RU2104498C1

RU2104498C1 - Ultrasonic frequency-pulse method of measurement of flow rate and device for its implementation

Info

Publication number: RU2104498C1
Application number: RU93008982A
Authority: RU
Inventors: А.И. Кузнецов; Л.П. Журавлев
Original assignee: Акционерное общество открытого типа "Самаранефтехимавтоматика"
Priority date: 1993-02-16
Filing date: 1993-02-16
Publication date: 1998-02-10

Abstract

FIELD: measurement technology, measurement of velocity and flow rate of substance. SUBSTANCE: ultrasonic oscillations are in turn radiated and received along and counter flow of measured medium and velocity of flow is found by difference of frequencies of synchrorings. Ultrasonic signals sent over communication line are damped at input and output from it. Flowmeter has two electroacoustic inverted converters, electronic unit, communication line, four asynchronous switches and two reactances. EFFECT: improved efficiency and reliability of method and device. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретения относятся к измерительной технике и могут быть использованы для измерения скорости и расхода вещества с помощью ультразвуковых сигналов. The invention relates to measuring technique and can be used to measure the speed and flow rate of a substance using ultrasonic signals.

Известен ультразвуковой способ измерения скорости потока, основанный на работе в одном электроакустическом канале одновременно двух синхроколец, одно из которых работает по потоку, другое - против потока (SU, а.с. 802790, кл. G 01 F 1/66, 1981). A known ultrasonic method for measuring the flow velocity, based on working in one electro-acoustic channel at the same time two synchro rings, one of which works in the flow, the other against the flow (SU, AS 802790, class G 01 F 1/66, 1981).

Известен ультразвуковой расходомер, содержащий отрезок трубопровода с установленными на нем пьезоэлектрическими преобразователями и подключенную к ним измерительную схему, индикатор расхода (SU, а.с. 1476311, кл. G 01 F 1/66, 1989). A known ultrasonic flow meter containing a segment of the pipeline with piezoelectric transducers installed on it and a measuring circuit connected to them, a flow indicator (SU, AS 1476311, class G 01 F 1/66, 1989).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является ультразвуковой способ измерения расхода, заключающийся в поочередном излучении и приеме в измеряемую среду по и против потока ультразвуковых колебаний и определении скорости потока по разности частот синхроколец (Счетчик нефти ультразвуковой "Расход-3", НПО "Нефтехимавтоматика"/Проспект.- М., 1988). The closest in technical essence to the proposed method is an ultrasonic flow measurement method, which consists in alternating radiation and reception of ultrasonic vibrations into and out of the measured medium and determining the speed of the flow by the frequency difference of the synchro rings (Ultrasonic oil meter "Flow-3", NPO Neftekhimavtomatika "/ Prospect. - M., 1988).

Наиболее близким аналогом устройства является ультразвуковой счетчик нефти, содержащий преобразователь расхода с пьезоэлектрическими преобразователями на нем, электронно-измерительный блок и линию связи между ними (там же). The closest analogue of the device is an ultrasonic oil meter containing a flow transducer with piezoelectric transducers on it, an electronic measuring unit and a communication line between them (ibid.).

Недостаток известного способа и устройства заключается в том, что длина линии связи должна быть кратна полуволнам рабочих частот пьезопреобразователей, т.е. A disadvantage of the known method and device is that the length of the communication line must be a multiple of the half-waves of the working frequencies of the piezoelectric transducers, i.e.

где
n - 1,2,3...

Where
n - 1,2,3 ...

f - частота собственных колебаний пьезопреобразователей, а при коротких линиях не обеспечивается удовлетворительное согласование с нагрузкой. f is the frequency of the natural oscillations of the piezoelectric transducers, and with short lines satisfactory coordination with the load is not provided.

При искажении ультразвукового импульса на собственные колебания излучения наложены какие-то другие колебания, например, линии связи и преобразователя, и если он в таком виде излучается в среду, то на его суммарную характеристику оказывает влияние эффект Доплера, т.е. скорость движения среды изменяет коэффициент искажения импульса в заданной точке характеристики. Такой импульс можно рассматривать как несколько отдельных импульсов, взаимоположение составляющих которых зависит от скорости среды, а так как пороговые устройства схемы обеспечения работы расходомера привязаны к конкретной точке характеристики, то это вызывает дополнительный выбег фазы точки измерения и как следствие резкое увеличение нелинейности градуировочной характеристики прибора. В известном счетчике компенсировать фазовые искажения зондирующего импульса, возникающие при отражениях его в линии связи, чрезвычайно трудно. Простой способ согласования с помощью L, C звеньев не обеспечивает необходимую широкополосность, а зондирующий импульс имеет крутые фронта, т.е. он может быть представлен в виде ряда Фурье как сумма большего или меньшего числа неограниченных во времени составляющих синусоидальной формы, содержащихся в более или менее широкой полосе частот. Таким образом, всегда могут присутствовать составляющие, для которых условия согласования не выполняются. А применение резистивных нагрузок и сложных фильтров приводит к нелинейному ослаблению сигнала не менее чем на 6 дБ. When the ultrasonic pulse is distorted, some other vibrations are imposed on the natural oscillations of the radiation, for example, a communication line and a transducer, and if it is radiated in this form into the medium, then the Doppler effect, i.e. the velocity of the medium changes the distortion coefficient of the pulse at a given point in the characteristic. Such an impulse can be considered as several separate impulses, the interposition of the components of which depends on the speed of the medium, and since the threshold devices of the flowmeter operation circuit are tied to a specific characteristic point, this causes an additional phase outage of the measurement point and, as a result, a sharp increase in the nonlinearity of the calibration characteristic of the device. In a known counter, it is extremely difficult to compensate for the phase distortions of the probe pulse arising from reflections in the communication line. A simple way of matching with L, C links does not provide the necessary broadband, and the probe pulse has steep edges, i.e. it can be represented as a Fourier series as the sum of a larger or smaller number of unlimited in time sinusoidal components contained in a more or less wide frequency band. Thus, components can always be present for which the coordination conditions are not met. And the use of resistive loads and complex filters leads to a nonlinear attenuation of the signal by at least 6 dB.

