Ультразвуковой расходомер

 

Использование: измерение расхода жидкостей и газов. Сущность изобретения: устройство содержит приемопередающие преобразователи 1, 2, коммутатор 3, усилитель 4, усилитель 5 мощности, блок 6 управления , фазовый компаратор 7, формирователи 8, 9, интегратор 10, сумматор 11, управляемый генератор 12, дифференциальную цепь 13, блок 14 считывания, блок 15 вычисления расхода, блок 16 памяти и коррекции, компараторы 17, 18, блок 19 формирования скачка, ключ 20, делитель 21 частоты и индикатор 22 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (! 9) (11) (51)5 С 01 F 1 /66

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4780122/10 (22) 21.11.89 (46) 30,06.92. Бюл. N. 24 (71) Куйбышевское специальное конструкторское бюро Научно-производственного объединения "Нефтехимавтоматика" (72) О.Н. Бегельман и А,П Наумчук (53) 681.121 (088.8) (56) Патент США N 4478088, кл. G 01 F 1/66, 1984, Авторское свидетельство СССР

¹ 1483266, кл, G 01 F 1/66, 1989. (54) УЛЬТРАЗВУКОВОЙ РАСХОДОМЕР, (57) Использование: измерение расхода жидкостей и газов. Сущность изобретения: устройство содержит приемопередающие преобразователи 1, 2, коммутатор 3, усилитель 4, усилитель 5 мощности. блок 6 управления, фазовый компаратор 7, формирователи

8, 9, интегратор 10, сумматор 11, управляемый генератор 12, дифференциальную цепь

13, блок 14 считывания, блок 15 вычисления расхода, блок 16 памяти и коррекции, компараторы 17, 18, блок 19 формирования скачка, ключ 20, делитель 2", частоты и индикатор 22.

1 ил, V фь ф

О

1744480

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения расхода жидкостей и газов, Известно устройство измерения скоростей потока с помощью ультразвука, в котором производится зондирование непрерывными ультразвуковыми колебаниями по потоку и против с автоподстройкой частоты излучения, содержащее приемопередающие преобразователи, систему измерения и приема зондирующей частоты.

Недостатком известного устройства является сохраняющаяся зависимость показаний от скорости звука в измеряемой среде, которая выражается в неопределенности числа (n) длин волн ультразвуковых колебаний, укладывающихся в измерительном тра кте..

Наиболее близким к изобретению является фазовый ультразвуковой расходомер, содержащий два приемопередающих пьезопреобрпазователя, подключенных к коммутатору, соединенному с усилителем мощности, с усилителем и блоком управления, фазовый компаратор, блок вычисления расхода и связанный с ним индикатор, блок считывания частот, блок формирования скачка, два формирователя и последовательно соединенные интегратор, сумматор и управляемый генератор, причем первый и второй входы фазового компаратора подключены через формирователи, соответственно к выходам усилителя и усилителя мощности, выход фазового компаратора соединен с входом интегратора, выход управляемого генератора соединен с входом усилителя мощности, выход которого соединен с первым входом блока считывания частот, выходы блока управления соединены с управляющими входами интегратора, блока формирования скачка, блока считывания частот и блока вычисления расхода. вход блока управления соединен с первым выходом блока считывания частот, второй выход которого соединен с блоком вычисления расхода. Показания расходомера не зависят от скорости звука в измеряемой среде и образуются из четырех зондирующих частот, Недостатком известного устройства является большая продолжительность цикла измерения, который состоит из четырех тактов, а именно излучение по потоку с частотой f<, излучение против потока с частотой

fz, излучение по потоку с частотой fr и излу1 чение против потока с частотой fg . При большой скорости изменения расхода показания расходомера не точно отслеживают величину расхода.

Целью изобретения является повышение динамической точности измерения расхода, Указанная цель достигается тем, что расходомер, содержащий два приемопередающих преобразователя. соединенных с коммутатором, выход которого подключен к входу усилителя,. последовательно соединенного с первым формирователем, фазо10 вым компаратором, интегратором, сумматором, управляемым генератором, усилителем мощности, выход которого соединен с коммутатором и вторым формирователем, подключенным выходом к второму входу фазового компаратора, а также содержащий блок формирования скачка и последовательно соединенные блок считывания

