RU2640122C1 - Вихреакустический преобразователь расхода - Google Patents
Вихреакустический преобразователь расхода Download PDFInfo
- Publication number
- RU2640122C1 RU2640122C1 RU2016142407A RU2016142407A RU2640122C1 RU 2640122 C1 RU2640122 C1 RU 2640122C1 RU 2016142407 A RU2016142407 A RU 2016142407A RU 2016142407 A RU2016142407 A RU 2016142407A RU 2640122 C1 RU2640122 C1 RU 2640122C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- flow
- piezoelectric
- windings
- transducer
- filter
- Prior art date
Links
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims abstract description 22
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 6
- 238000013461 design Methods 0.000 claims abstract description 5
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 claims description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 13
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 abstract description 6
- 238000002955 isolation Methods 0.000 abstract description 5
- 238000012937 correction Methods 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 239000013256 coordination polymer Substances 0.000 description 2
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 2
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
- G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
- G01F1/05—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects
- G01F1/20—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects by detection of dynamic effects of the flow
- G01F1/32—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects by detection of dynamic effects of the flow using swirl flowmeters
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measuring Volume Flow (AREA)
Abstract
Использование: для измерения расхода жидкостей и газов. Сущность изобретения заключается в том, что вихреакустический преобразователь расхода содержит корпус с проточной частью 1, тело обтекания 2, пьезоизлучатель 3 и пьезоприемник 4 с первым и вторым дисковыми пьезоэлементами 5 и 6 соответственно, установленные на одной оси диаметрально противоположно за телом обтекания 2 так, что их излучающие поверхности параллельны между собой, генератор 7, первый 8 и второй 9 развязывающие трансформаторы с первой, второй и третьей обмотками каждый, усилитель 10, фильтр 11, фазовый детектор 12, микропроцессорный блок 13. Преобразователь расхода имеет два независимо работающих канала преобразования - канал преобразования расхода и канал преобразования температуры. Канал преобразования расхода включает пьезоизлучатель и пьезоприемник, генератор сигнала ультразвуковой частоты, первые и вторые обмотки развязывающих трансформаторов, фазовый детектор. Канал преобразования температуры включает пьезоизлучатель и пьезоприемник, третьи обмотки развязывающих трансформаторов, усилитель, фильтр. Независимость каналов обеспечивается работой на разных частотах: канала измерения расхода - на основной частоте толщинной моды, а канала измерения температуры - на основной частоте радиальной моды собственных колебаний пьезоэлемента. По измеренной температуре контролируемой среды вычисляется вязкость и плотность среды, массовый расход, вносятся поправки на изменение вязкости. Технический результат: повышение точности измерений, упрощение конструкции. 1 ил.
Description
Изобретение относится к измерительной технике, а конкретно - к вихревым расходомерам, предназначенным для измерения расхода жидкостей и газов, и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства для целей контроля, регулирования или учета потоков веществ.
Известны вихревые преобразователи расхода, принцип действия которых основан на детектировании и измерении частоты следования вихрей, образующихся за помещенным в поток текучей среды плохообтекаемым телом (Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества: Справочник. - Л.: Машиностроение. 1989, с. 361-375.1). Одним из главных преимуществ вихревых преобразователей расхода являются низкие эксплуатационные расходы.
Известен вихреакустический преобразователь расхода, в котором для детектирования вихрей используется ультразвуковое зондирование вихревой дорожки (Преобразователи расхода вихреакустические Метран-300 ПР. Руководство по эксплуатации СПГК.407131.026 РЭ, версия 46, с. 22, 23). Он содержит корпус с проточной частью, расположенное поперек потока тело обтекания, пьезоизлучатель и пьезоприемник (в которых в качестве ультразвуковых преобразователей используются дисковые пьезоэлементы), установленные на одной оси диаметрально противоположно за телом обтекания так, что их излучающие поверхности параллельны между собой, генератор, фазовый детектор и микропроцессорный адаптивный фильтр с блоком формирования выходных сигналов (микропроцессорный блок). Для устранения зависимости показаний от вязкости контролируемой среды, которая приводит к появлению дополнительной погрешности при работе в широком диапазоне расходов и температур контролируемой среды, осуществляется измерение температуры среды и вводится поправка на изменение вязкости. Измерение температуры осуществляется с помощью термодатчика, размещенного в корпусе преобразователя расхода. Преобразователь расхода имеет широкий диапазон измерений, нечувствителен к вибрациям и механическим ударам.
