книги / Расходомеры и счетчики количества веществ. Расходомеры обтекания, силовые, тепловые, оптические, ионизационные, ядерно-магнитные, концентрационные, меточные, корреляционные, вихре

порциональна этому сдвигу. На вы­ ходе после выпрямления имеем нап­ ряжение постоянного тока, пропорци­ ональное расходу. Частота колебаний 4,2 МГц, частота переключения пье­ зоэлементов 4,35 кГц. Угол наклона пьезоэлементов 30°. Диаметр тру­ бы 100 мм.

Ввиду сложности большинства схем переключения пьезоэлементов с излу­ чения на прием созданы фазовые од­ ноканальные расходомеры, не требу­ ющие переключения [56]. В таких расходомерах оба пьезоэлемента не­ прерывно излучают ультразвуковые колебания двух разных, но весь­

имеют двухканальные фазовые расходомеры. На рис. 197 показа­ на схема прибора типа УЗР-1, предназначенного для измерения расхода жидкостей в трубах, имеющих D, равный 100 и 200 мм, и рассчитанного на Qmax, равный 30; 50; 100; 200 и 300 м3/ч [7]. Частота 1 МГц, максимальная разность фаз (2-2,1) рад. По­ грешность расходомера ±2,5 % . Генератор Г с помощью согласу­ ющих трансформаторов связан с пьезоэлементами И 1 и И2. Уль­ тразвуковые колебания, излучаемые последними, проходят через жидкостные волноводы 19 мембраны 3, герметично вмонтирован­ ные в стенки трубопровода 4, проходят через измеряемую жид­ кость 2 и затем через мембраны 5 и жидкостные волноводы 6 поступают на приемные пьезоэлементы П1 и П 2. Последние на выходе соединены с фазометрической схемой в составе фазорегу­ лятора ФВ; двух одинаковых усилителей У1 и У2, управляе­ мых узлами автоматической регулировки АРУ1 и АРУ2; фа­ зового детектора ФД и измерительного прибора (потенциомет­ ра) РП. Фазорегулятор ФВ предназначен для регулировки начальной точки фазового детектора и корректировки нуля. При­ веденная погрешность расходомера ±2,5 % . Во ВНИКИцветметавтоматика помимо УЗР-1 были разработаны двухканальные фа­ зовые расходомеры РУЗ-282, РУЗ-282М и РУЗ-714. Первые два предназначены для измерения расхода четыреххлористого тита­ на при температуре 100 °С и давлении 0,3 МПа, а третий — для алюминатных растворов тоже при температуре 100 °С и дав­ лении 0,6 МПа.

Фазовые расходомеры были раньше самыми распространен­ ными среди ультразвуковых, но в настоящее время преимуще­ ственное применение имеют другие расходомеры, с помощью ко­ торых можно получить более высокую точность измерения.

351

16.7. ЧАСТОТНЫЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ

Частотными называются ультразвуковые расходомеры, осноранные на зависимости разности частот повторения коротких импульсов или пакетов ультразвуковых колебаний от разности времен Ат прохождения этими колебаниями одного и того же рас­ стояния L по потоку движущейся жидкости или газа и против него.

В зависимости от того, измеряются ли разности частот паке­ тов ультразвуковых колебаний или коротких импульсов, прохо­ дящих через жидкость или газ, расходомеры называются частот­ но-пакетными или частотно-импульсными. Принципиальная схема последнего [50] с двумя акустическими каналами показана на рис. 198. Генератор Г создает колебания высокой частоты (10 МГц), которые после прохода через модуляторы M l и М2 поступают к пьезоэлементам И1 и И2. Время прохода акустических ко­ лебаний между пьезоэлементами И1 и П1 равно L/(c + v cos а), а время Т2 прохода между пьезоэлементами И2 и П2 равно L/(c - - v cos а). Как только первые электрические колебания, создава­ емые пьезоэлементами П1 и П2, пройдя через усилители У1 и У2 и детекторы Д1 и Д2, достигнут модуляторов M l и М2, после­ дние, работающие в триггерном режиме, запирают проход коле­ баний от генератора Г к пьезоэлементам И1 и И2. Модуляторы открываются вновь, когда последние колебания достигнут их. Поэтому между пьезоэлементами И1 и П1 будут проходить паке­ ты акустических колебаний с периодом следования 27\, а между пьезоэлементами И2 и П2 — с периодом следования Частота следования первых пакетов / j = 1/2Тг, а вторых f2 = 1/ 2 Т2. При­ бор, подключенный'к смесительному каскаду Cm, будет изме­ рять разность частот

