RU2044278C1 - Two-channel frequency ultrasonic flowmeter - Google Patents

Abstract

FIELD: instrumentation. SUBSTANCE: flowmeter is designed for measurement of flow rates of liquids and gases in pipe-line with increased resolving capability and accuracy. It has two radiators, two receivers, frequency- selective divider, band-pass filter, amplifier, buffer amplifier, detector, low-frequency filter, frequency meter. EFFECT: increased resolving capability and accuracy. 2 dwg

Description

Изобретение относится к технике частотной ультразвуковой расходометрии и может быть использовано для измерения с повышенными разрешающей способностью и точностью скорости потоков жидкостей и газов в трубопроводах. The invention relates to techniques for frequency ultrasonic flow measurement and can be used for measurement with increased resolution and accuracy of the flow rate of liquids and gases in pipelines.

Известен двухканальный пакетно-частотный ультразвуковой расходомер, содержащий два пьезоизлучателя и два пьезоприемника, две пары пьезоизлучатель-пьезоприемник образуют в акустической среде потока два одинаковых по длине параллельных акустических канала, причем пьезоизлучатели расположены так, что в одном из акустических каналов излучение пьезоизлучателем происходит в направлении проекции вектора скорости потока на ось канала, а во втором в противоположном направлении, два электронных автогенераторных тракта, в цепь положительной обратной связи каждого из которых включен один из акустических каналов, и измеритель разности частот, генерируемых автогенераторными трактами [1] Эта разность частот Δf f⁺ f^- (где f⁺ частота, генерируемая трактом, в цепь положительной обратной связи которого включен акустический канал с излучением ультразвука в направлении проекции вектора скорости потока на ось канала; f^- частота, генерируемая трактом, в цепь положительной обратной связи которого включен акустический канал с излучением ультразвука в противоположном направлении) пропорциональна модулю скорости v-проекции вектора скорости потока v_п на ось канала:
v v_пcosα (f⁺ -f^-)

где v_п скорость потока;
α угол между осью трубопровода и осью акустического канала;
L длина акустического канала;
К 0,5, или 1; 2; любое целое число, меньшее c/v_max и определяющее номер гармоники частоты f

, которую генерирует расходомер при v_п 0 (с скорость звука в покоящейся акустической среде потока).A two-channel packet-frequency ultrasonic flow meter is known, comprising two piezo-emitters and two piezoelectric receivers, two pairs of piezo-emitter-piezo-receivers form two parallel acoustic channels of equal length along the acoustic medium, and the piezo-emitters are arranged so that the radiation of the piezo-emitter occurs in one of the acoustic channels in the projection direction the flow velocity vector to the channel axis, and in the second in the opposite direction, two electronic self-generating paths, in the circuit positively feedback each of which includes one of the acoustic channels and measuring the frequency difference generated Autogenerating paths [1] This frequency difference Δf f ⁺ f ^- (wherein f ⁺ frequency generated path, in a positive feedback loop which included an acoustic duct with the radiation ultrasound in the direction of the projection of the flow velocity vector on the channel axis; f ^{is the} frequency generated by the path, the acoustic channel with the ultrasound radiation in the opposite direction is included in the positive feedback circuit) is ionic to the velocity modulus of the v-projection of the flow velocity vector v _p on the channel axis:
vv _n cosα (f ⁺ -f ^- )

where v _p the flow rate;
α angle between the axis of the pipeline and the axis of the acoustic channel;
L is the length of the acoustic channel;
K 0.5, or 1; 2; any integer less than c / v _max and determining the harmonic number of the frequency f

which the flowmeter generates at v _p 0 (c is the speed of sound in the stationary acoustic flow medium).

