Ультразвуковой измеритель давления

 

СОО3 СОВ4тским

СОЦЮ4ЛИСТИМЭСКНФ

ЬсяуЕв

Оп исАни изов етини к автобусном свидетельств

11> С6(l C6 (6!) Дополнительное к авт. свид-ву

{22} Заявлено 25.12.75 {24} 2302773/10 с присоединение«в заявки %в (23} Приоритет

Гввудврвтввннаа «вмнтвт

6вввтв Мнннвтрвв СССР вв двлаи яавбрвтвння н вткрвпян (43) Опубликовано 25.07.77. Бюллетень (46) Ката опубликования описания 08.12. (72) Автор изобретения

В. С. Елистратов (71) Заявитель

{54) УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ

2 селектора импульсов по длительности и синхроннзирующим выходом генератора, регулятор амплитуды импульсов, преобразователь длительности и амплитуды регулированного импульса в пропорциональный параметр, сумматор, один иэ входов которого соединен с преобразователем регулированного импульса, преобразователь температуры контролируемой среды в пропорциональный параметр, подключенный ко второму входу сумматора, и регистрирующий прибор, соединенный c sbtxoaoM сумматора (3).

Недостатком известного устройства является большая погрешность измерений вследствие непол, ной компенсации нелинейности управляющего напряжения от температуры и давления в каскадах регуляторов амплитуды импульсов.

Бель изобретения — увеличение точности измерений в широком диапазоне температур и давлений контролйруемой среды.

Поставленная цель достигается тем, что измеритель давления снабжен селектором импульсов по времени, включенным между приемным элементом и усилителем, каскадом задержки, подключенным между вторым входом селектора импульсов по временк и синхронизирующнм выходом генератора, Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение в авиационной, нефте-, перерабатывающей и химической отраслях производства для измерения давления в жидкостях и газах.

Известны ультразвуковые измерители давления, включающие генератор импульсов, излучатель и приемник ультразвуковых импульсов, усилитель, схему сравнения, каскад автоматической регулировки амплитуды, интегратор и измерительный р (1I, Р1.

Недостатком известных устройств является малая точность измерений вследствие сильной зависимости измеряемого параметра от изменений темпеp3 pbl.

Наиболее близким по технической сущности к, предлагаемому является ультразвуковой измеритель давления, в котором скомпенсированы температурные погрешности, включающий электроакустически последовательно соединенные генератор импульсов, излучающий и приемный элементы акустического преобразователя, усилитель, селектор импульсов по длительности, один нз входов которово соединен с выходом усилителя, каскад задержки, подключенный между другим входом

51} М. Кл. 6011 11/00

53) УДК 531.787 {088.8}

566155 последовательно соединеннымн между синхронизирующим выходом генератора и регулятором амплитуды импульсов каскадом задержки, дополнительным селектором импульсов -по длительности, один иэ входов которого подключен к выходу усилителя, преобразователем длительности импульса в лропорцнональнъй параметр, и делителем, например аналоговым, а также каскадом опорного напряжения, подключенным к входу делителя.

На чертеже изображена структурная схема предлагаемого ультразвукового измерителя давления.

Измеритель давления содержит генератор 1 импульсов, излучающий элем .п 2 и приемный элемент 3 акустического преобразователя, селектор 4 импульсов по времени, каскад 5 задержки, усилитель 6, селектор 7 импульсов по длительности, каскад 8 задержки, регулятор 9 амплитуды импульсов, каскад 10 задержки, селек„гор 11 импульсов по длительности, преобразователь 12 длительности селектированного импульса в пропорциональный пара-,: метр, делитель 13, каскад 14 опорного параметра, преобразователь 15 длительности и амплитуды ре. гулнрованного импульса в пропорциональный параметр, сумматор 16, преобразователь 17 температуры контролируемой среды в пронорционалъный параметр, регистрирующий прибор 18.

Устройство работает следующим образом.

Генератор 1 импульсов вырабатывает периодическую последовательность либо коротких имнульсов, представлякнцих собой вндеоимпульсы, либо радионмпульсов, представляющих собой отрезки гармонических колебаний. С выхода. генератора электрические импульсы поступают иа нзлу ипощнй элемент 2 акустического преобразователя, где происходит преобразование их в ультразвуковые имлулъсы, проходящие через материал излучающего элемента, стенки контролируемого трубопровода, резервуара или сосуда, контролируемую среду, материал приемного элемента 3. В приемном элементе акустического преобразователя происходит обратное преобразование ультразвуковых импульсов в электрические.

