Спосіб визначення витрати рідин і газів та пристрій для його здійснення

Изобретение относится к измерению расхода жидких и газообразных веществ путем измерения фазового сдвига при пропускании ультразвуковых колебаний в направлении потока и против него. Способ и устройство могут быть использованы для измерения расхода жидких и газообразных веществ в химической, пищевой и других отраслях промышленности. Наиболее близким к заявляемому является ультразвуковой способ определения расхода, заключающийся в том, что высокочастотные электрические колебания преобразуют в ультразвуковые колебания, излучают ультразвуковые колебания в поток под углом в направлении его движения, принимают и преобразуют ультразвуковые колебания в электрические, измеряют фазовый сдвиг Dj1 принятых колебаний по отношению к излученным, затем изменяют направление распространения ультразвуковых колебаний на противоположное, измеряют фазовый сдвиг Dj2 принятых колебаний, сравнивают полученные фазовые сдвиги и по их разности dj определяют расход Q из соотношения где w - угловая частота колебаний; L - расстояние между излучателем и приемником (акустическая база); a - угол между направлением распространения ультразвуковых колебаний и потоком; v2 - скорость потока, усредненная по длине L; с - скорость распространения ультразвука в неподвижной среде; D - диаметр потока; к - отношение средних скоростей по сечению и по диаметру потока. Наиболее близким к заявляемому является устройство для определения расхода, которое содержит высокочастотный генератор, два акустических преобразователя (каждый из которых попеременно является передатчиком и приемником ультразвуковых колебаний), два коммутатора, управляемых мультивибратором, для переключения акустических преобразователей с излучения на прием, фазорегулятор, усилитель с автоматической регулировкой усиления, фазовый детектор и измерительный прибор. Вход первого автоматического коммутатора соединен с выходом генератора, выходы коммутатора соединены с одноименными входами второго автоматического коммутатора и с акустическими преобразователями. К выходу второго коммутатора подключен усилитель. Входы фазового детектора соединены с выходом усилителя и выходом генератора. К выходу фазового детектора подключен измерительный прибор. Акустические преобразователи размещены под углом к контролируемому потоку. Эти способ и устройство не обеспечивают высокой точности измерения, так как в расчетную формулу входит акустическая база L и квадрат скорости распространения ультразвука с 2. В процессе непрерывной эксплуатации прибора неизбежны изменения акустической базы вследствие вибрации, ударов в трубопроводах, изменения температуры и давления контролируемого потока и т.п. Зависимость разности фазовых сдвигов dj от квадрата скорости с распространения ультразвуковых колебаний делает этот способ очень чувствительным к температурным изменениям контролируемого потока и колебаниям его плотности. Кроме того, точность измерения фазовых сдвигов в производственных условиях невысока из-за нестабильности фазовых характеристик каналов электронного фазометра от температуры, частоты, искажений формы кривых сравниваемых по фазе сигналов. Задача изобретения - создание способа и устройства, в которых высокая точность измерения расхода жидкостей и газов обеспечивается путем исключения влияния акустической базы в ультразвуковом преобразователе, снижения влияния непостоянства скорости распространения ультразвука и замены фазовых измерений на частотные как более точные. Поставленная задача решена тем, что в способе определения расхода жидкости и газов, включающем преобразование высокочастотных электрических колебаний в ультразвуковые колебания, излучение ультразвуковых колебаний в контролируемый поток под углом в направлении его движения, преобразование принятых ультразвуковых колебаний в электрические, измерение фазового сдвига принятых колебаний по отношению к излученным, изменение направления распространения ультразвуковых колебаний на противоположное измерение фазового сдвига принятых колебаний, сравнение измерения фазовых сдвигов и определение расхода по их разности, согласно изобретению, высокочастотные электрические колебания перед преобразованием в ультразвуковые подвергают однополосной модуляции низко-частотными электрическими колебаниями