Вихреакустический расходомер

Полезная модель относится к измерительной технике, а конкретно - к вихревым расходомерам, предназначенным для измерения расхода текучих сред в случаях, когда к надежности измерений предъявляются повышенные требования.
Известен вихревой расходомер типа «Prowirl 72» фирмы EN-DRESS+HAUSER (Германия) с детектором вихрей типа «лопасть в потоке» [1], установленным вблизи места крепления одного из двух концов генератора вихрей - плохообтекаемого тела. Он обладает хорошими метрологическими и эксплуатационными характеристиками и широко используется в промышленности и коммунальном хозяйстве. Для случаев, когда к надежности измерений предъявляются повышенные требования, предлагается резервированный вариант исполнения Dualsens расходомера «Prowirl 72» с двумя детекторами вихрей этого же типа, установленными в одном корпусе диаметрально противоположно вблизи мест крепления плохообтекаемого тела [1]. Недостатком вышеописанного расходомера является невозможность размещения в одном корпусе трех детекторов вихрей. Между тем, в особо ответственных случаях, например, на объектах авиационной, морской или космической техники, при выполнении измерений, используемых для целей регулирования объектов, отказ которых может привести к катастрофическим последствиям, используют расходомеры с тремя измерительными каналами (мажоритарное резервирование с «голосованием», когда из трех показаний выбираются два совпадающих).
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является вихреакустический расходомер, содержащий корпус с проточной частью, расположенное в проточной части поперек потока тело обтекания и детектор вихрей, включающий пару пьезоэлементов (пьезодатчиков), установленных диаметрально противоположно за телом обтекания, и электронную схему, включающую генератор сигнала ультразвуковой частоты (задающий генератор), генератор прямоугольных импульсов, фазовращатель, два ключа, фазовый детектор, полосовой фильтр и блок преобразования сдвига фаз в выходной сигнал [2].
Попытка непосредственного использования указанного технического решения для создания преобразователя расхода с тремя одинаковыми детекторами показала, что это невозможно из-за появления взаимовлияния детекторов, обусловленного тем, что излучаемые ультразвуковые сигналы из-за расхождения лучей и отражения от стенок заполняют весь объем корпуса. При этом в режиме приема на пьезодатчик поступает не только прямой ультразвуковой сигнал «своего» канала, но также и сигналы перекрестной волновой помехи от двух остальных работающих электроакустических каналов. А поскольку параметры детекторов близки между собой (отличие возможно только за счет технологического разброса параметров радиоэлементов), наложение сигналов приводит к нарушению работы детекторов.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является повышение надежности измерений путем размещения в корпусе преобразователя расхода вихреакустического расходомера трех детекторов вихрей.
Данная задача решается за счет того, что в известный вихреакустический расходомер, содержащий корпус круглого сечения, расположенное поперек потока тело обтекания, первый детектор вихрей, включающий пару пьезодатчиков, установленных диаметрально противоположно за телом обтекания в плоскости, проходящей через ось корпуса и перпендикулярной оси симметрии тела обтекания, и первую электронную схему, включающую задающий генератор, выход которого подключен к одному из пьезодатчиков через первый ключ, а к другому пьезодатчику через последовательно соединенные фазовращатель и второй ключ, последовательно соединенные фазовый детектор, к входам которого подключены пьезодатчики, полосовой фильтр и блок преобразования сдвига фаз в выходной сигнал дополнительно введены вторая и третья пары пьезодатчиков, вторая и третья электронные схемы.
В первую, вторую и третью электронную схему введены делитель частоты с регулируемым коэффициентом деления и одновибратор, причем вход делителя частоты подключен к выходу задающего генератора, а выход - к входу одновибратора, выход одновибратора подключен к управляющим входам ключей.