Акустический преобразователь может быль выполнен бесконтактным или контактным по отношению к контролируемой среде и, кроме того, он может быль выполнен двухсторонним с расположением приемного и излучающего элемента на противоположных стенках трубопровода, резервуара. или односторонним с расположением приемного и излучающего элементов на боковой стенке трубааровода или резервуара по образующей. При использовании двухстороннего акустического преобразователя ввод ультразвуковых колебаний может быль как нормальным, так и угловым; в одностороннем двухэлементном акустическом преобразователе ввод будет только угловым с приемом отраженных от противоположной стенки ультразвуковых импульсов. В обоих типах акустических цреобразователей должно обеспечиваться прохождение ультразвуковых импульсов через контролируемую среду.

4 Принятые импульсы поступают на вход селектора 4 импульсов по времени, С синхроннэнрующего выхода генератора снимают импульсы, начало которых совпадает с началом илн концом видеоимпульсов или радиоимпульсов, подаваемых на излучающий элемент. Синхронизнрующне импульсы поступают на каскад 5 задержки, где формируются селекторные импульсы, задержанные относительно моментов излучения на время, меньшее времени прохождения ультразвуковых импульсов через контролируемую среду. В качестве элемента задержки, на который подаются синхронизирующис импульсы, можно использовать линию задержки., ждущий мулътивибратор, ждущий блокинг-генератор, а в качестве формирователя задержанног< импульса — последовательно соединенный с элементом задержки ждущий мультивибратор или ждущий блокинг-генератор. Длительность селекторного импульса берется большей длительности излучаемого импульса и достаточной для пропускания принятых иъщульсов врез селектор импульсов по времени в течение времени его действия. Другим вариантом формирования селекторных импульсов в каскаде задержки 5 могут быть импульсы, продолжающиеся в течение периода следования излучаемых импульсов, за исключением интервала времени, соответствующего приему прошедших через контролируемую среду импульсов. В качестве селектора импульсов по времени может быть использован электронный ключ или усилитель, коэффициент усиления которого меняется скачкообразно селекторнымн импульсами. Селектор импульсов во времени пропускает на вход усилителя 6 импульсы, прошедшие через контролируемую среду от излучающего до приемного элементов акустического преобразователя, и не пропускает импульсы, появляющиеся в цепи приемного элемента за счет паводок с цепей генератора или за счет многократных отражений ультразвуковых импульсов от металлических стенок. Селектированные импульсы поступают на вход усилителя 6, где они усиливаются и нормируются по длительности, например, с помощью широкополосного н резонансного усилителя с усилителемограничителем или триггером Шмитта, нли ждущим мультивнбратором, или ждущим блокннг-генератором в выходном каскаде. Усиленный и сформированный сигнал поступает на вход селектора 7 импульсов по длительности, на другой вход которого подается с каскада 8 задержки селекторный импульс задержанный относительно момента излучения. В качестве элемента задержки, на который подаются синхронизирующие импульсы с сннхронизирующего выхода генератора, можно испольэовать линию задержки, ждущий мультивибратор, ждущий блокииг-генератор, а в качестве формирователя задержанного импульса-последовательно соециненный с элементом задержки жщчций мультивибратор или ждущий блокинг-генератор. В селекторе формируется импульс, длительность которого опредеш.зтся разностью моментов появления передних

