Устройство для измерения скорости потока жидкости и газа

 

пп 552559

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз ОоветскнхСоциалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 25.08.75 (21) 2168726/24 с присоединением заявки № (23) Приоритет

Опубликовано 30.03.77. Бюллетень № 12

Дата опубликования описания 07.04.77 (51) М. Кл.-" G 01Р 5, 00

Государственный комитет

Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий (53) УДК 531,767(088.8) (72) Автор изобретения (71) Заявитель

Г. С. Рыбин

Центральное конструкторское бюро гидрометеорологического приборостроения (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ

ПОТОКА ЖИДКОСТИ И ГАЗА

Изобретение относится к приборам, измеряющим скорость потока жидкости или газа с помощью передачи звуковых волн через измеряемую среду в двух взаимопротивоположных направлениях.

Известные устройства можно разделить на два класса. К первому классу относятся устройства, показания которых зависят от скорости распространения звуковых волн в среде.

Так, например, известно устройство для измерения скорости потока, где используется одновременное излучение звуковых волн с одной пары излучателей, которые в следующий момент времени используются как приемники, Скорость потока определяется по временному сдвигу между ультразвуквыми сигналами после прохождения движущейся среды в двух взаимопротивоположных направлениях. В данном приборе не предусмотрена компенсация влияния скорости звука на результат измерения. Поэтому устройства данного типа имеют узкую область применения, только для сред, параметры которых (температура, плотность и т. д.) меняются в небольшом диапазоне.

Известны устройства, в которых компенсируется влияние скорости звука на результат измерения. В этих устройствах имеются две автоколебательные системы с запаздывающими акустическими обратными связями, в каждой из которых выход приемника подключен к входу передатчика. О величине скорости потока судят по разности частот двух автоколебательных систем.

Устройства характерны своей простотой, но практически реализовать на них достаточную точность оказалось невозможным, так как они предъявляют жесткие требования к стабильности расстояний от приемников до излучателей и к стабильности временных задержек в

10 электрических цепях.

Наиболее близким по технической сущности к занному решению является устройство, содержащее электроакустические преобразователи, соединенные соответственно с первым и

15 вторым передатчиком, первый вход приемника соединен с одним из электроакустических пре образователей, выход — с входом триггера, первый выход которого подключен к первому входу первого элемента И, и реверсивный

2 счетчик.

Данные о скорости получают из измерения разности времени прохождения акустического сигнала, который проходит путь между электроакустическими преобразователями сначала

25 в одном, а затем в другом направлении. Интервал времени прохождения акустического сигнала в одном направлении заполняется частотой с генератора синхронизирующих импульсов, количество импульсов регистрирует30 ся на реверсивном счетчике, при прохождении ультразвукового сигнала в другом направлении эти импульсы вводятся в счетчик с противоположным знаком. Чтобы частично исключить влияние скорости звука на результат измерения, частота генератора синхронизирующих импульсов изменяется пропорционально квадрату температуры окружающей среды.

Управление частотой осуществляет терморезистор. Последовательность работы устройства определяется схемой управления.

В описании устройства приведено выражение для разности времени прохо>кдения ультразвукового сигнала в двух взаимопротивоположных направлениях

2lv cos 8

1 ф 1 где 1 — расстояние между электроакустическими преобразователями; 20

v — скорость потока; с — скорость звука;

0 — угол между наплавлением вектора скорости потока и прямой, соединяющей электроакустические преобразователи.

Данное выражение не учитывает временные задержки в электрических цепях усилителей, которые могут быть вызваны как нестабильностью самих задержек, так и неоднозначностью определения времени прихода сигнала в пределах длительности фронта импульса. С учетом задержек в электрических цепях, а о также считая, что 0=180, а — ((1, выражение (1) принимает вид

Ы=- — +(=, —,), 2

С2 где т1 — временная задержка в первом усили- 40 теле; т — временная задержка во втором усилителе, откуда

С (-1 — -. 9) С

21 2l обозначим Ло — погрешность измерения

4v= с = с = " с, (2) 50

2I 2L 1 где Лт — нестабильность временных задержек т1 ит, Таким образом, нестабильность временных задержек в электрических цепях приводит к погрешностям измерения скорости, смещающим ноль прибора (начало отсчета).

Другой фактор, приводящий к погрешности измерения скорости,— это неполная компенсация влияния скорости звука на результат 00 измерения.

В устройстве для компенсации влияния скорости звука на результат измерения скорости потока используется генератор, частота которогО изменяется с изменением температуры, 65 что ие дает полной компенсации, так как скорость звука зависит не только от температуры, но также от влажности, плотности среды и т. д.

К тому же трудно реализовать зависимость частоты генератора синхронизирующих импульсов, повторяюи1ук> зависимость скорости звука от температуры, что также приводит к дополнительным погрешностям.

Цель изобретения, — уменьшение погрешности измерения путем использования одного приемника, т. е. повышение точности измерения.

Это достигается тем, что в устройство введены умножитель частоты и второй элемент

И, причем второй вход приемника соединен с другим электроакустическим преобразователем, выход приемника подключен к второму входу первого элемента И и к первому входу второго элемента И, второй выход триггера соединен с вторым входом второго элемента И и первым входом реверсивного счетчика, к второму входу которого подключен первый выход триггера, выход первого элемента И— с входом первого передатчика и через умножитель частоты с третьим входом реверсивного счетчика, выход второго элемента И вЂ” с входом второго передатчика.

На чертеже представлена блок-схема устройства для измерения скорости потока жидкости и газа.

