УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ ПОТОКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК G01F1/66 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения скорости и расхода вещества с помощью ультразвуковых сигналов.

Известен ультразвуковой способ измерения скорости потока, основанный на работе в одном электроакустическом канале одновременно двух синхроколец, одно из которых работает по потоку, другое - против потока [1].

Наиболее близким к заявляемому способу измерения является ультразвуковой способ определения скорости потока, включающий излучение и прием ультразвуковых импульсов по и против потока измеряемой среды с образованием в одном канале двух синхроколец, исключении совпадения во времени импульсов обоих синхроколец и вычисления по параметрам синхроколец величины скорости потока [2].

Известное устройство для определения скорости потока, выбранное в качестве прототипа заявляемого устройства, содержит два пьезодатчика, установленные на стенках трубопровода, последовательно соединенные генератор с коммутатором, усилитель-формирователь, первую и вторую схемы И, первый триггер, схему ИЛИ, первый и второй одновибраторы, причем генератор через коммутатор подключен к пьезодатчикам, первый триггер первым и вторым выходами соединен соответственно с первыми входами первой и второй схем И [2].

Недостатком известного способа и устройства является наличие погрешности измерения за счет того, что не учитывается задержка информационного сигнала в линиях связи, в электронной схеме, в проекторе пьезоэлектрического преобразователя и т.д., т.е. на неизмерительных участках синхрокольца.

В прототипе периоды синхроколец, работающих по и против потока, можно записать соответственно:
T₁ = T₁₀ + t₁ и T₂ = T₂₀ + t₂, (1) где Т₁₀ и Т₂₀ - времена прохождения синхроимпульсом измерительного участка акустического канала соответственно по потоку и против него; t₁и t₂ - времена задержки синхроимпульса в синхрокольцах на неизмерительных участках соответственно по потоку и против него.

Разница частот синхроколец в случае прототипа выразится следующим образом:
F = - = =
= =
= где L - длина измерительного участка акустического канала;
v - скорость потока измеряемой среды;
c - скорость ультразвука в измеряемой среде;
α - угол между линий, по которой распространяются ультразвуковые сигналы в акустическом канале, и осью трубопровода в преобразователе расхода.

Как следует из формулы, в прототипе F зависит не только от v, но и от с, что приводит к дополнительной погрешности измерения.

Цель изобретения - повышение точности измерения.

Цель достигается тем, что в ультразвуковом способе определения скорости потока, включающем излучение и прием ультразвуковых импульсов по и против потока измеряемой среды с образованием в одном канале двух синхроколец, исключении совпадения во времени импульсов обоих синхроколец и вычислении по параметрам синхроколец величины скорости потока, согласно изобретению, предварительно определяют время прохождения импульсом неизмерительных участков синхроколец, а исключение совпадения импульсов во времени производят задержкой излучения импульса против потока при i-м схождении импульсов на величину Т_i + t₀, а при (i + 1)-м схождении - на величину Т₂ - Т_i+ + t₀, где Т₂ - период синхрокольца, работающего против потока; Т_i - часть периода Т₂, при этом t₀ определяют из выражения
t_o= - где t ₁ - время прохождения импульсом неизмерительного участка синхрокольца, работающего по потоку;
t₂ - время прохождения импульсом неизмерительного участка синхрокольца, работающего против потока;
Т₁₀ - время прохождения акустическим импульсом измерительного участка по потоку;
Т₂₀ - время прохождения акустическим импульсом измерительного участка против потока.

