RU2190192C1

RU2190192C1 - Liquid marker flowmeter

Info

Publication number: RU2190192C1
Application number: RU2001100766A
Authority: RU
Inventors: А.К. Мезиков; В.К. Мезиков; Г.А. Арутюнов; А.Ш. Зарипов; В.Е. Вовченко; С.Н. Сиротин; В.И. Галеева
Original assignee: Мезиков Аркадий Константинович; Мезиков Виталий Константинович
Priority date: 2001-01-09
Filing date: 2001-01-09
Publication date: 2002-09-27

Abstract

FIELD: measurement technology; accurate measurement of liquid flow rate. SUBSTANCE: liquid marker flowmeter is provided with ultrasonic pulse radiator located on pipe line and connected to pulse oscillator output, two pairs of ultrasonic oscillation radiators and receivers fitted on pipe line after pulse ultrasonic radiator in way of flow, oscillator connected to two ultrasonic oscillation radiators, two amplifiers connected with two ultrasonic oscillation receivers, control unit and measuring- and-computing unit. Proposed flowmeter is also provided with second ultrasonic pulse radiator on pipe in position diametrically opposite to first one; pulse oscillator has second output at adjustable phase shift of short-duration electric signals relative to signals from first output and control input connected with control unit; second output of pulse oscillator is connected to second ultrasonic pulse radiator. EFFECT: enhanced accuracy of measurement of liquid flow rate. 1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для точного измерения расхода жидкостей. The invention relates to measuring technique and can be used to accurately measure the flow of liquids.

Известен расходомер, действие которого основано на измерении времени перемещения на заданном участке пути локальной теплофизической неоднородности - области заполненной продуктами кавитации, которую создают кратковременным воздействием на поток фокусированными в этой области ультразвуковыми волнами с амплитудой звукового давления выше порога кавитации (А.с. 446757 СССР, М. Кл. G 01 F 9/00, 15.10.74). A known flowmeter, the action of which is based on measuring the travel time on a given section of the path of local thermophysical heterogeneity - a region filled with cavitation products, which is created by short-term exposure to the flow by ultrasonic waves focused in this area with an amplitude of sound pressure above the cavitation threshold (A.S. 446757 USSR, M. Cl. G 01 F 9/00, 10/15/74).

Основным недостатком этого расходомера является невысокая точность, что обусловлено возможностью определения расхода по местной скорости потока только в одной определенной зоне его сечения, в которой сфокусировано ультразвуковое излучение, без учета профиля скоростей по всему сечению потока. Указанный недостаток особенно проявляется при измерении расхода потока с деформированным профилем скоростей. The main disadvantage of this flow meter is its low accuracy, which is due to the possibility of determining the flow rate according to the local flow velocity in only one certain zone of its cross section, in which ultrasonic radiation is focused, without taking into account the velocity profile over the entire flow cross section. This drawback is especially apparent when measuring the flow rate with a deformed velocity profile.

Другим недостатком известного расходомера является значительная потеря энергии в его фокусирующем устройстве. Another disadvantage of the known flow meter is the significant loss of energy in its focusing device.

Наиболее близким аналогом изобретения является меточный расходомер жидкости, содержащий расположенный на трубопроводе импульсный ультразвуковой излучатель, подключенный к выходу импульсного генератора, установленные на трубопроводе за импульсным ультразвуковым излучателем по потоку две пары излучателей и приемников ультразвуковых колебаний, генератор, подключенный к двум излучателям ультразвуковых колебаний, два усилителя, соединенные с двумя приемниками ультразвуковых колебаний, блок управления и измерительно-вычислительное устройство (А. с. 527662 СССР, М. Кл. G 01 F 9/00, 05.09.76). The closest analogue of the invention is a labeled liquid flow meter containing a pulsed ultrasonic emitter located on the pipeline connected to the output of the pulsed generator, two pairs of emitters and receivers of ultrasonic vibrations installed in the pipeline behind the pulsed ultrasonic emitter, a generator connected to two emitters of ultrasonic vibrations, two an amplifier connected to two receivers of ultrasonic vibrations, a control unit and measuring and computing construction (A. p. 527662 USSR, M. Cl. G 01 F 9/00, 09/05/76).

