Ультразвуковой одноканальный способ измерения расхода сред

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и позволяет повысить точность измерения расхода. Генератор 7 вырабатьшает . электрическое напряжение 16, возбуждающее преобразователь 1, который через звукопровод 3 вводит в контролируемую жидкость 6 ультразвуковую волну uJ 17, часть которой преобразуется в блоке 2 в электрическое напряжение 19. Напряжение 20 вырабатьшается генератором 8 с частотой большей txJ . В контролируемую жидкость излучается волна 21, проходящая через звукопровод 4 и трансформируемая преобразователем в напряжение 23. Векторная сумма сигналов 16 и 23 поступает в демодул5Гтор 9, выделяющий огибающую 24 амплитудной модуляции (АМ). Векторная сумма сигналов 19 и 20 поступает в демодулятор 10 и выделяется огибающая 25 AM. Огибающие 24 и 25 AM поступают в § блок 13, где производится гос суммирование . На выходах блока 14 суммиро (Л вания от генераторов 7 и 8 подаются напряжения 27 и 28. Их сумма поступает на вход фазометра 11, вырабатывающего сигнал 31, пропорциональныйконтролируемому расходу. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (51)4 G 01 F 1/66

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

М А BTOPCHOIVIY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3908282/24-10, 3919427/24-10 (22) 16.05.85 (46) 30.11.86. Бюл ° № 44 (71) Научно †производственн объединение Союзцветметавтоматика 1 (72) Н.И.Бражников (53) 681.121 (088.8) (56) Патент CUA ¹ 2746291, кл.73-194, !970.

Бражников Н.И. Ультразвуковая фазометрия. М,: Энергия, 1968, с.233-234. (54) УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОДНОКАНАЛЬН1Й

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА СРЕД (57) Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и позволяет повысить точность измерения расхода. Генератор 7 вырабатывает электрическое напряжение 16, возбуждающее преобразователь 1,.который через звукопровод 3 вводит в контролируемую жидкость 6 ультразвуковую волну,д 17, часть которой преобразуется в блоке 2 в электрическое напряжение 19. Напряжение 20 вырабатывается генератором 8 с частотой большей u3 . В контролируемую жид1 кость излучается волна 21, проходящая через звукопровод 4 и трансформируемая преобразователем 1 в напряжение 23. Векторная сумма сигналов

16 и 23 поступает в демодулятор 9, выделяющий огибающую 24 амплитудной модуляции (АМ). Векторная сумма сигналов 19 и 20 поступает в демодулятор 10 и выделяется огибающая 25 АМ.

Огибающие 24 и 25 AN поступают в блок 13, где производится их суммирование. На выходах блока 14 суммирования от генераторов 7 и 8 подаются напряжения 27 и 28. Их сумма поступает на вход фаэометра 11, вырабатывающего сигнал 31, пропорциональный контролируемому расходу. 2 ил.

1273740

tlV — дополнительный сдвиг фазы tQ волны 10, вызываемый движением контролируемой среды 6.

Волна, возбужденная напряжением 9

5 с амплитудой 11д, вырабатываемым в системе 7, распространяется от второго преобразователя к первому против направления потока V и имеет на час тоте и полную фазу

1О (4) ° Изобретение относится к кс1нтроль- но-измерительной технике и может найти применение для измерения объемного расхода сред в различных отраслях Гидрометаллургических, химических и других производств.

Цель изобретения — повьппение точности измерения расхдда.

На фиг.! показано устройство, реализующее способ, общий вид; на фиг.2 вариант реализации способа.

На фиг.l введены обозначения: акустические преобразователи 1 и 2; преломляющие звуководы 3 и 4; трубопровод 5, контролируемая среда 6;. электронная система 7, возбуждающие напряжения 8 и 9. где Ч вЂ” фаза волны 11 после рас,о пространения в акустическом канале от преобразователя 2 к преобразователю 1 при неподвижной среде 6 (для Q = 0); Р— дополнительный сдвиг фазы волны ll вызываемый движением контролируемой среды.

При этом

Ч =udge; 9 =uJ r.; 1 =7 =1.; (5)

Î1 1 12 О2 2 21 2 L1

Реализация способа заключается в следующем.

