Устройство для измерения скорости и температуры потока жидкости Советский патент 1988 года по МПК G01P5/12 

со «

4 ел

Устройство относится к измерительной технике и может использоваться для измерения скорости и температуры водных потоков на лаборатор- ных гидравлических моделях.

Целью изобретения является уменьшение погрешности измерения.

На фиг.1 изображена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг.2 эпюры, поясняющие его работу: ня фиг.3-блок-схема управления;на фиг.4- эпюры напряжений блока управления.

Устройство содержит последователь но соединенные блок 1 управления, генератор 2 импульсов нагрева и нагреватель 3, последовательно соединенные термометр 4, приемное

устройство 5, первый усилитель 6, первый компаратор 7, первый триггер 8, схему 9 совпадения, первый с чет- чик 10 и цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) П, причем ЦДЛ 11 подключен к первому усилителю 6 в ка- честве управляемой отрицательной обратной связи, S-вход первого триггера 8 и вход Сброс первого счетчика IО соединены с первым выходом блока 5 управления, а опорный вход второго компаратора 7 соединен с шиной напряжения смещения Uj,, второй регистр 12, информационные входы которого соединень с выходами первого счетчика 10, а вход управления - с выходом первого триггера 8, второй усилитель 13, вход которого соединен с выходом первого усилителя 6 а вход смещения - с шиной Uo,генератор 14 тактовых импульсов, выход которого соединен с вторым входом второй схемы 9 совпадения, последовательно соединенные третий реверсивный счетчик 15,второйЦАП 56 и второй. компаратор 1 7 напряжения, причем второ вход компаратора 17 напряжения соедине с выходом второго усилителя 13, опор ный вход НАЛ 16 - с шиной U а счетный вход третьего счетчика 15 - с генератором 14 тактовых импульсов, второй триггер 1В, D-вход которого i соединен с выходом первого компаратора 17 напряжения, С-вход - с генератором 4 тактовых импульсов, а прямой выход - с входом управления реверсом третьего счетчика 15, третью 19 и четвертую 20 схемы совпадения, первые входы которых соединены с задержанным выходом генератора 14 тактовых импульсов, а вторые входы - соответственно с инверсным и прямым выходами второго триггера 18, четвертый 21 и .пятый 22 счетчики, счетные входы которых соединены соответственно с выходами третьей 19 и четвертой 20 схем совпадения, входы Сброс - соответственно с прмым и инверсным выходами второго триггера 18, третий триггер 23, S- и R-входы которого соединены с выходами соответственно четвертого 21 и пятого 22 счетчиков, регистр 24, информационные входы которого соединены с выходами третьего счетчика 15, а. вход Сброс - с вторым выходом блока 1 управления и входом генератора 2 импульса нагрева, схему 25 сравнения кодов, входы которой соединеИы с вькодами третьего счетчика 15 и регистра 24, пятую 26, шестую 27 и седьмую 28 схемы совпадения, первые входы которых соединены с выходом схемы 25 сравнения кодов, вторые входы шестой

27и седьмой 28 схемы совпадения соединены с выходами соответственно четвертого 21 и пятого 22 счетчиков второй вход пятой схемы 26 совпадения соединен с прямым вькодом второго триггера 18, а третий вход - с выходом третьего триггера 23, второй счечтик 29, ВХОД Сброс которого соединен с управляющим входом регистра 24 и выходом седьмой схемы

28совпадения, шестой счетчик 30, счетный вход и вход Сброс которого соединены соответственно с выходами пятой 26 и шестой 27 схем совпадения, первую схему 31 совпадения входа которой соединены с выходом генератора 14 тактовых импульсов и третьим выходом блока 1 управления,

а выход - со счетным входом второго счетчика 29, арифметическ.ое устройство 32, информационные входы которого соединены с выходами второго регистра 12, второй 29 и шестого 30 счетчиков, а управляющий вход - с четвертым выходом блока 1 управления, а также индикатор 33, соединенный с выходом арифметического устройства 32.

Блок управления (фиг.З) содержит синхронизатор 34 и последовательно соединенные формирователи 35 импульсов нагрева, формирователь 36

времени измерения, формирователь 37 импульса запуска.

Устройство работает следующим образом.

