Ультразвуковой расходомер

 

Использование: в ультразвуковой технике для измерения расхода жидких и газообразных сред. Сущность изобретения, устройство содержит два обратимых ультразвуковых преобразователя, коммутатор, ключ, три делителя, задающий генератор, дешифратор, триггеры, три элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, усилитель-органичитель, формирователь опорных сигналов, четыре элемента совпадения, формирователь задержки, кварцевый генератор. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 F 1/66

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ (21) 4938175/10 (22) 20.05.91 (46) 30.07.93, Бюл. № 28 (71) Красноярский политехнический институт и Научно-производственное объединение измерительной техники (72) С.В.Чепурных, М,К.Чмых, В,M.Ñàçîíîâ и В.А.Чернышев (73) Научно-производственное объединение измерительной техники (56) 1. Авторское свидетельство СССР

¹ 162335, кл. 6 01 Р 1/66, 1963.

2. Авторское свидетельство СССР

N 1245887, кл. G 01 F 1/66, 1984.

Изобретение относится к ультразвуковой технике и может быть использовано в различных отраслях техники для измерения жидких и газообразных веществ, В основу настоящего изобретения была положена задача создания ультразвукового расходомера, позволяющего уменьшить погрешность измерения, обусловленную наложением на сигналы приема паразитных сигналов многократных отражений от стенок трубопровода, а также добиться более полного использования информации сигнаfIB посылки.

Целью изобретения является повышение точности.

Такое выполнение заявляемого устройства позволяет добиться поставленной задачи, а именно. уменьшить погрешность измерения, обусловленную наложением на сигналы приема паразитных сигналов многократных отражений от стенок трубопровода, а также добиться более полного использования информации сигнала посыл„„5U 1831655 АЗ (54) УЛЬТРАЗВУКОВОЙ РАСХОДОМЕР (57) Использование: в ультразвуковой технике для измерения расхода жидких и газообразных сред. Сущность изобретения: устройство содержит два обратимых ул ьтразвуковых преобразователя, коммутатор, ключ, три делителя, задающий генератор, дешифратор, триггеры, три элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, усилитель-органичитель, формирователь опорных сигналов, четыре элемента совпадения, формирователь задержки, кварцевый генератор. 1 з.п. ф-лы, 7 ил. ки, что ведет к повышению точности измерения, Далее изобретение поясняется описанием конкретного примера его осуществления и прилагаемыми чертежами на которых: структурная схема ультразвукового расходомера приведена на фиг. 1; эпюры напряжения, поясняющие принцип работы расходомера, приведены на фиг. 2; принцип формирования фазовой характеристики фазометра приведен на фиг. 3; структурные схемы формирователя опорных сигналов с первым делителем частоты приведены на фиг. 4; второго делителя частоты с дешифратором — на фиг. 5; вычислительного блока— на фиг, 6; на фиг. 7 — блок-схема алгоритма работы вычислительного блока, Предлагаемое устройство ультразвукового расходомера (фиг, 1) содержит два обратимых электроакустических преобразователя 1 и 2, подключенных через коммутатор 3 к первому (сигнальному) входу фазометра 4 и выходу ключа 5, первый вход! а CQ

| ы й! о! ц.

» м

1831655 ф= К вЂ” -, rae

Х

Х1 +Х2

55 которого через первый элемент ИСКЛЮЧА. ЮЩЕЕ ИЛИ 6 и первый делитель 7 частоты соединен с задающим генератором 8; второй делитель 9 частоты через дешифратор

10 подключен к второму входу ключа 5 и входу установки управляемого триггера 11, входу управления коммутатора 3, а также второму входу первого элемента 6 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и четвертому входу (управления) вычислительного блока 12, связанному входами 1 и 2 (данных) со счетчиком 13 интервала задержки и вторым выходом фазометра 4, первый элемент 14 совпадения, выход которого подключен к входу счетчика 13 интервала задержки, первый вход — к выходу управляемого триггера

11 и третьему входу (пуска) фазометра 4, а второй вход — к четвертому выходу (квантования) фазометра 4, вход сброса управляемого триггера 11 подключен к первому (сигнальному) выходу фазометрэ 4.

