Автоматический ультразвуковой расходомер

 

<»>777438

Союз Советских

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт, свид-ву— (22) Заявлено 19.05.78 (21) 2617534/18-10 (51) М Кл з 6 01 г 1/66 с присоединением заявки— (23) Приоритет—

Государственный комитет

СССР (43) Опубликовано 07.11.80. Бюллетень № 41 по делам изобретений и открытий (53) УДК 681Л21 8 (088.8) (45) Дата опубликования описания 13.12.80 (72) Авторы изобретения В. М. Кушуль, Б. К. Хамидуллин, В, Л. Борцов, В. В. Рудин и И. А. Пинчук (71) Заявитель Ленинградский институт авиационного приборостроения

/ (54) АВТОМАТИЧЕСКИЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ „ ii 11 ; ", РАСХОДОМ ЕР 1

Изобретение относится к ультразвуковой технике и может быть использовано в различных отраслях техники для измерения расхода жидких и газообразных веществ.

Известен ультразвуковой расходомер, содержащий два независимых канала измерения скорости ультразвука по потоку и против него, каждый из которых включает два пьезоэлемента, фазометр, временной дискриминатор, управляемый генератор и блок управления jl). По разности частот управляемых генераторов, измеряемой частотомером, определяется величина расхода жидкой среды.

Недостатком этого измерителя является невысокая точность определения расхода вследствие неидентичности двух независим ы х .ка н алов.

Наиболее близким по технической сущности к:изобретению является автоматический ультразвуковой расходомер, содержащий два установленных на трубопроводе пьезоэлемента, соединенных с коммутатором, временной дискриминатор, сигнальный вход которого подключен к выходу коммутатора, две цепи, состоящие из последовательно соединенных ключа и управляемого генератора, частотомер, входы которого подключены к выходам управляемых генера/ торов, и блок управления, два входа которого соединены с выходами управляемых генераторов, а первый и второй выходы которого подключены к управляющим входам ключей и коммутатора (2).

Недостатки, известного расходомера обусловлены тем, что фиксация приращения временного сдвига ультразвуковых ямпульсов, прошедших через исследуемую среду, 10 осуществляется временным дискриминатором по переднему или заднему фронту принятых ультразвуковых импульсов, параметры которых не стабильны и определяются акустическими свойствами среды и

15 конструкцией элементов измерителя В результате точность измерения скорости потока среды невысокая.

Целью язобретейия является повышение точности измерения.

20 Это достигается тем, что известный авт оматический ультразвуковой расходомер снабжен генератором ударното возбуждения, фазометром, дополнительным ключом, сумматором, инвертором и двумя триггерами, причем вход генератора ударного возбуждения соединен с третьим выходом блока управления, его выход — с входами коммутатора и дополнительного ключа, управляющий вход которого подключен к четвертому выходу блока управления, а вы777438

15

Зо

40

3 ход — к опорным входам фазометра и временного дискриминатора, сигнальный вход фазометра соединен с выходом коммутатора, управляющий вход временного дискриминатора подключен к пятому выходу блока управления, а выходы временного дискриминатора подключены к единичному входу одного триггера и через инвертор к нулевому входу другого триггера, вторые входы двух триггеров соединены с шестым выходом блока управления, а выходы двух триггеров и фазометра подключены к входам сумматора, выход которого соединен с входами двух ключей.

На фиг. 1 изображена структурная схема автоматического ультразвукового расходомера; на фиг. 2 — временные диаграммы напряжений на отдельных узлах схемы; на фиг. 3 — временные диаграммы напряжений на пьезоэлементах и статические характеристики фазометра, временного дискриминатора и сумматора.

Автоматический ультразвуковой расходомер содержит два установленных на трубопроводе 1 пьезоэлемента 2 и 8, соединенных с коммутатором 4, включающим, например, .две пары последовательно соединенных ключей 5, б и 7, 8 с подключением вых1ода ключа 5 к пьезоэлементу 2, а выхода ключа 7 к пьезоэлементу 3, генератор ударного возбуждения 9, выход которого соединен с входами ключей 5 и 7, блок управления 10, состоящий, например, из двух ключей 11 и 12 и последовательно соединенных распределителя импульсов 18, вход которого подключен к выхода|м ключей 11 и 12, и триггера 14, дополнительный ключ

15, включенный на выходе генератора ударного возбуждения 9, фазометр lб и временной дискриминатор 17, сигнальные входы которых подключены,к выходам ключей б и 8, а опорные входы — к выходу дополнительного ключа 15, выход фазометра соединен с одним из входов сумматора 18, а выходы временного дискриминатора 17 соединены с входом,инвертора 19 и единичным входом триггера 20, выход инвертора