Все это требует индивидуальной подстройки счетчиков в зависимости от длины линии связи, что исключает их взаимозаменяемость при эксплуатации и крайне затрудняет проведение их периодической и государственной поверок на поверочных установках, т.е. требуется по существу для каждого счетчика подключать свою индивидуальную линию связи, равную по длине линии связи эксплуатируемого счетчика. All this requires an individual adjustment of the meters depending on the length of the communication line, which excludes their interchangeability during operation and makes it extremely difficult to conduct periodic and state calibrations at calibration facilities, i.e. essentially, for each meter, it is necessary to connect its own individual communication line, equal in length to the communication line of the operated meter.

Следовательно, для повышения линейности характеристики счетчика необходимо условия формирования моночастотного зондирующего сигнала с амплитудно-чатсотными характеристиками, совпадающими с характеристиками пьезоэлектрических преобразователей. Therefore, to increase the linearity of the counter characteristics, it is necessary to form a monofrequency sounding signal with amplitude-frequency characteristics that match the characteristics of piezoelectric transducers.

Техническим результатом от использования изобретения является устранение вышеуказанных недостатков и улучшение эксплуатационных возможностей за счет снижения фазовых искажений. The technical result from the use of the invention is to eliminate the above disadvantages and improve operational capabilities by reducing phase distortion.

В способе это достигается тем, ультразвуковые сигналы, передаваемые по линии связи, демпфируют на входе и выходе из линии связи. В устройстве это достигается тем, что оно дополнительно содержит асинхронные переключатели, подключенные параллельно концам линии связи, причем переключатели со стороны преобразователя расхода соединены с электроакустическими преобразователями через реактивные сопротивления. Кроме того, асинхронные преобразователи выполнены в виде полупроводникового высокочастотного переключающего диода. In the method this is achieved by the fact that the ultrasonic signals transmitted through the communication line are damped at the input and output of the communication line. This is achieved in the device in that it further comprises asynchronous switches connected in parallel to the ends of the communication line, the switches on the side of the flow transducer being connected to the electro-acoustic transducers via reactive resistances. In addition, asynchronous converters are made in the form of a semiconductor high-frequency switching diode.

В предлагаемом расходомере условие формирования моночастотного зондирующего сигнала с амплитудно-частотными характеристиками, совпадающими с характеристиками пьезоэлектрических преобразователей, образователей, выполняется за счет того, что рабочая зона ультразвукового импульса формируется за счет собственных колебаний пьезопреобразователя при возбуждении последнего коротким (менее полпериода собственных колебаний) электрическим импульсом и демпфированием всех паразитных составляющих апериодическими переключателями. Смысл их работы заключается в избирательной реакции на приходящий электрический сигнал, причем управление производится тем же сигналом. Кроме того, они обеспечивают независимость собственных колебаний преобразователя от параметров линии связи. In the proposed flowmeter, the condition for the formation of a monofrequency sounding signal with amplitude-frequency characteristics that coincide with the characteristics of the piezoelectric transducers, the educators, is satisfied due to the fact that the working zone of the ultrasonic pulse is formed due to the natural oscillations of the piezoelectric transducer when the latter is excited by a short (less than half period of natural oscillations) electric pulse and damping all spurious components with aperiodic switches. The meaning of their work is a selective reaction to an incoming electrical signal, moreover, control is performed by the same signal. In addition, they ensure the independence of the natural oscillations of the Converter from the parameters of the communication line.

На чертеже представлена принципиальная схема предлагаемого расходомера. The drawing shows a schematic diagram of the proposed flow meter.