55 частот, блок вычисления расхода и индикатор, причем блок считывания частот входом подключен к выходу усилителя мощности, а вторым входом соединен с вторым выходом блока управления, первый выход которого подключен к управляющему входу коммутатора, третий выход — к блоку вычисления расхода, четвертый выход — к второму входу интегратора, а пятый выход — через блок формирования скачка — к второму входу сумматора. снабжен блоком управления, выполненным с восемью выходами, а в устройство введены первый и второй компараторы, входы управления которых подключены к шестому выходу блока управления, дифференцирующая цепь, блок памяти и коррекции, делитель частоты, ключ, сигнальным выходом подключенный к выходу усилителя мощности, управляющим входом — к восьмому выходу блока управления. а выходом — к сигнальному входу делителя частоты, управляющий вход которого соединен с выходом блока считывания частот. а выход — с первым входом блока памяти и коррекции, второй вход которого подключен к седьмому выходу блока управления, третий и четвертый входы — к выходам соответственно первого и второго компараторов, а выход — к второму входу блока вычисления расхода, при этом дифференцирующая цепь подключена входом к выходу интегратора, а выходом — к вторым входам первого и второго

Kov18pBT0poB, первые входы которых соединены с шестым выходом блока управления.

На чертеже изображена блок-схема предлагаемого расходомера.

Расходомер состоит из приемопередающих преобразова телей 1 и 2, подключенных к коммутатору 3, соединенному с усилителем 4, усилителем мощности 5 и блоком управления б, фазового компаратора 7, входы которого подключены через формирователи 8 и 9 соответственно к выходам

1744480 усилителя 4 и усилителя мощности 5, а выход соединен с входом интегратора 10, выход которого соединен через сумматор 11 с управляемым генератором 12 и дифференциальной- цепью 13. Выход управляемого генератора 12 соединен с входом усилителя мощности 5, выход которого соединен с блоком считывания частот 14. Выход блока управления 6 соединены с управляющими входами интегратора 10, блока считывания частот 14, блока вычисления расхода 15, блока памяти и коррекции 16, компараторов

17 и 18, блока формирования скачка 19 и с ключом 20, Выходы компараторов 17 и 18 соединены с вторым и третьим входами блока памяти и коррекции 16, четвертый вход которого соединен с выходом делителя частоты 21, а выход соединен с вторым входом блока вычисления расхода 15, третий вход которого. соединен с выходом блока считывания частот 14, а выход — с индикатором 22, Ключ 20 соединен с усилителем мощности 5 и делителем частоты 21. вход которого соединен с выходом блока считывания частот

14.

Расходомер работает следующим образом.

После включения устройства в работу блок управления 6 запускается на несколько длинных циклов зондирования, при которых управляемый генератор 12 последовательно перестраивается на четы ре частоты зондирования f<, f2, f<, fz за счет подачи управляющего сигнала на блок 19. Непрерывные синусоидальные колебания с выхода управляемого генератора 12 через усилитель мощности 5 и коммутатор 3 подаются на пьезопреобразователь 1 и излучаются по потоку. П ьезоп реоб разо вател ь 2 и реобразует прошедшие через поток ультразвуковые колебания в электрический сигнал, который усиливается усилителем 4, преобразуется в прямоугольные импульсы формирователем 8 и посту ает на первый вход фазового компаратора 7, на второй вход которого поступают прямоугольные импульсы с формирователя 9, сформированные из выходных колебаний усилителя мощности 5.

Выходное напряжение фазового компаратора 7 интегрируется интегратором 10 и через сумматор 11 управляет частотой управляемого генератора 12. Частота управляемого генератора 12 устанавливается равной значению f, при которой разность фаз между излучаемыми и принятыми колебаниями равняется целому числу периодов

Л@= 2 лп, где и — целое число. Эта частота фиксируется в блоке 14 считывания частот по сигналу с блока 6 управления. В момент

t> производится переключение коммутато10

20

30

40

55 ра 3. Ультразвуковые колебания излучаются пьезопреобразователем 2 против потока и принимаются пьезопреобразователем 1.

Управляемый генератор 12 снова настраи5 вается на такую частоту f2, при которой разность фаз между излученными и принятыми колебаниями равняется целому числу периодов, т. е, Лр- = 2 т и. При этом

C+ V

1 =и

C — V 2=п где L — акустическая база;

С вЂ” скорость звука; .

V — скорость потока.

Частота fz также фиксируется в блоке 14 считывания частот по сигналу с блока 6 управления. В следующий момент времени производится обнуление интегратором 10, переключение коммутатора 3 и формирование скачка по сигналу с блока управления 6.

При этом напряжение скачка, подаваемое на сумматор 11, выбрано таким, что управляемый генератор 12 настраивается на часI тоту f< при которой разность фаз колебаний на 2 л меньше Лp+ = 2л (n - 1).