Известный расходомер имеет низкую точность, так как кавитационная метка - область, заполненная продуктами кавитации создается непосредственно на импульсном ультразвуковом излучателе, в результате чего расход определяется по местной скорости потока вблизи стенки трубопровода без учета профиля скоростей потока. The known flow meter has low accuracy, since a cavitation mark - an area filled with cavitation products is created directly on a pulsed ultrasonic emitter, as a result of which the flow rate is determined by the local flow rate near the pipeline wall without taking into account the flow velocity profile.

Целью изобретения является повышение точности измерения расхода жидкости. Поставленная цель достигается тем, что известный меточный расходомер жидкости, содержащий расположенный на трубопроводе импульсный ультразвуковой излучатель, подключенный к выходу импульсного генератора, установленные на трубопроводе за импульсным ультразвуковым излучателем по потоку две пары излучателей и приемников ультразвуковых колебаний, генератор, подключенный к двум излучателям ультразвуковых колебаний, два усилителя, соединенные с двумя приемниками ультразвуковых колебаний, блок управления и измерительно-вычислительное устройство, отличается тем, что он снабжен вторым импульсным ультразвуковым излучателем, расположенным на трубопроводе диаметрально противоположно первому, а импульсный генератор имеет второй выход с регулируемым сдвигом по фазе кратковременных электрических сигналов по отношению к сигналам с первого выхода и управляющий вход, соединенный с блоком управления, причем второй выход импульсного генератора подключен к второму импульсному ультразвуковому излучателю. The aim of the invention is to improve the accuracy of measuring fluid flow. This goal is achieved by the fact that the well-known liquid flow meter containing a pulsed ultrasonic emitter located on the pipeline connected to the output of the pulsed generator, two pairs of emitters and receivers of ultrasonic vibrations installed in the pipeline behind the pulsed ultrasonic emitter, a generator connected to two emitters of ultrasonic vibrations , two amplifiers connected to two receivers of ultrasonic vibrations, a control unit and a measuring and computing the device is characterized in that it is equipped with a second pulsed ultrasonic emitter located diametrically opposite to the first on the pipeline, and the pulsed generator has a second output with an adjustable phase shift of short-term electrical signals relative to the signals from the first output and a control input connected to the control unit, moreover, the second output of the pulse generator is connected to the second pulse ultrasonic emitter.

Отличительными признаками предлагаемого меточного расходомера жидкости является то, что он снабжен вторым импульсным ультразвуковым излучателем, расположенным на трубопроводе диаметрально противоположно первому, а импульсный генератор имеет второй выход с регулируемым сдвигом по фазе кратковременных электрических сигналов по отношению к сигналам с первого выхода и управляющий вход, соединенный с блоком управления, причем второй выход импульсного генератора подключен к второму импульсному ультразвуковому излучателю. The distinctive features of the proposed label liquid flow meter is that it is equipped with a second pulsed ultrasonic emitter located diametrically opposite to the first on the pipeline, and the pulsed generator has a second output with an adjustable phase shift of short-term electrical signals relative to the signals from the first output and a control input connected with a control unit, the second output of the pulsed generator connected to the second pulsed ultrasonic emitter.

Благодаря этому повышается точность измерения расхода жидкости, обеспечивается возможность определения поля скоростей потока и учитывается влияние деформации поля скоростей потока на показания расходомера. Due to this, the accuracy of measuring the flow rate of the liquid increases, it is possible to determine the flow velocity field and the influence of the deformation of the flow velocity field on the flow meter readings is taken into account.

