Ультразвуковой способ измерения скорости потока и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к технике акустических измерений и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства для измерения скорости потока в реках и каналах. Цель изобретения - повьшение точности измерения скорости водного потока. Устройство содержит гидрофоны 1,2, 10 и 11 и изме рительно-управляющее устройство 3, состоящее из хронизато (Л

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (51) 4 G 01 F 1/66

RCFCetA3pAN

1 V 3 11 да ф

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCKOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

i)0 ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЬП ИЙ (21) 3724944/24-1,0 (22) 27,02.84 (46) 15,04.86. Бюл. ¹ 14 (71) Центральное конструкторское бюро гидрометеорологического приборостроения (72) Г.С.Рыбин, В.И.Тимофеев, В.Н.Ефимцев, Г.С.Клейн и А.И.Затыльников (53) 681,121 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 847205, кл. С О1 P 5/00, 1980.

Патент ФРГ ¹ 2628336, кл. С 01 P 5/00, 1978. (54) УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ

СКОРОСТИ ПОТОКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ

ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к технике акустических измерений и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства для измерения скорости потока в реках и каналах. Цель изобретения — повышение точности измерения скорости водного потока. Устройство содержит гидрофоны 1,2, 10 и 11 и измерительно-управляющее уст1 ройство 3, состоящее из хрониэатоI

12245 . > ра 4, приемопередатчиков 5, 6, измерителя 7 временного интервала, измерителя 8 временного рассогласования сигналов и вычислителя 9, приемники 12,.13, передатчики 14, 15, анализаторы 16, 17 периода, состоящие соответственно из измерителей 18, 19 периода, схем 20, 21 сравнения и регистров 22, 23, селекторы 24, 25 импульсов, состоящие иэ счетчиков 26, 27 и элементов И 28, 29, блок 30 стробирования, состоящий из элемента 31 задержки, формирователя 32 импульсов и элемента И 33, и блоки зап86 рета 34, 35, состоящие из триггеров

36, 37 и элементов И 38, 39, Введение ,операций анализа периода принимаемык ультразвуковых сигналов и формирования импульса приема при достижении заданного числа периодов принимаемого сигнала, а также обеспечение разности времени распространения ультразвуковых сигналов по двум траекториям позволяет зондировать исследуемый поток одновременно в двух направлениях, что уменьшает погрешности от пульсаций скорости потока и ультразвука.

2 с.п. ф-лы, 2 ил, Изобретение относится к технике акустических измерений и может быть использовано в различных отраслях на. родного хозяйства для измерения скорости потока в реках и каналах. 5

Цель изобретения — повышение точности измерения скорости водного потока.

На фиг.1 представлена структурная 10 схема ультразвукового измерителя скорости потока (где U — напряжение скорости потока); на фиг.2 — временные диаграммы работы устройства (где аимпульс запуска на выходе хроннзатора; б — сигналы гидрофонов при излучении; в — сигналы на входе приемника; г — сигнал на выходе селектора импульсов; д — импульс строба; е— сигнал одного из приемников; ж — сиг- 20 нал на выходе селектора импульсов; э — сигнал, переизлученный гидрофоном; и — сигнал, переизлученный вторым гидрофоном; к — сигнал на входе первого приемопередатчика; л — сигнал на выходе первого приемопередатчика; м - сигнал на входе второго приемопередатчика; н — сигнал на выхо де второго приемопередатчика; о †. вре менной интервал, равный разности хода 36 акустического сигнала по двум траекториям).

Ультразвуковой измеритель скорости потока содержит на первом берегу гид" З

S рофоны 1 и 2 и измерительно-управляющее устройство 3, состоящее из хронизатора 4, приемопередатчиков 5 и 6, измерителя 7 временного интервала, измерителя 8 временного рассогласования сигналов, вычислителя 9. На втором берегу расположены гидрофоны 10 и 11, приемники 12 и 13, передатчики 14 и 15, анализаторы 16 и 17 периода, состоящие соответственно из измерителя 18 и 19 периода, схем 20 и 21 сравнения и регистров 22 и 23, селекторы 24 и 25 импульсов, состоящие соответственно из счетчиков 26 и 27 и элементов 28 и 29 И, блок 30 стробирования, состоящий из элемента 31 задержки, формирователя 32 импульсов и элемента 33 И, и блоки эап. рета 34 и 35, состоящие соответственно из триггеров 36 и 37.и элементов 38 и 39 И.