566155 или задних фронтов селекторного и усиленного импульсов или их различных комбинаций, например переднего фронта селекторного импульса и заднего фронта усиленного н так далее. При этом длительность сформированного ю4пульса должна равняться приращению времени прохождения ультразвуковых импульсов через контролируемую среду при изменении ее температуры или давления, относительно выбранного времени прохождения ультразвуковых импульсов от излучающего до приемного элементов при определенных условиях, например нулевых, когда давление и температура равны нулю. Выбранное время устанавливается с помощью каскада 8 задержки. В выходном каскаде селектора импульсов по длительности производится нормирование амплитуды селектнрованного импульса амплитудным ограничителем. Селектированный импульс поступает на регулятор 9 амплитуды импульсов, где его амплитуда меняется пропорционально управляющему направлению. С синхронизирующего выхода генератора синхрониэнрующие импульсы поступают на каскад 10 задержки, где производится задержка и формирование задер. жанного импулъса. В качестве элемента задержки, на который подаются синхронизнрующие импульсы, можно использовать линию задержки. ждущий мультивибратор или ждущий блокинг-генератор, а в качестве формирователя задержанного иъапульса — последовательно соединенный с элементом задержки ждущий мультивибратор или ждущий блокинг- генератор. Сформированные импульсы поступают на селектор 11 импульсов по длительности, где формируются импульсы, длительность которых равна времени прохождения ультразвуковых импульсов через контролируемую среду, для чего время задержки выбирают равным : времени пр хождения ультразвуковых импульсов через излучающий и приемный элементы акустического преобразователя и две стенки контролируемого трубопровода или сосуда, В выходном каскаде селектора импульсов по длительности производится формирование амплитуды селектированных импульсов амплитудым ограничителем. Сформированный импульс поступает на преобразователь 12 длительности селектированного импульса в пропорциональ ный параметр, например напряжение. При выборе в качестве параметра напряжения, в качестве преобразователя длительности селектированного иъитульса необходимо взять интегратор, прн выборе частоты следования импульсов илн частоты переменного напряжения последовательное соединение интегратора с преобразователем аналога-частота, при выборе кода — последовательное соединение интегратора с преобразователем аналог — код, при выборе числа импульсов в течение длительности селектнроваина» го импульса — генератор импульсов, отпираемый сформированным импульсом. После интегрирования селектированного импульса напряжение, пропорциональное длительности входного импулъса, поступает на делитель 1Э. В качестве делителя при выборе параметром напряжения можно применить аналоговый делитель. Тогда в качестве каскада 14 опорного параметра, соединенного с другим входом делителя, можно использовать источник постоянного опорного напряжения, номинал которого можно менять в процессе настройки, так как его величина влияет на чувствительность измерителя давления.

Прв выборе других параметров в качестве делителя нужно использовать цифровой делитель, подавая на другой его вход соответствующий выбранному опорный параметр.

Таким опорным каскадом может бьггь генерагор, в котором число импульсов, частота следова ч иия импульсов или импульсный код остаются неизменными в процессе измерений. Напряжение, обратно пропорциональное времени прохождения ультразвуковых импульсов через контролируемую среду, с выхода делителя подается на управляинций вход

2О автоматического регулятора амплитуды, где амплитуда селектированных импульсов меняется пропорционально управляющему напряжению. При использовании другого параметра на выходе делителя должен быть установлен цреобраэователь выходно>< ro параметра в управляющее напряжение. В качестве автоматического регулятора амплитуды можно использовать, например, транзисторный или диодный ограничитель с регулировкой уровня ограничения. Регулированиые импульсы поступают на пре3о образователь 15 длительности и амплитуды регулированного импульса в пропорциональный параметр, например напряжение. При выборе в качестве параметра напряжения, в качестве преобразователя длительности и амплитуды регулированного импульса

3S в пропорциональнъй параметр использован интегратор, при выборе частоты переменного напряжения или частоты следования импульсов — последовательное соединение интегратора и преобразователя аналог-частота, при выборе импульсного кода

40 — последовательное соединение интегратора и преобразователя аналог-код. Сформированный параметр, пропорциональный длительности и амплитуде регулированного импульса, поступает на вход сумматора 16. Другой вход сумматора соединен с пре45 образователем 17 температуры контролируемой среды в пропорциональный параметр, в качестве которого могут быль использованы термопара и соединенный с ней усилитель постоянного тока при выборе параметром напряжения, или термопара и

5О преобразователь аналог-частота при выборе частоты переменйого напряжения, частоты следования импульсов, или термопара и преобразователь аналогкод при выборе импульсного кода. В соответствии. с выбранным параметром для суммирования может чч быть выбран аналоговый или цифровой сумматоры.

С выхода сумматора параметр, пропорциональный давлению, поступает на регистрирующий прибор 18, в качестве которого может быть использован электронэмерительный прибор, цифровой измери60 тельный прибор или цифровои индикатор.

