Ультразвуковой расходомер Советский патент 1986 года по МПК G01F1/66 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в различных областях народного хозяйства для измерения расхода жидкости.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей путем увеличения динамического диапазона измерения.

На фиг. 1 изображена блок-схема расходомера; на фиг. 2 - диаграммы его работы.

Ультразвуковой расходомер состоит из электроакустических преобразователей 1 и 2, коммутатора 3, ключа 4, задающего генератора 5, фазометра 6, содержащего фазовые детекторы 7 и 8, гетеродин 9, делитель 10 частоты, инвертор 11, D-триггер 12, элемент И 13, а также из счетного триггера .14, выполняющего функции блока управления коммутатором, ждущего мультивибратора 15, реверсивного счетчика 16, выполняющего функции сумматора, и стробируемого компаратора 17.

Стробируемый компаратор служит для определения разности чисел п и п,: если накопленная разность фазовых сдвигов в сумматоре i 2Tlf(dt t, ) меньше нуля, то п, -1 1 При этом по сигналу с компаратора выходная величина фазометра смещается на величину 2Т1 и на выходе сумматора образуется истинное значение разности полных фа- зовых задержек сигналов ДТ .

Фазометр может быть выполнен по схеме гетеродинирования сигналов, для этого он содержит первый и второй фазовые детекторы, реагирующие на переход фазового сдвига подаваемых сигналов через нулевое значение гетеродин, делитель частоты, D-триггер, инвертор и элемент И. Первые входы фазовых детекторов использованы, соответственно, в качестве первого и второго входа фазометра, вторые входы соединены с гетеродино а выход одного из них через делитель частоты подключен к установочному входу D-триггера, к синхровход блока управления, выполненного в виде счетного триггера, и через инвертор - к элементу И, а выход другого фазового детектора - к тактовому входу D-триггера. Его D-вход является входом смещения фазометра. Выход D-триггера подключен к втором

|входу элемента И, третий вход которо- |го подключен к выходу гетеродина. Выход элемента И является выходом фазометра. Количество импульсов на его выходе в каждом такте коммутации пропорционально разности фаз сигналов, подаваемых на фазометр. Для определения разности этих импульсов сумматор выполнен в виде ревер- сивного счетчика.

Расходомер работает следующим образом. ,

Высокочастотный сигнал с задающе- 5 го генератора 5 с помощью фазового детектора 8 сравнивается по фазе с сигналом гетеродина 9, частота колебаний которого незначительно вьше частоты задающего генератора f,, . В мо- 0 менты совпадения фаз фазовый детектор вырабатывает импульсы синхронизации, период (шедования которых равен

с т, 2П 1 п

- - 2Tl(f, - fj f. - fj

где f г - частота колебаний сигнала гетеродина.

0 Под действием этих импульсов на выходе делителя 10 формируются тактирующие импульсы с длительностью 3Tj. и скважностью, равной 2 (фиг.2). По отрицательному фронту этих импульсов производится переключение триггера 14 и изменение направления излучения ультразвука в контролируе- . мую жидкость, В момент переключения триггера 14 срабатывает ждущий мультивибратор 15, который на время , меньшее время распространения сигнала между преобразователями 1 и 2, зам1:1кает ключ 4. При этом в первом такте излучения - приема сигналы с задающего генератора 5 излучаются преобразователем 1 по потоку жидкости и пршгамаются преобразователем 2. В момент окончания синхроимпульса D-триггер 12 находится в единичном состоянии, поэтому импульсы с гетеродина 9 через элемент И 13 начнут поступать на вход счетчика 16, который в первом такте работает в инверсном режиме.

В момент начала счета t ЗТ,

се

сигналы гетеродина9 и генератора 5

совпадают по фазе,значение которой

отличается от фазыпринимаемого сигнала на величину

35

45

50

D

.4, 2П„ --;--.-- -----n t,-

2Ff. Й

N

диаметр трубопровода; скорость и угол распространения ультразвука в жидкости;

средняя скорость жидкости.

совпадение фаз сигналов, на фазовый детектор 7, в момент времени

t. ЗТ + Д Т ЗТ,

ДП ,

2П(/ - fJ

где Д% }

длительность сигнала счета в первом такте.

В момент времени Ц на тактовый 25 вход триггера 12 с фазового детектора 7 поступит импульс, триггер 12 установится в нулевое состояние (так как в первом такте на выходе Koi-шара- тора 17 всегда находится сигнал логи- -j,, ческого О), сигнал счета окончится и на выходе счетчика 16 образуется код отрицательного числа

N,

,

.f,,

(4)

35

fr - „

Б момент времени 6Т произойдет переключение триггера 14 в состоя- : ине 1, при этом коммутатором 3 будет обеспечено излучение сигналов против потока жидкости и прямой счет4о счетчика 16, а на выходе компаратора 17, реагирующего на отрицательный

(4Т - U T)f

N

fr -

- (t

(ЬТ; - UT + Tjf

Как следует из выражений (2) и (4 число N в обоих случаях соответствует истинной разности полных фазовых задержек и пропорционально измеряемой скорости и расходу жидкости. Б соответствии с выражениями (2), (3), (5) и (6) имеем

N ffi-I-fc. .

f, - f C

10

код на выходе счетчика 16, появится

сигнал логической 1.