Измерение скорости потока осуществляется по предлагаемому способу следующим образом.

После поступления импульса запуска (от таймера, от блока управления, вручную) формируются ультразвуковые зондирующие импульсы, которые одновременно излучаются в исследуемый по. ток по двум траекториям под разными углами к вектору скорости потока, ко. торый необходимо исследовать. Через время ty ультразвуковой импульс,прошедший исследуемый поток, поступает на вход приемника. Далее определяют период принятых ультразвуковых колебаний, сравнивают его с заданным, при их равенстве подсчитывают количество принятых импульсов и после подсчета

1224 заданного количества упомянутых импульсов формируют сигнал приема в момент времени Т, который свидетельствует о том, что ультразвуковой импульо прошел исследуемый поток по пер- g вому направлению. После этого формируют импульс строба, задержанный относительно момента времени Т,,в тече- нии которого разрешается прием ультразвукового импульса, прошедшего через !0 исследуемый поток по второму направлению за время t . После этого опреЮ деляют период принятых ультразвуковых колебаний, сравнивают его с заданным и при их равенстве подсчитывают коли- 1 чество принятых импульсов, после подсчета заданного количества упомянутых импульсов формируют импульс приема в момент времени Т, который свидетельствует о том, что ультразвуковой импульс прошел исследуемый поток по второму направлению. После приема импульсов по двум направлениям формируют переиэлученные импульсы, icoторые переизлучают по другим траек- д ториям — импульс, прошедший по первой траектории, переизлучают по второй и наоборот. На приемной стороне также производят определение и сравнение с заданным периода принятых колебаний, формируют сигналы приема, после чего цикл измерения завершается.

По временным интервалам (Т +Т ) и (Т +Т ) рассчитывается скорость потока по формуле

1 1

=К (— — — — — — --)

Т (+Т Tg +T4 где Т,Т,Т,Т вЂ” времена распространения у,з. импульсов по траекториям

2-11, 1-10, 10-1, 11-2 с задержкой в анализаторе периода.

Устройство работает следующим об-5 разом.

В исходном состоянии триггеры 36 и 37 установлены в нулевое состояние.

По сигналу с хронизатора 4 происходит запуск измерителя 7 временного .интер50 вала и запуск приемопередатчиков 5 и 6, которые обеспечивают возбуждение гидрофонов 1 и 2 одновременно.На приемные гидрофоны на противоположном берегу .ультразвуковые сигналы придут

55 в моменты времени

7г

0+V со

586 4 где С вЂ” скорость ультразвука;

V — скорость потока;

Π— угол между вектором скорости потока и траекторией 1-10 (угол между вектором скорости потока и траекторией 2-11 .выбран в данном частном случае равным 90 ) ..

Расположение гидрофонов выбирается из условия t, t, поэтому первым при любых скоростях потока сигнал приходит на гидрофон 11. С гидрофона 11 сигнал усиливается и формируется приемником 13, с которого импульсы с частотой собственных колебаний гидрофона поступают на селектор импульсов и анализатор периода. Если измеренный период принимаемых сигналов соответствует периоду, записанному в регистре 22, то импульс записывается в счетчик 26 селектора 24 импульсов, в противном случае схема 20 сравнения устанавливает счетчик 26 в ноль. После набора счетчиком заданного числа импульсов они начинают проходить через элемент 28 И на выход селектора импульсов и через блок 34 запрета запускается передатчик 14. Первый импульс, прошедший через блок запрета, запускает элемент 31 задержки блока 30 стробирования и устанавливает триггер 36 в состояние "1", íà его инверсном выходе устанавливается низкий потенциал, который запрещает дальнейшее прохождение сигналов на вход передатчика 14, Через время, элемент 31 задержки запускает формирователь 32 импульсов,который формирует импульс длительностью и . Сигнал, принятый гицрофоном

