Импульсный одноканальный ультразвуковой расходомер

 

ИМПУЛЬСНЫЙ ОДКОКАНАЛЬНЫЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ РАСХОДОМЕР, содержащий два управляемых генератора, вы ,ходами подсоединенных к входам измерителя разности частот и первого коммутатора, а также последовательно включенные формирователь зондирующих импульсов, второй коммутатор, два приемно-передающих преобразователя , третий коммутатор, усилительформирователь и временной селектор. отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в него введены схема временного сравнения, два реверсивных счётчика, два цифроаналоговых преобразователя, а также, последовательно включенные счетчик импульсов, синхронизатор и четвертый коммутатор, причем схема временного сравнения одним входом подсоединена к выходу временного селектора , другим входом - к синхронизатору , а выходом - к четвертому комNryTaTopy , связанному с входами реверсивных счетчиков, которые через цифроаналоговые преобразователи подключены к входам управляемых геел нераторов, при этом вход счетчика импульсов связан с выходом первого коммутатора, а выходы синхронизатора подсоединены к временному селектору , к схеме временного сравнения, к каждому из четьфех коммутаторов и формирователю зондирующих импульсов .

СО)ОЭ СОВЕТСКИ)(Ъ Ч«

РЕСПУБЛИН ((9) (! () (51) 4- 0 l Р 1/66

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

flO ДЕЛАМ ИЭОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3576969/24-10 (22) 11.04.83 (46) 15.08.85. Вюл. У 30 (72) И.А. Чернобай и А.И.Шатковский (71) Научно-исследовательский институт прикладных физических проблем им. акад. А.H.Ñåâ÷åíêî (53) 681.121(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

Р 972223, кл. О 01 F 1/66, 1981.

2..Авторское свидетельство СССР

Ф 523285, кл. С 01 F 1/66, 1976. (54) (57) ИИПУЛЬСИЫЙ 0$FiOKAHAJIbHblA

УЛЬТРАЗВУКОВОЙ РАСХОДОМЕР, содержащий два управляемых генератора, вы.ходами подсоединенных к входам измерителя разности частот и первого коммутатора, а также последовательно включенные формирователь зондирующих импульсов, второй коммутатор, два приемно-передамцих преобразователя, третий коммутатор, усилительформирователь и временной селектор, I отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в него введены схема временного сравнения, два реверсивных счетчика, два цифро" аналоговых преобразователя, а также последовательно включенные счетчик импульсов, синхронизатор и четвертый коммутатор, причем схема временного сравнения одним входом подсоединена к выходу временного селектора, другим входом — к синхронизатору, а выходом — к четвертому коммутатору, связачному с входами реверсивных счетчиков, которые через цифроаналоговые преобразователи подключены к входам управляемых генераторов, при этом вход счетчика импульсов связан с выходом первого коммутатора, а выходы синхронизатора подсоединены к временному селектору, к схеме временного сравнения, к каждому из четырех коммутаторов и формирователю зондирукицих импульсов.

1173189

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения расходов жидких сред в химической, нефтяной, гидрометаллургической и других отраслях промышленности.

Известен импульсный одноканальный ультразвуковой расходомер, основанный на измерении разности временньм интервалов при распростра- 10 ненни ультразвука по потоку и против него. Измерение осуществляется с помощью высокостабильного генера тора, дискретными импульсами которого заполняются измеряемые временные промежутки. Подсчитанная счетчиком разность импульсов является мерой расхода Г11 .

Недостатком указанного расходомера является невысокая точность иэ- 10 мерений, которая ограничивается величиной единицы дискретного отсчета, т.е. периодом колебаний генератора.

Известен импульсный одноканальный ультразвуковой .расходомер, со- р5 держащий два управляемых по частоте генератора, выходами подсоединенных к вхоцам первого коммутатора, а также последовательно включенные формирователь зондирующих импульсов,вто- З рой коммутатор, приемно-передающие преобразователи акустического канала расходомера, третий коммутатор, усилитель-формирователь и временной селектор, при этом вторые выходы

35 управляемых генераторов связаны с измерителем разности частот (2) .