На чертеже показана функциональная схема меточного расходомера. Расходомер содержит трубопровод 1, импульсные ультразвуковые излучатели 2 и 3, установленные диаметрально противоположно в стенке трубопровода 1. За импульсными ультразвуковыми излучателями 2 и 3 по потоку на трубопроводе 1 установлены две пары излучателей 4 и 5 и приемников 6 и 7 ультразвуковых колебаний. Излучатели обеих пар 4 и 5 размещены диаметрально противоположно соответственно приемникам 7 и 6 в двух контрольных сечениях трубопровода, расположенных на фиксированном расстоянии одно от другого. The drawing shows a functional diagram of a tag flow meter. The flow meter contains a pipeline 1, pulsed ultrasonic emitters 2 and 3, mounted diametrically opposite in the wall of the pipeline 1. Behind the pulsed ultrasonic emitters 2 and 3, two pairs of emitters 4 and 5 and receivers 6 and 7 of ultrasonic vibrations are installed downstream of the pipeline 1. The emitters of both pairs 4 and 5 are placed diametrically opposite respectively to the receivers 7 and 6 in two control sections of the pipeline located at a fixed distance from one another.

Измерительная схема расходомера включает импульсный генератор 8, усилители 9 и 10, генератор 11, блок управления 12 и измерительно-вычислительное устройство 13. Импульсный генератор 8, предназначенный для выработки кратковременных электрических сигналов, имеет два выхода, один из которых с регулируемым сдвигом по фазе электрических сигналов по отношению к сигналам с другого выхода, и управляющий вход для регулирования сдвига по фазе электрических колебаний. The flowmeter measuring circuit includes a pulse generator 8, amplifiers 9 and 10, a generator 11, a control unit 12, and a measuring and computing device 13. The pulse generator 8, designed to generate short-term electrical signals, has two outputs, one of which has an adjustable phase shift of electrical signals in relation to signals from another output, and a control input for regulating the phase shift of electrical oscillations.

Элементы расходомера связаны между собой следующим образом. The elements of the flow meter are interconnected as follows.

Выходы импульсного генератора 8 подключены к импульсным излучателям 2 и 3, а управляющий вход к выходу блока управления 12, второй выход которого соединен с измерительно-вычислительным устройством 13. Генератор 11 подключен к излучателям ультразвуковых колебаний 4 и 5, приемники ультразвуковых колебаний 6 и 7 соответственно через усилители 10 и 9 подключены к двум входам измерительно-вычислительного устройства 13. The outputs of the pulse generator 8 are connected to the pulse emitters 2 and 3, and the control input to the output of the control unit 12, the second output of which is connected to the measuring and computing device 13. The generator 11 is connected to the emitters of ultrasonic vibrations 4 and 5, the receivers of ultrasonic vibrations 6 and 7, respectively through amplifiers 10 and 9 are connected to two inputs of the measuring and computing device 13.

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

С двух выходов импульсного генератора 8 электрические сигналы определенной частоты, продолжительностью в 5-100 периодов с заданной с помощью блока управления 12 разностью фаз подаются на импульсные ультразвуковые излучатели 2 и 3, которые излучают в жидкость направленные взаимно противоположно бегущие ультразвуковые волны, с амплитудой звукового давления каждой волны, меньшей порога кавитации. В результате интерференции двух бегущих волн в жидкости между излучателями 2 и 3 образуется стоячая волна, положение узлов и пучностей смещения которой зависит от разности фаз сигналов с выходов импульсного генератора 8. В полученной стоячей волне пучности смещения соответствует узел звукового давления, а узлу смещения - пучность звукового давления, амплитуда которого, равная сумме амплитуд звукового давления исходных бегущих волн, превосходит порог кавитации (например, на 3-5%). From two outputs of the pulse generator 8, electric signals of a certain frequency, lasting 5-100 periods with a phase difference set using the control unit 12, are applied to pulsed ultrasonic emitters 2 and 3, which emit mutually opposite ultrasonic waves directed in a liquid with sound pressure amplitude each wave below the cavitation threshold. As a result of the interference of two traveling waves in a liquid between emitters 2 and 3, a standing wave is formed, the position of the nodes and displacement antinodes of which depends on the phase difference of the signals from the outputs of the pulse generator 8. In the resulting standing wave of the displacement antinode, there is a sound pressure unit, and the displacement node is the antinode sound pressure, the amplitude of which, equal to the sum of the amplitudes of the sound pressure of the initial traveling waves, exceeds the cavitation threshold (for example, by 3-5%).