10 через время С,,попадает в строб и переизлучается гидрофоном 11. При этом работа анализатора 17 периода, селектора 25 импульсов аналогична раооте анализатора 16 периода и селектора 24 импульсов. Спад импульса,прошедшего через элемент 39 И блока 35 запрета, устанавливает триггер 37 в состояние "1", на его инверсном выходе устанавливается низкий потенциал, который запрещает дальнейшее прохождение импульсов на вход передатчика 15. После этого оба блока 34 и 35 запрета закрыты и запуск передатчиков 14 и 15 не может произойти до окончания импульса.строба. Спадом импульса строба триггеры 36 и 37 бло—

;ков 34 и 35 запрета возвращаются в

1224 586 состояние "0", и блоки второго берега готовы к следующему измерительному циклу, Если второй импульс по какой-либо причине не принялся прием5 ником f2, то блоки второго берега все равно устанавливаются в исходное состояние импульсом строба блока 30 страбирования.

Введение операций анализа периода принимаемых ультразвуковых сигналов и формирования импульса приема при достижении заданного числа периодов принимаемого сигнала, а также обеспечение разного времени распространения ультразвуковых сигналов по двум траекториям позволяет зондировать исследуемый поток одновременно в двух направлениях, что уменьшает погрешности ат пульсаций скорости потока и ультразвука. Кроме того, отпадает необходимость в переключении гидрофонов и передаче кодовых сигналов, что упрощает конструкцию прибора и повышает надежность его работы. 25

Формула из обретения

Ультразвуковой способ измерения скорости потока, заключающийся в зондировании исследуемого потока ультразвуковыми импульсами по двум траекториям нод разными углами к век""oóó скорости потока, приеме прошедших «ere3 поток импульсов, переиз- 35 лучении их с одной траектории на другую, приеме переизлученных и прошедших -;ерез поток импульсов, о т л и— ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности измерений, ультра- 40 звуковые импульсы излучают по двум траекториям оцновременно при равенстве периодов ультразвуковых колебаний, прошедших через поток по обеим траекториям, заданному, формируют им- 45 пульс приема, первый импульс приема

neреизлучают, формируют импульс строба, второй импульс приема переизлучают при попадании его в строб, а величину скорости потока определяют по времени распространения ультразвуковых импульсов по двум траекториям, 2. Устройство для ультразвукового измерения скорости потока, содержащее первый и второй гидрофоны, блок измерения и управления, третий и четвертьюй гидрофоны, первый приемник и первый передатчик, о т л и ч а ю— щ е е с я тем, что, с целью повьппения точности измерения, в него введены второй приемник, второй передат чик, первый и второй анализаторы периода, первый и второй селекторы импульсов, первый и второй блоки запрета и блок стробирования, выход управления которого соединен с установочными входами первого и второго блоков запрета, вход управления соединен с выходом второго блока запрета и входом первого передатчика, подключенного выходом к третьему гидрофону и к вхо ду второго приемника, выход которого соединен с входом первого анализатора, периода и с сигнальным входом первого селектора импульсов, подключенного установочным входом к выходу первого анализатора периода, а выходом— к сигнальному входу блока стробирования, сигнальный выход которого соединен с сигнальным входом первого блока запрета, подключенного выходом через второй передатчик к четвертому гидрофону и к входу первого приемника, выход которого соединен с входом второго анализатора периода и с сигнальным входом второго селектора импульсов, установочным входом подключенного к выходу второго анализатора периода, а выходом подключенного к сигнальному входу второго блока запрета.

1224586 т, т т

Составитель М.Абросимов

Техред И.Попович

Редактор Н.Киштулинец

Корректор М.Пожо

Заказ 1939/37 Тираж 705

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4