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

кой непрозрачности вещества в трубе (появление газовой фазы, полный или частичный уход жидкости), расходомеры индициру­ ют направление течения потока и измеряют расход в обоих на­ правлениях течения потокаРасходомер УЗРФ2-150 показал свою хорошую работоспособность в длительной заводской эксплуата­ ции [30], приведенная погрешность расходомера не превышает ±0,5% . Расходомер УРФЗ-70 разработан для динамических из­ мерений расхода топлива в авиационных двигателях, а УРФЗ-6 — для измерения горючего в грузовых автомобилях. Результаты испытаний показали, что измерения расходомером УРФЗ-70 не изменялись при резком повороте потока под углом 90° на рассто­ янии одного диаметра условного прохода перед преобразователем в плоскости оси преобразователя и оси узлов пьезоэлементов, т. е. совершенно не требуются длины прямолинейных участков труб. Переходная область течения в преобразователе УРФЗ-70 находи­ лась в начальном участке градуировочной характеристики расхо­ домера. Резкого перегиба или излома характеристики в началь­ ном участке не было, начальный участок градуировочной харак­ теристики был таким же, как и у расходомера УРФЗ-67. Прибор УРФЗ-70 имеет очень высокую сходимость измерений. В разных точках диапазона измерений при установившемся потоке повто­ рялись все четыре цифры результатов двух или трех последова­ тельно проводимых измерений.

В работе [018] приведена схема одноканального частотно-им­ пульсного расходомера с одновременной циркуляцией импульсов в обоих направлениях. В приборе измеряется разность частот двух генераторов AF, которая с помощью двух делителей частоты и сис­ темы автоподстройки частоты становится в 100 раз больше раз­ ности частот А/ акустических импульсов, циркулирующих в по­ токе. Такой метод измерения назван автором кратно-частотным [27]. На основе этой схемы, обеспечивающей высокую точность измерения расхода, было начато изготовление расходомеров типа «Акустрон». Сведения по анализу и разработке других схем час­ тотно-импульсных расходомеров даны в работе [21].

16.8. ВРЕМЯИМПУЛЬСНЫЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ

Времяимпульсными называются ультразвуковые расходомеры, в которых измеряется разность времен Ат перемещения коротких импульсов по направлению потока и против него на длине пути L.

Значение Ат очень мало: 10~6-10~7 с, а погрешность измере­ ния должна быть не более Ю“8-1 (Г 10 с. Времяимпульсные расхо­ домеры в большинстве случаев одноканальные и работают на очень

356

коротких импульсах длительностью 0,1-0,2 мкс, посылаемых навстречу друг другу поочередно или одновременно с частотой, например, 0,5 кГц.

На рис. 200, а приведена упрощенная схема одного времяимпульсного расходомера [44]. Генератор Г создает импульсы, име­ ющие амплитуду 700 В, длительность 0,2 мкс и частоту следова­ ния 800 Гц, которые с помощью вибраторов В1 и В2, работаю­ щих с частотой 400 Гц, подаются поочередно к пьезоэлементам П1 и /72. Последние посылают в жидкость быстро затухающие ультразвуковые импульсы (рис. 200, в и г), а вибраторы В1 и В2 включают зарядные устройства ЗУ/ или ЗУ2. От генератора Г одновременно поступает импульс к пьезоэлементу П1 и импульс к триггеру ЗУ2, устанавливая его в активное состояние проводи­ мости. При этом включается устройство С2, вырабатывающее пилообразное напряжение в течение времени т1 прохождения ультразвука через измеряемое вещество. Максимальное значение U этого напряжения пропорционально Tj. В момент прихода ульт­ развукового импульса к пьезоэлементу /72 устройство С2 отключа­ ется. Таким же образом за время т2 прохода ультразвукового импульса против потока от /72 к П1 устройство С1 вырабатывает напряжение t/2, пропорциональное т2. Разность напряжений f/« - - f / j измеряется устройством /7У. Такой цикл повторяется 400 раз в секунду.

В работе [44] сообщается о расходомере, в котором для повы­ шения точности частота исходных колебаний равна 20 МГц, а измерение Дт производится между острыми начальными конца­ ми принятых импульсов. При этом погрешность Дт снижается до 1(Г8-1 (Г 9 с, а общая погрешность измерения расхода равна ±0,5 % .

В одном отечественном времяимпульсном расходомере [7] для повышения динамических характеристик и устранения возмож­ ности появления погрешности от асимметрии на оба пьезоэле­ мента одновременно подаются короткие импульсы, возбуждаю-

Рис. 200. Схема одноканального времяимлульсного расходомера: о — схема расходомера; б — работа вибраторов; в, г — импульсы, восприни­ маемые и излучаемые пьезоэлементами П1 и П2 соответственно; д н е — работа устройств С1 и С2, вырабатывающих напряжение

357

щие ультразвуковые колебания, движущиеся навстречу друг дру­ гу. После достижения ими противоположных пьезоэлементов в последних образуются электрические импульсы, которые вмес­ те с импульсами от генератора проходят через усилители и фор­ мирователи, после чего поступают в устройство, вырабатываю­ щее напряжение, пропорциональное Ат.