19 подключен к нулевому входу триггера

21, выход которого, так же как и выход триггера 20, подключен к входу сумматора

18, две цепи, состоящие из последователь= но соединенных ключа 22 и управляемого генератора 28, а также ключа 24,и управляемого,генератора 25,,которые включены на выходе сумматора 18, выходы управляемых генераторов 28 и 25 подключены к входам частотомера 2б и ключей 11 и 12 блока управления 10. Выход «а» блока управления 10 подключен к управляющим входам ключей 5, 8, 12 и 22, выход «Ь»вЂ” к управляющим входам ключей б, 7, 11 и 24, выход «с» — к входу генератора ударного возбуждения 9, выход «d» — к управляющему входу ключа 15, выход «e» — к управляющему входу временного дискриминатора 17 и выход «f» — к нулевому входу триггера 20 и единичному входу триггера 21.

Автоматический ультразвуковой расходомер работает следующим образом.

При изменении скорости потока V (см, фиг. 2) происходит, например, увеличение сиорости ультразвука по потоку

С+ Vcosn и уменьшение против потока

С вЂ” Vcosn, где С вЂ” скорость ультразвука в неподвижной среде, а — угол между векторами С и V.Измерен,ие расхода (скорости V) предлагаемым устройством осуществляется в два такта. В одном такте происходит измерение и преобразование в частоту скорости ультразвука по потоку, а в другом такте — измерение и преобразование в частоту скорости ультразвука против потока, разность указанных частот пропорциональна измеряемой величине скорости потока V.

Пусть триггер d4 блока управления 10 находится в таком состоянии, что напряже- нием U, <,> (см фиг. 2) с выхода «а» открыты ключи 5 и 8 коммутатора 4 и ключи

22,и 12 на входе и выходе управляемого генератора 28. Выходным сигналом «b» триггера 14 ключи б, 7, 24 и,ll заперты.

Таким образом, следящая автоматическая система подключена для измерения скорости ультразвука по потоку. Импульсы U>q управляемого генератора 28, осуществляющие коммутацию выходов блока управления 10 через ключ 12, поступают на вход распределителя импульсов 18. Допустим, что максимальное количество импульсов в этом такте равно семи. Указанное количество импульсов выбрано исходя из конструкции акустической части расходомера и акустических свойств среды (чем меньше затухание ультразвука в среде, тем большее количество импульсов).

При поступлении на вход распределителя,импульсов 18 второго импульса на его выходе «с» возникает импульс, возбуждающий генератор ударното возбуждения 9, формируется импульс напряжения U, заполненный высокочастотным напряжением, фаза которого жестко связана с передним фронтом импульса. Одновременно с этим с выхода «е» распределителя импульсов 18 поступает импульс U13(e) который подготавливает к работе временной дискриминатор 17. Высокочастотный импульс генератора ударного возбуждения 9 через ключ 5 коммутатора 4 поступает на пьезоэлемент 2 в виде напряжения U>, который излучает в среду ультразвуковой импульс, проходящий через поток среды под углом а. Импульс принимается пьезоэлементом 3 через про1 межуток времени, где 1 — расС+1 cos а стояние между пьезоэлементами 2 и 8. Импульс напряжения U3 с пьезоэлемента 8

777438

1 С вЂ” V.cos я

T- „.l

2э

Частотомер 2б измеряет разность частот импульсов на выходах управляемых генераторов 28 и 25, значение которой пропор40 ционально скорости пото а среды.

50 ходу коммутатора, две цепи, состоящие пз последовательно соединенных ключа и уп55

60 через ключ 8 подается на сигнальные входы фазометра lб и временного дискриминатора 17. Третьим импульсом управляемого генератора 28 формируется с выхода «d» распределителя импульсов 18 импульс напряжения Уд д>, который открывает хлюч

15. При этом одновременно по сигналу с выхода «с» распределителя импульсов 18 генератор ударного возбуждения 9 формирует второй высокочастотный импульс U9, поступающий через открытый ключ 15 на опорные входы фазометра lб,и временного дискриминатора 17. На фазометре lб происходит преобразование временного сдвига

Лт (см. фиг. 3, а) между высокочастотными колебаниями, заполняющими сигнальный и опорный импульсы, в напряжение U q в соответствии со статической характеристикой фазометра 16 U 6 — — /(Лт), приведенной на фиг. 3, б. Статическая характеристика фазометра lб.имеет неоднозначность, которая корректируется с помощью временного дискриминатора 17, инвертора 19 и триггеров