В аналоге [1] реализован при К 0,5 так называемый частотно-пакетный расходомер. При К ≥ 1 реализуется частотно-импульсный расходомер, либо частотный расходомер с генерацией непрерывных синусоидальных колебаний. Одноканальный расходомер последнего типа, но с одним акустическим каналом, образуемым двумя обратимыми пьезопреобразователями, описан в [2]
Автогенераторные тракты в нем выполнены в виде частотно-избирательных усилителей, снабженных автоматическими регуляторами усиления.In analogue [1], a so-called frequency-packet flow meter is implemented at K 0.5. At K ≥ 1, a pulse-frequency flow meter or a frequency flow meter with the generation of continuous sinusoidal oscillations is realized. A single-channel flowmeter of the latter type, but with one acoustic channel formed by two reversible piezoelectric transducers, is described in [2]
The self-generating paths in it are made in the form of frequency-selective amplifiers equipped with automatic gain controls.

Частотную избирательность обеспечивают включенные на входах усилителей полосовые фильтры с вентральными частотами f⁺= K

и f^-= K

и полосами K

, пропускающие полезные частоты f⁺ K

и f^- K

и отсеивающие остальные (соответствующие иным значениям К). Следует отметить взаимные помехи в усилительных цепях при малых v, когда f⁺ и f^- весьма близки.Frequency selectivity is ensured by bandpass filters included at the inputs of amplifiers with ventral frequencies f ⁺ = K

and f ^- = K

and stripes K

passing the useful frequencies f ⁺ K

and f ^- K

and screening the rest (corresponding to other values of K). Mutual interference in the amplification circuits for small v, when f ⁺ and f ^{- are} very close, should be noted.

Обоим аналогам, описанным в [1] и [2] присущи ошибки измерения, вызванные асимметрией электронных трактов различием времени задержки сигнала в них; отклонением вектора скорости потока v_пот оси трубопровода, вызывающим изменение модуля проекции этого вектора на ось акустического канала.Both analogs described in [1] and [2] have inherent measurement errors caused by the asymmetry of the electronic paths by the difference in the signal delay time in them; the deviation of the flow velocity vector v is the _{sweat of} the pipeline axis, causing a change in the projection module of this vector on the axis of the acoustic channel.

Эти недостатки отсутствуют в частотно-импульсном расходомере, описанном в [3] наиболее близком по технической сущности к предлагаемому и являющемся его прототипом. Расходомер содержит четыре обратимых пьезопреобразователя, две пары которых образуют в среде потока два акустических канала одинаковой длины. Оси акустических каналов симметричны относительно оси трубопровода и пересекаются на середине их длины. Каждый из каналов поочередно, с помощью двухтактного коммутатора, подключается в цепь положительной обратной связи своего автогенераторного тракта так, что одновременно в течение одного такта коммутатора в обоих каналах распространяются акустические колебания в направлениях, совпадающих с направлением проекции вектора скорости потока на ось канала, а в течение второго такта коммутатора в противоположном направлении. Автогенераторы в течение 1-го такта генерируют частоты f₁ ⁺ и f₂ ^-, на сумму которых f⁺ f₁ ⁺ + f₂ ⁺ отклонение вектора скорости потока v от оси трубопровода влияния не оказывает. В течение 2-го такта автогенераторы генерируют частоты f⁺ и f₂ ^-, сумма f которых обладает аналогичным свойством независимости от отклонения v_п от оси трубопровода. Искомая разность частот Δ f f⁺ f^-(пропорциональная v, а следовательно, и скорости потока v_п) также не зависит от отклонения вектора v_п от оси трубопровода, а использование одного и того же автогенераторного тракта для генерации f₁ ⁺ и f₁ ^- (и, аналогично, f₂ ⁺ и f₂ ^-) исключает и ошибку от асимметрии трактов, характерную для расходомеров [1] и [2]
Прототип построен по схеме частотно-импульсного расходомера, но вполне возможно его построение по схеме расходомера с генерацией непрерывных синусоидальных колебаний в течение каждого такта (полупериода) работы коммутатора. При этом аналогично [2] автогенераторные тракты представляют собой автогенераторные частотно-избирательные усилители с автоматической регулировкой усиления.These shortcomings are absent in the frequency-pulse flowmeter described in [3] closest in technical essence to the proposed one and which is its prototype. The flowmeter contains four reversible piezoelectric transducers, two pairs of which form two acoustic channels of the same length in the flow medium. The axes of the acoustic channels are symmetrical about the axis of the pipeline and intersect in the middle of their length. Each channel in turn, using a push-pull switch, is connected to the positive feedback circuit of its oscillator path so that acoustic oscillations propagate simultaneously in one channel in both channels in the directions coinciding with the direction of the projection of the flow velocity vector on the channel axis, and in flow of the second switch cycle in the opposite direction. The oscillators during the 1st cycle generate frequencies f ₁ ⁺ and f ₂ ^- , the sum of which f ⁺ f ₁ ⁺ + f ₂ ^{+ the} deviation of the flow velocity vector v from the axis of the pipeline does not affect. During the 2nd cycle, self-oscillators generate frequencies f ⁺ and f ₂ ^- , the sum of f of which has a similar property of independence from the deviation v _p from the axis of the pipeline. The desired frequency difference Δ ff ⁺ f ^- (proportional to v, and therefore the flow velocity v _p ) also does not depend on the deviation of the vector v _p from the axis of the pipeline, and the use of the same self-generating path to generate f ₁ ⁺ and f ₁ ^- (and, similarly, f ₂ ⁺ and f ₂ ^-) eliminates the error from the path asymmetry characteristic of flow meters [1] and [2]
The prototype is built according to the scheme of a pulse-frequency flow meter, but it is quite possible to build it according to the flowmeter scheme with the generation of continuous sinusoidal oscillations during each clock cycle (half period) of the switch operation. In this case, similarly to [2], the self-generating paths are self-generating frequency-selective amplifiers with automatic gain control.