с положительным сдвигом частоты, при изменении направления распространения ультразвуковых колебаний одновременно изменяют знак сдвига частоты модулированных колебаний на отрицательный, после сравнения фазовых сдвигов, если они не совпадают, плавно изменяют частоту модулирующих колебаний и повторяют все операции до получения равенства фазовых сдвигов, измеряют значение частоты F модулирующих колебаний и расход Q определяют из соотношения і где к - коэффициент, равный отношению средних скоростей потока, усредняемых по площади сечения и по диаметру потока; D - диаметр потока; с - скорость распространения ультразвуковых колебаний в неподвижной среде; f - частота электрических высокочастотных колебаний; a - угол между направлением излучения ультразвуковых колебаний и направлением потока. Конструктивно поставленная задача решена тем, что в устройство для определения расхода, содержащее высокочастотный генератор фиксированной частоты, два автоматических коммутатора, выходы первого из которых соединены с одноименными входами второго автоматического коммутатора, к которым подключены соответственно излучатель и приемник акустического преобразователя, выход второго автоматического коммутатора соединен со входом усилителя с автоматической регулировкой усиления, а этот усилитель фазовый детектор и фильтр низких частот соединены последовательно, мультивибратор, к выходам которого подключены управляющие входы первого и второго коммутаторов, и цифровой частотомер, согласно изобретению, в него введены регулируемый двухфазный генератор низкой частоты, однополюсный модулятор, вход которого подключен к выходу высокочастотного генератора, а выход соединен со входом первого автоматического коммутатора и вторым входом фазового детектора, третий и четвертый автоматические коммутаторы, одноименные входы которых соединены между собой и подключены к выходам двухфазного генератора низкой частоты, выходы коммутаторов соединены с управляющими входами однополюсного модулятора, управляющий вход третьего автоматического коммутатора соединен с управляющим входом первого автоматического коммутатора, управляющий вход четвертого автоматического коммутатора соединен с управляющим входом второго автоматического коммутатора, последовательно соединенные усилитель переменного напряжения, двухполупериодный фазочувствительный выпрямитель и интегратор, вход усилителя переменного напряжения соединен с выходом фильтра низких частот, выход интегратора соединен с управляющим входом генератора низкой частоты, управляющие входы фазочувствительного выпрямителя подключены к выходам мультивибратора Рассмотрим сущность способа определения расхода жидких и газообразных веществ на следующем примере. Высокочастотные электрические колебания U1=Um1cos w t + j1) фиксированной частоты w = const подвергают однополосной модуляции низкочастотными электрическими колебаниями U2 = Um2cos (Wt + j2). В результате однополюсной модуляции высокая частота w колебаний увеличивается или уменьшается на величину низкой модулирующей частоты W. При использовании фазокомпенсационного однополосного модулятора колебания суммарной w + W или разностной w - W частот формируются в зависимости от направления чередования фаз низкочастотных. модулирующих сигналов, сдвинутых по фазе на p/2 (90°). При изменении направления чередования фаз квадратурных модулирующих сигналов изменяется и знак приращения частоты (+ на - или наоборот) без изменения амплитуды сдвинутых по частоте высокочастотных колебаний. Сдвинутые по частоте электрические колебания преобразуют в ультразвуковые колебания (УЗК), которые излучают в контролируемую среду (жидкость или газ) под углом a к направлению потока. Если звуковой луч направлен в сторону движения потока, то скорость распространения УЗК возрастает до значения где с - скорость распространения УЗК в неподвижной среде. vL - скорость потока, усредненная по длине L звукового луча. При противоположном направлении звукового луча скорость распространения УЗК уменьшается до значения Знак сдвига частоты выбирают положительным при распространении УЗК в направлении движения потока и отрицательным при противоположном направлении. Если направления распространения УЗК и потока совпадают, то фазовый сдвиг УЗК при прохождении расстояния L между излучателем и приемником и выбранном знаке