566155

Изменения температуры контролируемой среды при неизменном давлении вызывают изменения времени прохождения ультразвуковых импульсов через среду. После усиления и формирования при. иятых импуЛьсов в селекторе 7 импульсов по длн. тельности получают импульс, длительность которого равна приращению времени прохождения ультразвуковых импульсов через контролируемую среду, а в селекторе 11 импульсов по длнтечьности получают импульс, длительность которого равна 0 времени прохождения ультразвуковых импульсов через контролируемую среду. В каскаде автоматической регулировки амплитуды регулируют амплитуду импульсов параметром, . пропорциональным времени прохождения ультразвуковых импульсов через контролируемую среду так, что исключается нелинейность зависимости параметра пропорционального приращению времени прохождения ультразвуковых импульсов от температуры. В сумматоре происходит компенсация параметра, пропорционального амплитуде и длительности регулированного импульса параметром пропорциональным температуре. При этом показания прибора остаются неизменными.

Изменения давления контролируемой среды при неизменной температуре вызывают изменения времени прохождения ультразвуковых импульсов через среду. После усиления, формирования и селектировання принятых импульсов по длительности зо регулируют амплитуду импульсов параметром, пропорциональным времени прохождения ультразвуковых импульсов через контролируемую среду.

Регулировку амплитуды импульсов осуществляют так, что исключается нелинейность зависимости З5 параметре, пропорционального приращению времени прохождения ультразвуковых импульсов через контролируемую среду, от давления, Полученное приращение араметра, пропорционального амплитуде и длительности регулированного им- 40 пульса, в сумматоре не компенсируют, ввиду постоянства температуры контролируемой среды. Это приращение через сумматор поступает на регистриРующий прибор, Таким образом, показания прнбо: ра будут линейно зависить от давления и не будут 45 зависить от температуры контролируемой среды.

Предлагаемое устройство позволит в 4 — 5 раз повысить точность измерений по сравнению с известными, причем при использовании акустического преобразователя с нормальным вводом ультра- 50 звуковых импульсов погреияость измерений пред. лагаемого устройства будет меньше на 30-40% по сравнению с акустическим преобразователем с уг.

JlosblM вводом ультразвуковых импульсов, Формула изобретения ультразвуковой измеритель давления, включающий электроакустически последовательно соединенные генератор импульсов, излучающий и приемный элементы акустического преобразователя, усилитель, селектор импульсов по длитель. ности, один иэ входов которого соединен с выходом усилителя, каскад задержки, подключенный между другим входом селектора импульсов по длительности и синхронизирующим выходом генератора, регулятор амплитуды импульсов, преобразователь длительности и амплитуды регулированного импульса в пропорциональный параметр, сумматор, один из входов которого соединен с преобразователем регулнрованного импульса, преобразователь температуры контролируемой среды в пропорциональный параметр, подключенный ко второму входу сумматора, н регистрирующий прибор, соединенный с выходом сумматора, отл и чаю щийс я тем, что, с целью увеличения точности измерений в широком диапазоне температур и давлений контролируемой среды, он снабжен селектором импульсов по времени, включенным между прием нымм элементом и усилителем, каскадом задержки, подключенным между вторым входом селектора импульсов по времени н синхронизирующим выходом генератора, последовательно соединенными между синхронизирующим выходом генератора и регулятором амплитуды импульсов каскадом задержки, дополнительным селектором импульсов по длительности, один из входов которого подключен к выходу усилителя, преобразователем длительности импульса в нропорциональный параметр, и делителем, например аналоговым, а также каскадом опорного параметра, подключенным к входу делителя.

Источники информации, принятые во внимание нри экспертизе:

1. Патент США Н 3504546, кл. 73 — 388, опубл. 1968.

2. Авторское свидетельство М 308299, кл. G С1 1 11/00, 1772.

3. Авторское свидетельство М 522407, кл. G 01 L11/00,,1975.

566155

Составитель Е. Литвинов

TexpaR; Я. AsgpelmW

Корректор Я. Ковалеве

Рниктор Т. Иванова

Заказ 239S/29 i

Филиал ППП "Патент", г. Умз ород. ул. Проеитнаа, 4 тнр 1101 Подписное

E_#_HHHH Государственното комитета Совета Министров СССР

Во делам изобрепнии и otxphlTldl

11303$, Москва, Ж -3S, Раушскал наб.. д. 4/S