего автогенератора, частоты которых между собой некратны. Излучатель U₁ или U₂ излучает сигнал ультразвуковой частоты, интенсивность которого максимальна за счет того, что несущая частота равна основной частоте резонанса акустического излучателя U₁ или U₂. Поскольку несущие частоты синхроколец совпадают также и с основной частотой резонанса приемников Р₁ или Р₂ соответственно, то затухание акустического сигнала в жидкой или газообразной среде за счет рассеяния существенно компенсируется. Кроме того, в результате избирательного резонансного приема акустического сигнала в узкой полосе частот интермодуляционные помехи между синхрокольцами существенно подавляются благодаря некратности несущих частот между собой.

Принятый акустический сигнал с приемника Р₁ или Р₂ поступает на затвор транзистора Т₄ и после предварительного усиления и повторения на транзисторе Т₅ детектируется диодом синхрокольца D₁.

Положительная обратная связь самовозбуждения на низкой частоте модуляции возникает при достаточном уровне сигнала в цепи модулятора транзистора Т₃, когда фаза модуляции несущей частоты совпадает с фазой низкой частоты на выходной обмотке модуляционного трансформатора Т_р, что достигается, когда фазы модуляции на акустическом излучателе U₁, U₂ и приемнике Р₁, Р₂ совпадают (фиг. 1а) либо противоположны (фиг.1б) в зависимости от включения концов выходной обмотки модуляционного трансформатора Т_р, т.е. отдельно для ряда четных гармоник (n 2,4,6.) и ряда нечетных гармоник (n 1,2,3.), что соответствует частоте модуляции

f_м= n (1) где С скорость ультразвука, несущей частоты в жидкой или газовой среде; _м длина волны модуляционной огибающей; l расстояние от излучателя до приемника; n номер гармоники.

Фильтрация высших гармоник каждого ряда частот f_м осуществляется подбором емкости конденсатора С* и сопротивления R* при определенном пороговом значении глубины модуляции, которая настраивается потенциометром R₁.

В результате подавления высших гармоник модуляции и настройки порога возбуждения потенциометров R₁, возбуждение модуляции осуществляется только на наинизшей частоте модуляции, которая обратно пропорциональна времени задержки сигнала на трассе между акустическим излучателем и сопряженным с ним приемником и, следовательно, прямопропорциональной скорости распространения ультразвука, т.е.

f_м= m (2) где m принимает два взаимоисключающих значения 1 или 2 в зависимости от включения концов выходной обмотки модуляционного трансформатора.

Скорость ультразвука между излучателем и приемником и приемником по направлению потока С₁ равна

С₁ С_о + vcos ₁, (3) a против потока С₂ равна

С₂ С_о vcos ₂, (4) где С_о скорость ультразвука в неподвижной среде; v скорость потока; ₁ и ₂ углы проекции скорости потока на направление распространения ультразвука от акустического излучателя до приемника (фиг.2) соответственно направления А и направления В.

После подачи отфильтрованного сигнала модуляции с детекторов 8 и 9 синхрокольца на смеситель 12 на выходе последнего возникают биения с разностной частотой f в функции от скорости потока

f f_м1-f + cos ₁+ cos

(5)

Настройкой расстояний l₁ и l₂ в статическом состоянии жидкости или газа (v 0) добиваются нулевых биений f 0, что соответствует равенству l₁ l₂ l, в результате чего частота биений оказывается прямопропорциональной скорости потока v с точностью до аддитивной величины нулевых биений и не зависит от скорости распространения ультразвука в среде, т.е.

f (cos ₁+cos ₂)v

(6)

После усиления на первом усилителе 13, выделения частоты биений на детекторе 14 и усиления на втором усилителе 15 сигнал с частотой биений f поступает на блок 16 регистрации.

Если в качестве блока регистрации используется, например, частотомер, то его показания будут пропорциональны секундному расходу. Если используется счетчик импульсов с непрерывным счетом, то его показания будут пропорциональны расходу за время счета.