сдвига частоты определяется выражением Измеряют фазовый сдвиг Dj1. Изменяют направления распространения УЗК на противоположное. Одновременно с этим изменяют знак сдвига частоты на противоположный и измеряют фазовый сдвиг Сравнивают фазовые сдвиги Dj1 и Dj2. В случае их неравенства Dj1 модулирующих колебаний в направлении их уравнивания Dj1 плавно изменяют частоту и измеряют частоту W модулирующих колебаний. Из условия равенства (5) с учетом выражений (3) и (4) получают Из уравнения (6) находят значение средней скорости где f и F - частота соответственно высокочастотных и низкочастотных электрических колебаний. Учитывая, что объемный расход измеряется средней скоростью по сечению контролируемого потока окончательно получаем где к - коэффициент, равный отношению средних скоростей потока по сечению и по диаметру потока. При измерении расхода води с температурой 20°С (с =1480 м/с), диаметре трубопровода D = 100 мм, угле между направлением излучения и направлением потока a=25°, частоте высокочастотных колебаний f =6 МГц, частоте модулирующих колебаний F = 200 кГц и k = 0,92 получаем При измерении расхода воздуха (с=344 м/с) при том же диаметре трубопровода D и угле a, частоте f = 2 МГц, F = 200 кГц и k =0,93 получаем Из полученного уравнения (9) следует, что расход прямо пропорционален частоте F модулирующих колебаний и не зависит от значения акустической базы L. Кроме того, в выражение (9) входит скорость распространения УЗК в первой, а не во второй степени, как этот имеет место в способе-прототипе. Это позволяет повысить точность измерения расхода, во-первых, за счет исключения влияния вибрации, ударов, изменений температуры, давления и других влияющий величин на значение акустической базы L в процессе непрерывной эксплуатации. Во-вторых, снижено влияние непостоянства состава текучей среды и ее температуры на скорость распространения УЗК. При этом схемы коррекции (по скорости) значительно упрощаются, так как исключена необходимость в возведении сигнала пропорционального скорости УЗК в квадрат для последующего деления сигнала, пропорционального расходу на корректирующий сигнал. В третьих, измерение частоты электрического сигнала вместо его фазового сдвига также повышает точность измерения расхода, поскольку относительная погрешность измерения частоты на 2-3 порядка меньше погрешности измерения фазы (10-6 –10-7 вместо 10-3-10-4). Так при изменении скорости распространения УЗК на Ас, для способа-прототипа относительная погрешность определения расхода будет равна а для предлагаемого способа т.е., в 2 раза меньше. Экспериментальные исследования показали, что результирующая погрешность измерения расхода не превышает 0,2%. На чертеже приведена структурная схема устройства, реализующего описанный способ. Устройство для определения расхода жидких и газообразных веществ содержит высокочастотный генератор 1 фиксированной (кварцованной) частоты, который через однополосный модулятор 2 и автоматические коммутаторы 3 и 4 соединен с входом усилителя 5 с автоматической регулировкой усиления. Выходы коммутатора 3 соединены с одноименными входами коммутатора 4 и соответственно с излучателем 6 и приемником 7 акустического преобразователя 8. Выход усилителя 5 соединен с одним из входов фазового детектора 9, второй вход которого соединен с выходом однополосного модулятора 2. К выходу фазового детектора 9 подключен фильтр 10 низких частот. Фильтр 10 низких частот, усилитель 11 переменного напряжения, двухполупериодный фазочувствительный выпрямитель 12 и интегратор 13 соединены последовательно. Выход интегратора 13 соединен с управляющим входом двухфазного генератора 14. Выходы двухфазного генератора 14 соединены с одноименными входами автоматических коммутаторов 15 и 16, выходы которых соединены с управляющими уходами однополосного модулятора 2. Управляющие входы автоматических коммутаторов 4 и 16 подключены к одному выходу мультивибратора 17, а управляющие, входы автоматических коммутаторов 3 и 15 подключены к другому выходу мультивибратора 17. Управляющие входы двухполупериодного фазочувствительного выпрямителя 12 соединены с выходами мультивибратора 17. К одному из выходов регулируемого по частоте генератора 14 подключен цифровой частотомер 18. Устройство работает следующим образом. Высокочастотные колебания генератора 1 в фазокомпенсационном