С помощью двух возбуждающих напряжений 8 и 9 электронной системы 7 акустические преобразователи пропускают через поток контролируЕмой среды 6 одновременно и встречно друг другу две разночастотнь е ультразвуковые волны 10 и 11. Возбуждающие напряжения на первом и втором (8 и 9 соответственно) преобразователях имеют синусоидальную форму

25 Р =К У.g; а Р =К.> Q . (6) где К вЂ” коэффициент пропорциональности;

Т вЂ” полное время распространения волны в акустическом канале при неподвижной среде 6.

После прохождения потока разночастотные волны поступают каждая на другой преобразователь и линейно преобразуются преобразователями 1 и

2 в электрические сигналы 12 и 13, имеющие напряжения, соответственно

U = IJ, sin (u3 t +Ч „);

U = U sin (11 t +1Р ) 8 2 Я 211 (1) (2) 35 где uJ 113 — круговые частоты электрических напряжений и возбуждаемых ультразвуковых волн; — текущее время;

U,,U — амплитуды возбуждающих

1 Д напряжений;

1 и 2 — индексы преобразователей;

1р,y — начальные фазы возбуж1Н дающих напряжений.

Волна, возбужденная напряжением 8 с амплитудой U, вырабатываемым в

18 системе 7, распространяется от первого ко второму преобразователю по направлению потока V и имеет на частоте О! (меньщей частотыи1) полную

1 9 фазу (3) U = К Н sin (Ы + Е ); (7) 40 U = K tJ . sin (о.),t +11,) (8) и,=(и, -к,и,) st@ t+2к,и,« t 2 8 Р Р л) где ЧО1 — фаза волны 10 после распространения в акустическом канале между преобразователями 1 и 2 при неподвижной среде 6 (при расходе Q = О) „

„и,=(p,- к, и,) в;1, 2K,U," 1-» — " )са& — — 1 + )

Ы +11. яН А, "(2 2 2 2 (10) Преобразованные из принятых волн электрические сигналы U» и Б в вектор— но суммируются с возбуждающими напря45 жениями, соответственно с Б и Б в .

18

Суммарные электрические сигналы на преобразователях 1 и 2 имеют напряжения

1273740

В электронной схеме 7 известной операцией демодулирования выделяют огибающие суммарных сигналов U,,первого и второго преобразователей

uJ -(d

U =2К И cos (- -- с + 0,5 (q - Р );

И 1

О2 (11)

U„=2K И .сns (- + 0,5 (У вЂ” 4, ) (12)

После нормирования амплитуд оги— бающих 21 И и 2К, U,, например к значению 11,, производят их векторное суммирование

И +U = И cos(-- - t+ --- + - "--1-"(13) Г Ч„

И) И2 С 2 4 4

Векторная сумма нормированных по амплитуде U огибающих имеет частоту, равную полуразности частот волн, и амплитуду И,, равную

U = 2U соз (- -- — - -- ) с= о 4 4 (14)

Эта амплитуда имеет слабо выраженную зависимость от расхода Q u от изменения времени распространения волн в акустическом тракте.

3 Фeg 4- 31

И = 2И соя(- --- t +-- — - KQ) (15) с о 4 4 ЗО

Последующими операциями способа являются отделение внутри системы 7 от возбуждающих напряжений 8 и 9 (U и И В) небольщой их части с ам)В плитудами, например, близкими к И., 35 т.е.:

f (16) и векторное суммирование этих напряжений 40

u) -u3

О -2О Cos( о 2 (17) 45

Демодуляция полученной системы

116) выделенных частей возбуждающих напряжений 8 и 9 приводит к получению третьей огибающей этой суммы

О) -И.), Yg -V

= гИ,cos(— — - t + ») (18) нВ 2 2

Так как векторная сумма U + U первых двух огибающих и третья огибающая имеют одинаковую частоту, то непосредственное измерение разности их фаз 4 дает следующий результат:

î2v)u .u„,)- г)и,)2

49=

4 ) о О 4+so. оп о1

+ 1

Или с учетом (5) и (6) 4+ +@2 (J -3, 4+ = К вЂ” — — — Q + K ----- - i (20)

3 4 4

Измеренная на полуразностной частоте ультразвуковых волн разность фаз 4) пропорциональна контролируемому расходу Q и в определенной степени пропорциональна времени распространения волны при неподвижной среде 6.

Одной из возможных реализаций способа является устройство, блоксхема которого изображена на фиг.2, Ультразвуковой расходомер содержит первый 1 и второй 2 акустические преобразователи, установленные на наклонных звукопроводах 3 и 4 в стенке трубчатого корпуса 5 (или на его стенке), через который проходит поток жидкости 6.

