RU2190191C1

RU2190191C1 - Ultrasonic pulse flowmeter

Info

Publication number: RU2190191C1
Application number: RU2001103803A
Authority: RU
Inventors: Ф.В. Кармазинов; С.Г. Гумен; В.И. Дикарев; Б.В. Койнаш
Original assignee: Кармазинов Феликс Владимирович; Гумен Сергей Григорьевич; Дикарев Виктор Иванович; Койнаш Борис Васильевич
Priority date: 2001-02-05
Filing date: 2001-02-05
Publication date: 2002-09-27

Abstract

FIELD: equipment measuring flow rates of liquid and gaseous media, oil industry. SUBSTANCE: proposed flowmeter includes pulse generator, radiators, receivers, amplifiers, phasing element, null detector, frequency adjustment unit, key, measurement unit and phase detector. EFFECT: raised accuracy of measurement of flow rate of liquid and gaseous media. 1 dwg

Description

Предлагаемый расходомер относится к технике измерения расхода жидких и газообразных сред и может быть применен, например, в нефтяной промышленности. The proposed flow meter relates to techniques for measuring the flow of liquid and gaseous media and can be used, for example, in the oil industry.

Известны ультразвуковые расходомеры (авт. свид. СССР 314073, 416568, 502224, 551509, 1000763, 1141294; патенты РФ 2017067, 2032713, 2027149; патенты США 4300400, 4590805; патенты ФРГ 2756873, 2449881; патенты Японии 56-54565, 54-43060; Бражников Н. И. Ультразвуковые фазометры. - М., 1968; Ультразвуковые расходомеры нефти и нефтепродуктов. - М., 1970 и другие). Ultrasonic flow meters are known (ed. Certificate of the USSR 314073, 416568, 502224, 551509, 1000763, 1141294; RF patents 2017067, 2032713, 2027149; US patents 4300400, 4590805; German patents 2756873, 2449881; Japanese patents 56-54565, 54-43060 ; Brazhnikov N.I. Ultrasonic phase meters. - M., 1968; Ultrasonic flow meters of oil and oil products. - M., 1970 and others).

Из известных расходомеров наиболее близким к предлагаемому является "Ультразвуковой импульсный расходомер" (авт. свид. СССР 502224, G 01 F 1/00, 1974), который и выбран в качестве прототипа. Of the known flowmeters, the closest to the proposed one is the "Ultrasonic pulse meter" (ed. Certificate. USSR 502224, G 01 F 1/00, 1974), which is selected as a prototype.

Указанный расходомер содержит два канала, один из которых образован генератором, излучателем, приемником, усилителем и преобразователем "время-напряжение", а другой - генератором, излучателем, приемником, усилителем и преобразователем. Выходы преобразователей соединены с нуль-органом, выход которого связан со входом управления частотой генератора 6. The specified flow meter contains two channels, one of which is formed by a generator, emitter, receiver, amplifier and a time-voltage converter, and the other is a generator, emitter, receiver, amplifier and converter. The outputs of the converters are connected to a null-body, the output of which is connected to the frequency control input of the generator 6.

При работе устройства период следования импульса генераторов выбирается в несколько раз меньшим, чем время прохождения импульса через среду. При неравенстве временных интервалов между зондирующими и принятыми импульсами на выходе нуль-органа образуется сигнал, обеспечивающий такое изменение периода следования импульсов генератора, при котором сигналы на выходе преобразователей "время-напряжения" равны. During operation of the device, the pulse repetition period of the generators is selected several times smaller than the time it takes for the pulse to pass through the medium. If the time intervals between the probing and received pulses are not equal, a signal is generated at the output of the null organ, which provides such a change in the pulse repetition period of the generator at which the signals at the output of the time-voltage converters are equal.

Технической задачей изобретения является повышение точности измерения расхода жидких и газообразных сред. An object of the invention is to improve the accuracy of measuring the flow rate of liquid and gaseous media.

