Автоматический ультразвуковой расходомер

 

Изобретение относится к ультразвуковой технике и может быть использовано в различных отраслях для измерения расхода жидких и газообразных веществ. Целью изобретения является повышение точности измерения. Работа устройства происходит в два такта. Высокочастотный импульс генератора 9 ударного возбуждения через ключ 5 коммутатора 4 поступает на пьезоэлемент 2, который излучает в среду ультразвуковой импульс, проходящий через поток под углом α. Через промежуток времени импульс принимается пьезоэлементом 3, преобразуется в напряжение и поступает на сигнальные входы фазометра 16 и временного дискриминатора 17. На фазометре 16 происходит преобразование временного сдвига Δ Τ после формирования второго высокочастотного импульса между высокочастотными колебаниями, заполняющими сигнальный и опорный импульсы в соответствие со статической характеристикой фазометра 16, имеющего неоднозначность, которая корректируется с помощью временного дискриминатора 17, инвертора 19 и триггеров 20 и 21. В результате в первом такте измерения период следования импульсов управляемого генератора 23 становится равным времени распространения ультразвукового импульса по потоку. Работа устройства во втором такте происходит аналогично первому, но в направлении против потока. Отличие заключается в том, что сигнал с выхода сумматора 18, перестраивающий частоту управляемого генератора 25, дополнительно проходит через управляемый элемент задержки 27, величина которой определяется временным положением переднего фронта импульса, управляющего работой ключа 22 и поступающего с выхода блока 10. Этим обеспечивается одновременность моментов перестройки частоты обоих управляемых генераторов 23 и 25. 4 ил.

СОЮЭ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК дц4 G Ol F 1/66

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А ВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Г з

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (61 ) 7 77438 (21) 40561 54/31 — I О (22) 14. 04 .86 (46) 23.12.89. Бюл. 11 47 (71) Ленинградский институт авиационного прибо рос трое н ия (72) В.М. Кущуль, В. Л. Ropuoa, О,Н. Разов, С. Il. Разов и В. К. Хамидуллин (53) 681.121 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 777438, кл. G Ol F I/66, 1979

Киясбейли А.И ., Измайлов А.M., Гуревич В.М. Частотно-временные ультразвуковые расходомеры и счетчики, М.: Машиностроение, 1984, с. 63.

„.Я0„„1530915 А 2

2 (54) АВТОМАТИЧЕСКИЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ

РАСХОДОМЕР (57) Изобретение относится к ультразвуковой технике и может быть использовано в различных отраслях для измерений расхода жидких и газообразных веществ. 11елью изобретения является повышение точ нос т и изме рения. Работа устройства происходит в два такта.

Высо коч ас то тный импульс генератора 9 ударного возбуждения через ключ 5 коммутатора 4 поступает на пьезоэлемент 2, который излучает в среду ультразвуковой импульс, проходящий через поток под углом al . Через про- межуток времени импульс принимается

1530915 пьезоэлементом 3, преобразуется в напряжение и поступает на сигнальные входы фаэометра 16 и временного дискриминатора 17. На фазометре 16 происходит преобразование временного л сдвига 4 после формирования второго высокочастотного импульса между высокочастотными колебаниями, заполняющими сигнальный и опорный импуль— сы в соответствии со статической характеристикой фазометра 16, имеющего неоднозначность, которая корректируется с помощью временного дискриминатора 17, инвертора 19 и триггеров 20 и 21. В результате в первом такте из— мерения период следования импульсов управляемого генератора 23 становитИзобретение относится к ультразвуковой технике, может быть использовано в различных отраслях народного хо- 25 эяйства для измерения расхода жидких и газообразных веществ и является усовершенствованием изобретения по авт. св. N 777438. цель из об рете ния — повышение точ30 ности измерения за счет снижения параэитной флуктуации выходного сигнала.

На фиг, 1 изображена блок-схема автоматического ультразвукового расходомера; на фиг.2 — временные диаг35 раммы пап ряжений на о тдельных узлах схемы; на фиг . 3 — в ре .е нные диаг раммы напряжений на пьезоэлементах, и статические характеристики <Ьазометра, временного дискриминатора и сумматора; на фиг ° 4 — выходные сигналы управляемых генерато ров .

Автоматический ультразвуковой расходомер содержит два установленных 45 на трубопроводе I пьезоэлемента 2 и

3, соединенных с коммутатором 4,включающьм, например, две пары последовательно соединенных ключей 5, 6 и 7, 8 с подключением выхода ключа 5 к

50 пьезоэлементу 2, а выхода ключа 7 к пьезоэлементу 3, генератор 9 ударного возбуждения, выход которого соединен с входами ключей 5 и 7, блок 10 управления, состоящий, например, из двух ключей 11 и 1 2 и последов ательно 5 соединенных распределителя 13 ячпуль— сов, вход которого подключен к выходам ключей 11и 12 и триггера 14, дося равным времени распространения ультразвукового импульса по потоку.

