Импульсный одноканальный ультразвуковой расходомер Советский патент 1985 года по МПК G01F1/66 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения расходов жидких сред в химической, нефтяной, гидрометаллур гической и других отраслях промьпиленности. Известен импульсный одноканальный ультразвуковой расходомер, основанный на измерении разности временных интервалов при распростра нении ультразвука по потоку и против него. Измерение осуществляется с помощью высокостабильного генератора, дискретными импульсами которо го заполняются измеряемые временные промежутки. Подсчитанная счетчиком разность импульсов является мерой расхода l . Недостатком указанного рагходоме ра является невысокая точность измерений, которая ограничивается величиной единицы дискретного отсчета т.е. периодом колебаний генератора. Известен импульсный одноканальный ультразвуковой расходомер, содержащий два управляемых по частоте генератора, выходами подсоединенных к входам первого коммутатора, а так же последовательно включенные формирователь зондирующих импульсов,ВТО рой коммутатор, приемно-передакицие преобразователи акустического канал расходомера, третий коммутатор, усилитель-формирователь и временно селектор, при этом вторые вьпсоды управляемых генераторов связаны с измерителем разности частот 21 , Однако для указанного устройства характерна недостаточно высокая точ ность измерений, обусловленная тем, что известное устройство представляет собой по существу автоматическую систему непрерывного регулирова ния, имеющую значительную зону нечувствительности, а также невысокую оперативность измерений. Целью изобретения является повышение точности измерений. достигается тем, что в импульсный одноканальный ультразвуковой расходомер, содержащий два упра ляемых генератора, выходами подсоединенных; к входам первого коммутатора и измерителя разности частот, а также последовательно включенные формирователь зондирующих импульсов второй коммутатор, два приемно-пере даюших преобразователя, третий коммутатор, усилитель-формирователь и временной селектор, введены схема временного сравнения, два реверсивных счетчика, два цифроаналоговых преобразователя, а также последовательно включенные счетчик импульсов, синхронизатор и четвертый коммутатор причем схема временного сравнения одним входом подсоединена к выходу временного селектора, другим входом - к синхронизатору, а выходом - к четвертому коммутатору, связанному с входами реверсивных счетчиков, которые через цифроаналоговые преобразователи подключены к входам управляемых генераторов, при зтом вход счетчика импульсов связан с выходом первого коммутатора, а выходы синхро ,низатора подсоединены к временному селектору, к схеме временного срав- нения, к каждому из четырех коммута-. торов и формирователю зондирующих импульсов. Подстройку перестраиваемых генераторов осуществляют дискретным шаговым регулированием частоты каждого опорного генератора путем обеспечения по цепи обратной связи системы регулирования автоколебательного импульсно-дискретного режима подстройки вокруг точки равновесия, соответствующей равенству времени распространения ультразвука в среде и п-периодам опорного перестраиваемого генератора. Такая подстройка осуществляется как для перестраиваемого генератора с частотой f|, пропорциональной скорости распространения ультразвука по потоку среды, так и для перестраиваемого генератора с частотой fj, пропорциональной скорости распространения ультразвука против потока среды . Шаг перестройки выбирают из условия обеспечения заданной точности измерений расхода. Если относительную ошибку измерений обозначим через & , то очевидно, что единичный шаг if перестройки по частоте должен быть не более bf,, 6 л f -MSlVU- ( 3 , .. . На фиг. 1 приведена блок-схема ультразвукового расходомера; на фиг. 2 - временные диаграммы сигналов расходомера. . Ультразвуковой расходомер содержит (фиг. 1) два управляемых по частоте генератора 1 и 2, выхода в1 под соединенных к входам первого коммутатора 3, а также последовательно включенные формирователь 4 зондирукщих импульсов, второй коммутатор 5, приемно-передающие преобразователи 6 и 7 акустического канала 8 расходомера, третий коммутатор 9, усилитель-формирователь Ю и времен ной селектор 11, при этом вторые выходы управляемых генераторов 1 и 2 связаны с измерителем 12 разности частот. Кроме того, в него введены схема 13 временного сравнения, вьшо ненная на основе логических элементов И, два реверсивных счетчика 14 и 15 с цифроаналоговыми преобразователями 16 и 17, а также последовательно включенные счетчик 18 импульсов и синхронизатор 19, причем схема 13 временного сравнения одним - входом подсоединена к выходу времен ного селектора 11,вторым входом - к синхронизатору 19, а выходом - к четвертому коммутатору 20, связанному с входами реверсивных счетчико 14 и 15, которые через цифроаналоговые преобразователи 16 и 17 подключены к входам управляемых по час тоте генераторов 1 и 2, при этом вход счетчика 18 импульсов связан с выходом первого коммутатора 3, а выходы сиггхронизатора подсоединены к временному селектору 11, к схеме 13 временного сравнения и к каждому из четырех коммутаторов 3, 5, 9 и 20. Расходомер работает следукяцим об разом. Управляемые по частоте генератор 1 и 2 вьфабатьшают непрерывную им.пульсную последовательность со срав нительно большой частотой, равной, например, 10 МГц. С помощью коммутатора 3 она поочередно подается от управляемых генераторов 1 и 2 на вход счетчика 18 импульсов, к выходу- которого подключен.синхронизатор обеспечиваюпщй синхронизированную работу расходомера в целом. С помощ кодовых переключателей, являющихся элементом конструкции синхронизатора 19 выбирают период зондирования временные моменты переключений коммутаторов 3, 5, 9 и 20 и положение .