Однако для указанного устройства характерна недостаточно высокая точность измерений, обусловленная тем, что известное устройство представляет собой по существу автоматическую систему непрерывного регулирования„ имеющую значительную зону не чувствительности, а также невысокую оперативность измерений.

Целью изобретения является повышение точности измерений.

Цель достигается тем, что в импульсный одноканальный ультраэвуко- 50 вой расходомер, содержащий два управляемых генератора, выходами подсоединенных к входам первого коммутатора и измерителя разйости частот, а также паследовагельно включенные 55 формирователь зондирующих импульсов„ второй коммутатор, два приемно-передавших преобразователя, третий коммутатор, усилитель-формирователь и временной селектор, введены схема временного сравнения, два реверсивных счетчика, два цифроаналоговых преобразователя, а также последовательно включенные счетчик импульсов, синхронизатор и четвертый коммутатор, причем схема временного сравнения одним входом подсоединена к выходу временного селектора, другим входом — к синхрониэатору, а выходом— к четвертому коммутатору, связанному с входами реверсивных счетчиков, которые через цифроаналоговые преобразователи подключены к входам управляемьг< генераторов, при этом вход счетчика импульсов связан с выходом первого коммутатора, а выходы синхро ,низатора подсоединены к временному селектору, к схеме временного срав- нения, к каждому из четырех коммута-, торов и формирователю зондирующих импульсов.

Подстройку перестраиваемых генераторов осуществляют дискретным шаговым регулированием частоты каждого опорного генератора путем обеспечения по цепи обратной связи системы регулирования автоколебательного импульсно-дискретного режима подстройки вокруг точки равновесия, соответствующей равенству времени распространения ультразвука в среде и и-периодам опорного перестраиваемого генератора. Такая подстройка осуществляется как для перестраиваемого генератора с частотой

f1, пропорциональной скорости распространения ультразвука по потоку среды, так и для перестраиваемого генератора с частотой Й, пропорциональной скорости распространения ультразвука против потока среды.

Шаг перестройки выбирают из условия обеспечения заданной точности измерений расхода. Если относительную ошибку измерений обозначим через 1, то очевидно, что единичный шаг Е перестройки по частоте должен быть не более

2 (u - сача (°

На фиг. 1 приведена блок-схема ультразвукового расходомера, на фиг. 2 — временные циаграммы сигналов расходомера.

Ультразвуковой расходомер содержит (фиг. 1) два управляемых по час.

1173189

5 . При вазб ".бдении приемно-передающий преобразователь ? генерирует ультразвуканай сигнал, катарьй, распространяясь в потоке среды акусти;еского канала 8 расхадамера, приоб ретает дополнительное приращение, равное скорости потока среды, и емя LpQ pl„p (фиг. 2в) дос игЛет противоположна распалсженнога приемно-передающего преобразователя 6, Последний преобразует акустический сигнал в электрический и подает ега через коммутатор 9 на вход усилителя-формирователя 10, в котором принятый информационный сигнал усиливается и стабилизируется па амплитуде с помощью автоматической регулировки усиления. Дополнительная частотная селекция, предусмотренная на выходе усилителяформирователя 10, обеспечивает прохождение на вход временного селектора !! сигналов с частотой, саатветстзующей резонансной частоте приемно-передающих преобразователей 6 и 7. тате генератора 1 и 2, выходамн подсоединенных к входам первого коммутатора 3, а также последовательно включенные формирователь 4 зондирукяцих импульсов, второй коммутатор

5, приемно-передающие преобразователи 6 и 7 акустического канала 8 расходомера, третий коммутатор 9, усилитель-формирователь 10 и временной селектор 11, при этом вторые !0 выходы управляемых генераторов 1 и