Работа устройства во втором такте происходит аналогично первому, но в направлении против потока ° Отличие заключается в том, что сигнал с выхода сумматора 18, перестраивающий частоту управляемого генератора 25, дополнительно проходит через управляемый элемент 27 задержки, величина которой определяется временным положением переднего фронта импульса, управляющего работой ключа 22 и поступающего с выхода блока 10. Этим обеспечивается одновременность моментов пе рес тройки частоты обоих управляемых г енераторов 23 и 25. 4 ип. полнительный ключ 15, включенный на выходе генератора 9 ударного возбуждения, фазометр 16 и временной дискриминатор 17, сигнальные входы кото рых подключены к выходам ключей 6 и

8, а опорные входы — к выходу дополнительного ключа 15 выход фазометра соединен с одним из входов сумматора

18, а выходы временного дискриминатора 17 соединены с входом инвертора 19 и единичным входом триггера 20, выход инвертора 19 подключен к нулевому входу триггера 21, выход которого так же, как и выход триггера 20, подключен к входу сумматора IS, Кроме того, расходомер содержит две цеп и, одн а из кото рых со с то ит из последовательно соединенных ключа 22 и управляемого генератора 23, вторая — из последовательно соединенных ключа 24, управляемого генератора 25, которые включены на выходе сумматора

18, выходы управляемых генераторов 23 и 25 подключены к входам частотомера

26 и ключей 11 и 12 блока 10 управления, во вторую цепь между выходом ключа 24 и входом управляемого генератора 25 включен управляемый элемент 27 задержки, управляющий вход которого соединен с управляющвк входом ключа 22 другой цепи. Выход I блока 10 управления подключен к управляющим входам ключей 6, 7, 11 и

24, выход 2 подключен к управляющим входам ключей 5, 8, 12 и 22, выход

3 — к нулевому входу триггера 20 и единичному входу триггера 21 выход — 1530915

4 - к управляющему входу временного дискриминатора 17, выход 5 — к управляющему входу ключа 15, выход 6 — к входу генератора 9 ударного возбуждения.

Автоматический ультразвуковой расходомер работает следующим образом.

При изменении скорости потока Ч (фиг. 2) происходит например увеЭ е

I0 личение скорости ультразвука по потоку С + Ч cos 1 и уменьшение против потока С вЂ” V сов, где С вЂ” скорость ультразвука в неподвижной среде, а(— угол между векторами С и Ч. Измерение l5 расхода (скорости V) устройством осуществляется в два такта. В одном такте происходит измерение и преобразование в частоту скорости ультразвука по потоку, а в другом такте — измерение и преобразование в частоту ско" рости ультразвука против потока, разность указанных частот пропорциональна измеряемой величине скорости потока V, 25

Пусть триггер 14 блока 10 управления находится в таком состоянии, что напряжением 1114(а) (Фиг. 2) с выхода 2 открыты ключи 5 и 8 коммутатора 4 и ключи 22, 12,,на входе и выходе управляемого генератора 23. Выходным сигналом "!" триггера 14 ключи 6, 7, 24 и 11 заперты. Таким образом, следящая автоматическая система подклю. чена для измерения скорости ультра-: звука по потоку. Импульсы U 9 управ ляемого генератора 23, осуществляющие коммутацию выходов блока 10 управления через ключ 12, поступают на вход распределителя 13 импульсов. Допустим, что максимальное количество

40 импульсов в этом такте равно семи.

При поступлении на вход распределителя 13 импульсов второго импульса на его выходе 6 воз никает сигнал, запускающии генератор 9 ударного воз45 буждения, и Формируется импульс напряжения 09, заполненный высокочастотным напряжением, Фаза которого жестко связана с передним фронтом жпульса.

Одновременно с этим с выхода 4 распределителя 13 импульсов поступает импульс U< (4), который подготавливает к работе временной дискриминатор

17. Высокочастотный импульс генератора 9 ударного возбуждения через

55 ключ 5 коммутатора 4 поступае г на пьезоэлемент 2 (фиг.2, сигнал Ug) который излучает в с реду ультразвуковой импульс, проходяший через поток среды под углом o(. Импульс принимается пьезоэлементом 3 через промежуток времени 1/С + Ч сов И, где 1 — расстояние между пьезоэлементами 2 и 3 °

Импульс напряжения U> с пьезоэлемента 3 через ключ 8 подается на сигнальные входы фазометра 16 и временного дискриминатора 17. Третьим импульсом управляемого генератора 23 формируется с выхода 5 распределителя

13 импульс напряжения U<(5), который открывает ключ 15. При этом одновременно по сигналу с выхода 6 распределителя 13 ьипульсов генератор 9 ударного возбуждения формирует второй высОкОчастОтныи импульс 1)9 пОступающий через открытый ключ 15 на опорные входы фазометра 16 и временного дискриминатора 17. На фазометре 16 происходит преобразование временного сдвига дС (фиг.3а) между высокочастотными колебаниями, заполняющими сигнальный и опорный импульсы в напряжение U в соответствии со стати16 ческой характеристикой фазометра 16

f (g<), приведенной на фиг.36.