Обеспечивающие частотную избирательность полосовые фильтры, включенные на входе усилителей, имеют в этом случае одинаковые центральные частоты f_ц=

K и полосы пропускания 2

> ΔF > 2

, что позволяет им пропускать полезные частоты f^±

K и отсеивать остальные (соответствующие невыбранным иным значениям К).Providing frequency selectivity, bandpass filters included at the input of the amplifiers, in this case, have the same center frequencies f _c =

K and bandwidth 2

>ΔF> 2

, which allows them to pass useful frequencies f ^±

K and sift out the rest (corresponding to other unselected K values).

Прототип обладает недостатками, связанными с коммутацией акустических каналов. Во-первых, коммутационные шумы, накладываясь на полезный сигнал, маскируют его малые измерения, т.е. ухудшают разрешающую способность расходомера и тем самым увеличивают погрешность измерения скорости потока. Во-вторых, ограничение времени измерения каждой из генерируемых частот (полупериодом коммутации) повышает составляющую ошибки измерения частоты, связанную с дискретностью отсчета в электронно-счетном частотомере. The prototype has disadvantages associated with switching acoustic channels. Firstly, switching noises, superimposing on a useful signal, mask its small measurements, i.e. degrade the resolution of the flowmeter and thereby increase the error in measuring the flow rate. Secondly, the limitation of the measurement time of each of the generated frequencies (switching half-period) increases the component of the error in the frequency measurement associated with the discreteness of reading in the electronically counted frequency meter.