Поставленная задача решается тем, что ультразвуковой импульсный расходомер, содержащий два акустических канала, состоящих из излучателя и приемника, направленные по потоку и против потока, импульсный генератор, соединенный с излучателем первого акустического канала, два усилителя, подключенные соответственно к приемникам, и нуль-орган, снабжен фазовым детектором, блоком перестройки частоты, элементом фазировки, ключом и измерительным блоком, причем излучатель второго акустического канала соединен с выходом импульсного генератора, к выходу второго усилителя последовательно подключены элемент фазировки, фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя и блок перестройки частоты, выход которого связан со входом управления частотой импульсного генератора, к выходу фазового детектора последовательно подключены нуль-орган, ключ, второй вход которого соединен с выходом импульсного генератора, и измерительный блок. The problem is solved in that the ultrasonic pulsed flowmeter containing two acoustic channels, consisting of a radiator and a receiver, directed upstream and downstream, a pulse generator connected to the emitter of the first acoustic channel, two amplifiers connected respectively to the receivers, and a zero-organ is equipped with a phase detector, a frequency adjustment unit, a phasing element, a key and a measuring unit, the emitter of the second acoustic channel being connected to the output of the pulse generator, to the output of the second amplifier is connected in series to a phasing element, a phase detector, the second input of which is connected to the output of the first amplifier and a frequency tuning unit, the output of which is connected to the frequency control input of the pulse generator, a zero-organ is connected to the output of the phase detector, the key, the second input of which is connected with the output of a pulse generator, and a measuring unit.

На чертеже изображена структурная схема расходомера. The drawing shows a structural diagram of a flow meter.

Расходомер содержит два акустических канала, один из которых образован излучателем 2, соединенным с выходом импульсного генератора 1, приемником 3 и усилителем 4, а другой - излучателем 7, соединенным с выходом импульсного генератора 1, приемником 8 и усилителем 9. К выходу усилителя 8 последовательно подключены элемент фазировки 6, фазовый детектор 14, второй вход которого соединен с выходом усилителя 4 и блок 11 перестройки частоты, выход которого связан со входом управления частотой импульсного генератора 1. К выходу фазового детектора 14 последовательно подключены нуль-орган 10, ключ 12, второй вход которого соединен с выходом импульсного генератора 1, и измерительный блок 13. The flowmeter contains two acoustic channels, one of which is formed by the emitter 2 connected to the output of the pulse generator 1, receiver 3 and amplifier 4, and the other by the emitter 7 connected to the output of the pulse generator 1, receiver 8 and amplifier 9. To the output of amplifier 8 in series connected a phasing element 6, a phase detector 14, the second input of which is connected to the output of the amplifier 4 and the frequency adjustment unit 11, the output of which is connected to the frequency control input of the pulse generator 1. To the output of the phase detector 14 A null-organ 10, a key 12, the second input of which is connected to the output of the pulse generator 1, and a measuring unit 13 are carefully connected.

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

Высокочастотное напряжение с выхода импульсного генератора 1 поступает на акустические излучатели 2, 7 и возбуждает их. Возбужденные ультразвуковые колебания проходят через исследуемую (жидкую или газообразную) среду, протекающую по трубопроводу и поступают на акустические приемники 3 и 8. High-frequency voltage from the output of the pulse generator 1 is supplied to the acoustic emitters 2, 7 and excites them. Excited ultrasonic vibrations pass through the investigated (liquid or gaseous) medium flowing through the pipeline and are fed to acoustic receivers 3 and 8.

Вследствие разной скорости распространения ультразвука по потоку и против потока ультразвуковые колебания поступают на акустические приемники 3 и 8 со сдвигом фаз

где f- частота управляемого генератора;
l - расстояние между электроакустическими преобразователями (излучателями и приемниками);
с - скорость ультразвука в исследуемой среде при V=0;
V - скорость потока;
α - угол между векторами V и с.Due to the different speed of propagation of ultrasound along the flow and against the flow, ultrasonic vibrations arrive at acoustic receivers 3 and 8 with phase shift

where f is the frequency of the controlled generator;
l is the distance between the electro-acoustic transducers (emitters and receivers);
c is the ultrasound velocity in the medium under study at V = 0;
V is the flow rate;
α is the angle between the vectors V and c.