б) —

в) — ---vww----WV^—

Рис. 198. Частотно-пакетный двухка­ нальный расходомер: а — схема рас­ ходомера; б — колебания на тракте И 1—П1; в — колебания на тракте И2—П2; г — работа модулятора M l ;

д — работа модулятора М2

352

fx - f 2 = \l2Tx -\ l2 T 2.

Если учесть время прохождения акустических колебаний че­ рез мембраны пьезоэлементов толщиной 1Ми звукопроводы тол­ щиной 13, а также время t3 прохождения сигнала через электри­ ческую схему, то

Тх = L/(c + v cos а) + 2 lJ cM+ 2у ca + *э;

т2=L/(c - V cos а) + 2 lJ cM+ 2 ljc a + t9,

где см и c3 — скорости звука в материалах мембраны и звукопровода соответственно.

Очевидно,

h ~ h = VL c°s ct (L + 2/Mc/cM+ 2J3c/c3 + t3c)-2,

где L = D/sin a + 21; l — длина свободных угловых карманов. Если I = О, 1М= 0, 1а = 0 и *э = 0, то получим

f \ ~ f2 = VD sin a/ 2^-

Учитывая незначительность l, и £3 по сравнению с L, а так­ же очень малое значение *э, можно говорить о практической не­ зависимости показаний расходомера от изменения с, см и с3. Вы­ сокая рабочая частота необходима для получения крутых фронтов акустических колебаний, определяющих точность работы схемы.

В одном из первых частотно-пакетных расходомеров [50], пред­ назначенных для трубы диаметром 100 мм, была принята часто­ та, равная 10 МГц, при этом порядок частот f1 и / 2 равен 5000 Гц, а их разность при Qmax составляет 50 Гц. Относительная погреш­ ность ±2 % от предела шкалы.

В частотно-импульсных расходомерах генератор вырабатыва­ ет не непрерывные колебания, а короткие импульсы. Последние поступают к излучающим пьезоэлементам с интервалами, равны­ ми времени прохождения ультразвука по и против скорости по­

существенный недостаток, затрудняющий точное измерение f1 - - / 2. Поэтому предложено несколько способов увеличения f1 - / 2, реализованных в частотных расходомерах, построенных в боль­ шинстве случаев по одноканальной схеме. К числу этих способов относится выделение из частот и / 2 п гармоники и измерение разностной частоты п (/1 - / 2), а также умножение разности (f1 - - f o ) в & раз перед поступлением в измерительное устройство. Спо­ собы умножения разностной частоты могут быть различны. На рис. 199 приведена схема, в которой измеряется разность частот двух управляемых генераторов, периоды которых с помощью ав­ томатической подстройки частоты устанавливаются в к раз мень-