Сущность изобретения заключается в том, что в двухканальном частотном ультразвуковом расходомере, содержащем две пары первичных преобразователей, каждая из которых включает излучающий и приемный преобразователи, образующие в акустической среде измеряемого потока два одинаковых по длине акустических канала с распространением акустических волн под углом к оси потока и навстречу друг к другу, а также вторичный преобразователь, подключенный к блоку измерения и индикации, при этом выходы и входы первичных преобразователей подключены соответственно к входу и управляющему выходу вторичного преобразователя, первичные преобразователи в каждой из пар соединены между собой, вторичный преобразователь выполнен в виде последовательно соединенных частотного автогенераторного усилителя, буферного усилителя, детектора и фильтра низких частот, а управляющим выходом вторичного преобразователя является выход автогенераторного усилителя. The essence of the invention lies in the fact that in a two-channel frequency ultrasonic flow meter containing two pairs of primary transducers, each of which includes a radiating and receiving transducers, forming in the acoustic medium of the measured stream two acoustic channels of equal length along the propagation of acoustic waves at an angle to the axis of the stream and towards each other, as well as a secondary converter connected to the measuring and display unit, while the outputs and inputs of the primary converters are connected respectively to the input and the control output of the secondary converter primary transducers in each pair of interconnected secondary transducer configured as a series-connected autogenerating frequency amplifier, a buffer amplifier, detector and low pass filter and the control output of the secondary output inverter is autogenerating amplifier.

Благодаря отличительным признакам (электрическим соединениям узлов электронной схемы, расположению пьезоизлучателей и включению в состав расходомера детектора) предлагаемый расходомер, сохраняя достоинство прототипа (независимость показаний от отклонения v_п от оси трубопровода и от асимметрии электронных трактов), лишен его недостатков, порожденных коммутационными шумами. К тому же очевидна большая простота аппаратурной реализации его электронной части по сравнению с прототипом.Due to the distinguishing features (electrical connections of the electronic circuit nodes, the location of the piezoelectric transducers and the inclusion of a detector in the flowmeter), the proposed flowmeter, while preserving the dignity of the prototype (independence of readings from deviations of v _p from the axis of the pipeline and from the asymmetry of the electronic paths), is devoid of its disadvantages caused by switching noise. In addition, the great simplicity of the hardware implementation of its electronic part is obvious in comparison with the prototype.

На фиг.1 изображена схема предлагаемого расходомера; на фиг.2 эпюры, поясняющие работу устройства. Figure 1 shows a diagram of the proposed flow meter; figure 2 diagrams explaining the operation of the device.

Пьезопреобразователи (первичные преобразователи) 1-4, из которых 1 и 2 излучатели, а 3 и 4 приемники, образуют в потоке 5 (скорость v_пкоторого подлежит измерению) два акустических канала 1-3 и 2-4. Электрические выходы пьезоприемников 3 и 4 соединены с входом частотно-избирательного автогенераторного усилителя 6, состоящего из полосового фильтра 7 (с полосой 2

> Δf > 2

) собственно усилителя 3 с автоматической регулировкой усиления. Измеритель разности частот состоит из буферного усилителя 9, детектора 10, фильтра 11 низких частот и частотомера 12. Блоки 6.11 составляют вторичный преобразователь с управляющим выходом автогенератора.Piezoelectric transducers (primary transducers) 1-4, of which 1 and 2 emitters, and 3 and 4 receivers, form two acoustic channels 1-3 and 2-4 in stream 5 (the speed v _{n of} which is to be measured). The electrical outputs of the piezoelectric receivers 3 and 4 are connected to the input of a frequency-selective oscillator amplifier 6, consisting of a band-pass filter 7 (with band 2

>Δf> 2

) Actually amplifier 3 with automatic gain control. The frequency difference meter consists of a buffer amplifier 9, a detector 10, a low-pass filter 11 and a frequency meter 12. Blocks 6.11 comprise a secondary converter with a control output of the oscillator.

Коэффициент усилителя 8 удовлетворяет условию самовозбуждения на частотах в диапазоне

(c ± v_max).The coefficient of the amplifier 8 satisfies the condition of self-excitation at frequencies in the range

(c ± v _max ).

Полосовой фильтр имеет центральную частоту f K

и полосу пропускания 2

> Δf_ф > 2

K.The band-pass filter has a center frequency f K

and bandwidth 2

> Δf _f > 2

K.