Фазометр 4 содержит усилитель-ограничитель 15, вход которого является первым (сигнальным) входом фазометра 4, э выход — первым (сигнальным) выходом фэзометра

4, второй 16 и третий 17 элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, первые входы которых подключены к выходу усилителя-ограничителя

15, вторые входы — к формирователю 18 опорных сигналов, а выходы — к первым входам второго 19 и третьего 20 элементов совпадения, выходы которых подключены ко входам второго 21 и третьего 22 счетчиков, выходы которых являются выходами данных фазометра 4, квантующий генератор 23, выход которого является выходом квантования фазометра 4 и подключен ко второму входу четвертого элемента 24 совпадения, выход которого подключен ко вторым входам второго и третьего элементов

19, 20 совпадения и входу третьего делителя

25 частоты, выход которого подключен ко входу сброса второго управляемого триггера 26, вход установки которого через формирователь 27 задержки подключен ко входу пуска фазометра 4, выход второго управляемого триггера 26 подключен к первому входу четвертого элемента 24 совпадения и является выходом времени измерения фэзометра 4, вторым сигнальным входом которого является вход формирователя 18 опорных сигналов.

Первый делитель 7 частоты выполнен в виде последовательно соединенных счетных триггеров 28, 29, а формирователь 18 опорных сигналов.реализован двумя Отриггерами 30, 31, синхровходы которых подключены ко входу счетного триггера 28, О-вход триггера 30 — к выходу счетного триггера 29, О-вход триггера 31 — к выходу О5

35 триггера 30, являющемуся как и вход Т-триггера 31 выходами формирователя 18 опорных сигналов (фиг. 4).

Второй делитель 9 частоты представляет собой N-разрядный двоичный делитель частоты, два старших разряда которого подключены к 5 элементу 32 совпадения дешифрэтора 10, выход пятого элемента 32 совпадения является третьим выходом дешифратора 10, шестой элемент 33 совпадения подключен к последующим младшим разрядам второго делителя 9 частоты, выход шестого элемента 33 совпадения является первым выходом дешифратора 10 (фиг. 5).

Вычислительный блок 12 содержит микропроцессорный модуль 34, связанный по шинам адреса и данных с оперативным запоминающим устройством 35, постоянным запоминающим устройством 36, первым и вторым интерфейсами 37, 38, вторым дешифратором 39 и контроллер 40 прерываний (фиг, 6).

Расходомер работает следующим образом.

Принцип действия ультразвукового расходомера основан на измерении разности времен прохождения радиоимпульсов через движущуюся жидкость в двух противоположных направлениях, С целью повышения чувствительности расходомер использует фазовый принцип измерения, в котором измеряется разность фаз

Ар между сигналами приема, а величина расхода вычисляется по формуле х1, х2, — величины задержек посылок радиоимпульсов по течению и против течения движущейся жидкости в трубопроводе;

К вЂ” коэффициент, учитывающий параметры трубопровода, скорость и угол распространения ультразвука.

Формирование импульсов посылок осуществляется ключом 5. На первый вход ключа 5 поступают сигналы заполнения с частотой F, формируемой от задающего генератора 8, имеющего частоту f = 4F, первым делителем 7 частоты и первым элементом 6 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, Нэ второй вход ключа 4 с первого выхода дешифратора 10, подключенного ко второму делителю 9 частоты, поступают видеоим1831655 пульсы посылок, определяющие длительность радиоимпульсов и период их следования (фиг, 2а).

Схема реализации дешифраторэ 10 и его подключение к второму делителю 9 частоты показаны на фиг. 5. Дешифратор 10 содержит два элемента совпадения: пятый элемент 32 совпадения и шестой элемент 33 совпадения.