Совместные оси пар пьезодатчиков второго и третьего детекторов вихрей расположены в одном сечении корпуса симметрично относительно плоскости, проходящей через ось корпуса и перпендикулярной оси симметрии тела обтекания, углы между совместными осями пьезодатчиков первого и второго и первого и третьего детекторов вихрей составляют 15-30°.
d/c
d
Задающие генераторы выполнены высокостабильными, например по схеме с кварцевой стабилизацией частоты. Разности частот задающих генераторов и разности частот следования выходных импульсов одновибраторов первого, второго и третьего детекторов вихрей не менее чем в 3 раза превышают максимальную частоту вихреобразования, длительность импульсов, формируемых одновибраторами, равна времени задержки ультразвукового сигнала в контролируемой среде , где  - расстояние между пьезодатчиками, равное диаметру трубопровода, с - скорость звука в контролируемой среде.
Сущность изобретения поясняется рисунками, на которых представлены: на фиг. 1 - схема вихреакустического расходомера с тремя детекторами вихрей, на фиг. 2 - функциональная схема первого детектора вихрей (схемы второго и третьего детекторов не показаны).
f
f
f
N1
N2
N3
1
2
3
Вихреакустический расходомер содержит (фиг. 1) корпус 1 круглого сечения, тело обтекания 2, первый, второй и третий детекторы вихрей. Детекторы вихрей включают по одной паре пьезодатчиков 3а-4а, 3б-4б, 3в-4в (буквами «а», «б» и «в» обозначены элементы первого, второго и третьего детекторов вихрей), соответственно, и электронные схемы 5а, 5б и 5в, соответственно. Функциональные схемы детекторов вихрей (фиг. 2) устроены одинаково и включают задающие генераторы с кварцевой стабилизацией частоты 6а с частотой , 6б с частотой  и 6в с частотой , делители частоты 7а с коэффициентом деления , 7б с коэффициентом деления  и 7в с коэффициентом деления , одновибраторы 8(а, б, в), фазовращатели 9(а, б, в), пары ключей 10(а, б, в) и 11(а, б, в), фазовые детекторы 12(а, б, в), полосовые фильтры 13(а, б, в) и блоки преобразования сдвига фаз в выходной сигнал 14(а, б, в).
α
Оси пар пьезодатчиков 3а-4а, 3б-4б, 3в-4в расположены в одном сечении корпуса за телом обтекания. Углы  между осями пьезодатчиков первого и второго и первого и третьего детекторов вихрей равны между собой и составляют от 15 до 30 градусов.
Вихреакустический расходомер работает следующим образом. При прохождении контролируемой среды через корпус 1 за телом обтекания 2 образуется вихревая дорожка Кармана. В вихревой дорожке имеют место периодические колебания местной скорости потока с частотой, равной частоте вихреобразования. Для выделения этих колебаний через вихревую дорожку каждым детектором вихрей пропускаются навстречу друг другу ультразвуковые зондирующие сигналы, формирование которых, например, первым детектором вихрей осуществляется следующим образом.
f
f
f
F1=f1/N1
d/c
π/2
d/c
1
1
1
Синусоидальный сигнал частоты  с выхода задающего генератора 6а поступает непосредственно на входы ключа 10а и делителя частоты 7а и через фазовращатель 9а - на ключ 11а. Частота  обычно составляет приблизительно 1 МГц. Для получения максимальной величины ультразвукового сигнала частота  выбирается в пределах полосы пропускания амплитудно-частотной характеристики коэффициента передачи пары пьезодатчиков 3а-4а. С выхода делителя частоты 7а на вход одновибратора 8а поступают прямоугольные импульсы с частотой следования . Одновибратор 8а с каждым, пришедшим на его вход импульсом, генерирует импульс, длительность которого приблизительно равна времени распространения ультразвукового сигнала через поток от излучателя к приемнику , поступающие на управляющие входы ключей 10а и 11а. Фаза сигнала на выходе фазовращателя 9а смещена по фазе на  относительно фазы сигнала генератора 6а. На пьезодатчики 3а, 4а с выходов ключей 10а и 11а поступают радиоимпульсные сигналы возбуждения. Эти сигналы преобразуются в ультразвуковые сигналы, также имеющие форму радиоимпульсов, которые проходят через вихревую дорожку во взаимно-противоположных направлениях и поступают на те же пьезодатчики 3а и 4а, где преобразуются в электрические сигналы приема. Т.к. длительность сигналов возбуждения равна времени пробега сигнала от одного пьезодатчика к другому , то сигналы приема появляются после окончания радиоимпульса возбуждения, т.е. сигнал возбуждения не накладывется сигнал приема.