Статическая характеристика фаэометра

16 имеет неоднозначность, которая корректируется с помощью временного дискриминатора 17, инвертора 19 и триггеров 20 и 21 Во временном дискриминаторе 17 осуществляется преобразование сдвига времени д в импульс напряжения U амплитуда которого

О пропорциональна д ь (фиг.36) .

Импульс Б„положитель ной полярности с первого выхода временного дискриминатора 17 поступает на единичный вход триггера 20, что переводит его в другое устойчивое состояние, в результате формируется передний фронт импульса U Если ыкпульс U отрицательной полярности, то с второго выхода временного дискриминатора 17 импульс U,q поступает на нулевой вход триггера 21 через инвертор 19. Совмещенная релейная характеристика триггера 20 и триггера 21 с ннвертог ром 19 приведена на фиг.Зв. Для стыковки характеристик Фазометра 16 (фиг.36) и релейной необходимо, чтобы порог срабатывания триггера 20 ипи 21 бып меньшим, чем максимальный выходной сигнал U Фазомет.ра 16.

ic

Сигналы с фаэометра 16 и триггера 20 или 21 поступают на сумматор 18. Зависимость выходного сигнала суммато)530915 ра от входной величины дь (фиг.3г) не имеет неоднозначности, Выходной сигнал сумматора 18 через ключ 22 осуществляет сначала грубую подстройку периода следования импульсов управ5 ляемого генератора 23 в сторону уменьшения выходного сигнала временного дискриминатора 17 до величины порога срабатывания триггера 20 или

21, а затем производится точная подстройка управляемого генератора таким образом, чтобы уменьшить выходной сигнал фаэометра до нуля. В результате в первом такте измерения пе- ) 5 риод следования импульсов управляемого генератора 23 Туз становится равным времени распространения ультразвукового ичпульса по потоку 1/(С +

+ Vcos o(), а частота следования этих О

) C+Vcos е( импульсов равна F

23 т тз

При поступлении на вход распределителя )3 импульсов седьмого импульса управляемого генератора 23 триг- 25 гер 20 импульсом с выхода 3 устанавливается в исходное состояние и Аормируется задний фронт ипульса U,à йв триггер 14 переходит в другое устойчивое состояние. При этом элементы 3О расходомера переключаются в режим работы с преобразованием скорости ультразвука против потока С вЂ” Vcos Ы в частоту импульсов управляемого генератора 25.

Работа устройства во втором такте измерения происходит аналогично первому. Отличие заключается в том, что сигнал с выхода сумматора 18, перестраивающий частоту управляемого re- 4p нератора 25, дополнительно проходит через управляемый элемент 27 задержки. Вносимая задержка определяется временным положением переднего фронта ичпульса, управляющего работой ключа 45

22 и поступающего с второго выхода блока 10. Этим обеспечивается одновременность моментов перестройки частоты обоих управляемых генераторов

23 и 25.

В предлагаемом устройстве обеспечивается уменьшение паразиткой флуктуации выходного сигнала расходомера, что по ясн яе тс я на фиг. 4, где из ображены временные зависимости выходных сигналов генераторов 23 и 25 без элемента 27 задержки (фиг.4а) и при наличии этого элемента (фиг.4 б).

В результате, во втором такте измерения происходит точная подстройка периода следования импульсов генератора 25 Т, коТорый становится равным времени распространения ультразвуковых импульсов против потока

1/С - Vcosd, а частота следования им1 С-Vcos Ы пульсов равна F

7 5 1

Частотометр 26 измеряет разность частот импульсов на выходах генераторов 23 и 25, значение которой пропорциональноно с ко рос ти по тока среды, и не содержит паразитных флуктуаций, обусловленных импульсным режимом работы измерительной схемы предлагаемого расходоме ра.

Формула изобретения

Автоматический ультразвуковой расходомер по авт. св. 9 777438, о т л и ч а ю ш и и с я тем, что, c иелью повьш ения точности измерения расхода, он снабжен управляемым элементом задержки, включенным между выходом ключа и входом управляемого генератора одной иэ цепей управления re".. нератором, а управляющий вход управляемого элемента задержки соединен с управляющим входом ключа другой цепи.

1530915

1530915 i23

F26

Ы = з -

У-"Fg3-F фиа 9

Составитель 11.Абросимов

Редактор А.Хотьль Техред Л. Сердюкова

Корректор Т.Палий

Заказ 7942/41 Тираж 660 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям н открьггиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат Патент, r. Ужгород, ул. Гагарина, 101