Коммутатор 3 служит для поочередной подачи импульсов посылок на обратимые электроакустические преобазователи 1, 2.

Для этого на вход управления коммутатора

3 подаются сигналы со второго выхода дешифратора 10 (фиг.2, б) . Сигнал стретьего выхода дешифратора 10 подается на второй вход первого элемента б ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ

ИЛИ и служит для управления фазой сигнала заполнения радиоимпульсов (фиг. 2в).

При воздействии этого сигнала первый элемент 6 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ в каждом четвертом импульсе посылки изменяет фазу сигнала заполнения на 180 . Это приводит к тому, что два соседних отсчета фазы

Ар будут иметь равные по модулю значения погрешностей, обусловленных наложением сигнала приема и паразитных сигналов отражения, но противоположные по знаку. А поскольку результирующий отсчет сдвига фаз берется за два такта изменения. то указанная погрешность будет скомпенсированэ. На фиг. 2г, д показаны эпюры напряжений сигналов с обратимых ультразвуковых преобразователей 1, 2, В усилителе-ограничителе 15 фазометра 4 импульсы приема селектируются и усиливаются. Длительность импульсов, формируемого управляемым триггером 11, соответствует измеряемой задержке г1 и гг(фиг. 2е). В элементе 14 совпадения эти временные интервалы квантуются импульсами высокой частоты, поступающими с квантующего генератора 23 фазометра 4, а счетные импульсы подсчитываются счетчиком 13 интервала задержки. По истечении некоторого интервала времени, определяемого формирователем 27 задержки, переключается второй управляемый триггер 26, формирующий времяизмерительный строб

Т для измерения фазовых сдвигов (фиг. 2ж).

Указанная задержка при измерении фазовых сдвигов необходима для исключения первых периодов сигнала приема, которые могут внести дополнительную погрешность измерения, обусловленную переходными процессами в тактах ультразвуковых преобразователей 1, 2. Длительность времяизмерительного строба задается третьим делителем 25 частоты. на который через от5

l5

55 крытый четвертый элемент 24 совпадения поступают импульсы с квантующего генератора 23. В течение длительности времяизмерительного строба осуществляется квантование фазовых интервалов, поступающих от второго и третьего элементов 16, 17

ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ на второй и третий элементы 19 и 20 совпадения, а счетные импульсы подсчитываются вторым и третьим счетчиками 21, 22. Второй и третий 16, 17 элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ реализуют преобразователи фаза-интервал времени с перекрытием. На первые входы этих элементов поступают измеряемые сигналы приема с усилителя-ограничителя 15. а на другие — сигналы с формирователя 18 опорных сигналов, содержащем два D-трипера

30, 31, подключенные к счетным триггерам

28, 29 первого делителя 7 частоты (фиг. 4).

Эти сигналы представляют собой две импульсные последовательности типа "меандр" с частотой F и сдвинутые друг относительно друга на 90О. В результате этого фазовые характеристики p Ug p фазовых преобразователей нэ второй и третьем элементах 16, 17 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ смещены на этот угол. Фазовая характеристика преобразователя на базе элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ представляет собой периодическую (с периодом 360 ) треугольную функцию с вершиной, соответствующей

180О. Указанная функция от 0 до 180 линейно возрастает, а от 180 до 360 — линейно убывает. Это приводит к неоднозначности отсчета в диапазоне 0 — 360О, либо +. 180".

Кроме этого, при отсутствии симметри:, ограничения сигналов в усилителе-ограничителе, что имеет место практически в большинстве случаев, фазовая ха,:актеристика преобразователя имеет зоны нзчувствительности в районе "0" и "180" — так называемые "мертвые зоны". Для исключения указанных недостатков с помощью алгоритмической обработки в вычислительном блоке 12 формируется результирующая характеристика (например, в диапазоне + 180, используя четыре, указанных на фиг. 36, участка характеристик

p us u p uc, K0Topble находятся вне Мертвой зоны". Вычисление фазового сдвига нэ каждом участке производится в соответствии с анализом кодов, поступающих с измерительных счетчиков. Первый участок результирующей характеристики (при

p us < 0,25) соответствует p„=-pÄ,0,25, второй (при p» > 0,75) соответствует р, =p„- 0,25, третий (при p„, < 0.25) соответствует pu = +g — 0,25), че1вертый

1831655

15

30

40

50 (при рц > 0,75) соответствует pu = -(ро +

+ 0,25).