353

но. Поэтому в потоке одновре­ менно будет находиться К импульсов. При посылке акустичес­ ких импульсов по потоку коммутатор 5 одновременно подключа­ ет пьезоэлемент 1 к генератору 4> а пьезоэлемент 2 к усилителю приемных сигналов б. При обратной посылке импульсов генера­ тор 8 подключается к пьезоэлементу 2, а усилитель 6 к пьезоэле­ менту 1. С выхода усилителя 6 импульсы поступают на вход дис­ криминатора времени 10, на который одновременно через комму­ татор 9 поступают импульсы от генератора 4 или 8, создающие опорное напряжение на дискриминаторе. Напряжение на выходе дискриминатора равно нулю, если импульсы от усилителя 6 по­ ступают одновременно с импульсами от генераторов, что будет, если Tj = kTj и т2 = kT2. В противном случае на выходе дискрими­ натора возникнет напряжение, полярность которого зависит от того, опережают ли или отстают от опорных импульсы от усили­ теля б. Это напряжение через коммутатор 11 подается через уси­ лители к реверсивным двигателям 3 или 7, которые изменяют частоту импульсов генераторов 4 и 8 до тех пор, пока напряже­ ние на выходе дискриминатора станет равным нулю. Разность частот импульсов F1 - F2, вырабатываемых генераторами 4 и б, измеряется частотомером 12. Очевидно, F1— JF2 - k (fx - /2), где f1= = 1/т1; f2= 1/т2; Fx= 1/Т 1 = k/xx\F2= 1/Т2= k/x2- С увеличением k возрастает измеряемая частота F^—JP2, но k должно удовлетво­ рять неравенству k < cmin/2(cmax - с ^ ) . Последнее требует, чтобы значение k оставалось постоянным при возможном изменении ско­ рости ультразвука от минимального с ■ до максимального стах его значения. При определении f1 и f2 необходимо, чтобы и т2 учиты­ вали также и время прохождения акустических колебаний в мемб­ ране и звукопроводе, а также время тэ задержки в электрической схеме. В моменты изменения расхода время тэ возрастает за счет времени, необходимого для включения двигателей и изменения Тг и Т2 до требуемых значений. Расходомеры, аналогичные рассмот­ ренному, иногда называют частотно-временными.

354

Другой путь умножения разностной частоты f1 - f2 состоит в из­ мерении разности частот F^ —F2 двух генераторов высокой часто­ ты, из которых у одного период Т1 колебаний пропорционален времени т1 прохода акустических колебаний по направлению по­ тока, а у другого Т2 — пропорционален времени т2 прохода аку­ стических колебаний против потока [48]. После прохода через делительное устройство через каждые б мс посылаются два им­ пульса, разделенные временем т* или т2. Первый импульс прохо­ дит по потоку (или против него) и после усиления поступает на схему сравнения, куда подается также второй импульс без прохо­ да, через акустический тракт. Если эти два импульса поступают не одновременно, то включается устройство, регулирующее час­ тоту одного F1 или другого F2 генератора, пока на схему сравне­ ния не будут приходить оба импульса одновременно. А это будет тогда, когда период этих импульсов будет равен или т2. Анало­ гичные схемы приведены также в работе [69]. Погрешность изме­ рения расхода не превышает ±1 % .

Вработе [34] описан одноканальный частотно-импульсный расходомер, особенность которого состоит во включении в схему электрической задержки всех принятых, а также отраженных сигналов на время tQ. Это сдвигает моменты прихода рабочих импульсов по отношению к времени прихода паразитных отра­ женных импульсов и устраняет погрешность от асимметрии фрон­ тов наложения отраженных сигналов на рабочие. Для увеличе­ ния срока службы расходомера в нем имеется второй запасной акустический канал.

Врассмотренных одноканальных частотно-импульсных расхо­ домерах имеется поочередная коммутация импульсов, направлен­

ных по потоку и против него. Это требует точного измерения и за­ поминания частот автоциркуляции импульсов по потоку /1 и про­ тив него f2 с последующим измерением разности f i ~ f 2- Кроме того, неодновременное зондирование по потоку и против него может дать погрешность из-за изменения гидродинамических свойств потока. Этих недостатков лишены одноканальные расхо­ домеры УЗРФ2-150, УРФЗ-70 и УРФЗ-6, в которых одновремен­ но автоциркулируют ультразвуковые сигналы по потоку и про­ тив него, которые совершенно безынерционны [29].