По сигналу (фиг.2а) с первого выхода блока I управления сбрасьтают- ся первый счетчик 10 к возводится первый триггер 8, разрешающий прохождение тактовых импульсов от генератора 14 через вторую схему 9 совпадения на вход первого счетчика 10, который, изменяя состояние ЦДЛ 11, увеличивает коэффициент усиления первого усилителя 6. Увеличение коэффициента усиления происходит до тех пор, пока сигнал с выхода приемного устройства 5, пропорциональный температуре жидкости (фиг.26), не достигнет на выходе первого усилителя 6 величины U, (фиг.2в), при этом срабатывает второй компаратор 7 напряжения и сбра- сьшает первый триггер 8, который, в свою очередь, переписьшает с выходов первого счетчика 10 код К 1 во второй регистр 12 и разрешает . формирование блоком 1 управления управляющего импульса нагрева (фиг.2г). С второго выхода блока 1 /управления управляюпщй импульс нагрева сбрасьшает второй регистр 24 и запускает генератор 2 импульсов нагрева, который с помощью кольцевого нагревателя 3 формирует в потоке жидкости кольцевую тепловую метку. Тепловая метка, перемещаясь в потоке жидкости, проходит через термометр 4, при этом условия распространения тепловой метки в потоке жидкости относительно термометра 4 одинаковы во всех направлениях двжения в плоскости потока. Так как коэффициент усиления первого усилителя 6 определяется уровнем сигнал с выхода приемного устройства 5, пропорциональным температуре потока жидкости, возникает необходимость дополнительного усиления сигнала тепловой метки. С этой целью введен второй усилитель 13, в котором про,изводится компенсация постоянной сотавляющей входного сигнала U и усиление сигнала тепловой метки до необходимой величины (фиг.2д). Компаратор 17, второй триггер 18, ревесивный счетчик 15 и ЦАП 16 образуют аналого-цифровой преобразователь (АЦП) следящего типа.

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

При поступлении сигнала с выхода второго усилителя на вход АЦП на выходе компаратора I7 и на прямом и инверсном выходах второго триггера 18 образуются соответственно последовательности импульсов Ж, 3, И, а на выходах третьей 19 и четвертой 20 схем совпадения - импульсы К и Л, причем появление импульсов Л соответствует уйеньшеншо ступенчатого сигнала на выходе ЦДЛ 16 (фиг.2д), а импульсов К - его нарастанию. Им-- пульсы К и Л поступают на счетные входы четвертого 21 и пятого 22 счетчиков, на входы Сброс которых поступают соответственно импульсы 3 и И с выходов второго триггера 18, Счетчики 21 и 22 являются счетчиками ПО;, модулю М 3, на выходах которых после сброса появляются импульсы после второго и через каждые (М-1) последующих (до сброса) счетных импульсов. В данном случае рассматриваются счетчики с М 3. Последовательность импульсов. Н на выходе счетчика 21 соответствует нарастанию сигнала Д, а импульсов М на выходе , счетчика 22 - уменьшению. Третий триггер 23 формирует интервалы времени (фиг.2о) от начала нарастания сигнала Д до начала его спада. Так как в начале измерения регистр 24 сброшен в нулевое состояние, то на выходе схемы 25 сравнения кодов устанавливается сигнал П, показьшаю- щий, что код третьего счетчика 15, пропорциональный текущему значению, сигнала Д, больше кода регистра 24, и разрешающий прохождение сигналов через пятую 26, шестую 27 и седьмую 28 схемы совпадения. Шестой счетчик 30 сбрасывается каждым импульсом Н, прошедшим через схему 27 совпадения и считывает импульсы, прошедшие через схему 26 совпадения, в результате чего в счетчике 30 за- письшается код КЗ, численное значение которого равно целой части выражения (t,- t) fo/2, где fjj - частота генератора 14 тактовых импульсов. Счет длится до момента времени t, когда после первых двух спадов подряд ступенчатого сигнала Д происхо дит сброс третьего триггера 23 и запрещается прохождение счетных импульсов через пятую схему 26 совпадения. Одновременно происходит сброс второго счетчика 29 и начинается счет

импульсов fg с выхода первой схемы 31 совпадения. Одновременно сигналом Р с выхода седьмой схемы 28 совпадения в регистр 24 переписывается из счетчика 15 код, соответствующий максимальному уровню сигнала Д, после чего на выходе схемы 25 сравнения кодов исчезает сигнал П и запрещается работа пятой 26, шестой 27 и седьмой 28 схем совпадения. Второй счетчик работает до окончания времени измерения Т и в нем записывается код К 2, численное значение которого равно (T-tj+ t, ) fg.

При наличии в сигнале пиков, предшествуюпщх максимуму тепловой метки (фиг.2 д,1), работа устройства аналогична вьшеуказанной, с той лишь разницей, что с приходом максимума тепловой метки (фиг.2д,11) большего по амплитуде предшествующего пика, код на выходах третьего счетчика 15 станет больше кода, записанного в регистре 24, и схема 25 сравнения кодов даст разрешение на повторное измерение, причем пре- дьздущая информация о предшествующем максимуме во втором 29 и шестом 30 счетчиках сбрасывается. Последующие за максимумом тепловой метки пики (фиг,2д,III) не влияют на дальнейшую работу устройства, так как код на выходах третьего счетчика 15 не превышает кода, записанного в момент времени tj в регистр 24, и схема 25 сравнения кодов не разрешит сброс информации во втором 29 и шестом 30 счетчиках. При наличии в сигнале помех, меньших по амплитуде максимума тепловой метки, работа устройства аналогична вышеуказанной.