В расходомер входят соединенные с преобразователями соответственно первый 7 и второй 8 раэночастотные, электрические генераторы,:демодуляторы 9 и 10, фазометр 11 с регистрирующим блоком 12, первый 13 и второй

14 блоки векторного суммирования на низкой частоте демодулятором 15, включенным между выходом второго блока суммирования 14 и одним из входов фазометра 11, другой вход которо го соединен с выходом первого блока суммирования i 3,,который входами связан с преобразователями 1 и 2 посредством демодуляторов 9 и 10. Каждый из генераторов 7 и 8 выполнен с дополнительным выходом, электрически связанным относительно основного выхода (соединенного с преобразователем) 1 или 2 соответственно, причем дополнительные выходы генераторов 7 и 8 подключены порознь к входам второго блока суммирования 14.

Устройство работает следующим образом.

Генератор 7 вырабатывает электрическое напряжение 16, имеющео частоту ud и начальную фазу Р„„ и

f возбуждающее преобразователь 1, соторый через наклонный звукопровод 3 вводит в контролируемую жидкость 6 ультразвуковую волну 17. Часть вол1273740 ности фаз поступающих в него сигнао лов 24 и 28.

Выходной сигнал 29, пропорциональный контролируемому расходу, поступает в регистрирующий блок 12, шкала которого градуирована в единицах расхода, например м5/ч.

При выборе частот с близкими значениями начальная составляющая вы— ходного сигнала 29 может быть сведена к малой величине и скомпенсирована в блоке 12.

Из формулы 20 следует, что второй член при близости частот и „ и

- 5,и3 мал и при больших и средних расф ходах не создаст большой погрешности.

Устранение неоднозначности начальной фазы генераторов может быть также устранено осуществлением синхронного запуска этих генераторов, выполненного различным способом.

5 ны 17 поступает в .преобразователь 2 и преобразовывается им в электричес кое напряжение 18.

Напряжение 19 вырабатываемое генератором 8, имеет частоту о1 несколько большую 1,, и начальную фазу V . Она возбуждает преобра2h зователь 2, который через звукопровод 4 излучает волну 20 в контролируемую жидкость 6. Эта волна распространяется от второго преобразователя 2 к первому против направления потока.

Волна 20, частично вошедшая в звукопровод 3, трансформируется пре образователем в напряжение 21.

Электрический сигнал, равный век торной сумме сигналов 16 и 21 от преобразователя 1 поступает в демодулятор 9, в котором фильтр, настро енный на полуразностную частоту, вь деляет вторую огибающую 22 амплитудной модуляции.

Электрический сигнал, равный векторной сумме сигналов 18 и 19 от преобразователя 2 поступает в демодулятор 10, в котором фильтр, настроенный на полуразностную частоту, выделяет вторую огибающую 23 амплитудной моДуляции.

Выделенные первая 22 и вторая 23 огибающие поступают в блок 13, в.котором (после нормирования этих амплитуп) производится векторное суммирование огибающих.

На входы второго блока суммирования 14 от разночастотных генераторов

7 и 8 подаются небольшие напряжения

25 и 26. Их сумма 27 имеет амплитудную модуляцию, которая выделяется демодулятором и поступает на второй вход фазометра 11.

В фазометре 11 вырабатывается выходной электрический сигнал.29, нап=. ряжение которого пропорционально разФормула изобретения

Ультразвуковой одноканальный способ измерения расхода сред, заклю- . чающийся в излучении обратимыми преобразователями по и против потока одновременно и встречно друг другу

ЗО двух разночастотных ультразвуковых волн, линейном преобразовании принятых теми же преобразователями волн в электрические сигналы, выделении -первой и второй огибающих

35 суммарных электрических сигналов преобразователей, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью повышения точности, нормируют огибающие сигналов, векторно суммируют первую

40 и вторую огибающие, векторно суммируют напряжения обоих частот излучения, выделяют третью огибающую и по разности фаз между третьей огибающей и суммой первых двух огибающих

45 судят о контролируемом расходе.

Составитель И, Абросимов

Редактор Т.Парфенова Техред П.Сердюкова Корректор А.Зимокосов

Заказ 6466/37 Тираж 7Сб" Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул.Проектная, 4