2 связаны с измерителем 12 разности частот. Кроме того, в него введены схема 13 временного сравнения, выполненная на основе логических элементов И, два реверсивных счетчика 14 и 15 с цифроаналоговыми преобразователями 16 и 17, а также последовательно включенные счетчик 18 импульсов и синхронизатор 19, причем г0 схема 13 временного сравнения одним входом подсоединена к выходу временного селектора 11,вторым входом — к синхронизатору 19, а выходом — к четвертому коммутатору 20, связанному с входами реверсивных счетчиков

14 и 15, которые через цифроаналоговые преобразователи 16 и !7 под- ключены к входам управляемых па частоте генераторов 1 и 2, при этом вход счетчика 18 импульсов связан с выходом первого коммутатора 3, а выходы синхронизатора подсоединены к временному селектору 11, к схеме

13 временнога сравнения и к каждому из четырех коммутаторов 3, 5, 9

35 и 20.

Расходомер работает следующим образом.

40 управляемые по частоте генераторы

1 и 2 вырабатывают непрерывную им,пульсную последовательность са срав. нительно большой частотой, равной, например, 10 МГц. С помощью комму- 45 татара 3 она поочередно падается от управляемых генераторов 1 и 2 на вход счетчика 18 импульсов, к выха1 у которого подключен. синхронизатор, обеспечивающий синхронизированную 50 работу расходомера в целом. С помощью кодовйх переключателей, являющихся

r. элементом конструкции синхронизатора 19, выбирают период зондирования, временные моменты переключений кам- 55 мутаторов 3, 5, 9 и 20 и положение ,сравниваемого импульса, подаваемого на схему 13 временного сравнения.

Пусть к счетчику 18 импульсов коммутатором 3 подключен управляемый па частоте генератор 1, генерирующий импульсную последовательность (фиг. 2а). На выходе счетчика 18 формируется в этом случае непрерывна меняющаяся кодовая комбинация, при совпадении которой с кодовой комбинацией кодовых переключателей синхронизатора 19 последний формирует управляющие импульсы, строго сфазираванные с колебаниями генератора

Первый сформированный синхронизированный импульс с периодом Т

Юя4 абеспечивакяцим полное. затухание реверберационных помех H акустическом канале, подается в момент времени на вход формирователя 4 зондирующих импульсов, который генерирует короткий возбуждающий импульс U г (фиг. 2б), поступаняций в этот период измерений через коммутатор 5 на пьезо

I преобразователь 7 расхадамера.

Временной селектор 11 разрешает прохождение принятого информационного cигнала в пределах времевных ворот t3 — t< фиг. 2г), сформированl ных синхронизатором !9, на вход схемы !3 временнога сравнения. Схема 13 сравнивает взаимное временное полажение выделеннага усилителемформирователем 10 переднега франта

1173189

55

Ц)б принятого сигнала в момент времени t (фиг. 2д) с передним фрон- ( том сравниваемого импульса Uiy, поступающего с синхронизатора 19 в момент времени t< (фиг, 2е). В зависимости от того, какой импульс поступил раньше на вход схемы 13 времен. ного сравнения, последняя формирует на своем выходе импульсы записи +1 или -1, которые через коммутатор 20 подаются на соответствующие входы реверсивного счетчика 14 (фиг. 2ж и 2и).

Дальнейшая работа расходомера основана на выравнивании временного положения ty импульса сравнения Ut с временным положением t информационного импульса П б, сформированно

ro по принятому ультразвуковому сигналу. Указанное выравнивание осуществляется по схеме 13 временно"

ro сравнения с помощью замкнутой системы автоматической дискретношаговой подстройки частоты 3» управляемого по частоте генератора 1, состоящей из коммутатора 20, реверсивного счетчика 14, цифроаналогового преобразователя 16, управляемого по частоте генератора 1, коммутатора 3, счетчика 18 импульсов, синхронизатора и схемы 13 временного сравнения.