На фиг. 6 приведена структурная схема вычислительного блока. Съем измерительной информации вычислительным блоком

12 осуществляется по концу времяизмери-. тельного строба, который приходит на контроллер прерываний 40. При этом поочередно, по команде с дешифратора 39 информационные входы о временной задержке и фазе поступают через первый и второй интерфейс 37, 38 в оперативное запоминающее устройство 35. Программа обработки кодов хранится в постоянном запоминающем устройстве 36. Блок- схема алгоритма работы вычислительного блока

12 приведена на фиг. 7. Выдача результирующего отсчета î расходе синхронизируется сигналом с третьего выхода дешифратора

10.

Таким образом, использование предложенного устройства позволяет уменьшить погрешность измерения, обусловленную наложением на сигналы приема паразитных сигналов многократных отражений от стенок трубопровода. Кроме этого, использованный в ультразвуковом расходомере, фазометр повышает точность измерения за счет более полного использования информации сигнала посылки.

Устройство может быть использовано в различных отраслях техники для измерения жидких и газообразных веществ, Формула изобретения

1, Ультразвуковой расходомер, содержащий два обратимых электроакустических преобразователя, подключенных через коммутатор к первому входу фазометра, ключ, выход которого подключен к коммутатору, задающий генератор с подключенным к нему первым делителем частоты, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения точности, в него введены последовательно соединенные первый элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ .ИЛИ, второй делитель частоты, дешифратор, управляемый триггер, первый элемент Совпадения, счетчик интервала задержки и вычислительный блок, вторым и третьим входами связанный с соответствующими выходами фазометра, а четвертым входом — с третьим выходом дешифратора и вторым входом первого элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ,. первым входом связанного через первый делитель частоты с задающим генератором, а выходом с первым входом ключа, второй вход которого связан с первым выходом дешифратора, вход сброса управляемого триггера подключен к первому выходу фазометра, а выход — к третьему входу фазометра, второй вход первого элемента совпадения подключен к четвертому выходу фазометра, второй вход которого подключен к выходам первого делителя частоты, при этом второй выходдешифратора подключен к входу управления коммутатора.

2. Расходомер поп.1,отл ича ю щи йс я тем, что фазометр состоит из усилителя- . ограничителя, второго и третьего элементов

ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, второго, третьего и четвертого элементов совпадения, второго и третьего счетчиков, формирователя опорных сигналов, квантующего генератора, третьего делителя частоты, формирователя задержки и второго управляемого триггера. выход которого является третьим выходом фазометра. и подключен к первому входу четвертого элемента совпадения, второй вход которого подключен к выходу квантующего генератора, являющемуся четвертым выходом фазометра, а выход — к вторым входам второго и третьего элементов совпадения и входу третьего делителя частоты, выход которого подключен к входу сброса второго управляющего триггера, вход установки которого через формирователь задержки подключен к третьему входу фазометра, вход усилителя-ограничителя является первым входом фазометра, а выход — первым выходом фазометра, который подключен к первым входам второго и третьего элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выходы которых подключены к первым входам второго и третьего элементов совпадения, выходы которых подключены к входам второго и третьего счетчикОв, выходы которых являются вторым выходом фазометра., второй вход фазометра подключен к формирователю опорных сигналов, выходы которого подключены к вторым входам второго и третьего элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ.

1831655

1831655

1831655

1831655

Составитель В.Чернышев

Техред M,Моргентал Корректор Т.Вашкович

Редактор

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

Заказ 2549 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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