Устройство содер>кит электроакустическиг преобразователи 1, 2, которые преобразую электрические сигналы в ультразвуковые ь наоборот, ультразвуковые сигналы в элек трические. Электроакустические преобразователи 1, 2 соединены с выходами передатчиков

3, 4, с которых подаются импульсы возбуждения, и с входами приемника 5, который усиливает и формирует принятые электроакустическими преобразователями сигналы. 1риггер 6 с помощью элементов И 7 и 8 осуществляет поочередное переключение выхода приемника 5 на вход передатчиков 3, 4, для чего выход приемника соединен с входами элементов И и триггера, выходы триггера — с другими входами элементов И, а выходы элементов И— с входами соответствующих передатчиков.

Выходы триггера 6 подключенный также к управляющим входам реверсивного счетчика

9. Реверсивный счетчик измеряет разность временных интервалов прохождения ультразвуком по направлению потока и против и осредняет данное измерение за время соединения. Чтобы результат измерения скорости потока не зависел от скорости звука, реверсивный счетчик заполняется через умножитель частоты 10 импульсами с элемента И 7, частота повторения которых пропорциональна скорости звука. Величина коэффициента умножения умножителя частоты 10 определяется необходимой точностью измерения.

Устройство имеет два выхода, выход элемента И 7 (или элемента И 8) — выход вели552559

N= осР

k t

Т,= с вЂ

40 чины скорости звука, выход реверсивного счетчика — выход величины скорости потока.

Устройство работает следующим образом.

Предположим, что триггер 6 находится в состоянии, когда разрешение имеется на элементе И 7, тогда импульс с приемника 5, проходит на запуск передатчика 3, который возбуждает эле« тро«««<устический преобразователь 1, Концом импульсов триггер 6 меняет свое состояние, и разрешение появляется на элемент И 8. Ультразвуковой импульс с электроакустичсского преобразователя 1, если скорость потока направлена от электроакустического преобразователя 1 к преобразователю 2, прихочит к электроакустическому преобразователю 2 через время

Т,=

> с-!- о где 1 — расстояние между электроакустичес кими преобразователями; с — скорость звука;

v — скорость потока, Принятый приемником 5 сигнал усиливается и формируется и теперь через открытый элемент И 8 запускает передатчик 4, с которого импульс подается на электроакустический преобразователь 2, а концом импульса меняется состояние триггера. С электроакустического преобразователя 2 ультразвуковой импульс приходит к электроакустическому преобразователю 1 черсз время

Принятый приемником 5 сигнал теперь через открытый элемент И 7 поступает на запуск передатчика 3, и все повторяется снова.

Если теперь обратить внимание на частоту повторения импульсов на выходе любого элемента И, то она будет

1 с - — v

Т«, Т, 2(с если скорость vнезначительна,,то частота f пропорциональна скорости звука. Реверсивный счетчик 9 переключается с режима суммирования на режим вычитания и, наоборот, одновременно с изменением состояния триггера 6, т. е. через интервалы Т«и Т2. 3а время

Т2 в реверсивный счетчик записывается п> импульсов, п — kf T>. Из этого результата за время Т, вычитается и, импульсов, n« — — Я Т„тогда в реверсивном счетчике остается результат

n=-n, — п, =kf{T,— Т,).

3а время осреднения tccp количество таких разностей p=ftocp> а общий результат на счетчике

N n° . p k. f (Т2 — 7,) f toe .

Подставив значение Т, T«и f, получим

N == — "Р- 1 — — v, !

65 учитывая, что В0 многих случаях с >«« велнчи/v«

««o««(— ) по с! зннению с единицей можно пре«,с) небречь, тогда т, е. показания счетчика пропорциональны скорости потока. Умножитель 10 умножает частоту повторения импульсов на выходе элемента И 7 на постоянный коэффициент, так ка» непосредственно с выхода элемента И 7 на вход реверсивного счетчика 9 подавать импульсы нельзя ввиду того, что частота повторения импульсов на выходе элемента И и частота переключения реверсивного счетчика из режима суммирования в режим вычитания одинаковы.

Наличие в схеме только одного приемника позволило исключить составляющую погрешности измерения, вызванную неидентичностью временных задержек сигналов в приемниках.

Величина названной погрешности в прототипе может достигать значительной величины, например, если величина базы 1=0,2 м, неидентичность временных задержек (длительность фронта импульса) Лт=1 мкс, скорость звука в воздухе 330 м/с, то погрешность измерения согласно выражению (2) составит =с i «0- .!0

Av - — =, =0,5 м/с.

1-1аличие в устройстве триггера и двух элементов И дало возможность на двух электроакустических преобразователях получать величину скорости потока и скорости звука, тем самым исключить влияние скорости звука на результат измерения скорости потока.

Формула изобретения

Устройство для измерения скорости потока жидкости и газа, содержащее электроакустические преобразователи, соединенные соответственно с первым и вторым передатчиком, первый вход приемника подключен к одному из электроакустических преобразователей, выход соединен с входом триггера, первый выход которого подключен к первому входу первого элемента И, и реверсивный счетчик, о т л и ч аю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения, в устройство введены умножнтель частоты и второй элемент И, причем второй вход приемника соединен с другим электроакустическим преобразователем, выход приемника подключен к второму входу первого элемента И и к первому входу второго элемента И, второй выход триггера соединен с вторым входом второго элемента И и первым входом реверсивного счетчика, к второму входу которого подключен первый вь«хоч, триггера, выход первого элемента И соединен с входом первого передатчика и через умножитель частоты подключен к третьему входу реверсивного счетчика, выход второго элемента И соединен с входом второго передатчика, Я2559

Составитель Н. Лысенко

Корректор Л. Орлова

Редактор И. Грузова

Техред А. Камышникова

Типография, пр. Сапунова, 2

Заказ 685/15 Изд. № 310 Тираж 1054 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

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