Недостатком описанного вихреакустического преобразователя расхода является появление дополнительной погрешности при большой разности температур контролируемой и окружающей сред из-за большой погрешности измерения температуры - за счет паразитного теплопритока от нагретого (охлажденного) корпуса к термодатчику. Кроме того, установка термодатчика сопряжена с усложнением конструкции преобразователя расхода, а также необходимостью проведения периодической поверки термодатчика, что увеличивает расходы на эксплуатацию.
Ожидаемый технический эффект изобретения - повышение точности измерений температуры, упрощение конструкции и снижение расходов на эксплуатацию.
Указанный эффект достигается тем, что в вихреакустический преобразователь расхода, содержащий корпус с проточной частью, расположенное поперек потока тело обтекания, пьезоизлучатель и пьезоприемник с первым и вторым дисковыми пьезоэлементами, соответственно, установленные на одной оси диаметрально противоположно за телом обтекания так, что их излучающие поверхности параллельны между собой, генератор, фазовый детектор и микропроцессорный блок, введены первый и второй развязывающие трансформаторы с первой, второй и третьей обмотками каждый, усилитель и фильтр, причем первый и второй пьезоэлементы подключены к первым обмоткам первого и второго трансформаторов, генератор подключен ко второй обмотке первого трансформатора и первому входу фазового детектора, вторая обмотка второго трансформатора подключена ко второму входу фазового детектора, вход усилителя подключен через полосовой фильтр к третьей обмотке первого трансформатора, а выход - к третьей обмотке второго трансформатора и к входу микропроцессорного блока, при этом частота сигнала генератора равна основной частоте толщинной моды, а средняя частота фильтра - основной частоте радиальной моды собственных колебаний пьезоэлементов.
Сущность изобретения поясняется рисунком фиг. 1, на котором представлена функциональная схема предлагаемого вихреакустического преобразователя расхода.
Вихреакустический преобразователь расхода содержит (фиг. 1) корпус с проточной частью 1, тело обтекания 2, пьезоизлучатель 3 и пьезоприемник 4 с установленными в них первым и вторым дисковыми пьезоэлементами 5 и 6, соответственно, генератор 7, первый 8 и второй 9 развязывающие трансформаторы с первой, второй и третьей обмотками каждый, усилитель 10, фильтр 11, фазовый детектор 12, микропроцессорный блок 13. Пьезоизлучатель 3 и пьезоприемник 4 расположены непосредственно за телом обтекания 2 на противоположных стенках трубопровода 1 так, что их совместная ось перпендикулярна оси трубопровода 1 и оси тела обтекания 2, а излучающие поверхности параллельны между собой.
Преобразователь расхода имеет два независимо работающих канала преобразования - канал преобразования расхода и канал преобразования температуры. Канал преобразования расхода включает следующие элементы: первый и второй пьезоэлементы 5 и 6, генератор 7, первый 8 и второй 9 развязывающие трансформаторы с первой и второй обмотками каждый, фазовый детектор 12. Канал преобразования скорости звука включает следующие элементы: пьезоэлементы 5 и 6, первый 8 и второй 9 развязывающие трансформаторы с третьей обмоткой каждый, усилитель 10, фильтр 11.
Канал преобразования расхода работает следующим образом. Электрический сигнал возбуждения поступает с генератора 7 через первую и вторую обмотки развязывающего трансформатора 8 на первый пьезоэлемент 5 пьезоизлучателя 3. Частота генератора 7 равна основной частоте толщинной моды колебаний пьезоэлемента 5, которая определяется его толщиной h. Пьезоэлемент 5 преобразует сигнал генератора в ультразвуковые колебания, распространяющиеся от пьезоизлучателя 3 к пьезоприемнику 4. Поступающие на пьезоприемник 4 ультразвуковые колебания преобразуются в электрический сигнал: работа на резонансной частоте обеспечивает максимальную величину этого сигнала. Сигнал приема (фаза которого сдвинута по отношению к фазе сигнала, поступающего с генератора 7 на пьезоизлучатель 3) с выхода второго пьезоэлемента 6 через первую и вторую обмотки развязывающего трансформатора 9, а сигнал генератора 7 - непосредственно - поступают на входы фазового детектора 12. Фазовый детектор 12 осуществляет преобразование переменной составляющей сдвига фаз в синусоидальный электрический сигнал, который поступает на вход микропроцессорного блока 13. Микропроцессорный блок 13 измеряет частоту этого сигнала и по нему вычисляет объемный расход (пропорциональный частоте).