При таком воздействии на поток жидкости ультразвукового излучения в локальных областях, соответствующих узлам смещения стоячей волны, происходит кавитация и образуются кавитационные пузырьки, заполненные парами жидкости, т. е. создаются кавитационные метки, время существования которых составляет несколько секунд. With this action of ultrasonic radiation on the fluid flow in the local areas corresponding to the displacement nodes of the standing wave, cavitation occurs and cavitation bubbles are formed filled with liquid vapor, i.e. cavitation marks are created, the lifetime of which is several seconds.

Количество узлов смещения стоячей волны, т. е. кавитационных меток, создаваемых одновременно в поперечном сечении трубопровода вдоль диаметра соединяющего импульсные излучатели 2 и 3, определяется соотношением диаметра трубопровода и длины стоячей волны, равной отношению скорости ультразвука в жидкости к частоте электрических сигналов, подаваемым на импульсные излучатели 2 и 3. The number of nodes of the displacement of the standing wave, i.e., cavitation marks, created simultaneously in the cross section of the pipeline along the diameter connecting the pulse emitters 2 and 3, is determined by the ratio of the diameter of the pipe and the length of the standing wave, equal to the ratio of the speed of ultrasound in the liquid to the frequency of electrical signals supplied to pulse emitters 2 and 3.

В случае, если длина стоячей волны в два раза больше внутреннего диаметра трубопровода 1, создается одна кавитационная метка, положение которой в точке поперечного сечения трубопровода 1 вдоль диаметра, соединяющего импульсные излучатели 2 и 3, определяется разностью фаз электрических сигналов, поступающих на них. If the standing wavelength is twice as large as the internal diameter of the pipeline 1, one cavitation mark is created, the position of which at the cross-sectional point of the pipeline 1 along the diameter connecting the pulsed emitters 2 and 3 is determined by the phase difference of the electrical signals arriving at them.

Кавитационная метка, движущаяся с местной скоростью потока в определенной точке поперечного сечения трубопровода 1, в моменты пересечения зондирующих ультразвуковых лучей, создаваемых подключенными к генератору 11 излучателями ультразвуковых колебаний 4 и 5, установленными в двух контрольных сечениях трубопровода 1, поочередно модулирует интенсивность ультразвукового излучения, воспринимаемого приемниками ультразвуковых колебаний 7 и 6, с выходов которых через усилители соответственно 9 и 10 модулированные по амплитуде сигналы поступают на два входа измерительно-вычислительного устройства 13. A cavitation mark moving at a local flow velocity at a certain point in the cross-section of the pipeline 1, at the moments of intersection of the probe ultrasonic rays created by ultrasonic oscillators 4 and 5 connected to the generator 11 and installed in two control sections of the pipeline 1, modulates the intensity of the ultrasonic radiation perceived receivers of ultrasonic vibrations 7 and 6, from the outputs of which through amplifiers 9 and 10, respectively, amplitude-modulated arrival signals t to two inputs of the measuring and computing device 13.