Работа расходомера происходит следующим образом. Благодаря выбору достаточного коэффициента усиления усилителя 8, наличию АРУ, частотной избирательности полосового фильтра 7 и акустических каналов 1-3 и 2-4 и усилителя поддерживается квазилинейный мягкий режим самовозбуждения одновременно на двух близких частотах: f⁺

(определяемой частотной избирaтельностью акустического канала 1-3) и f^-

(определяемой частотной избирательностью акустического канала 2-4), где v₁₃ и v₄₂ проекции вектора скорости потока v_п на оси каналов 1-3 и 2-4 соответственно; t задержка сигнала в фильтре 7 и усилителе 8 (см. эпюры 1,2 на фиг.2).The flow meter is as follows. Due to the choice of a sufficient gain of amplifier 8, the presence of AGC, the frequency selectivity of the band-pass filter 7 and acoustic channels 1-3 and 2-4 and the amplifier, a quasilinear soft self-excitation mode is simultaneously supported at two close frequencies: f ⁺

(determined by the frequency selectivity of the acoustic channel 1-3) and f ^-

(determined by the frequency selectivity of the acoustic channel 2-4), where v ₁₃ and v _{42 are the} projections of the flow velocity vector v _p on the axis of the channels 1-3 and 2-4, respectively; t signal delay in the filter 7 and amplifier 8 (see diagrams 1.2 in figure 2).

Ввиду близости частот f⁺ и f^- (так как v<<c), на входах фильтра 7, автогенераторного усилителя 8 и буферного усилителя 9 имеются биения сигналов этих частот, огибающая биений изменяется с разностной частотой f⁺ f^- (см. эпюру 3 на фиг.2). Сигнал разностной частоты f⁺ f^-, присутствующий в выходном сигнале детектора 10, пропускается фильтром 11 низких частот и поступает на вход частотомера 12, показания которого пропорциональны скорости потока v_п.Due to the proximity of the frequencies f ⁺ and f ^- (since v << c), there are beats of the signals of these frequencies at the inputs of the filter 7, the oscillator amplifier 8, and the buffer amplifier 9, the envelope of the beats changes with the difference frequency f ⁺ f ^- (see diagram 3 figure 2). The differential frequency signal f ⁺ f ^- present in the output signal of the detector 10 is passed through a low-pass filter 11 and fed to the input of the frequency counter 12, the readings of which are proportional to the flow velocity v _p .

Claims (1)

ДВУХКАНАЛЬНЫЙ ЧАСТОТНЫЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ РАСХОДОМЕР, содержащий две пары первичных преобразователей, каждая из которых включает излучающий и приемный преобразователи, образующие в акустической среде измеряемого потока два одинаковых по длине акустических канала с распространением акустических волн под углом к оси потока и навстречу одна к другой, а также вторичный преобразователь, подключенный к блоку измерения и индикации, при этом выходы и входы первичных преобразователей подключены соответственно к входу и управляющему выходу вторичного преобразователя, отличающийся тем, что первичные преобразователи в каждой из пар соединены между собой, вторичный преобразователь выполнен в виде последовательно соединенных частотного автогенераторного усилителя, буферного усилителя, детектора и фильтра низких частот, а управляющим выходом вторичного преобразователя является выход автогенераторного усилителя. TWO-CHANNEL FREQUENCY ULTRASONIC FLOW METER, containing two pairs of primary transducers, each of which includes a radiating and receiving transducers, forming in the acoustic medium of the measured stream two acoustic channels of equal length along the propagation of acoustic waves at an angle to the flow axis and towards one another, and also a secondary a converter connected to the measurement and indication unit, while the outputs and inputs of the primary converters are connected respectively to the input and control output of the WTO ary converter, characterized in that the primary transducers in each pair of interconnected secondary transducer configured as a series-connected autogenerating frequency amplifier, a buffer amplifier, detector and low pass filter and the control output of the secondary output inverter is autogenerating amplifier.

Images