Предположим, что импульс сравнения U пришел на схему 13 взаимного временного сравнения раньше (момент времени t>, фиг. 2е), чем информационный импульс Пю (момент времени фиг. 2д). В этом случае на выходе схемы 13 формируется счетный импульс, который через коммутатор 20 подается на счетный вход 1 реверсивного счетчика 14 (фиг. 2ж). Реверсивный счетчик 14 по этому импульсу соответствующим образом изменяет на единицу свое состояние, которое было в него занесено в предыдущие циклы измерений. Код числа, полученный в результате этого, преобразуется цифроаналоговым преобразователем 16 в

Ю .— I уровень напряжения П (фиг .. 2к), которым производится подстройка частоты управляемого генератора 1 на величину, равную единичному шагу перестройки, к частоте, пропорциональной скорости распространения ультразвука по потоку среды.

¹Q №5

На этом заканчивается период подстройки управляемого по частоте генератора 1 при измерении по потоку среды (в соответствии с направлением движения среды, указанным на фиг. 1).

Длинным тактовым импульсом П(9, поступившим с синхронизатора (фиг.2л), коммутаторы 3, 5, 9 и 20 в момент времени й,6 устанавливаются в состояние, обеспечивающее включение управляемого по частоте генератора 2 в измерительный контур расходомера для измерения скорости распространения ультразвука по потоку среды. Процесс подстройки частоты управляемого по частоте генератора 2 осуществляется в описанном порядке по замкнутой цепи: схема 13 взаимного временного сравнения, коммутатор 20, реверсивньй счетчик 15, цифроаналоговый преобразователь 17, управляемый по частоте генератор 2, коммутатор 3, счетчик

18 импульсов и синхронизатор.

Предположим, например, что импульс сравнения 0 пришел на схему

13 гременного сравнения позже (момент времени t>, фиг. 2е), чем .на информационный импульс U,-(момент времени t>, фиг. 2д), В этом случае на выходе схемы 13 формируется счетныи импульс, который через коммута-.ор 20 подается уже на счетный вход

+i реверсивного счетчика 15 (фиг.2и).

Реверсивный счетчик 15 также соответ ствующим образом изменяет свое состояние, увеличивая на единицу числовое значение, полученное им в преды-. дущие такты измерений. Цифроаналоговый преобразователь 17 преобразует результирующий код числа в уровень напряжения Пя (фиг. 2м), которым и производится подстройка управляемого генератора 2, вырабатывающего часто т пропорциональную скорости ульт-., развука против потока среды. Далее длинный тактовый импульс Б (фиг,2л) заканчивается, и расходомер с помощью коммутаторов 3, 5, 9 и 20 сно" ва переходит в режим измерения 1 и подстройки генератора 1, вырабатывающего частоту, пропорциональную скорости ультразвука по потоку среды.

Таким образом, осуществляется подстройка частот генераторов 1 и 2 по каждому периоду измерений дискретно-шаговым регулированием до тех

1173189 пор, пока не произойдет выравнивание моментов времени -, t прихода импульсов сравнения с синхронизатора и моментов времени t, t 8 информационных импульсов по каждому из направлений измерения скорости ультразвука. При достижении сравнения указанных моментов времени на величину, по времени меньшую дискретного шага подстройки, система автоматической подстройки частоты осуществляет в одни периоды работы автоколебательный импульсно-дискретный режим подстройки вокруг момента времени t, соответствующего времени распространения ультразвука по потоку среды, а в другие периоды работы — автоколебательный импульсно-дискретный режим вокруг момента времени tg соответствующего распространению ультразвука против потока среды. В свою очередь, такой же автоколебательный режим работы совершают и частоты f и f ynpasляемых генераторов 1 и 2. Усредненное значение частоты управляемого по частоте генератора 1, полученное в результате этого, пропорционально скорости распространения ультразвука по потоку среды, а усредненное значение частоты управляемого по часто10 те генератора 2 пропорционально ско- рости распространения ультразвука против потока среды.

Измеритель 12 разности частот, подключенный к выходам управляемых

15 по частоте генераторов 1 и 2, регистрирует разностную величину их частот, пропорциональную скорости потока среды в акустическом канале расходомера.

20 Испытания расходомера показали, что его можно применять в тех областях науки, техники и производства, где требуется измерять расход жидких сред с высокой точностью.

1173189