16.9. УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ

С КОРРЕКЦИЕЙ НА СКОРОСТЬ ЗВУКА

ИПЛОТНОСТЬ ИЗМЕРЯЕМОГО ВЕЩЕСТВА

Рассмотренные ранее ультразвуковые расходомеры служат для измерения объемного расхода. Для измерения массового расхода надо иметь отдельный дополнительный пьезоэлемент, возбужда­ емый на резонансной частоте, который посылает акустические колебания в измеряемое вещество. Напряжение, снимаемое с него, пропорционально удельному акустическому сопротивлению ве­ щества рс, если последнее много меньше сопротивления генера­ тора. Умножая электрический сигнал Ар, создаваемый этим пье­ зоэлементом, на сигнал А0, пропорциональный объемному расхо­ ду, получим на выходе сигнал, пропорциональный массовому расходу. Подобное устройство, примененное в расходомере с акус­ тическими колебаниями, перпендикулярными к движению пото­ ка, приведено далее на рис. 204.

Для устранения погрешности от изменения скорости ультра­ звука с в измеряемом веществе в фазовых и времяимпульсных расходомерах применяют особые схемы коррекции. Для этой цели устанавливается дополнительная пара пьезоэлементов на проти­ воположных концах диаметра трубопровода. Время tc прохожде­ ния акустических колебаний между ними обратно пропорциональ­ но скорости с. Соответствующий корректирующий измеритель­ ный сигнал Ас пропорционален с-1. Он возводится в квадрат и на него делится основной сигнал А расходомера, пропорциональный v / c . Очевидно, результирующий сигнал А / А% будет пропорци­ онален скорости у и не будет зависеть от скорости ультразвука с. На рис. 201 дана схема подобного одноканального фазового рас­ ходомера. Программное устройство ПУ обеспечивает поочеред­ ную подачу от генератора Г электрических колебаний частотой 1/3 МГц и к пьезоэлементам П1 и П2 через коммутатор К . При­ нятые колебания от этих пьезоэлементов поступают через комму­ татор К 9 приемное устройство П и преобразователь частоты 42, снижающий частоту до 1/3 кГц, в измеритель ИФ сдвига фазы между ними и исходными колебаниями, поступающими от гене­ ратора Г через преобразователь частоты 41. Устройство И изме­ ряет разность сдвига фаз, пропорциональную разности времен т2- - прохождения ультразвука по потоку Tj и против него т2, и вы­ рабатывает сигнал А, пропорциональный v / c .

358

х % X ч

Пьезоэлементы ПЗ и П4 имеют свой генератор-усилитель ГУ и вырабатывают сигнал Ас, пропорциональный времени прохож­ дения ультразвука между ними и, следовательно, пропорциональ­ ный с-1. В устройстве И к происходит деление сигнала А на квад­ рат сигнала Ас, и в измерительный прибор И П поступает сигнал, пропорциональный скорости и. По данной схеме был построен прибор для измерения расхода нефти Qm = 1200 м3/ч при вяз­ кости 2 •1(Г6-2 •1(Г5 у?/с и температуре 10 °С. Его относитель­ ная погрешность 1 % .

Имеются схемы с компенсацией влияния скорости ультразву­ ка для времяимпульсных расходомеров [28].

Показания частотных расходомеров не зависят от значения с и поэтому здесь не требуется коррекции на скорость ультразвука. Но если частотный расходомер измеряет массовый расход, то не­ обходим пьезоэлемент, работающий на резонансной частоте. С его помощью образуется сигнал Ар, пропорциональный рс, из которого надо исключить множитель с. Для этого в схему вводят блок сложения частот Fj + F2 повторения импульсов или пакетов акустических колебаний по потоку Fj и против него F2, имея в ви­ ду, что сумма Fj + F2 пропорциональна с. Деля сигнал Ар на сиг­ нал Ас и умножая его затем на основной сигнал А разности частот

359

F1 —F2, пропорциональный v9 получим на выходе схемы сигнал ААр/Ас, пропорциональный vpy т. е. массовому расходу. Схема такого частотно-пакетного расходомера показана на рис. 202.

, На FLOMEKO в 1985 г. [63] рассматривался частотный одно­ канальный расходомер с пьезоэлементами, расположенными сна­ ружи трубы, имеющий два дополнительных пьезоэлемента. Один из них служит для определения скорости ультразвука в жидко­ сти, текущей в трубе, а другой — для определения толщины стенки трубы путем измерения времени прохождения прямого и отра­ женного от внутренней поверхности стенки трубы акустического импульса. В расходомере имеется микропроцессорное устройство для обработки поступающих сигналов.

16.10. УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ С КОЛЕБАНИЯМИ, ПЕРПЕНДИКУЛЯРНЫМИ К ДВИЖЕНИЮ ПОТОКА

Данные ультразвуковые расходомеры существенно отличают­ ся от ранее рассмотренных тем, что здесь отсутствуют акустичес­ кие колебания, направляемые по потоку и против него. Вместо этого ультразвуковой луч направляется перпендикулярно к дви­ жению потока и измеряется степень отклонения луча от перпен­ дикулярного направления, зависящая от скорости v измеряемого вещества. Излучает акустические колебания лишь один пьезо­ элемент. Воспринимаются эти колебания одним или двумя пьезо­ элементами. Угол отклонения 6 колебаний от перпендикулярно­ го направления определяется уравнением tg 0 = x/D = v/cyгде х — линейное отклонение у приемных пьезоэлементов; D — диаметр трубы. Следовательно, х = vD/c9 откуда вытекает, что линейное отражение х прямо пропорционально скорости о. При одном при­ емном элементе (рис. 203, а) количество акустической энергии, поступающей на него, будет уменьшаться с ростом скорости иуи вы­

ходной сигнал усилите­

360