В акустических приемниках 3 и 8 ультразвуковые колебания снова преобразуются в электрические напряжения, которые через усилители 4, 9 и элемент фазировки 6 поступают на два входа фазового детектора 14. Фазовый детектор 14 выделяет напряжение рассогласования, величина которого является функцией величины фазового сдвига Δφ.
При появлении напряжения рассогласования на выходе фазового детектора 14 оно поступает на вход нуль-органа 10 и блока 11 перестройки частоты, который управляет частотой генератора 1. Изменение частоты этого генератора происходит до тех пор, пока выходное напряжение фазового детектора 14 (напряжение рассогласования) не станет нулевым. После этого сдвиг фазы будет иметь величину Δφ_з, заданную выбором параметров элемента 6 фазировки.In acoustic receivers 3 and 8, ultrasonic vibrations are again converted into electrical voltages, which are fed through amplifiers 4, 9 and the phasing element 6 to the two inputs of the phase detector 14. The phase detector 14 extracts a mismatch voltage, the magnitude of which is a function of the phase shift Δφ.
When there is a mismatch voltage at the output of the phase detector 14, it goes to the input of the null-organ 10 and the frequency tuner 11, which controls the frequency of the generator 1. The frequency of this generator changes until the output voltage of the phase detector 14 (mismatch voltage) becomes zero. After this, the phase shift will have a value Δφ _s specified by the selection of the parameters of the phasing element 6.

При изменении скорости потока V изменяется и сдвиг фазы, в результате чего на выходе фазового детектора 14 появляется напряжение рассогласования, которое поступает на вход блока 11 перестройки частоты. Перестройка частоты генератора 1 заканчивается при нулевом значении напряжения рассогласования, что соответствует установке заданного фазового сдвига величиной Δφ_з. Момент времени, соответствующий нулевому значению напряжения рассогласования, фиксируется нуль-органом 10 посредством выдачи импульса напряжения, которым открывается ключ 12. Значение частоты f в указанный момент времени регистрируется измерительным блоком 13, а скорость V потока определяется из выражения (1).When the flow velocity V changes, the phase shift also changes, as a result of which the mismatch voltage appears at the output of the phase detector 14, which is fed to the input of the frequency tuning unit 11. The frequency tuning of the generator 1 ends at a zero value of the mismatch voltage, which corresponds to the installation of a given phase shift of Δφ _s . The moment of time corresponding to the zero value of the mismatch voltage is fixed by the null-organ 10 by issuing a voltage pulse, which opens the key 12. The frequency value f at the specified time is recorded by the measuring unit 13, and the flow rate V is determined from expression (1).

Следовательно, частота f колебаний управляемого генератора 1, проходящих через исследуемую среду по и против потока, пропорционально скорости V потока и является мерой объемного расхода. Therefore, the frequency f of the oscillations of the controlled generator 1 passing through the medium under and against the flow is proportional to the speed V of the flow and is a measure of the volumetric flow rate.

Объемный расход жидких или газообразных сред равен
Q=VS, (2)
где S - площадь поперечного сечения трубопровода.The volumetric flow rate of liquid or gaseous media is
Q = VS, (2)
where S is the cross-sectional area of the pipeline.

Таким образом, предлагаемый расходомер по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного значения обеспечивает повышение точности измерения расхода жидких и газообразных сред. Это достигается использованием фазового метода измерения и представлением измеряемого расхода в частотном виде. Thus, the proposed flow meter in comparison with the prototype and other technical solutions of a similar value provides increased accuracy of measuring the flow rate of liquid and gaseous media. This is achieved by using the phase measurement method and presenting the measured flow in a frequency form.

Claims

An ultrasonic pulsed flow meter containing two acoustic channels consisting of an emitter and a receiver, directed upstream and downstream, a pulse generator connected to the emitter of the first acoustic channel, two amplifiers connected respectively to the receivers of the acoustic channels, and a zero-organ, characterized in that it is equipped with a phase detector, a frequency tuning unit, a phasing element, a key and a measuring unit, the emitter of the second acoustic channel being connected to the output of the pulse generator a frequency torus, the output of which is connected to the frequency control input of the pulse generator, a zero-organ, a key, the second input of which is connected to the output of the pulse generator, and a measuring unit are connected to the output of the phase detector.