20 и 21. Во временном дискриминаторе,17 осуществляется преобразование сдвига вре; — мени Лт в импульс напряжения U 7, амплитуда которого в соответствии с его статической характеристикой (см. фиг. 3, б) пропорциональна Лт, появляющийся на первом или втором выходе временно го дискриминатора 17 в зависимости от полярности. Импульс U 7 положительной полярностй с первого выхода временного дискриминато,ра 17 поступает на единичный вход триггера 20, что переводит его в другое устойчивое состояние, и в результате формируется передний фронт, импульса Uzz. Если импульс U<> отрицательной полярности, то со второго выхода временного дискриминатора 17 импульс Уд поступает на нулевой вход триггера 21 через инвертор 19. Совмещенная релейная характеристика триггера .

20 и триггера 21 с инвертором 19 приведе---на на фиг. 3, в. Для стыковки характеристик фазометра lб (см. фиг. 8, б) и релейной необходимо, чтобы порог срабатывания триггера 20 или 21 был меньшим, чем мак-. симальный выходной сигнал U> фазометра lб. Сигналы с фазометра lб и триггера

20 (или 21) поступают на сумматор 18.

Зависимость выходного сигнала суммапора от входной величинь1 Лт (см фиг. 3, г) не имеют неоднозначности. Выходной сигнал сумматора 18 через ключ 22 осуществляет сначала грубую подстройку периода следования импульсов управляемого генератора

28 в сторону уменьшейия выходного сигна.ла временного дискриминатора 17 до величины порога срабатывания триггера 20 (или

21), а затем производится точная подстройка управляем ого генератора таким образом, чтобы уменьшить выходной сигнал фа:зометра. до нуля. В результате в первом такте измерения перепад следования импiiльгпя i ппяяляямлгл гяураnswnni 9Л Т. становится равным времени распространения ультразвукового импульса по потоку

l а частота следования этих имС+У-cos n пульсов равна

1 С + T.cos а

F>, т„

При поступлении на вход распределителя импульсов 18 седьмого импульса управляемого генератора 28 триггер 20 импульсом с выхода «f» устанавливается в исходное состояние и формируется задний фронт импульса Uq<>, а триггер 14 переходит в другое устойчивое состояние. При этом элементы расходомера переключаются в режим работы с преобразованием скорости ультразвука против потока С вЂ - -сова в частоту импульсов управляемопо генератора 25.

Работа устройства во втором такте измерения происходит аналогично первому.

В результате во втором такте измерения происходит точная подстройка периода следования импульсов управляемого генератора 25 Т2;, который становится равным времени распространения ультразвуковых им1 пульсов против потока - — --, а частоС вЂ” У cos a та следования импульсов равна

Формула изобретения

Автоматический ультразвуковой расходомер, содержащий два установленных на трубопроводе пьезоэлемента, соединенных с коммутатором, временной дискриминатор, сигнальный вход которого подключен к выравляемого генератора, частотомер, входы которого подключены к выходам управляемых генераторов, и блок управления, два входа которого соединены с выходами управляемых генераторов, а первый и второй выходы, которого подключены к управляющим входам ключей и коммутатора, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения точности измерения, он снабжен генератором ударного возбуждения, фазометром, дополнительным ключом, сумматором, инвертором и двумя триггерами, причем вход генератора ударного возбуждения соединен с твятки ятл ачлм бпокя iтппяя яаана pT A

777438

-" выход — с входами коммутатора и дополнительного ключа, управляющий вход которого подключен к четвертому выходу блока уйравления, а выход — K опорным входам фазометра и временного дискриминатора, сигнальный вход фазомера соединен с выходом коммутатора, управляющий вход временного дискриминатора подключен к пятому выходу блока управления, а выходы временного дискриминатора подключены к единичному входу одного триггера и через инвертор к нулевому входу другото триггера, вторые входы двух трипгеров соединены с шестым выходом блока управления, а выходы двух триггеров и фазометра подключены к входам сумматора, выход которого

5 соединен с входами двух ключей.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1. Авторское свидетельство СССР

l0 ¹ 162335, кл. G 01 F 1/66, 1963.

2. Патент США № 3720105, кл. 73-194А, 1973 (прототип)

777438

"г 1/ ц„и, 0 Р

Составитель В. Литвинов

Техред А. Камышникова Корректор И. Осиповская

Редактор Т. Клюкина

Тип. Харьк, фил. пред. «Патент»

Заказ 1476/1479 Изд. № 546 Тираж 810 Подписное

НПО «Поиск» Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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