Материал: Расходомеры и счетчики количества веществ. Расходомеры обтекания, силовые, тепловые, оптические, ионизационные, ядерно-магнитные, концентрационные, меточные, корреляционные, вихре

порциональна этому сдвигу. На вы­ ходе после выпрямления имеем нап­ ряжение постоянного тока, пропорци­ ональное расходу. Частота колебаний 4,2 МГц, частота переключения пье­ зоэлементов 4,35 кГц. Угол наклона пьезоэлементов 30°. Диаметр тру­ бы 100 мм.

Ввиду сложности большинства схем переключения пьезоэлементов с излу­ чения на прием созданы фазовые од­ ноканальные расходомеры, не требу­ ющие переключения [56]. В таких расходомерах оба пьезоэлемента не­ прерывно излучают ультразвуковые колебания двух разных, но весь­

имеют двухканальные фазовые расходомеры. На рис. 197 показа­ на схема прибора типа УЗР-1, предназначенного для измерения расхода жидкостей в трубах, имеющих D, равный 100 и 200 мм, и рассчитанного на Qmax, равный 30; 50; 100; 200 и 300 м3/ч [7]. Частота 1 МГц, максимальная разность фаз (2-2,1) рад. По­ грешность расходомера ±2,5 % . Генератор Г с помощью согласу­ ющих трансформаторов связан с пьезоэлементами И 1 и И2. Уль­ тразвуковые колебания, излучаемые последними, проходят через жидкостные волноводы 19 мембраны 3, герметично вмонтирован­ ные в стенки трубопровода 4, проходят через измеряемую жид­ кость 2 и затем через мембраны 5 и жидкостные волноводы 6 поступают на приемные пьезоэлементы П1 и П 2. Последние на выходе соединены с фазометрической схемой в составе фазорегу­ лятора ФВ; двух одинаковых усилителей У1 и У2, управляе­ мых узлами автоматической регулировки АРУ1 и АРУ2; фа­ зового детектора ФД и измерительного прибора (потенциомет­ ра) РП. Фазорегулятор ФВ предназначен для регулировки начальной точки фазового детектора и корректировки нуля. При­ веденная погрешность расходомера ±2,5 % . Во ВНИКИцветметавтоматика помимо УЗР-1 были разработаны двухканальные фа­ зовые расходомеры РУЗ-282, РУЗ-282М и РУЗ-714. Первые два предназначены для измерения расхода четыреххлористого тита­ на при температуре 100 °С и давлении 0,3 МПа, а третий — для алюминатных растворов тоже при температуре 100 °С и дав­ лении 0,6 МПа.

Фазовые расходомеры были раньше самыми распространен­ ными среди ультразвуковых, но в настоящее время преимуще­ ственное применение имеют другие расходомеры, с помощью ко­ торых можно получить более высокую точность измерения.

351

16.7. ЧАСТОТНЫЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ

Частотными называются ультразвуковые расходомеры, осноранные на зависимости разности частот повторения коротких импульсов или пакетов ультразвуковых колебаний от разности времен Ат прохождения этими колебаниями одного и того же рас­ стояния L по потоку движущейся жидкости или газа и против него.

В зависимости от того, измеряются ли разности частот паке­ тов ультразвуковых колебаний или коротких импульсов, прохо­ дящих через жидкость или газ, расходомеры называются частот­ но-пакетными или частотно-импульсными. Принципиальная схема последнего [50] с двумя акустическими каналами показана на рис. 198. Генератор Г создает колебания высокой частоты (10 МГц), которые после прохода через модуляторы M l и М2 поступают к пьезоэлементам И1 и И2. Время прохода акустических ко­ лебаний между пьезоэлементами И1 и П1 равно L/(c + v cos а), а время Т2 прохода между пьезоэлементами И2 и П2 равно L/(c - - v cos а). Как только первые электрические колебания, создава­ емые пьезоэлементами П1 и П2, пройдя через усилители У1 и У2 и детекторы Д1 и Д2, достигнут модуляторов M l и М2, после­ дние, работающие в триггерном режиме, запирают проход коле­ баний от генератора Г к пьезоэлементам И1 и И2. Модуляторы открываются вновь, когда последние колебания достигнут их. Поэтому между пьезоэлементами И1 и П1 будут проходить паке­ ты акустических колебаний с периодом следования 27\, а между пьезоэлементами И2 и П2 — с периодом следования Частота следования первых пакетов / j = 1/2Тг, а вторых f2 = 1/ 2 Т2. При­ бор, подключенный'к смесительному каскаду Cm, будет изме­ рять разность частот