Расходомер УЗРФ2-150 основан на предложенном В. И. Филато­ вым методе измерения [29], а расходомеры УРФЗ-70 и УРФЗ-6 — на другом предложенном В. И. Филатовым методе [31].

При этом исключаются большие погрешности, присущие спо­ собам запоминания частот автоциркуляций ультразвуковых сиг­ налов по потоку и против него с последующим выделением сиг­ нала разности частот автоциркуляций, выделения сигнала разно­ стной частоты, основанном на подстройке частот генераторов, на реверсивном счете импульсов и др. Кроме того, в расходомерах предусмотрено автоматическое возобновление их действия при нарушении работы схемы вследствие возникновения акустичес­

355

кой непрозрачности вещества в трубе (появление газовой фазы, полный или частичный уход жидкости), расходомеры индициру­ ют направление течения потока и измеряют расход в обоих на­ правлениях течения потокаРасходомер УЗРФ2-150 показал свою хорошую работоспособность в длительной заводской эксплуата­ ции [30], приведенная погрешность расходомера не превышает ±0,5% . Расходомер УРФЗ-70 разработан для динамических из­ мерений расхода топлива в авиационных двигателях, а УРФЗ-6 — для измерения горючего в грузовых автомобилях. Результаты испытаний показали, что измерения расходомером УРФЗ-70 не изменялись при резком повороте потока под углом 90° на рассто­ янии одного диаметра условного прохода перед преобразователем в плоскости оси преобразователя и оси узлов пьезоэлементов, т. е. совершенно не требуются длины прямолинейных участков труб. Переходная область течения в преобразователе УРФЗ-70 находи­ лась в начальном участке градуировочной характеристики расхо­ домера. Резкого перегиба или излома характеристики в началь­ ном участке не было, начальный участок градуировочной харак­ теристики был таким же, как и у расходомера УРФЗ-67. Прибор УРФЗ-70 имеет очень высокую сходимость измерений. В разных точках диапазона измерений при установившемся потоке повто­ рялись все четыре цифры результатов двух или трех последова­ тельно проводимых измерений.

В работе [018] приведена схема одноканального частотно-им­ пульсного расходомера с одновременной циркуляцией импульсов в обоих направлениях. В приборе измеряется разность частот двух генераторов AF, которая с помощью двух делителей частоты и сис­ темы автоподстройки частоты становится в 100 раз больше раз­ ности частот А/ акустических импульсов, циркулирующих в по­ токе. Такой метод измерения назван автором кратно-частотным [27]. На основе этой схемы, обеспечивающей высокую точность измерения расхода, было начато изготовление расходомеров типа «Акустрон». Сведения по анализу и разработке других схем час­ тотно-импульсных расходомеров даны в работе [21].

16.8. ВРЕМЯИМПУЛЬСНЫЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ

Времяимпульсными называются ультразвуковые расходомеры, в которых измеряется разность времен Ат перемещения коротких импульсов по направлению потока и против него на длине пути L.

Значение Ат очень мало: 10~6-10~7 с, а погрешность измере­ ния должна быть не более Ю“8-1 (Г 10 с. Времяимпульсные расхо­ домеры в большинстве случаев одноканальные и работают на очень

356

коротких импульсах длительностью 0,1-0,2 мкс, посылаемых навстречу друг другу поочередно или одновременно с частотой, например, 0,5 кГц.