Частота f также фиксируется в блоке 14 считывания частот. Затем в момент 13 производится переключение коммутатора 3. Управляемый генератор 12 настраивается на частоту fy, которая считывается в блоке 14, после чего интегратор 10 обнуляется. При этом

=(п — 1) .C+V

1 (n — 1 )

В блоке 14 считывания частот формируется разность (f> + fz) - (f> + f2 ). После окончания этого цикла во время излучения с частотой

f сигналом с блока управления 6 замыкается управляемый ключ 20 и колебания с частотой f> проходят через делитель частоты

21. на управляющие входы которого подано число (fr+fr )- (f> — f2 ). Таким образом, на выходе делителя частоты 22 присутствует сигнал с частотой

f= —, К где численное значение К = (fq + fz) - (f> + f ).

Полученная частота f фиксируется в блоке памяти и коррекции 16 на реверсивном счетчике в виде цифрового кода, численно равного и. После записи п в блоке памяти и коррекции 16 блок управления переводится в режим зондирования с двумя частотами f> и f2. При этом блок 19 формирования скачка отключается от сум,матора 11, Кроме того, снимается запрещающий уровень напряже1744480 ния с компараторов 17 и 18, который подается с блока управления 6 во время записи числа п в блок 16 памяти и коррекции и во время занулений интегратора 10. В блок 15 вычисления расхода поступает разность f>fz, сформированная в блоке 14 считывания частот, и число п из блока 16 памяти и коррекции, Сигналом из блока управления 6, который вырабатывается, если разность f>—

fz не превышает заданного предела, запускается блок 15 вычисления расхода, который определяется по зависимости

Составитель О.Бегельман

Техред M.Ìoðãåíòàë

Корректор Э.Лончакова

Редактор Н,Швыдкая

За к.аз 2187 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

v — (f> f )

При значительных изменениях скорости ультразвука в среде, например, за счет изменения температуры может произойти переход поддерживаемой разности фаз между излучаемыми и принимаемыми колебаниями с 2_#_п на 2лп(п 1). При этом переходе на интеграторе 10 будет наблюдаться скачок напряжения, причем при переходе с и на и + 1 скачок будет в одну сторону, а при переходе с п на и - 1 — в другую, Дифференцирующую цепь 13 формирует из разнополярных скачков напряжения разнополярные импульсы, которые поступают на неинвертирующий и инвертирующий входы компараторов 17 и 18. Таким образом. каждый компаратор будет формировать на выходе стандартный импульс только в ответ на входной сигнал определенной полярности.

Импульсы с выходов компараторов 17 и 18 поступают на суммирующий и вычитающий входы реверсивного счетчика в блоке 16, на котором хранится число п. При переходе с и на п + 1 единица прибавляется к содержимому реверсивного счетчика, а при переходе с и на и - 1 вычитается. Таким образом, все изменения скорости ультразвука С в пределах постоянного и отслеживается системой фазовой автоподстройки частоты. а при изменении числа периодов с и íà n + 1 производится коррекция показаний изменением числа, записанного в реверсивный счетчик.

Использование предлагаемого устройства позволяет производить измерение расхода, не зависящее от изменений скорости ультразвука в контролируемой среде с вдвое меньшей постоянной времени, что

50 приводит к повышению динамической точности измерения.

Формула изобретения

Ультразвуковой расходомер, содержащий два приемопередающих преобразователя, соединенных с коммутатором, выход которого подключен к входу усилителя, последовательно соединенного с первым формирователем, фазовым компаратором, интегратором, сумматором, управляемым. генератором, усилителем мощности, выход которого соединен о коммутатором и вторым формирователем; подключенным выходом к второму входу фазового компаратора, а также содержащий блок формирования скачка и последовательно соединенные блок считывания частот, блок вычисления расхода и индикатор, причем блок считывания частот входом подключен к выходу усилителя мощности, а вторым входом соединен с вторым выходом блока управления, первый выход которого подключен к управляющему входу коммутатора, третий выход — к блоку вычисления расхода, четвертый выход — к второму входу интегратора, а пятый выход — через блок формирования скачка к второму входу сумматора, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью повышения динамической точности измерения расхода, блок управления выполнен с восемью выходами, а в устройство введены первый и второй компараторы, входы управления которых подключены к шестому выходу блока управления, дифференцирующая цепь, блок памяти и коррекции, делитель частоты, ключ, сигнальным выходом подключенный к выходу усилителя мощности, управляющим входом — к восьмому выходу блока управления, а выходом — к сигнальному входу делителя частоты, управляющий вход которого соединен с выходом блока считывания частот, а выход — с первым входом блока памяти и коррекции, второй вход которого подключен к седьмому выходу блока управления, третий и четвертый входы -к выходам соответ. ственно первого и второго компараторов, а выход — к второму входу блока вычисления расхода, дифференцирующая цепь подключена входом к выходу интегратора, а выходом — к вторым входам первого и второго компараторов, первые входы которых соединены с шестым выходом блока управления.