Расходомер состоит из преобразователя расхода 1, представляющего собой отрезок трубопровода необходимого сечения с установленными на нем электроакустическими преобразователями 2 обратимого типа, т.е. использующимися поочередно для излучения и приема ультразвукового сигнала через измеряемую среду; электронного блока 3, обеспечивающего необходимый алгоритм формирования и обработку частотно-импульсной последовательности с целью выделения информационной составляющей о текущем расходе измеряемого продукта; линии связи 4 произвольной длины, служащей для передачи электрического сигнала от электроакустических преобразователей 2 к электронному блоку 3 и обратно, на концах которой расположены селективные асинхронные переключатели 5, соединенные через реактивные сопротивления 6 с электроакустическими преобразователями 2. Переключатели 5 обеспечивают блокирование (демпфирование) тех составляющих электрического сигнала, имеющего на возбуждение электроакустических преобразователей, которые приводят к фазовым искажениям акустического импульса, излучаемого в среду и припускающие без изменения сигналы, принятые из среды. The flow meter consists of a flow transducer 1, which is a section of a pipeline of the required cross section with reversible-type electro-acoustic transducers 2 installed on it, i.e. used alternately for emitting and receiving an ultrasonic signal through a measured medium; electronic unit 3, providing the necessary algorithm for the formation and processing of the frequency-pulse sequence in order to highlight the information component about the current consumption of the measured product; communication lines 4 of arbitrary length, which serves to transmit an electric signal from electro-acoustic transducers 2 to the electronic unit 3 and vice versa, at the ends of which there are selective asynchronous switches 5 connected through reactance 6 to electro-acoustic transducers 2. Switches 5 provide blocking (damping) of those components an electrical signal having an excitation of electro-acoustic transducers that lead to phase distortion of the acoustic pulse radiated into the medium and admitting without changes signals received from the medium.

Расходомер работает следующим образом. The flow meter operates as follows.

В линии связи 4 между преобразователем расхода 1 и электронным блоком 3 присутствуют электрические сигналы, идущие для возбуждения электроакустических преобразователей 2 в виде однополярных видеоимпульсов амплитудной порядка десятков вольт, и электрические сигналы, принятые из среды, которые имеют вид радиоимпульсов с амплитудой, не превышающей сотен милливольт. Один из переключателей (диодов) 5 установлен на выходе электронного блока 3 (на входе линии связи 4) в полярности, противоположной возбуждающему видеоимпульсу, и обеспечивает его прохождение в линию связи 4 без искажений и демпфирование затухающих колебаний, возникающих в линии под воздействием этого импульса вследствие того, что отраженные импульсы имеют полярность, обратную зондирующему, и эффективно ограничиваются диодом. Приемный сигнал проходит без искажений, так как его уровень недостаточен для отпирания диода. На противоположном конце линии связи 4 включен второй такой же переключатель (диод) 5, который также демпфирует паразитные колебания в линии, но, кроме того, подключает к пьезоакустическому преобразователю 2 фиксированную нагрузку в виде реактивного сопротивления 6. Зондирующий сигнал возбуждает излучатель, колебания которого повторяют форму зондирующего сигнала, а затем пьезоэлемент излучателя продолжает колебаться с собственной частотой, причем 2-й полупериод колебаний пьезоэлемента через реактивное сопротивление замыкается на переключатель (диод), исключая тем самым влияние линии связи на собственные колебания излучателя. In the communication line 4 between the flow transducer 1 and the electronic unit 3 there are electrical signals that are used to excite the electro-acoustic transducers 2 in the form of unipolar video pulses of the amplitude of the order of tens of volts, and electrical signals received from the medium, which have the form of radio pulses with an amplitude not exceeding hundreds of millivolts . One of the switches (diodes) 5 is installed at the output of the electronic unit 3 (at the input of the communication line 4) in the polarity opposite to the exciting video pulse, and ensures its passage into communication line 4 without distortion and damping of damped oscillations arising in the line under the influence of this pulse due to the fact that the reflected pulses have a polarity opposite to the probing one and are effectively limited by the diode. The receiving signal passes without distortion, since its level is insufficient to unlock the diode. At the opposite end of the communication line 4, a second same switch (diode) 5 is turned on, which also damps spurious oscillations in the line, but, in addition, connects a fixed load in the form of reactance 6 to the piezoacoustic transducer 2. The probe signal excites the emitter, the oscillations of which are repeated the shape of the probe signal, and then the piezoelectric element of the emitter continues to oscillate with its own frequency, and the 2nd half-period of the oscillation of the piezoelectric element through the reactance is closed at switch (diode), thereby excluding the influence of the communication line on the natural oscillations of the emitter.

Claims

1. An ultrasonic frequency-pulse method of measuring flow, which consists in the formation of two synchro-rings in one measuring channel, including the emission of ultrasonic vibrations along the flow of the measured medium and against it, receiving the vibrations transmitted through the medium and converting them into an electrical signal, with electrical signals being transmitted in each synchro-ring on the communication line, measuring the signal repetition rate in each sync ring and determining the flow rate from the difference in the measured frequencies, characterized in that it is electrically e signals transmitted over the communication line are damped at its input and output.

2. An ultrasonic pulse-frequency flow meter containing a flow transducer made in the form of two electro-acoustic transducers installed on the measuring section of the pipeline and connected to the electronic unit by a communication line, characterized in that it further comprises asynchronous switches mounted parallel to the input and output of the communication line, moreover, the switches installed at the junction of the communication line with the flow transducer are connected to electro-acoustic transducers through reactants apparent resistance.