На рис. 200, а приведена упрощенная схема одного времяимпульсного расходомера [44]. Генератор Г создает импульсы, име­ ющие амплитуду 700 В, длительность 0,2 мкс и частоту следова­ ния 800 Гц, которые с помощью вибраторов В1 и В2, работаю­ щих с частотой 400 Гц, подаются поочередно к пьезоэлементам П1 и /72. Последние посылают в жидкость быстро затухающие ультразвуковые импульсы (рис. 200, в и г), а вибраторы В1 и В2 включают зарядные устройства ЗУ/ или ЗУ2. От генератора Г одновременно поступает импульс к пьезоэлементу П1 и импульс к триггеру ЗУ2, устанавливая его в активное состояние проводи­ мости. При этом включается устройство С2, вырабатывающее пилообразное напряжение в течение времени т1 прохождения ультразвука через измеряемое вещество. Максимальное значение U этого напряжения пропорционально Tj. В момент прихода ульт­ развукового импульса к пьезоэлементу /72 устройство С2 отключа­ ется. Таким же образом за время т2 прохода ультразвукового импульса против потока от /72 к П1 устройство С1 вырабатывает напряжение t/2, пропорциональное т2. Разность напряжений f/« - - f / j измеряется устройством /7У. Такой цикл повторяется 400 раз в секунду.

В работе [44] сообщается о расходомере, в котором для повы­ шения точности частота исходных колебаний равна 20 МГц, а измерение Дт производится между острыми начальными конца­ ми принятых импульсов. При этом погрешность Дт снижается до 1(Г8-1 (Г 9 с, а общая погрешность измерения расхода равна ±0,5 % .

В одном отечественном времяимпульсном расходомере [7] для повышения динамических характеристик и устранения возмож­ ности появления погрешности от асимметрии на оба пьезоэле­ мента одновременно подаются короткие импульсы, возбуждаю-

Рис. 200. Схема одноканального времяимлульсного расходомера: о — схема расходомера; б — работа вибраторов; в, г — импульсы, восприни­ маемые и излучаемые пьезоэлементами П1 и П2 соответственно; д н е — работа устройств С1 и С2, вырабатывающих напряжение

357

щие ультразвуковые колебания, движущиеся навстречу друг дру­ гу. После достижения ими противоположных пьезоэлементов в последних образуются электрические импульсы, которые вмес­ те с импульсами от генератора проходят через усилители и фор­ мирователи, после чего поступают в устройство, вырабатываю­ щее напряжение, пропорциональное Ат.

16.9. УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ

С КОРРЕКЦИЕЙ НА СКОРОСТЬ ЗВУКА

ИПЛОТНОСТЬ ИЗМЕРЯЕМОГО ВЕЩЕСТВА

Рассмотренные ранее ультразвуковые расходомеры служат для измерения объемного расхода. Для измерения массового расхода надо иметь отдельный дополнительный пьезоэлемент, возбужда­ емый на резонансной частоте, который посылает акустические колебания в измеряемое вещество. Напряжение, снимаемое с него, пропорционально удельному акустическому сопротивлению ве­ щества рс, если последнее много меньше сопротивления генера­ тора. Умножая электрический сигнал Ар, создаваемый этим пье­ зоэлементом, на сигнал А0, пропорциональный объемному расхо­ ду, получим на выходе сигнал, пропорциональный массовому расходу. Подобное устройство, примененное в расходомере с акус­ тическими колебаниями, перпендикулярными к движению пото­ ка, приведено далее на рис. 204.

Для устранения погрешности от изменения скорости ультра­ звука с в измеряемом веществе в фазовых и времяимпульсных расходомерах применяют особые схемы коррекции. Для этой цели устанавливается дополнительная пара пьезоэлементов на проти­ воположных концах диаметра трубопровода. Время tc прохожде­ ния акустических колебаний между ними обратно пропорциональ­ но скорости с. Соответствующий корректирующий измеритель­ ный сигнал Ас пропорционален с-1. Он возводится в квадрат и на него делится основной сигнал А расходомера, пропорциональный v / c . Очевидно, результирующий сигнал А / А% будет пропорци­ онален скорости у и не будет зависеть от скорости ультразвука с. На рис. 201 дана схема подобного одноканального фазового рас­ ходомера. Программное устройство ПУ обеспечивает поочеред­ ную подачу от генератора Г электрических колебаний частотой 1/3 МГц и к пьезоэлементам П1 и П2 через коммутатор К . При­ нятые колебания от этих пьезоэлементов поступают через комму­ татор К 9 приемное устройство П и преобразователь частоты 42, снижающий частоту до 1/3 кГц, в измеритель ИФ сдвига фазы между ними и исходными колебаниями, поступающими от гене­ ратора Г через преобразователь частоты 41. Устройство И изме­ ряет разность сдвига фаз, пропорциональную разности времен т2- - прохождения ультразвука по потоку Tj и против него т2, и вы­ рабатывает сигнал А, пропорциональный v / c .