Канал преобразования температуры работает следующим образом. При наличии в пространстве между пьезоизлучателем 3 и пьезоприемником 4 контролируемой среды образуется замкнутый контур, в котором возникают автоколебания. Контур состоит из следующих последовательно соединенных элементов: трансформатор 8 с первой и третьей обмотками, первый пьезоэлемент 5, контролируемая среда, второй пьезоэлемент 6, трансформатор 9 с первой и третьей обмотками, усилитель 10, фильтр 11. Указанный контур возбуждается при условии, если в контролируемой среде, заполняющей пространство между пьезоизлучателем 3 и пьезоприемником 4, имеет место режим бегущей волны, которому соответствует условие (Серавин Г.Н. Измерение скорости звука в океане. Л.: Гидрометеоиздат. 1979, с. 20, 21.3):
где FN - частота автоколебаний, L - расстояние между излучающими поверхностями пьезоизлучателя 3 и пьезоприемника 4 (равное, приблизительно, диаметру проточной части), N - целое число полуволн, укладывающихся на длине L, C - скорость звука в контролируемой среде.
Величина частоты FN (и, соответственно, число N) задается с помощью фильтра 11, средняя частота которого, соответствующая максимуму амплитудно-частотной характеристики, должна равняться частоте FN при среднем значении скорости звука СCP в рабочем диапазоне температур контролируемой среды:
В свою очередь, средняя частота FCP фильтра 11 устанавливается равной основной частоте радиальной моды колебаний пьезоэлемента. Работа на резонансной частоте обеспечивает максимальную величину сигнала, циркулирующего в контуре, т.е. оптимальный режим работы. Настройка контура на частоту радиального резонанса осуществляется путем соответствующего выбора параметров фильтра 11. Выход усилителя 10 подключен к микропроцессорному блоку 13.
Независимое функционирование каналов измерения расхода и температуры обеспечивается полной гальванической развязкой, а также тем, что рабочие частоты каналов сильно различаются между собой. Рабочая частота канала измерения сдвига фаз, соответствующая резонансу пьезоэлемента по толщине, составляет величину порядка 1 МГц, в то время как частота радиального резонанса существенно ниже (поскольку диаметр дискового пьезоэлемента обычно в 8-10 раз больше толщины) и составляет 100-150 кГц.
Микропроцессорный блок 13 измеряет частоту выходного сигнала фазового детектора 12, измеряет частоту выходного сигнала усилителя 10 (частоту автоколебаний в контуре канала преобразования скорости звука), вычисляет скорость звука C по формуле, вытекающей из (4):
и вычисляет температуру t° в соответствии с формулой:
Микропроцессорный блок 13 по температуре вычисляет вязкость и плотность контролируемой среды, по объемному расходу и плотности рассчитывает величину массового расхода, вводит поправку на изменение вязкости и т.д.
Из вышеизложенного следует, что по сравнению с устройством-прототипом заявляемое устройство обеспечивает:
1) повышение точности измерений температуры, поскольку скорость звука определяется только температурой среды, находящейся между пьезопреобразователями, и не зависит от температуры окружающего воздуха;
2) упрощение конструкции преобразователя расхода из-за отсутствия термодатчика - благодаря тому, что пьезоизлучатель и пьезоприемник используются и для детектирования вихрей и для измерения температуры контролируемой среды;
3) снижение затрат на приобретение и эксплуатацию преобразователя расхода, поскольку отпадает необходимость в отдельном термодатчике и, соответственно, в его поверке.
Проведенные в АО «НПО ИТ» на расходомерном стенде УПСЖМ300, оборудованном системой нагрева воды, испытания вихреакустического преобразователя расхода с диаметром условного прохода 40 мм показали, что применение предлагаемого технического решения обеспечивает измерение расхода в диапазоне расходов от 1,5 до 40 м3/ч в диапазоне температур от 15 до 60°C с погрешностью не более ±0,2%.
Claims (1)
- Вихреакустический преобразователь расхода, содержащий корпус с проточной частью, расположенное поперек потока тело обтекания, пьезоизлучатель и пьезоприемник с первым и вторым дисковыми пьезоэлементами, соответственно, установленные на одной оси диаметрально противоположно за телом обтекания так, что их излучающие поверхности параллельны между собой, генератор, фазовый детектор и микропроцессорный блок, отличающийся тем, что с целью повышения точности измерений и упрощения конструкции в него введены первый и второй развязывающие трансформаторы с первой, второй и третьей обмотками каждый, усилитель и фильтр, причем первый и второй пьезоэлементы подключены к первым обмоткам первого и второго трансформаторов, генератор подключен ко второй обмотке первого трансформатора и первому входу фазового детектора, вторая обмотка второго трансформатора подключена ко второму входу фазового детектора, вход усилителя подключен через полосовой фильтр к третьей обмотке первого трансформатора, а выход - к третьей обмотке второго трансформатора и к входу микропроцессорного блока, при этом частота сигнала генератора равна основной частоте толщинной моды, а средняя частота фильтра - основной частоте радиальной моды собственных колебаний пьезоэлементов.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016142407A RU2640122C1 (ru) | 2016-10-27 | 2016-10-27 | Вихреакустический преобразователь расхода |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016142407A RU2640122C1 (ru) | 2016-10-27 | 2016-10-27 | Вихреакустический преобразователь расхода |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2640122C1 true RU2640122C1 (ru) | 2017-12-26 |
Family
ID=63857244
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016142407A RU2640122C1 (ru) | 2016-10-27 | 2016-10-27 | Вихреакустический преобразователь расхода |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2640122C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU184555U1 (ru) * | 2018-08-22 | 2018-10-30 | Акционерное общество "Промышленная группа "Метран" (АО "ПГ "Метран") | Конструкция корпуса проточной части вихреакустического расходомера |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4924710A (en) * | 1988-05-20 | 1990-05-15 | Tokico Ltd. | Vortex flowmeter |
RU2121136C1 (ru) * | 1998-02-27 | 1998-10-27 | Владимир Николаевич Аксенов | Вихревой расходомер |
JP2000180227A (ja) * | 1998-12-18 | 2000-06-30 | Osaka Gas Co Ltd | 超音波渦流量計 |
RU2515129C1 (ru) * | 2012-09-28 | 2014-05-10 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение измерительной техники" | Вихревой расходомер |
RU147049U1 (ru) * | 2014-08-22 | 2014-10-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Завод "Прибор" | Вихреакустический преобразователь расхода |
-
2016
- 2016-10-27 RU RU2016142407A patent/RU2640122C1/ru active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4924710A (en) * | 1988-05-20 | 1990-05-15 | Tokico Ltd. | Vortex flowmeter |
RU2121136C1 (ru) * | 1998-02-27 | 1998-10-27 | Владимир Николаевич Аксенов | Вихревой расходомер |
JP2000180227A (ja) * | 1998-12-18 | 2000-06-30 | Osaka Gas Co Ltd | 超音波渦流量計 |
RU2515129C1 (ru) * | 2012-09-28 | 2014-05-10 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение измерительной техники" | Вихревой расходомер |
RU147049U1 (ru) * | 2014-08-22 | 2014-10-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Завод "Прибор" | Вихреакустический преобразователь расхода |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Преобразователи расхода вихреакустические Метран-300 ПР. Руководство по эксплуатации СПГК.407131.026 РЭ, версия 46, с. 22, 23. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU184555U1 (ru) * | 2018-08-22 | 2018-10-30 | Акционерное общество "Промышленная группа "Метран" (АО "ПГ "Метран") | Конструкция корпуса проточной части вихреакустического расходомера |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US4420983A (en) | Mass flow measurement device | |
US5131279A (en) | Sensing element for an ultrasonic volumetric flowmeter | |
RU2569048C2 (ru) | Вибрационный измеритель и соответствующий способ для определения резонансной частоты | |
US5214966A (en) | Method and apparatus for measuring mass flow | |
US3719073A (en) | Mass flow meter | |
CN107923880B (zh) | 基于超声测量的浊度传感器 | |
EP1899687B1 (en) | Multi-phase flow measurement system having a fluid separator | |
CA2669292C (en) | Apparatus and method for measuring a fluid flow parameter within an internal passage of an elongated body | |
JP3028723B2 (ja) | 超音波式流体振動流量計 | |
RU2012125049A (ru) | Способ мониторинга узла из труб и измерительная система с узлом из труб | |
US10281316B2 (en) | Flow measuring device, as well as use of such device and method for ascertaining flow velocity | |
JPH04218779A (ja) | 流体の流速監視方法及び装置 | |
JPS5840686B2 (ja) | 流量計と関連して作動する伝送装置 | |
SK44796A3 (en) | Ultrasonic flowmeter | |
RU2640122C1 (ru) | Вихреакустический преобразователь расхода | |
CN108139245B (zh) | 超声波流量计 | |
RU2515129C1 (ru) | Вихревой расходомер | |
RU2457443C1 (ru) | Массовый расходомер кориолисова типа | |
JP2653391B2 (ja) | 流量測定装置用超音波送受変換素子 | |
RU2665758C2 (ru) | Устройство измерения массового расхода, молекулярной массы и влажности газа | |
SU838552A1 (ru) | Устройство дл определени концентрацииНЕРАСТВОРЕННОгО гАзА B жидКОСТи | |
JP2011038870A (ja) | 超音波流量計およびこれを用いた流速測定方法 | |
CA3190048A1 (en) | Speed of sound and convective velocity augmented coriolis meters with drive gain limit logic | |
RU2584277C1 (ru) | Массовый расходомер кориолисова типа | |
US9404824B2 (en) | Pressure measuring device |