б) —

в) — ---vww----WV^—

Рис. 198. Частотно-пакетный двухка­ нальный расходомер: а — схема рас­ ходомера; б — колебания на тракте И 1—П1; в — колебания на тракте И2—П2; г — работа модулятора M l ;

д — работа модулятора М2

352

fx - f 2 = \l2Tx -\ l2 T 2.

Если учесть время прохождения акустических колебаний че­ рез мембраны пьезоэлементов толщиной 1Ми звукопроводы тол­ щиной 13, а также время t3 прохождения сигнала через электри­ ческую схему, то

Тх = L/(c + v cos а) + 2 lJ cM+ 2у ca + *э;

т2=L/(c - V cos а) + 2 lJ cM+ 2 ljc a + t9,

где см и c3 — скорости звука в материалах мембраны и звукопровода соответственно.

Очевидно,

h ~ h = VL c°s ct (L + 2/Mc/cM+ 2J3c/c3 + t3c)-2,

где L = D/sin a + 21; l — длина свободных угловых карманов. Если I = О, 1М= 0, 1а = 0 и *э = 0, то получим

f \ ~ f2 = VD sin a/ 2^-

Учитывая незначительность l, и £3 по сравнению с L, а так­ же очень малое значение *э, можно говорить о практической не­ зависимости показаний расходомера от изменения с, см и с3. Вы­ сокая рабочая частота необходима для получения крутых фронтов акустических колебаний, определяющих точность работы схемы.

В одном из первых частотно-пакетных расходомеров [50], пред­ назначенных для трубы диаметром 100 мм, была принята часто­ та, равная 10 МГц, при этом порядок частот f1 и / 2 равен 5000 Гц, а их разность при Qmax составляет 50 Гц. Относительная погреш­ ность ±2 % от предела шкалы.

В частотно-импульсных расходомерах генератор вырабатыва­ ет не непрерывные колебания, а короткие импульсы. Последние поступают к излучающим пьезоэлементам с интервалами, равны­ ми времени прохождения ультразвука по и против скорости по­

существенный недостаток, затрудняющий точное измерение f1 - - / 2. Поэтому предложено несколько способов увеличения f1 - / 2, реализованных в частотных расходомерах, построенных в боль­ шинстве случаев по одноканальной схеме. К числу этих способов относится выделение из частот и / 2 п гармоники и измерение разностной частоты п (/1 - / 2), а также умножение разности (f1 - - f o ) в & раз перед поступлением в измерительное устройство. Спо­ собы умножения разностной частоты могут быть различны. На рис. 199 приведена схема, в которой измеряется разность частот двух управляемых генераторов, периоды которых с помощью ав­ томатической подстройки частоты устанавливаются в к раз мень-