сравниваемого импульса, подаваемого на схему 13 временного сравнения. Пусть к счетчику 18 импульсов коммутатором 3 подключен управляемый по частоте генератор 1, генерирующий импульсную последовательность U( (фиг. 2а), На выходе счетчика 18 формируется в этом случае непрерьшно меняняцаяся кодовая комбинация, при совпадении которой с кодовой комбинацией кодовых переключателей синхронизатора 19 последний формирует управляющие импульсы, строго сфа- зированные с колебаниями генератора : 1. Первый сформнрованньй сикхронизированньй импульс с периодом . обеспечиваклцим полное, затухание реверберационных помех в акустическом канале, подается в момент времени t,- на вход формирователя 4 зондирующих иь-шульсов, которьй генерирует короткий возбуждакшшй импульс U (фиг. 2б), поступакицнй в этот период измерений через коммутатор 5 на пьез преобразователь 7 расходомера. При возб кдении приемно-передающий преобразователь 7 генерирует ультразвуковой сигнал, который, распространяясь в потоке среды акустического канала 8 расходомера, приоб|ретает дополнительное приращение, равное скорости потока среды, и через Epewf Трд (.„р, (фиг. 2в) достиг(ет противоположно расположенного приемно-передающего преобразователя 6. Последний преобразует акустический сигнал в электрический и подает его через коммутатор 9 на вход усилителя-формирователя 10, в котором принятый информационный сигнал усиливается и стабилизируется по амп.литуде с помощью автоматической регулировки усиления. Дополнительная частотная селекция, предусмотренная на выходе усилителяФормирователя 10, обеспечивает прохождение на вход временного селекто-, ра Т1 сигналов с частотой,, соответствующей резонансной частоте приемно-передающих преобразователей 6 и 7. Временной селектор 11 разрешает прохождение принятого информационного сг;гнала в пределах временных ворот t3 - t (фиг. 2г), сформированных синхронизатором 19, на вход схемы t3 временного сравнения. Схема 13 сравнивает взаимное временлое положение вьщеленного усилите-лемop шpoвaтeлeм 10 переднего фронта j(5 принятого сигнала в момент времени tj (фиг, 2д) с передним фронтом сравниваемого импульса U( , поступающего с синхронизатора 19 в момент времени t (фиг. 2е). В зависимости от того, какой импульс поступил раньше на вход схемы 13 времен ного сравнения, последняя формирует на своем выходе и &1ульсы записи +1 или -1, которые через коммутатор 20 подаются на соответствующие входы .реверсивного счетчика 14 (фиг. 2ж и 2и). Дальнейшая работа расходомера основана на выравнивании временного положения tj импульса сравнения U, с временным положением tj информацион ного импульса U ( , сформированно го по принятому ультразвуковому Сигналу. Указанное выравнивание осуществляется по схеме 13 временного сравнения с помощью замкнутой системы автоматической дискретношаговой подстройки частоты i управляемого по частоте генератора 1, состоящей из коммутатора 20, реверсивного счетчика 14, цифроаналогового преобразователя 16, управляемого по частоте генератора 1, коммутатора 3, счетчика 18 импульсов, синхронизатора и схемы 13 временного сравнения. Предположим, что импульс сравнения U| пришел на схему 13 взаимного временного сравнения раньше (момент времени ty, фиг. 2е), чем информационный импульс и,о (момент времени tj , фиГо 2д). В этом случае на выхо де схемы 13 формируется счетный импульс, который через коммутатор 20 подается на счетный вход 1 реверси ного счетчика 14 (фиг. 2ж). Реверси ный счетчик 14 по этому импульсу соответствующим образом изменяет на единицу свое состояние, которое бьш в него занесено в предьщущие циклы измер ений. Код числа, полученный в результате этого, преобразуется хщф роаналоговым преобразователем 16 в уровень напряжения U,g (фиг,.2к), ко торым производится подстройка часто ты управляемого генератора 1 на величину, равную единичному шагу перестройки, к частоте, пропорциональ ной скорости распространения ультра звука по потоку среды. На этом заканчивается период подстройки управляемого по частоте генератора 1 при измерении по потоку среды (в соответствии с направлением движения среды, указанным на фиг. 1). Дпинным тактовым импульсом Uj , поступившим с синхронизатора (фиг.2л), коммутаторы 3, 5, 9 и 20 в момент времени t.g устанавливаются в состояние, обеспечивающее включение управляемого по частоте генератора 2 в измерительный контур расходомера для измерения скорости распространения ультразвука по потоку среды. Процесс подст)7ойки частоты управляемого по частоте генератора 2 осуществляется в описанном порядке по замкнутой цепи: схема 13 взаимного временного : сравнения, коммутатор 20, реверсивный счетчик 15, цифроаналоговый преобразователь 17, управляемый по частоте генератор 2, коммутатор 3, счетчик 18 импульсов и синхронизатор. Предположим, например, что импульс сравнения U|g пришел на схему 13 временного сравнения позже (момент времени t, фиг. 2е), чем на информационный импульс U|,jj. (момент времени tg, фиг. 2д), Б этом случае на выходе схемы 13 формируется счетный импульс, который через коммутатор 20 подается уже на счетньй вход , +1 реверсивного счетчика 15 (фиг.2и). Реверсивный счетчик 15 также соответ ствующим образом изменяет свое состояние, увеличивая на единицу числовое значение, полученное им в предь -дущпе такты измерений. Цифроаналоговый преобразователь 17 преобразует результирую1ци1 код числа в уровень напряжения U (фиг. 2м), которь м и производится подстройка управляемого гекаратора 2, вырабатьгоающего часто-i ту, пропорциональную скорости ульт- , развука против потока среды. Далее длинный тактовый импульс U/g (фиг..2л) Заканчивается, и расходомер с помощью коммутаторов 3, 5, 9 и 20 снова переходит в режим измерения i и подстройки генератора 1, вырабатьшающего частоту, пропорциональную скорости ультразвука по потоку сре;у 1. Таким образом, осуществляется подстройка частот генераторов 1 и 2 по каждому периоду измерений дискретно-щаговым регулированием до тех

