reforef.ru 1
Частотные ультразвуковые расходомеры

Частотными называются ультразвуковые расходо­меры, основанные на зависимости разности частот повторения коротких импульсов или пакетов ультразвуковых колебаний от разности времен ∆τ 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. 268. Генератор Г создает колебания высокой частоты (10 МГц), которые после прохода через модуляторы M1 и М2 по­ступают к пьезоэлементам И1 и И2. Время Т1 прохода акустиче­ских колебаний между пьезоэлементами И1 и П1 равно L/(c+v cos a), a время Т2 прохода между пьезоэлементами И2 и П2 равно L/(c — v cos а). Как только первые электрические колебания, создаваемые пьезоэлемеитами П1 и П2, пройдя через усили­тели У1 и У2 и детекторы Д1 и Д2, достигнут модуляторов M1 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 пьезоэлементамн И2 и П2 — с периодом следования 2Т2. Прибор, подключенный к смесительному каскаду СМ, будет измерять разность частот f1 - f2=1/2T1 – 1/2T2:

Учитывая незначительность /, /м и /3 по сравнению с L, а также очень малое значение t3, можно говорить о практической незави симости показаний расходомера от изменения с, см и с3. Высокая рабочая частота необходима для получения крутых фронтов аку-стических колебаний, определяющих точность работы схемы.

В одном из первых частотно-пакетных расходомеров, предназначенных для труб диаметром 100 мм, была принята частота, равная 10 МГц, при этом порядок частот f1 и f2 равен 5000 Гц, а их разность при Qmax составляет 50 Гц. Относительная погрешность ±2 % от предела шкалы.

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 и f2 у частотных расходомеров — существенный недостаток, затрудняющий точное измерение f1 и f2. Поэтому предложено несколько способов увеличения f1 и f2, реализованных в частотных расходомерах, построенных в большинстве случаев по одноканальной схеме. К числу этих способов относится выделение из частот f1 и f2 п гармоники и измерение разностной частоты п (f1 - f2), а также умножение разности (f1 - f2) в к раз перед поступлением в измерительное уст­ройство. Способы умножения разностной частоты могут быть раз­личны На рис. 269 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 Т22 соответственно. Поэтому в потоке одновременно будет находиться К импульсов. При посылке акустических импульсов по потоку коммутатор 5 одновременно подклю­чает пьезоэлемент 1 к генерато­ру V, а пьезоэлемент 2 к усилителю приемных сигналов 6. При обратной посылке импульсов 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 8, 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 t1 = kT1 и t2 = кТ2. В противном случае на выходе дискри­минатора возникнет напряжение, полярность которого зависит от того, опережают ли или отстают от опорных импульсы от уси­лителя 6. Эго 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). С уве­личением k возрастает измеряемая частота F1 F2, нo k должно удовлетворять неравенству k < cmln/2 (cmax cmin). Последнее требует, чтобы значение k оставалось постоянным при возмож­ном изменении скорости ультразвука от минимального до максимального его значения. При определении f1 и f2 необ­ходимо, чтобы т1 и т2 учитывали также и время прохождения акустических колебаний в мембране и звукопроводе, а также время тэ задержки в электрической схеме. В моменты изменения рас­хода время тэ возрастает за счет времени, необходимого для включения двигателей и изменения Т1 и Т2 до требуемых значений. Расходомеры, аналогичные рассмотренному, иногда называют частотно-временными.


Другой путь умножения разностной частоты f1 - f2 состоит в измерении разности частот F1 F2 двух генераторов высокой частоты, из которых у одного период Т1 колебаний пропорциона­лен времени т1 прохода акустических колебаний по направлению потока, а у другого Т2 — пропорционален времени т2 прохода акустических колебаний против потока. После прохода через делительное устройство через каждые 6 мс посылаются два им­пульса, разделенные временем т1 или т2. Первый импульс проходит по потоку (или против него) и после усиления поступает на схему сравнения, куда подается также второй импульс без прохода, через акустический тракт. Если эти два импульса поступают не одновременно, то включается устройство, регулирующее частоту одного F1 или другого F2 генератора, пока на схему сравнения не будут приходить оба импульса одновременно. А это будет тогда, когда период этих импульсов будет равен т1 или т2.

В рассмотренных одноканальных частотно-импульсных рас­ходомерах имеется поочередная коммутация импульсов, направ­ляемых по потоку и против него. Эго требует точного измерения и запоминания частот автоциркуляции импульсов по потоку f1 и против него f2 с последующим измерением разности f1 - f2. Кроме того, неодновременное зондирование по потоку и против него может дать погрешность из-за изменения гидродинамических свойств потока. Этих недостатков лишен одноканальный расходо­мер УЗРФ2-150, в котором одновременно циркулируют импульсы по потоку и против него. Для исключения момента совпадения излучения и приема ультразвуковых импульсов пьезоэлементом производится поочередно относительный сдвиг — задержка — во времени каждой последовательности импульсов. Частота этих задержек пропорциональна скорости потока. При этом исклю­чаются погрешности, присущие способам выделения сигнала раз­ностной частоты, основанным на подстройке частот генераторов, не реверсивном счете импульсов и др. Кроме того, в расходомере предусмотрено автоматическое возобновление его действия при нарушении работы схемы вследствие возникновения акустической непрозрачности вещества в трубе (появление газовой фазы, пол­ный или частичный уход жидкости). Приведенная погрешность расходомера не превышает ±0,5%. Расходомер УЗРФ2-150 показал свою хорошую работоспособность в длительной заводской эксплуатации.


Высокая точность измерения достигнута также в одноканальном частотно-пакетном расходомере, где автоматическая подстройка частоты управляемых генераторов осуществляется не в одной, а в двух ступенях элемента сравнения опорного сиг­нала с сигналами, поступающими от пьезоэлектрических преоб­разователей. Первая ступень — временной дискриминатор — про­изводит грубую, а вторая — фазовый детектор — более точную подстройку частоты. Приведенная погрешность расходомера ±0,2 %; Qmax - 40 м3/ч; ∆Fmax= 2875 Гц.

Источник: Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества: Справочник. - 4-е изд., перераб. и доп. - Л.: Машиностроение, 1989, с. 455-459.