Частотные ультразвуковые расходомеры.

Частотными называются ультразвуковые расходо­меры, основанные на зависимости раности частот повторения коротких импульсов или пакетов ультразвуковых колебаний от разнсти времен прохождения этими колебаниями одного и того же расстояния L по потоку движущейся жидкости или газа и против него.

В зависимости от того, измеряются ли разности частот пакетов ультразвуковых колебаний или коротких импульсов, проходящих через жидкость или газ, расходомеры называются частотно-пакетными или частотно-импульсными. Принципиальная схема последнего с двумя акустическими каналами показана на рис. 3. Генератор Г создает колебания высокой частоты

(10 МГц), которые после прохода через модуляторы Ml и М2 по­ступают к пьезоэлементам И1 и И2.

Рис.3.Частотно-пакетный двухканальный расходомер: а – схема расходомера, б – колебания на тракте И1-П1, в – колебания на тракте И2-П2, г – работа модулятора М1, д – работа модулятора М2

Время Т₁ прохода акустических колебаний между пьезоэлементами И1 и П1 равно , a время Т2 прохода между пьезоэлементами И2 и П2 равно . Как только первые электрические колебания, создаваемые пьезоэлементами П1 и П2, пройдя через усили­тели У1 и У2 и детекторы Д1 и Д2, достигнут модуляторов Ml и М2, последние, работающие в триггерном режиме, запирают проход колебаний от генератора Г к пьезоэлементам И1 и И2. Модуляторы открываются вновь, когда последние колебания до­стигнут их. Поэтому между пьезоэлементами И1 и П1 будут про­ходить пакеты акустических колебаний с периодом следования 2Т₁, а между пьезоэлементами И2 и П2 — с периодом следования 2Т₂. Частота следования первых пакетов f₁=1/2T₁, а вторых f₂=1/2T₂. Прибор, подключенный к смесительному каскаду СМ, будет измерять разность частот

Рис.3. Частотный пакетный двухканальный расходомер: а – схема расходомера, б – колебания на тракте И1-П1, в – колебания на тракте И2-П2,

г – работа модулятора М1, д – работа модулятора М2

f₁ – f₂=1/2T₁–1/2T₂

Если учесть время прохождения акустических колебаний через мембраны пьезоэлементов толщиною l_м и звукопроводы толщи­ною l_з, а также время t3 прохождения сигнала через электриче­скую схему, то

T₁=L/(c+ υ cosα )+2l_м /с_м+2l_з/с_з+t_э, T₂=L/(c- υ cosα )+2l_м /с_м+2l_з/с_з+t_э

где с_м и c₃ – скорости звука в материалах мембраны и звукопровода соответственно. Очевидно, f₁ – f₂ = υ Lcosα (L+2l_мc /с_м+2l_зc/с_з+ t_эc)^-2

где L = D/sinα +2l; l – длина свободных угловых карманов. Если l=0; l_м=0, l_з=0 и t_э=0, то получим f₁ – f₂ = υ _D sinα /2D

Учитывая незначительность l, l_м, , и l_з по сравнению с L, а также очень малое значение t_э, можно говорить о практической независимости показаний расходомера от изменения с, с_м и с_э. Высокая рабочая частота необходима для получения крутых фронтов аку­стических колебаний, определяющих точность работы схемы.

В частотно-импульсных расходомерах генератор вырабатывает не непрерывные колебания, а короткие импульсы. Последние поступают к излучающим пьезоэлементам с интервалами, рав­ными времени прохождения ультразвука по и против скорости потока. У них частоты f₁ и f₂ в два раза больше, чем у частотно-пакетных расходомеров.

Незначительная разность f₁ – f₂ у частотных расходомеров – существенный недостаток, затрудняющий точное измерение f₁ – f₂. Поэтому предложено несколько способов увеличения f₁ – f₂, реализованных в частотных расходомерах, построенных в большинстве случаев по одноканальной схеме. К числу этих способов относится выделение из частот f₁ и f₂ n гармоники и из­мерение разностной частоты n (f₁ – f₂), а также умножение раз­ности f₁ – f₂ в k раз перед поступлением в измерительное уст­ройство. Способы умножения разностной частоты могут быть раз­личны.

На рис. 4 приведена схема, в которой измеряется разность частот двух управляемых генераторов, периоды которых с помощью автоматической подстройки частоты устанавливаются в k раз меньшими времени распространения ультразвуковых колебаний в направлении скорости потока и против нее. Преобра­зователь расхода одноканальный имеет пьезоэлементы 1 и 2, к которым поочередно поступают импульсы: к первому от гене­ратора 4 с периодом повторения Т1, а ко второму от генератора 8 с периодом повторения Т2. Время прохождения акустических импульсов в трубопроводе по потоку Т₁ и против него Т₂ в k раз больше периодов Т1 и Т2 соответственно. Поэтому в потоке одно­временно будет находиться K им­пульсов. При посылке акусти­ческих импульсов по потоку ком­мутатор 5 одновременно подклю­чает пьезоэлемент 1 к генерато­ру 4, а пьезоэлемент 2 к усилителю приемных сигналов 6. При об­ратной посылке ипульсов генера­тор 8 подключается к пьезоэлементу 2, а усилитель 6 к пьезоэлементу 1. С выхода усилите­ля 6 импульсы поступают на вход дискриминатора времени 10, на ко­торый одновременно через коммутатор 9 поступают импульсы от генератора 4 или 5, создающие опорное напряжение на дискриминаторе. Напряжение на выходе дискриминатора равно нулю, если импульсы от усилителя 6 поступают одновременно с импульсами от генераторов, что будет, если = kТ1 и = kТ2. В противном случае на выходе дискри­минатора возникнет напряжение, полярность которого зависит от того, опережают ли или отстают от опорных импульсы от уси­лителя 6. Это напряжение через коммутатор 11 подается через уси­лители к реверсивным двигателям 3 или 7, которые изменяют ча­стоту импульсов генераторов 4 и 8 до тех пор, пока напряжение на выходе дискриминатора станет равным нулю. Разность частот импульсов

F₁ — F₂, вырабатываемых генераторами 4 и 8, изме­ряется частотомером 12. Очевидно, F₁ — F₂ = k (f₁ – f₂), где f₁ = 1/ ; f₂ = 1/ ; F₁ = l/T1 = k/ ; F₂ = l/T2 = k/ . С уве­личением k возрастает измеряемая частота F₁ — F₂, но k должно удовлетворять неравенству k≤ c_min/2(с_maх — c_min). Последнее требует, чтобы значение k оставалось постоянным при возмож­ном изменении скорости ультразвука от минимального c_min до максимального с_maх его значения. При определении f₁ и f₂ необ­ходимо, чтобы и учитывали также и время прохождения акустических колебаний в мембране и звукопроводе, а также время задержки в электрической схеме. В моменты изменения рас­хода время возрастает за счет времени, необходимого для включения двигателей и изменения Т1и Т2 до требуемых значений. Расходомеры, аналогичные рассмотренному, иногда называют частотно-временными.

Погрешность измере­ния расхода не превышает ±1 %.

⇐ Предыдущая12345Следующая ⇒

Поделиться: