Одноканальный ультразвуковой расходомер
6-А- Н И- EСПИ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
jI I) 556327
Союз Советских
Социалистических
Республик
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 04,05.75 (21) 2130410/10 с присоединением заявки № (23) Приоритет
Опубликовано 30.04.77. Бюллетеш. № 16
Дата опубликования описания 30.05.77 (51) М. Кл 2 С 01Г 1/00
Государственный комите1
Совета Министров СССР во делам изобретений и открытий (53) УДК 681.121(088.8) (72) Авторы изобретения
Б. И. Мжельский и Б. П. Шебуняев
Московский ордена Ленина энергетический институт (71) Заявитель (54) ОДНОКАНАЛЬНЪ|Й УЛЬТРАЗВУКОВОЙ РАСХОДОМЕР
Изобретение относится к измерителям скорости потоков движущейся среды и может быть использован для измерений в трубопроводах различного диаметра скорости жидкости или газов, а также таких величин, как объемный илп массовый расход.
Известны ультразвуковые расходомеры, использующие фазовый, частотный или амплитудный методы измерения. Все расходомеры, кроме частотного, характеризуются большой 1п зависимостью результатов измерения от скорости ультразвука в исследуемой среде. Частотные измерители имеют большую инерционность при измерениях расхода в трубопроводах с диаметром больше 0,2 м. Кроме того, 15 время одного измерения с помощью частотного расходомера достигает таких величин, что начинают сказываться изменения во времени температуры, концентрации среды и т. д.
Наиболее близким к изобретению по своей технической сущности является одноканальный ультразвуковой расходомер, содержащий акустический преобразователь с двумя вибраторами, к которым через переключающий блок подключены ультразвуковой генератор и фазовый детектор. В этом измерителе наблюдается зависимость результата измерения от скорости ультразвука в среде.
Чтобы повысить точность измерения с сохранением широкого диапазона измерения расхо- 30 да, в предлагаемом расходомере между выходом фазового детектора и управляющим входом ультразвукового генератора включен блок управления частотой генератора, выход ультразвукового генератора соединен с входом блока преобразования и синхронизации, выход которого подключен к модулирующему входу модулятора, который включен между ультразвуковым генератором и переключающим блоком, и к одному из входов фазового дискриминатора, второй вход которого связан с переключающим блоком через демодулятор, а выход которого соединен с входом порогового устройства. Выходы порогового устройства подключены к запирающему выходу фазового детектора и к другому входу блока управления частотой генератора. Выход ультразвукового генератора соединен с блоком измерения разностной частоты.
Пороговое устройство выполнено в виде IIoследовательно соединенных схемы сравнения с опорным напряжением, нуль-органа и интегрирующего звена.
Блок измерения разностной частоты выполнен в виде реверсивного счетчика и ключа, первый вход которого соединен с выходом ультразвукового генератора, второй вход которого соединен с переключающим блоком, а управляющий вход реверсивного счетчика сосдинсп с переключающим блоком.
556327
На фиг 1 показана блок-схема одноканального ультразвукового расходомера; на фиг. 2, а — д и фиг. 3, а — ж приведены временные диаграммы, поясняющие работу расходомера.
Одноканальный улыразвуковой расходомер содержит вибраторы 1 и 2, переключающий блок 3, фазовый детектор 4, выход которого через блок 5 управления частотой генератора подключен к входу ультразвукового генератора 6, и блок 7 измерения разностной частоты, содержащий ключ 8 и реверсивный счетчик 9.
Вибраторы 1 и 2 закреплены на трубопроводе
10, в котором измеряется скорость потока движущейся среды 11. Кроме того, измеритель снабжен блоком 12 преобразования и синхропизац ш частоты, блоком модуляции-демодуляции, в состав которого входят модулятор 13 и демодулятор 14, фазовым дискриминатором
15 и пороговым устройством 16, которое содержит последовательно соединенные схему сравнения 17 с опорным напряжением, нульорган 18 и интегрирующее звено 19.
Входы фазового детектора 4 соединены через переключающий блок 3 с вибраторами 1 и 2, а выход модулятора 13 — с одним из вибраторов. В блоке измерения разностной частоты первый вход ключа 8 подключен к выходу ультразвукового генератора 6, а второй вход — к выходу переключающего блока 3, выход ключа 8 соединен с измерительным входом реверсивного счетчика 9, управляющий вход которого связан с выходом переключающего блока 3. Один выход ультразвукового генератора 6 соединен с входом блока 12 преобразования и синхронизации частоты, один из входов модулятора 13 соединен с вторым выходом ультразвукового генератора 6, а другой — с выходом блока 12 и с одним входом фазового дискриминатора 15, второй вход которого через демодулятор 14 и переключающий блок 3 подключен к вибратору 1 или 2, настроенному на прием ультразвуковых колебаний.
Выход фазового дискриминатора 15 соединен в пороговом устройстве 16 с одним входом схемы сравнения 17, на другой вход которой подано опорное напряжение. В пороговом устройстве 16 выход схемы сравнения 17 через нуль-орган 18 соединен с интегрирующим звеном 19. Выход нуль-органа соединен с запирающим входом фазового детектора 4, а выход интегрирующего звена 19 — с суммирующим входом блока управления 5.
Одноканальный ультразвуковой расходомер работает следующим образом.
Переключающий блок 3 соединяет ультразвуковой генератор 6 с вибратором 1, а фазовый детектор 4 — с вибраторами 1 и 2. В среде 11 проходят ультразвуковые колебания, направление распространения которых совпадает с вектором скорости потока. При прохождении ультразвуковых колебаний от излучающего впбратора 1 до приемного вибратора
2 онп запаздывают, поэтому на входы фазового детектора 4 приходят сдвин тые по фазе
H;rïðÿæåHèÿ ультразвуковой частоты. На выходе фазового детектора 4 появляется напряжение, зависящее от вели пшы разности фаз входных сигналов. В блоке управления 5 это напряжение сравнивается с заданной величиной, усиливается и преобразуется в управляющее напряжение, которое изменяет частоту ультразвукового генератора б. При постоянном времени запаздывания с изменением частоты изменяется сдвиг фаз напряжений на входе фазового детектора 4 и напряжение на его выходе. Этот процесс изменения частоты происходит до тех пор, пока выходное напряжение фазового детектора 4 не станет равным заданной вели шне.
В следующий такт работы переключающего устройства 3 ультразвуковой генератор 6 соединяется с вибратором 2, поэтому направление распространения ультразвуковых колебаний противоположно вектору скорости потока. При этом запаздывание сигнала имеет меньшую величину, поэтому частота ультразвукового генератора 6 уменьшается до тех пор, пока разность фаз на входе фазового детектора 4 не станет равной заданной величине.
Пусть скорость потока равна нулю (фиг. 2, а) в интервале времени от 0 до tp. Тогда запаздывание в среде 11 при прохождении ультразвуковых колебаний расстояния от излучающего до приемного вибраторов 1 и 2 одинаково в обоих направлениях, и на выходе фазового детектора напряжение равно нулю (фиг. 2, в). Частота ультразвукового генератора остается постоянной (фиг. 2, г), и показания блока 7 (фиг. 2, д) в интервале времени до to равны О.
Начиная с момента времени 4, скорость потока отлична от нуля (фиг. 2, а). Выходное напряжение переключающего блока 3 изменяется (фиг. 2, б), причем в интервале времени
Т, + Т, излучает вибратор 2, а в интервале времени Т; + Т вЂ” вибратор 1. Интервалы Т; и T отводятся на переходные процессы, а интервалы T," и Т" — на измерение в блоке 7 измерения разностной частоты. При излучении вибратором 2 запаздывание сигнала в среде увеличивается, а при излучении вибратором 1 уменьшается. В результате на выходе фазового детектора 4 появляется сигнал (фиг. 2, в), под действием которого изменяется частота ультразвукового генератора 6 (фиг. 2, г). Каждая из частот, получаемая на выходе генератора б измеряется в блоке 7 измерения разностной частоты и затем находится их разность. Показания на индикаторе блока 7 пропорциональны скорости потока и не зависят от скорости ультразвука.
Измерение разности частот производятся в олоке измерения 7 в одном цикле измерения
Т„,„, следующим образом. В интервале Т", переключающее устройство 3 вырабатывает
556327
15
25
60 управляющее напряжение (фиг. 2, б), отпирающее ключ 8 и переводящее реверсивный счетчик 9 в режим вычитания. При этом реверсивный счетчик 9 в блоке 7 запоминает значение частоты f с отрицательным знаком (фиг. 2, д).
В последующий интервал времени Т, переключающее устройство 3 запирает ключ 8 на время переходных процессов в измерителе. По окончании переходных процессов переключающее устройство 3 отпирает ключ 8 и переводит реверсивный счетчик 9 в режим сложения на время Т", (фиг. 2, б). На этом интервале времени через ключ 8 проходит частота fi co знаком «+» на реверсивный счетчик 9 (фиг. 2, д). В реверсивном счетчике происходит вычитание частот, поэтому его показания пропорциональны измеряемой скорости потока.