пор, пока не произойдет выравнивание моментов времени t, t прихода импульсов сравнения с синхронизатора и моментов времени t, tg информационных импульсов по каждому из направлений измерения скорости ультразвука. При достижении сравнения указанных моментов времени на величину, по времени меньшую дискретного шага подстройки, система автоматической подстройки частоты осуществляет в одни периоды работы автоколебательный импульсно-дискретный режим подстройки вокруг момента времени tj , соответствукяцего времени распространения ультразвука по потоку среды, а в другие периоды работы - автоколебательный импульсно-дискретный режим вокруг момента времени tg, соответствующего распространению ультразвука против потока среды. В свою очередь, такой же автоколебательный режим работы

совершают и частоты fj я f Управляемых генераторов 1 и 2. Усредненное значение частоты управляемого 5 по частоте генератора 1, полученное в результате этого, пропорционально скорости распространения ультразвук по потоку среды, а усредненное значение частоты управляемого по часто

10 те генератора 2 пропорционально ско рости распространения ультразвука против потока среды.

Измеритель 12 разности частот, подключенный к выходам управляемых

15 по частоте генераторов 1 и 2, регистрирует разностную величину их частот, пропорциональную скорости потока среды в акустическом канале расходомера.

20 Испытания расходомера показали, что его можно применять в тех областях науки, техники и производства, где требуется измерять расход жидких сред с высокой точностью.

ИМПУЛЬСНЫЙ ОДКОКАНАЛЬНЫЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ РАСХОДОМЕР, содержащий два управляемых генератора, вы,ходами подсоединенных к входам измерителя разности частот и первого коммутатора, а также последовательно включенные формирователь зондирующих импульсов, второй коммутатор, два приемно-передающих преобразователя, третий коммутатор, усилительформирователь и временной селектор. отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в него введены схема временного сравнения, два реверсивных счётчика, два цифроаналоговых преобразователя, а также, последовательно включенные счетчик импульсов, синхронизатор и четвертый коммутатор, причем схема временного сравнения одним входом подсоединена к выходу временного селектора, другим входом - к синхронизатору, а выходом - к четвертому комNryTaTopy, связанному с входами реверсивных счетчиков, которые через цифроаналоговые преобразователи подключены к входам управляемых геел нераторов, при этом вход счетчика импульсов связан с выходом первого коммутатора, а выходы синхронизатора подсоединены к временному селектору, к схеме временного сравнения, к каждому из четьфех коммутаторов и формирователю зондирующих импульсов .

&Ч