УЛЬТРАЗВУКОВОЙ РАСХОДОМЕР

Заявляемая полезная модель относится к области ультразвуковой измерительной техники, в частности, к устройствам измерения расхода текучих сред в трубопроводах различного диаметра и предназначено для измерения расхода жидкости в напорных трубопроводах с деформированным не осесимметричным потоком с помощью наружных обратимых ультразвуковых преобразователей.
Известно устройство ультразвукового расходомера, содержащего преобразователь с двумя пьезоэлементами, последовательно включенные усилитель, формирователь и генератор импульсов, выходы которого подключены к пьезоэлементам, триггер и регистрирующее устройство, кроме того, в устройство введены две пары электронных ключей, преобразователь частота-напряжение, инвертор и фильтр низких частот, причем вход усилителя подключен к пьезоэлементам через первую пару электронных ключей, выход генератора импульсов подключен к счетному входу триггера и входу преобразователя частота-напряжение, выход которого подключен к входу одного из электронных ключей второй пары непосредственно, а к входу другого - через инвертор, выходы электронных ключей второй пары подключены через фильтр нижних частот к регистрирующему устройству, при этом выходы триггера подключены, соответственно, к управляющим входам электронных ключей первой и второй пар (патент на изобретение SU №1093897, дата публикации 23.05.84; G01F 1/66, «Ультразвуковой расходомер»).
Наличие в данном устройстве преобразователя с двумя пьезоэлементами не обеспечивает высокого качества измерений в трубопроводе с не осесимметричным потоком.
Известно также устройство ультразвукового расходомера содержащего расположенные на противоположных стенках трубопровода по углам равнобедренного треугольника три электроакустических преобразователя, каждый из которых выполнен с двухлучевой диаграммой направленности, генератор и измерительный блок, соединенный с индикатором, при этом измерительный блок выполнен в виде последовательно соединенных предварительного усилителя, амплитудного детектора, широкополосного усилителя и частотомера, причем выход генератора подключен к двум электроакустическим преобразователям, расположенным на одной из стенок трубопровода, а вход предварительного усилителя подключен к третьему электроакустическому преобразователю, расположенному на противоположной стенке трубопровода (патент на изобретение SU 1103076, дата публикации 15.07.84, G01F 1/66, «Ультразвуковой расходомер»).
Недостаток известного решения заключается в том, что в данной конструкции каждый из преобразователей не способен производить измерение временных интервалов до тех пор, пока амплитуда сигнала от предыдущего измерения не нормализуется на выходе усилителя. Указанная последовательность действий требует длительных пауз, достигающих величины до 5 сек, снижая производительность устройства.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, заключается в повышении точности и быстродействия измерений.
Решение данной задачи достигается благодаря тому, что ультразвуковой расходомер, содержащий наружные ультразвуковые преобразователи, расположенные на противоположных стенках трубопровода, связанные с генератором и измерительным блоком, снабжен двумя парами обратимых ультразвуковых преобразователей, расположенных попарно в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через ось трубопровода, измерительный блок выполнен в виде связанных между собой усилителя с автоматической регулировкой усиления (АРУ), коммутатор, блок синхронизации и вычислитель, причем, вход блока синхронизации соединен с вычислителем и его выход соединен с генератором, коммутатором и усилителем с АРУ.
Наличие в ультразвуковом расходомере двух пар обратимых ультразвуковых преобразователей, расположенных попарно в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через ось трубопровода, позволяет осуществлять измерения расхода текучей среды в трубопроводах различных диаметров как с осесимметричным потоком, так и не осесимметричным потоком, обеспечивая тем самым расширение сферы применения расходомера и повышая качество его измерений.
Кроме того, заявляемое устройство обеспечивает формирование генератором импульсов, длительность которых равняется половине периода резонансных колебаний ультразвуковых преобразователей, что позволяет значительно увеличить их эффективность излучения ультразвука.
Измерительный блок, выполненный в виде связанных между собой усилителя с автоматической регулировкой усиления (АРУ), коммутатора, блока синхронизации и вычислителя, позволяет блоку синхронизации запоминать значения управляющих сигналов АРУ для каждого канала, благодаря чему после переключения с канала на канал обеспечивается незамедлительная подача соответствующего сигнала на управление АРУ, позволяя уменьшить длительность паузы между измерениями в десятки раз, существенно увеличивая при этом быстродействие прибора и позволяя эффективно его использовать для измерения расхода быстротекущих сред.