Измерительно-вычислительным устройством 13 фиксируются моменты начала модуляции сигналов, поступающим с выходов приемников 7 и 6 и измеряется время τ прохождения кавитационной меткой расстояния L между двумя контрольными сечениями. Местная скорость V_r потока в точке поперечного сечения трубопровода 1, расположенной на расстоянии r от его оси, которое определяется разностью фаз сигналов с выходов импульсного генератора 8, заданной блоком управления 12, вычисляется по формуле
V_r = L/τ. (1)
В следующих циклах измерения с помощью блока управления 12 производится дискретное изменение разности фаз сигналов с выходов импульсного генератора 8 и, следовательно, положения кавитационной метки в поперечном сечении трубопровода 1 и вычисляются местные скорости потока на различных расстояниях r от оси трубопровода 1, т.е. определяется профиль скоростей потока по сечению трубопровода 1.Measuring and computing device 13 fixes the moments of the beginning of the modulation of the signals coming from the outputs of the receivers 7 and 6 and measures the time τ of the passage of the cavitation mark of the distance L between the two control sections. The local flow velocity V _r at the cross-sectional point of the pipeline 1, located at a distance r from its axis, which is determined by the phase difference of the signals from the outputs of the pulse generator 8 specified by the control unit 12, is calculated by the formula
V _r = L / τ. (1)
In the following measurement cycles, the control unit 12 makes a discrete change in the phase difference of the signals from the outputs of the pulse generator 8 and, consequently, the position of the cavitation mark in the cross section of the pipeline 1 and local flow rates at various distances r from the axis of the pipeline 1 are calculated, i.e. the profile of flow rates is determined over the cross section of the pipeline 1.

В результате численного интегрирования поля местных скоростей вычисляется средняя скорость V_c потока по сечению трубопровода и расход жидкости Q
Q=V•S, (2)
где S - площадь поперечного сечения трубопровода.As a result of numerical integration of the local velocity field, the average velocity V _{c of the} flow over the cross section of the pipeline and the fluid flow Q
Q = V • S, (2)
where S is the cross-sectional area of the pipeline.

В случае, если в жидкости образуется стоячая волна, длина которой меньше внутреннего диаметра трубопровода 1, в его поперечном сечении вдоль линии, соединяющей импульсные излучатели 2 и 3 одновременно, создаются несколько кавитационных меток, при этом расстояние между соседними метками равно половине длины стоячей волны. При движении кавитационных меток, расположенных первоначально на одной прямой линии, с потоком форма линии искажается в зависимости от профиля скоростей, существующего в потоке. Вследствие этого кавитационные метки проходят через контрольные сечения с различными сдвигами по времени, значения которых зависят от местных скоростей потока по сечению трубопровода, что позволяет определять профиль скоростей потока и его расход непосредственно за один цикл измерений. In the event that a standing wave is formed in the liquid, the length of which is less than the internal diameter of the pipeline 1, several cavitation marks are created in its cross section along the line connecting the pulse emitters 2 and 3 at the same time, while the distance between adjacent marks is equal to half the length of the standing wave. During the movement of cavitation marks located initially on the same straight line with the stream, the line shape is distorted depending on the velocity profile existing in the stream. As a result of this, cavitation marks pass through control sections with different time shifts, the values of which depend on local flow rates along the pipeline section, which allows one to determine the flow velocity profile and its flow rate directly in one measurement cycle.

К достоинствам расходомера относятся высокая точность измерения расхода потоков с нарушенной осевой симметрией за счет учета влияния деформации поля скоростей на показания расходомера, а также возможность определения профиля скоростей потока за один или несколько циклов измерений. The advantages of the flowmeter include high accuracy in measuring flow rates with broken axial symmetry by taking into account the influence of deformation of the velocity field on the flowmeter readings, as well as the ability to determine the profile of flow rates in one or more measurement cycles.

Claims

Labeled liquid flow meter containing a pulsed ultrasonic emitter located on the pipeline connected to the output of the pulsed generator, two pairs of emitters and receivers of ultrasonic vibrations installed on the pipeline behind the pulsed ultrasonic emitter, a generator connected to two emitters of ultrasonic vibrations, two amplifiers connected to two receivers of ultrasonic vibrations, a control unit and a measuring and computing device, characterized in that it is equipped with a second m pulsed ultrasonic emitter located on the pipeline diametrically opposite to the first, and the pulsed generator has a second output with an adjustable phase shift of short-term electrical signals relative to the signals from the first output and a control input connected to the control unit, and the second output of the pulse generator is connected to the second pulsed ultrasonic emitter.