Цель достигается также тем, что в устройстве для определения скорости потока, содержащем два пьезодатчика, установленных на стенках трубопровода, последовательно соединенные генератор с комму- татором, усилитель-формирователь, первую и вторую схемы И, первый триггер, схему ИЛИ, первый и второй одновибраторы, причем генератор через коммутатор подключен к пьезодатчикам, первый триггер первым и вторым выходами соединен соответственно с первыми входами первой и второй схем И, согласно изобретению, оно содержит временной селектор, управляемый генератор, интегратор, счетчик-делитель, первый, второй и третий дешифраторы, третий и четвертый одновибраторы, второй, третий, четвертый и пятый триггеры, третью, четвертую и пятую схемы И, причем выход второй схемы И подключен к первому входу схемы ИЛИ, счетному входу второго триггера и входу второго одновибратора, который выходом соединен с вторым входом третьей схемы И и вторым входом временного селектора, который через интегратор подключен к первому входу управляемого генератора, подключенного выходом к счетному входу счетчика-делителя, соединенного первым, вторым и третьим выходами соответственно с первым, вторым и третьим дешифраторами, а управляющий вход счетчика-делителя соединен с первым выходом третьего триггера, второй выход которого соединен с управляющим входом управляемого генератора, к первому входу третьего триггера подключен выход первого дешифратора и первый вход вpеменного селектора, третий вход которого соединен с выходом третьего одновибратора, подключенного входом к единичному выходу второго триггера и первому входу третьей схемы И, которая выходом соединена с вторым входом третьего триггера и вторым входом четвертого триггера, который первым входом соединен с выходом третьего дешифратора, а выходом - с первым входом четвертой схемы И, второй вход которой соединен с выходом первой схемы И и третьим входом схемы ИЛИ, а выход четвертой схемы И подключен к первому входу пятого триггера, второй вход которого соединен с выходом четвертого одновибратора, а выход - с первым входом пятой схемы И, к второму входу которой подключен выход второго дешифратора, выход пятой схемы И соединен с установочным входом второго триггера, входом четвертого одновибратора и вторым входом схемы ИЛИ, выход которой подключен к входу генератора и через первый одновибратор - к входу первого триггера, который первым и вторым выходами соединен с коммутатором, при этом усилитель-формирователь подключен входом к коммутатору, а выходом - к вторым входам первой и второй схем И.

В самом деле, если имеются две последовательности импульсов с периодами Т₁ и Т₂ (Т₁ < Т₂), то приближение импульсов друг к другу при каждом истечении Т₂ будет происходить на шаг Т₂ - Т₁. От одного схождения импульсов до другого наберется шагов и, таком образом, период схождения представится в виде
T = · T₂
В предлагаемом способе за два соседних схождения импульс с периодом Т₂ переносится дважды с общим временем переноса
(T_i + t₀) + (T₂ - T_i + t₀) = T₂ + 2t₀.

Таким образом, в результате двух переносов синхроимпульсы дополнительно сблизятся на интервале 2t₀ и теперь период схождения будет равен
T = ·T₂
Величина t₀ определяется из условия
·T₂=
С учетом формулы (1)
t₀= - или при адекватности синхроколец (при t₁ = =t₂ = t)
t₀=
Следовательно, разница частот синхроколец теперь выразится в виде
F = = = 2 V
Таким образом, частота F в предлагаемом способе не зависит от с.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема устройства, реализующая предлагаемый способ; на фиг. 2 приведены временные диаграммы напряжений в отдельных точках схемы, поясняющие работу устройства.

Устройство содержит преобразователь расхода (ПР) 1 с пьезоэлектрическими преобразователями (ППЭ) 2 и 3, коммутатор 4, формирователь зондирующих импульсов (ФЗИ) 5, усилитель-формирователь 6, выход и вход которых соответственно, соединены через коммутатор 4 с ППЭ 2 и 3, при этом выход усилителя-формирователя 6 соединен с входами двух схем И 7 и 8, одна из которых работает при зондировании импульса по потоку, а другая - при зондировании импульса против потока. Выходы же схем И 7 и 8 соединены с двумя входами схемы ИЛИ 9, которая по выходу соединена с входом ФЗИ 5, а через одновибратор 10 задержки переключения направления - с входом триггера 11 направления, выходы которого соединены с входами схем И 7 и 8 и с управляющими входами коммутатора 4. Выход схемы И 8 соединен с триггером 12 режима, выход которого через одновибратор 13 запрета сравнения соединен с управлением временного селектора 14 и с первым входом третьей схемы И 15, а также через одновибратор t₀ 16 с первым входом временного селектора 14 и вторым входом схемы И 15, выход которой соединен с входом триггера 17 запуска генератора (ГУН) и с входом триггера 18 схождения импульсов. Выход временного селектора 14 через интегратор 19 соединен с генератором 20, управляющим напряжением (ГУН), выход которого соединен с входом счетчика- делителя 21, соединенного с тремя дешифраторами 22-24, при этом выход первого дешифратора 22 соединен с вторым входом временного селектора 14 и с вторым входом триггера 17 запуска ГУН, выходы которого соединены с управляемым генератором 20 и счетчиком-делителем 21. Выход второго дешифратора 23 соединен с входом четвертой схемы И 25, второй вход которой соединен с выходом триггера 26 переходного режима, а выход четвертой схемы И 25 соединен с третьим входом схемы ИЛИ 9, триггером 12 режима и входом одновибратора 27 задержки переключения триггера переходного режима, выход которого соединен с входом триггера 26 переходного режима. Выход третьего дешифратора 24 соединен с вторым входом триггера 18 схождения импульсов, выход которого соединен с первым входом пятой схемы И 28, второй вход которой соединен с выходом схемы И 7, а выход - с вторым входом триггера 26 переходного режима.