Диапазон измерения скорости потока ограничен, так как изменение фазы принятого сигнала ограничено величиной +л. Для расширения диапазона работы измерителя производится переход на частоту модуляции (фиг.З,б), которая в несколько раз меньше, чем частота ультразвукового генератора 6 (фиг, 3, а) и кратна ей.
Модулированный сигнал (фиг. 3, в) одного из вибраторов 1 или 2 приходит на другой, проходит через переключающее устройство 3 па фазовый детектор 4 и на демодулятор 14.
Фазовый детектор 4 вырабатывает сигнал управления нз ультразвуковых колебаний основной частоты. Демодулятор 14 выделяет сигнал огибающей частоты, сдвинутой по фазе относительно излученного сигнала на величину, пропорциональную запаздыванию в среде 11 (выходной сигнал демодулятора 14 показан на фиг. 3, г).
Фазовый дискриминатор 15 измеряет фазу выходного сигнала демодулятора 14 относительно выходного сигнала блока 12 преобразования и синхронизации частоты (фиг.З,б).
Выходной сигнал фазового дискриминатора 15 (ф г. 3, д) подается в пороговое устройство
16, содержащее схему сравнения 17 с опорным напря>пением, нуль-орган 18 и интегрирующее звено 19. При превышении модуля сигнала фазового дискриминатора 15 порогоBoI.o уровня, задаваемого опорным напряжеi исм, срабатывает нуль-орган 18 (фиг. 3, e) до момента времени tt (пороговый уровень U Срабатывание нуль-органа 18 вызывает заппрание фазового детектора 4, поэтому его выходной сигнал не проходит на блок управления 5. Выходной сигнал поступает на интегрирующее звено 19 и его выходной сигнал начинает линейно нарастать до момента (фиг. 3, ж). Выходной сигнал интегрирующего звена 19 подается через блок управления 5 . а ультразвуковой генератор 6 для изменения его частоты f и, следовательно, частоты F блока 12 преобразования и синхронизации частоты. Изменение частоты происходит до тех пор, пока фазы напряжений частоты F на двух впбраторах 1 и 2 не придут в заданное соответствие между собой. Например, на фиг. 3 изменение частоты происходит до тех пор, пока сдвиг по фазе между напряжением на фпг. 3, б и 3, г не станет примерно равным нулю после некоторого момента времени fi. При t) tt нуль орган 18 обеспечивает нулевой сигнал на входе интегрирующего звена 19 и отпирает фазовый детектор 4. Далее работа расходомера происходит аналогично описанному ранее, но в блоке управления сигнал фазового детектора 4 складывается с сигналом, зафиксированным на выходе интегрирующего звена 19. Таким образом, диапазон измерения скорости потока зависит уже не от допустимого изменения фазы частоты ультразвукового генератора 6, а от допустимого изменения фазы модулирующего сигнала. При этом обеспечивается независимость измерения скорости потока от изменения скорости ультразвука в измеряемой среде. Формула изобретения Одноканальный ультразвуковой расходомер, содержащий акустический преобразователь с двумя вибраторами, к которым через переключающий блок подключены ультразвуковой генератор и фазовый детектор, о т л и ч а ю щ и йся тем, что, с целью повышения точности с сохранением широкого диапазона измерения расхода, между выходом фазового детектора и управляющим входом ультразвукового генератора включен блок управления частотой генератора, выход ультразвукового генератора соединен с входом блока преобразования и синхронизации, выход которого подключен к модулирующему входу модулятора, который включен между ультразвуковым генератором и переключающим блоком, и к одному из входов фазового дискриминатора, второй вход которого связан с переключающим блоком через демодулятор, а выход которого соединен с входом порогового устройства, выходы порогового устройства подключены к запирающему выходу фазового детектора и к другому входу блока управления частотой генератора, выход ультразвукового генератора соединен с блоком измерения разностной частоты. 2. Расходомер по п. 1, отличающийся тем, что пороговое устройство выполнено в виде последовательно соединенных схем сравнения с опорным напряжением, нуль-органа ti интегрирующего звена. 3. Расходомер по п: 1, отличающийся тем, что блок измерения разностной частоты выполнен в виде реверсивного счетчика и ключа, первый вход которого соединен с выходом ультразвукового генератора, второй вход которого соединен с переключающим блоком, а управляющий вход реверсивного счетчика соединен с переключающим блоком. 556327 а) Редактор T. Рыбалова Заказ 1114/15 Изд, № 409 Тираж 904 Подписное ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 Типография, пр, Сапунова, 2 ЖФ д) Р Составитель В. Антипов Техред Е. Хмелева Корректор Т. Добровольская