Набег в жидкости фазы полезного сигнала, излученного пьезодатчиком 3а, составляет
FB
V
m
t
- частота вихреобразования,  - средняя по сечению скорость потока, <1 - коэффициент модуляции, зависящий от размеров и интенсивности вихрей,  - время.
Набег в жидкости фазы полезного сигнала, излученного пьезодатчиком 4а, составляет
где знак «минус» перед вторым членом учитывает то, что зондирующие сигналы пресекают поток во взаимно противоположных направлениях.
Отсюда разность фаз полезных сигналов на входе фазового детектора 12а составляет
π/2
FB
Из выражения (4) следует, что постоянная составляющая разности фаз равна , а переменная составляющая пропорциональна осредненной вдоль пути зондирующего сигнала скорости потока, которая изменяется по закону, близкому синусоидальному с частотой, равной частоте вихреобразования .
f2
f3
F2=f2/N2
F3=f3/N3
Аналогично формируются приемные сигналы второго и третьего детекторов вихрей. При этом частоты сигналов возбуждения второго и третьего детекторов составляют  и , соответственно, а частоты сигналов на выходах одновибраторов 8б, 8в -  и , соответственно. Разность фаз полезных сигналов на входе фазового детектора 12б составляет
а разность фаз полезных сигналов приема на входе фазового детектора 12в составляет
cosα
Множитель  учитывает наклон осей пьезодатчиков 3б-4б и 3в-4в по отношению к оси пьзодатчиков 3а-4а.
cosα
Значение функции  для углов 30-45° составляет 0,87-0,71, т.е. уменьшение чувствительности второго и третьего детекторов вихрей по сравнению с первым за счет расположения осей пьезодатчиков 3б-4б и 3в-4в под углом к оси пьезодатчиков 3а-4а - незначительно.
f1
f2
f3
F1
F2
F3
Поскольку из-за расхождения лучей и отражения от стенок излучаемые ультразвуковые сигналы заполняют весь объем корпуса, на всех шести пьезодатчиках 3а, 4а, 3б, 4б, 3в, 4в имеет место суперпозиция (наложение) сигналов, имеющих форму радиоимпульсов с частотой заполнения ,  и  и частотой следования ,  и :
f1
f1
f2
f3
- на пьезодатчиках 3а, 4а первого детектора вихрей имеется суперпозиция следующих сигналов: сигналов возбуждения частоты , полезных сигналов приема частоты , а также сигналов перекрестных волновых помех от работающих второго и третьего детекторов вихрей -  и ;
f2
f2
f1
f3
- на пьезодатчиках 3б, 4б второго детектора вихрей имеется суперпозиция следующих сигналов: сигналов возбуждения частоты , полезных сигналов приема частоты , а также сигналов перекрестных волновых помех от работающих первого и третьего детекторов вихрей -  и ;
f3
f3
f1
f2
- на пьезодатчиках 3в, 4в третьего детектора вихрей 4 имеется суперпозиция следующих сигналов: сигналов возбуждения частоты , полезных сигналов приема частоты , а также сигналов перекрестных волновых помех от работающих первого и второго детекторов вихрей -  и .
F1
F2
F3
F1
F2
F3
FBMAX
Кроме того, в спектрах сигналов приема присутствуют составляющие частот ,  и . Частоты ,  и  обычно составляют несколько десятков килогерц, т.е. существенно превышают максимальную частоту вихреобразования .