Устройство работает следующим образом.

Примем, что триггер (Тр) направления 11 находится в положении, при котором подготовлено синхрокольцо, работающее против потока. В этом случае подготовлена к работе схема И 8, а коммутатор 4 соединяет ППЭ 3 с входом усилителя-формирователя 6 и ППЭ 2 с ФЗИ 5. Как только акустический импульс, распространяющийся в измеряемой среде в ПР 1 от ППЭ 2 (против потока), достигнет ППЭ 3, он будет преобразован в электрический импульс, который после усиления в усилителе-формирователе 6 появится на выходе схемы И 8. Далее электрический импульс, во-первых, через схему ИЛИ 9 поступит на ФЗИ 5, который возбудит ППЭ 2, и вновь в ПР в измерительной среде начнет распространяться акустический импульс от ППЭ 2 к ППЭ 3, а во-вторых, электрический импульс поступит на одновибратор (ОВ) 10 и после задержки переведет Тр 11 в противоположное состояние, при котором будет подготовлено синхрокольцо, работающее по потоку, т.е. будет подготовлена к работе схема И 7, ППЭ 2 будет соединен с усилителем 6, а ППЭ 3 - с ФЗИ 5.

Электрический импульс после схемы И 8 поступит также на счетный вход Тр 12, который переведет его, допустим, в состояние "1", при котором он подготовит к работе схему И 15 и возбудит ОВ 13. На время работы ОВ 13 будет заблокирована работа временного селектора 14. Наконец, электрический импульс после схемы И 8 возбудит ОВ 16, импульс с которого по истечении t₀ через схему И 15 переведет Тр 17 в положение, при котором начнет работать ГУН 20, а счетчик-делитель 21 начнет отсчет импульсов, поступающих с ГУН 20. Сигнал с выхода схемы И 15, кроме того, переведет Тр 18 в состояние контроля за схождением импульсов синхроколец. С этого момента схема И 28 подготовлена к срабатыванию на случай появления импульса в синхрокольце, работающем по потоку на выходе схемы И 7. В таком состоянии Тр 18 будет находиться до тех пор, пока не сработает дешифратор 24 при поступлении на счетчик 21 определенного количества импульсов (количества импульсов, составляющих четверть объема счетчика 21). Если за указанное время импульс с выхода схемы И 7 не поступит, Тр 26 останется в состоянии, при котором схема И 25 не пропустит сигнал с дешифратора 23, появляющийся при заполнении счетчика 21 наполовину.

Согласно диаграмме напряжений, на начальном ее участке импульс на выходе схемы И 7 появляется после возвращения Тр 18 в исходное состояние и поэтому не пройдет схему И 28, а поступит через ИЛИ 9 на ФЗИ 5, который возбудит ППЭ 3, и очередной акустический импульс начнет распространяться по потоку, а также после некоторой задержки (ОБ 10) переведет Тр 11 в состояние, при котором будет подготовлено к работе синхрокольцо против потока.

Некоторое время спустя, в свою очередь, акустический импульс, распространяющийся в акустическом канале ПР против потока, достигнет ППЭ 3, и приемный электрический импульс после усилителя 6 появится на выходе схемы И 8. Этот импульс с помощью ФЗИ 5 вновь возбудит ППЭ 2, спустя определенное время (ОВ 10) переключит Тр 11, переведет Тр 12 в "0" и возбудит ОВ 16.

Тем временем счетчик 21 будет продолжать отсчитывать импульсы, поступающие с ГУН 20 до тех пор, пока не сработает дешифратор 22 (при полном объеме счетчика). При этом импульс с выхода дешифратора 22 переведет в первоначальное состояние Тр 17 и вследствие этого прекратится работа ГУН 20 и счетчика 21. Кроме того, импульс с выхода дешифратора 22 поступит на временной селектор 14. На другой вход временного селектора поступит сигнал от заднего фронта импульса с выхода ОВ 16.