353

но. Поэтому в потоке одновре­ менно будет находиться К импульсов. При посылке акустичес­ ких импульсов по потоку коммутатор 5 одновременно подключа­ ет пьезоэлемент 1 к генератору 4> а пьезоэлемент 2 к усилителю приемных сигналов б. При обратной посылке импульсов генера­ тор 8 подключается к пьезоэлементу 2, а усилитель 6 к пьезоэле­ менту 1. С выхода усилителя 6 импульсы поступают на вход дис­ криминатора времени 10, на который одновременно через комму­ татор 9 поступают импульсы от генератора 4 или 8, создающие опорное напряжение на дискриминаторе. Напряжение на выходе дискриминатора равно нулю, если импульсы от усилителя 6 по­ ступают одновременно с импульсами от генераторов, что будет, если Tj = kTj и т2 = kT2. В противном случае на выходе дискрими­ натора возникнет напряжение, полярность которого зависит от того, опережают ли или отстают от опорных импульсы от усили­ теля б. Это напряжение через коммутатор 11 подается через уси­ лители к реверсивным двигателям 3 или 7, которые изменяют частоту импульсов генераторов 4 и 8 до тех пор, пока напряже­ ние на выходе дискриминатора станет равным нулю. Разность частот импульсов F1 - F2, вырабатываемых генераторами 4 и б, измеряется частотомером 12. Очевидно, F1— JF2 - k (fx - /2), где f1= = 1/т1; f2= 1/т2; Fx= 1/Т 1 = k/xx\F2= 1/Т2= k/x2- С увеличением k возрастает измеряемая частота F^—JP2, но k должно удовлетво­ рять неравенству k < cmin/2(cmax - с ^ ) . Последнее требует, чтобы значение k оставалось постоянным при возможном изменении ско­ рости ультразвука от минимального с ■ до максимального стах его значения. При определении f1 и f2 необходимо, чтобы и т2 учиты­ вали также и время прохождения акустических колебаний в мемб­ ране 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 Тг и Т2 до требуемых значений. Расходомеры, аналогичные рассмот­ ренному, иногда называют частотно-временными.

354

Другой путь умножения разностной частоты f1 - f2 состоит в из­ мерении разности частот F^ —F2 двух генераторов высокой часто­ ты, из которых у одного период Т1 колебаний пропорционален времени т1 прохода акустических колебаний по направлению по­ тока, а у другого Т2 — пропорционален времени т2 прохода аку­ стических колебаний против потока [48]. После прохода через делительное устройство через каждые б мс посылаются два им­ пульса, разделенные временем т* или т2. Первый импульс прохо­ дит по потоку (или против него) и после усиления поступает на схему сравнения, куда подается также второй импульс без прохо­ да, через акустический тракт. Если эти два импульса поступают не одновременно, то включается устройство, регулирующее час­ тоту одного F1 или другого F2 генератора, пока на схему сравне­ ния не будут приходить оба импульса одновременно. А это будет тогда, когда период этих импульсов будет равен или т2. Анало­ гичные схемы приведены также в работе [69]. Погрешность изме­ рения расхода не превышает ±1 % .

Вработе [34] описан одноканальный частотно-импульсный расходомер, особенность которого состоит во включении в схему электрической задержки всех принятых, а также отраженных сигналов на время tQ. Это сдвигает моменты прихода рабочих импульсов по отношению к времени прихода паразитных отра­ женных импульсов и устраняет погрешность от асимметрии фрон­ тов наложения отраженных сигналов на рабочие. Для увеличе­ ния срока службы расходомера в нем имеется второй запасной акустический канал.

Врассмотренных одноканальных частотно-импульсных расхо­ домерах имеется поочередная коммутация импульсов, направлен­

ных по потоку и против него. Это требует точного измерения и за­ поминания частот автоциркуляции импульсов по потоку /1 и про­ тив него f2 с последующим измерением разности f i ~ f 2- Кроме того, неодновременное зондирование по потоку и против него может дать погрешность из-за изменения гидродинамических свойств потока. Этих недостатков лишены одноканальные расхо­ домеры УЗРФ2-150, УРФЗ-70 и УРФЗ-6, в которых одновремен­ но автоциркулируют ультразвуковые сигналы по потоку и про­ тив него, которые совершенно безынерционны [29].

Расходомер УЗРФ2-150 основан на предложенном В. И. Филато­ вым методе измерения [29], а расходомеры УРФЗ-70 и УРФЗ-6 — на другом предложенном В. И. Филатовым методе [31].

При этом исключаются большие погрешности, присущие спо­ собам запоминания частот автоциркуляций ультразвуковых сиг­ налов по потоку и против него с последующим выделением сиг­ нала разности частот автоциркуляций, выделения сигнала разно­ стной частоты, основанном на подстройке частот генераторов, на реверсивном счете импульсов и др. Кроме того, в расходомерах предусмотрено автоматическое возобновление их действия при нарушении работы схемы вследствие возникновения акустичес­

355