358

х % X ч

Пьезоэлементы ПЗ и П4 имеют свой генератор-усилитель ГУ и вырабатывают сигнал Ас, пропорциональный времени прохож­ дения ультразвука между ними и, следовательно, пропорциональ­ ный с-1. В устройстве И к происходит деление сигнала А на квад­ рат сигнала Ас, и в измерительный прибор И П поступает сигнал, пропорциональный скорости и. По данной схеме был построен прибор для измерения расхода нефти Qm = 1200 м3/ч при вяз­ кости 2 •1(Г6-2 •1(Г5 у?/с и температуре 10 °С. Его относитель­ ная погрешность 1 % .

Имеются схемы с компенсацией влияния скорости ультразву­ ка для времяимпульсных расходомеров [28].

Показания частотных расходомеров не зависят от значения с и поэтому здесь не требуется коррекции на скорость ультразвука. Но если частотный расходомер измеряет массовый расход, то не­ обходим пьезоэлемент, работающий на резонансной частоте. С его помощью образуется сигнал Ар, пропорциональный рс, из которого надо исключить множитель с. Для этого в схему вводят блок сложения частот Fj + F2 повторения импульсов или пакетов акустических колебаний по потоку Fj и против него F2, имея в ви­ ду, что сумма Fj + F2 пропорциональна с. Деля сигнал Ар на сиг­ нал Ас и умножая его затем на основной сигнал А разности частот

359

F1 —F2, пропорциональный v9 получим на выходе схемы сигнал ААр/Ас, пропорциональный vpy т. е. массовому расходу. Схема такого частотно-пакетного расходомера показана на рис. 202.

, На FLOMEKO в 1985 г. [63] рассматривался частотный одно­ канальный расходомер с пьезоэлементами, расположенными сна­ ружи трубы, имеющий два дополнительных пьезоэлемента. Один из них служит для определения скорости ультразвука в жидко­ сти, текущей в трубе, а другой — для определения толщины стенки трубы путем измерения времени прохождения прямого и отра­ женного от внутренней поверхности стенки трубы акустического импульса. В расходомере имеется микропроцессорное устройство для обработки поступающих сигналов.

16.10. УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ С КОЛЕБАНИЯМИ, ПЕРПЕНДИКУЛЯРНЫМИ К ДВИЖЕНИЮ ПОТОКА

Данные ультразвуковые расходомеры существенно отличают­ ся от ранее рассмотренных тем, что здесь отсутствуют акустичес­ кие колебания, направляемые по потоку и против него. Вместо этого ультразвуковой луч направляется перпендикулярно к дви­ жению потока и измеряется степень отклонения луча от перпен­ дикулярного направления, зависящая от скорости v измеряемого вещества. Излучает акустические колебания лишь один пьезо­ элемент. Воспринимаются эти колебания одним или двумя пьезо­ элементами. Угол отклонения 6 колебаний от перпендикулярно­ го направления определяется уравнением tg 0 = x/D = v/cyгде х — линейное отклонение у приемных пьезоэлементов; D — диаметр трубы. Следовательно, х = vD/c9 откуда вытекает, что линейное отражение х прямо пропорционально скорости о. При одном при­ емном элементе (рис. 203, а) количество акустической энергии, поступающей на него, будет уменьшаться с ростом скорости иуи вы­

ходной сигнал усилите­

360