В зависимости от того, на какой из входов временного селектора 14 поступит импульс раньше, будет заряжаться или разряжаться интегратор 19, изменяя тем самым управляющее напряжение на входе ГУН 20 до тех пор, пока не установится такая выходная частота ГУН, при которой импульс с дешифратора 22 будет приходить на временной селектор 14 одновременно с окончанием импульса с ОВ 16.

После появления импульса на выходе схемы И 7 схема перейдет в первоначальное положение.

Схема продолжает работать таким образом до тех пор, пока импульсы в синхрокольцах, работающих по потоку и против него, не сойдутся во времени настолько близко, что импульс с выхода схемы И 7 совпадет по времени с "1" на выходе Тр 18 (точка а на диаграмме). В этом случае сработает схема И 28, которая переведет Тр 26 в состояние, в котором он подготовит к срабатыванию схему И 25. С этого момента начинается переходный режим работы схемы.

В этом случае, как только сработает дешифратор 23 (точка б на диаграмме), возникает импульс на выходе схемы И 25. Этот импульс, во-первых, пройдя схему ИЛИ 9, поступит на ФЗИ 5, который возбудит ППЭ 2, и в акустическом канале начнет распространяться импульс против потока, во-вторых, переведет Тр 11 в противоположное состояние и, в-третьих, переключит Тр 12 в "0" и возбудит ОВ 27, который после небольшой задержки переключит Тр 26 в исходное состояние.

На этом переходный режим оканчивается, и схема вновь работает по вышеописанному порядку. В этот момент в акустическом канале в направлении против потока распространяются два акустических импульса (излученные до наступления переходного режима и во время него). Однако в связи с переключением Тр 11 во время переходного режима на работу синхрокольца по потоку, первый по времени импульс против потока (точка в на диаграмме) будет заблокирован и не попадет на усилитель-формирователь 6.

Таким образом, в предлагаемой схеме при каждом схождении синхроимпульсов синхроколец зондирование импульса в синхрокольце, работающем против потока, произойдет через время t₀+ после поступления последнего приемного импульса.

Так как в данной схеме T_i= T_i+1= , а время t₀ одновибратора 16 устанавливается равным
t₀= - то этим, как было показано выше, достигается повышение точности измерения.

Установка t₀ может осуществляться либо вручную по номинальным значениям Т₁₀ и Т₂₀ в рабочей точке (приведенная схема реализации способа), либо может автоматически корректироваться по реальным значениям Т₁₀ и Т₂₀ (t₁ и t₂ - конструктивные постоянные).

Сущность изобретения: устройство, реализующее способ, содержит преобразователь расхода, два пьезоэлектрических преобразователя, коммутатор, формирователь зондирующих импульсов, усилитель-формирователь, пять схем И, схему ИЛИ, два одновибратора задержки переключения, триггер направления, триггер режима, одновибратор запрета сравнения, временной селектор, одновибратор, триггер запуска генератора, триггер схождения импульсов, интегратор, генератор, счетчик-делитель, три дешифратора, триггер переходного режима. В изобретении определяют предварительно время прохождения импульсом неизмерительных участков синхроколец и в соответствии с математическим выражением находят величину сближения синхроимпульсов двух синхроколец. Это позволяет устранить погрешность за счет задержки сигнала в электронных цепях и протекторе пьезопреобразователя. 2 с.п.ф-лы, 2 ил.

УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ ПОТОКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ.

1. Ультразвуковой способ определения скорости потока, включающий излучение и прием ультразвуковых импульсов по и против потока измеряемой среды с образованием в одном канале двух синхроколец, исключении совпадения во времени импульсов обоих синхроколец и вычислении по параметрам синхроколец величины скорости потока, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, предварительно определяют время прохождения импульсом неизмерительных участков синхроколец, а исключение совпадения импульсов во времени производят задержкой излучения импульса против потока при i-м схождении импульсов на величину (T_i + t₀), а при (i + 1)-м схождении - на величину (T₂ - T_i + t₀), где T₂ - период синхрокольца, работающего против потока, T_i - часть периода T₂, при этом t₀ определяют из выражения

где t₁ - время прохождения импульсом неизмерительного участка синхрокольца, работающего по потоку;
t₂ - время прохождения импульсом неизмерительного участка синхрокольца, работающего против потока;
T₁₀ - время прохождения акустическим импульсом измерительного участка по потоку;
T₂₀ - время прохождения акустическим импульсом измерительного участка против потока.