FBMAX
Фазовые детекторы 12(а, б, в) представляют собой аналоговые умножители сигналов с фильтрами нижних частот, причем частота среза фильтра приблизительно равна максимальной частоте вихреобразования .
f1
f2
f3
F1
F2
F3
На выходах фазовых детекторов 12(а, б, в) в результате перемножения образуются составляющие с частотами, равными сумме и разности всех возможных комбинаций частот , , , ,  и , присутствующих в спектрах сигналов приема:
2f1
2f2
2f3
f1+f2
f1+f3
f2+f3
2F1
2F2
2F3
F1+F2
F1+F3
F2+F3
f1+F1
f1+F2
f2+F1
f2+F2
f2+F3
f3+F1
f3+F2
f3+F3
FBMAX
- составляющие с суммарными частотами , , , (), (), (), , , , , , , , , , , , , , , которые существенно превышают  и поэтому отфильтровываются и на выходах фазовых детекторов отсутствуют;
f1
f2
f3
π/2
- полезные составляющие, образующиеся путем перемножения на себя сигналов с частотами ,  и , каждая из которых представляет сумму постоянной составляющей, соответствующей сдвигу фаз , и переменной составляющей, пропорциональной скорости вихря;
F1
F2
F3
- составляющие, образующиеся путем перемножения на себя сигналов с частотами ,  и  и представляющие собой постоянные величины, близкие к нулю;
f1-F1
f1-F2
f1-F3
f2-F1
f2-F2
f2-F3
f3-F1
f3-F2
f3-F3
FBMAX
- составляющие с разностными частотами , , , , , , , , , которые существенно превышают  и поэтому отфильтровываются и на выходах фазовых детекторов 12а, б, в отсутствуют;
f1
f2
f3
f1-f2
f1-f3
f2-f3
- низкочастотные биения с частотами, равными всем возможным комбинациям разностей близких частот ,  и , т.е. (), () и ();
F1
F2
F3
F1-F2
F1-F2
F2-F3
- низкочастотные биения с частотами, равными всем возможным комбинациям разностей близких частот ,  и , т.е. (), () и ().
FBMAX
ФMAX
Далее приемные сигналы пропускаются через полосовые фильтры 13а, б, в, частота среза которых соответствует максимальной для данного диаметра трубопровода частоте вихреобразования . При этом убираются постоянные составляющие выходных сигналов фазовых детекторов 12а, б, в и переменные составляющие, частота которых превышает верхнюю частоту фильтра F. Поскольку согласно полезной модели выполняются неравенства
f1-f2
f1-f3
f2-f3
F1-F2
F1-F2
F2-F3
биения с частотами (), (), (), (), (), () также отфильтровываются.
Таким образом на выходах всех трех полосовых фильтров 13а, б, в формируются полезные сигналы, пропорциональные переменной составляющей сдвиге фаз, вызванной модуляцией ультразвукового сигнала вихрями, т.е. при выполнении условий (7) и (8) наложение на прямой сигнал сигналов перекрестной волновой помехи не приводит к нарушению работы детекторов вихрей 2, 3, 4.
FB
Блоки преобразования сдвига фаз в выходной сигнал 14а, б, в преобразовывают выходные сигналы полосовых фильтров 14а, б, в в прямоугольные импульсы. Частота следования импульсов равна частоте следования вихрей , пропорциональной расходу.
В сравнении с известным техническим решением предлагаемая полезная модель позволяет разместить в одном патрубке три детектора вихрей, работа каждого из которых не зависит от работы остальных. При этом применение разных задающих частот с соблюдением неравенств (7), введение кварцевой стабилизации этих частот, формирование импульсных сигналов, подаваемых на управляющие входы ключей, из сигналов задающих генераторов путем деления их частоты и установка коэффициентов деления частоты с соблюдением неравенств (8) исключает попадание составляющих выходных сигналов фазовых детекторов с частотами биений в полосу пропускания полосовых фильтров, т.е. обеспечивает независимость детекторов вихрей в течение всего срока эксплуатации расходомера.
Проведенные на расходомерном стенде УПСЖМ300 испытания вихреакустического расходомера с тремя детекторами вихрей показали, что предлагаемое решение обеспечивает одновременное функционирование в одном преобразователе расхода трех независимых детекторов вихрей.
1. Vortex Flow Measuring System PROline prowirl 72. Technical Information TI 062D/06/en №50103356.
2. Чернышев B.A., Севостьянов C.C. Вихревой расходомер. Патент РФ №2515129 С1, МПК G01F 1/32.