Наличие отличительных признаков в заявляемом техническом решении позволяет сделать вывод о его соответствии условию патентоспособности «новизна».
Условие патентоспособности «промышленная применимость» подтверждено на примере конкретного осуществления.
Сущность заявляемого устройства поясняется техническими рисунками, где:
на фиг.1 представлена функциональная схема устройства.
Ультразвуковой расходомер состоит из двух пар ультразвуковых обратимых преобразователей 1, 1', 2, 2', работающих на прием и излучение, размещенных на наружной поверхности напорного трубопровода 3, на противоположных стенках, попарно в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через ось трубопровода 3.
По трубопроводу 3 может перемещаться как осесимметричный, так и не осесимметричный, деформированный поток.
Ультразвуковые преобразователи 1, 1', 2, 2' связаны с генератором 4 электрических импульсов и измерительным блоком 5, состоящим из связанных между собой коммутатора 6, усилителя с АРУ 7, вычислителя 8, блока синхронизации 9, вход которого соединен с вычислителем 8 и его выход соединен с генератором 4, коммутатором 6 и усилителем с АРУ 7.
Работает устройство следующим образом. Генератор 4 электрических импульсов формирует электрический импульс определенной длительности, который поступает на вычислитель 8, входящий в состав измерительного блока 5. Этот же импульс проходит через коммутатор 6 и поступает на ультразвуковой преобразователь 1, где преобразуется в ультразвуковой сигнал, который проходит через стенку трубопровода 3, через контролируемый поток, стенку трубопровода 3 и попадает на ультразвуковой преобразователь 1', где преобразуется в электрический импульс и через коммутатор 6 приходит на усилитель с АРУ 7, где происходит усиление, корректирование электрического импульса, который затем поступает в вычислитель 8.
Вычислитель 8 определяет величину временного интервала между исходным импульсом с генератора 4 электрических импульсов и импульсом, проводимым через пару ультразвуковых преобразователей 1-1' и через усилитель с АРУ 7.
Следующий электрический импульс, сформированный генератором 4, поступает на вычислитель 8, а также через коммутатор 6 на ультразвуковой преобразователь 1' и далее через поток жидкости в трубопроводе - на ультразвуковой преобразователь 1, коммутатор 6, усилитель с АРУ 7 и вычислитель 8. Вычислитель 8 определяет величину временного интервала между импульсом, поступающим с генератора 4 электрических импульсов и импульсом, прошедшим через ультразвуковой преобразователь 1'-1 и через усилитель 7.
Разница этих временных интервалов пропорциональна локальной скорости потока в плоскости расположения ультразвуковых преобразователей 1-1'.
Затем аналогичным образом определяется локальная скорость потока в плоскости расположения ультразвуковых преобразователей 2-2'.
Скорость потока вычисляется как среднее значение локальных скоростей потока в плоскостях 1-1' и 2-2'.
Каналы двух пар ультразвуковых преобразователей работают поочередно.
В процессе работы блок синхронизации 9 запоминает значения управляющих сигналов АРУ усилителя 7 для каждого канала и после переключения с канала на канал сразу подает соответствующий сигнал на управление АРУ усилителя 7, что позволяет уменьшить длительность паузы между сигналами двух каналов в несколько десятков раз, достигая 0,1 с и значительно увеличивая быстродействие прибора.
При этом, длительность импульсов, формируемых генератором 4, равняется половине периода резонансных колебаний ультразвуковых преобразователей, что увеличивает эффективность излучения ультразвука на 30-40%.
Таким образом, заявляемое устройство представляет собой ультразвуковой расходомер для трубопроводов различного диаметра с деформированным не осесимметричным потоком текучей среды с помощью двух пар наружных обратимых ультразвуковых преобразователей, которое обеспечивает значительное повышение быстродействия, повышение точности замеров в двух взаимно перпендикулярных плоскостях трубопровода, а также расширение сферы применения.