Во всем остальном работа схемы во втором такте излучения - приема повторяет работу в первом такте: в интервале времени между окончанием тактирующего импульса и поступлением импульса с фазового детектора 7 на выходе элемента И 13 формируются импульсы счета и счетчиком 16 производится счет импульсов в прямом направлении.

Длительность данного интервала

15

ДТ

ДМ ,

2lt(f, - fo)

20

D

ЧС - ) COS0

fr -n,tj

(5)

25-j,,

35

: 4о

как следует из выражений (1) и (2), может быть больше нуля (при п п,) и меньше нуля (при п - п 1). Б первом случае на выходе компаратора 1 7 в момент поступления импульса с фазового детектора 7 будет сигнал О, триггер 12 установится в нулевое состояние и импульсы счета будут прерваны. Во втором случае на выходе компаратора 17 сигнал 1, поэтому триггер 12 останется в состоянии 1, а счет импульсов счетчиком 16 продолжится до появления второго импульса с фазового детектора 7, т.е. длительность счета возрастет на величину Тр, пропорциональную фазовому сдвигу 211. Из выражений (4) и (5) получим значение для числа, накоплен- tfbro в счетчике 16:

при

n n

(6)

.J:At2: i A.t,.)fc

fr - fo

при

Таким образом, использование фазометра с автоматическим смещением выходной величины на значение 2 IT позволяет избежать грубых ошибок и расширить диапазон измерения расходо- метра. Применение ключа позволяет уменьшить погрешность расходометра за счет устранения влияния мощного сигнала в цепях задающего генератора на фазу принимаемого сигнала.

формула изобретения

1 г

1, Ультразвуковой расходомер, содержащий два обратимых электроакустических преобразователя, подключенных через коммутатор к одному из входов фазометра, второй вход которого подключен к выходу задающего генератора, а выход - к сумматору, а также блок управления коммутатором, выходом подключенный к управляющему входу коммутатора, о т л и - ч ающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем увеличения динамического диапазона измерений, в него введены стробируемый компаратор, ключ и ждущий мультивибратор, а фазометр выполнен с возможностью автоматического смещения измеряемой величины на 211, причем между выходом задающего генератора и коммутатором включен кдюч, управляющий вход которого через ждущий мультивибратор подключен к выходу изменения знака суммирования сумматора и к стробирующему входу стробируемого компаратора, включенного между выходом, сумматора и входом смещения фазометра.

2. Расходомер по п.1, о т л и - чающийся тем, что сумматор выполнен в виде реверсивного счетчика, а фазометр состоит из двух фазовых детекторов, гетеродина, делителя частоты, D-триггера, инвертора и элемента И, причем первые входы фазовых детекторов являются первым и вторым входами фазометра, их вторые входы подключены к гетеродину, выход одного из них через делитель частоты подключен -к установочному входу D-триггера, к синхровходу блока управления, выполненного в виде счетного триггера, и через инвертор - к

элементу И, а выход другого - к так-. товому входу D-триггера, D-вход которого является входом смещения фазометра, а выход подключен к второму входу элемента И, третий вход

которого подключен к выходу гетеродина, а выход- является выходом фазометра.

Изобретение относится к измерительной технике и позволяет расширить функциональные возможности устройства, которое- содержит электроакустические преобразователи 1 и 2, коммутатор 3, ключ 4, задающий генератор 5, фазометр 6, фазовые детекторы 7 и 8, гетеродин 9, делитель 10 частоты, инвертор I1, D- триггер 12, элемент И 13, счетный триггер 14, -идущий мультивибратор 15, реверсивный счетчик 16 и стро- бируемый компаратор 17, Введение новых элементов и образование новых связей между элементами устройства позволяет увеличить динамический диапазон измерения благодаря введению фазометра 6 с автоматическим смещением выходной величины на 21Т. Применение ключа 4 позволяет уменьшить погрешность устройства за счет устранения влияния мощного сигнала в цепях задающего генератора на фазу принимаемого сигнала. 1 з.п. ф-лы, 2 ил. . 3 (Л СП 00 00

вниипи

Произв.-полигр. пр-тие, г, Ужгород, ул. Проектная, 4

Фиг.2

г

Тираж 705

Подписное