модуляторе 2 подвергаются однополосной модуляции 1 в фазокомпенсационном модуляторе 2 подвергаются однополосной модуляции квадратурными колебаниями низкой частоты двухфазного генератора 14. При одном положении автоматических коммутаторов 15 и 16 в однополосном модуляторе 2 формируются высокочастотные колебания с увеличенным значением частоты на величину частоты генератора 14. Последняя выбирается минимальной, исходя из условий работы однополосного модулятора. Модулированные высокочастотные колебания через автоматические коммутаторы 3 и 4 поступают на акустический преобразователь 8, При этом излучение ультразвуковых колебаний, задаваемое положением коммутаторов 3 и 4, осуществляется в направлении от излучателя 6 к приемнику 7 в направлении движения потока. Принятые ультразвуковые колебания, преобразованные в электрические приемником 7, поступают на усилитель 5 с автоматической регулировкой усиления, где стабилизируются по амплитуде на заданном уровне. В фазовом детекторе 9 происходит сравнение фазы принятых колебаний с фазой колебаний непосредственно на выходе однополосного модулятора 2. Выходной сигнал фазового детектора 9 пропорционален сдвигу фазы принятых колебаний, ускоренных контролируемым потоком, относительно фазы излученных колебаний, При другом положении автоматических коммутаторов 15 и 16 на выходе однополосного модулятора 2 формируются высокочастотные колебания с уменьшенным значением частоты на величину частоты генератора 14. Соответственно этому и изменяется положение автоматических коммутаторов 3 и 4. При этом ультразвуковые колебания распространяются в направлении от излучателя 7 к приемнику 6 против движения потока в акустическом преобразователе 8. Выходной сигнал фазового детектора 9 становится пропорциональным сдвигу фаз принятых колебаний, которые тормозятся контролируемым потоком. В результате непрерывной работы коммутаторов 3,4 и 15.16, которые управляются прямоугольными импульсами мультивибратора 17, на выходе фазового детектора 9 образуется переменная составляющая сигнала, изменяющаяся с частотой коммутации Амплитуда переменной составляющей сигнала пропорциональна скорости потока в акустическом преобразователе 8. Этот сигнал проходит через фильтр 10 низких частот с частотой среза несколько большей частоты коммутации. Переменный сигнал усиливается усилителем 11 переменного напряжения и выпрямляется фазочувствительным выпрямителем 12, который управляется непосредственно выходными импульсами мультивибратора 17. Выпрямленный сигнал заряжает интегратор 13, выходное напряжение которого воздействует на управляющий вход перестраиваемого по частоте генератора 14 низкой частоты. Возрастающее напряжение на интеграторе 13 увеличивает частоту квадратурных напряжений на выходе генератора 14 до тех пор, пока не уравняются выходные сигналы фазового генератора 9, соответствующие двум положениям автоматических коммутаторов 3, 4 и 15,16. При уравнении выходных сигналов фазового детектора исчезает переменная составляющая и выходной сигнал фазочувствительного выпрямителя 12 обращается в нуль. Выходное напряжение заряженного интегратора 13 поддерживает значение частоты двухфазного генератора 14, необходимое для выполнения соотношения (5), а следовательно, и соотношения (9). Установившееся значение частоты генератора 14 измеряется цифровым частотомером 18, табло которого в соответствии с выражением (9) может быть откалибровано непосредственно в единицах расхода. При изменениях расхода происходит подзаряд или некоторый разряд интегратора 13, что приводит к изменению частоты квадратурных напряжений на выходе генератора 14. Соответствующие изменения частоты регистрируются частотомером 18. Автоматическое регулирование и непосредственное измерение частоты низкочастотного генератора, значение которой пропорционально расходу контролируемого потока, повышает точность измерения расхода за счет исключения влияния нестабильности чувствительности и дрейфа нуля фазового детектора 9, а также нестабильности параметров управляющего усилительно-выпрямительного тракта (блоки 10, 11, 12 и 13). Экспериментальные исследования показали, что заявляемое устройство обеспечивает контроль расхода жидкостей в диапазоне 5-300 м3/ч с погрешностью не более 0,2% при частоте ультразвуковых колебаний 5-10 МГц, коммутируемых с частотой 1-2 кГц.