Коды К 1 с выхода второго регистра 12, К 2 с выхода второго счетчика 29 и К 3 с выхода шестого счетчика 30 поступают на арифметическое устройство, которое по сигналу бло ка 1 управления по окончании времени измерения Т производит вычисление температуры и скорости потока жидкости. Вычисление температуры потока жидкости производится по формуле, учитывающей температурную характеристику термометра 4, а также параметры приемного устройства 5 и цепи отрицательной обратной связи первого усилителя 6, Так, для полупроводникового терморезистора температурная характеристика вид

0

) VT т„/

(1)

где R - текущее значение сопротивления терморезистора; Т - текущее значение температуры, К; В - козффициеит температурной

характеристики;

R - сопротивление терморезистора при температуре Т. Напряжение иX на выходе преобразователя сопротивления в напряжение определяется формулой U A R, где А - коэффициент преобразования.

Коэффициент усиления первого усилителя определяется соотношением

20

К

UoКцоп

и R

Так как код К1 соответствует числу импульсов, записанных в первом счетчике 10, то сопротивление ЦАП II определяется соотношением AR К, где &R - шаг квантования делителя ЦАП 1I. Тогда из (2) находим

RT

Uo-R

к,

Из формулы (1) ходим

в

(3) с учетом (3) наТ - ..

. Jo R В

A ZR - K R:) тГ

(4)

40

Скорость потока жидкости определяем по формуле

V

Т 1

-J(5)

0

5

где 1 - базовое расстояние между

нагревателем 3 и термомет- ром 4.

Результаты вычислений поступают на индикатор 33, откуда производится считывание информации.

Начало 1щкла измерения задает синхронизатор, импульсом с выхода которого возводится первый триггер В и сбрасывается счетчик 10. После сброса первого триггера спадом импульса с его выхода запускается формирователь импульсов нагрева, дли-

тельность которых задается электрическими Элементами этой схемы. Далее сладок импульса нагрева запускается формирователь времени измере- кия Т, по окончании которого формирователь импульса запуска АУ вырабаты- 1вает управляющий импульс, разрешающий начало математической обработки результатов измерения.

Погрешность измерения скорости потока жидкости не будет увеличиваться при кольцевой форме нагревателя с термометром в центре, так как при любом направлении движения в плос- кости потока тепловая метка проходит одинаковое расстояние от нагревателя до термометра. Уменьшается пог- рещность, связанная с изменением амплитуды тепловой метки, что достига- ется нормированием входного сигнала путем компенсации постоянной составляющей и дополнительным усилением. Уменьшение погрешности измерения, связанной с малой крутизной фронтов и конечной длительностью максимума тепловой метки, достигается тем, что производится измерение половины интервала времени (t,- t) на вершине сигнала. Расширение функциональ- ных возможностей устройства достигается выводом кода первого счетчика 10 с помощью второго регистра 12, несущего информацию о температуре потока жидкости в момент окончания формирования входного сигнала.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения скорости и температуры потока жидкости, содержащее последовательно соединенные блок управления, генератор импульсов нагрева и нагреватель, последовательно соединенные термометр. приемное устройство и яервый усилитель, первый цифроаналоговьй преобразователь, включенный в цепь обратной связи первого усилителя., первый счетчик, вход Сброс которого соединен с первым выходом блока управления, а выходы - с управляющими входами цифроаналогового преобразователя, последовательно соединенные генератор тактовых импульсов, первую схему совпадения и второй счетчик, причем второй вход первой схемы совпадения соединен с третьим выходом блока управления,

j 0 5 o

5

0

0

последовательно соединенные третий реверсивный счетчик, второй цифро- аналоговый преобразователь и пе.рвьш компаратор.напряженияэ причем счетный вход третьего счетчика соединен с генератором тактовых импульсов а опорный вход второго цифроаналогового преобразователя с шииой нап ряжения смещения5 последовательно соединенные арифметическое устройство и индикатор, причем второй информационный вход арифмет гческого устройства соединен с выходом второго счетчика, а управляющий вход - с четвертым выходом блока управления, отличающееся тем, что, с целью уменьшения погрешности измерения, нагреватель выполнен в виде кольца, -расположенного в плоскости потока, термометр размещен в центре этого кольца, и в устройство дополнительно введены второй компаратор напряжения, три триггера, шесть схем совпадения, три счетчика, второй усилитель, первый регистр и схема сравнения кодов, при этом к выходу первого усилителя последовательно подключены второй компаратор напряжения, первый триггер и вторая схема совпадения 5 причем опорный вход второго компаратора напряжения соединен с шиной напряжения смещения, установочный вход первого триггера - с первым выходом блока управления, а выход - с входом блока управления, второй вход второй схемы совпадения соединен с генератором тактовых импульсов, а выход - со счетным входом первого счетчика, вход второго усилителя соединен с выходом первого усилителя, БХОД смещения - с гонкой напряжения смещения, а выход - с вторы - входом первого компаратора напряжения, D-вход -второго триггера соединен с выходом первого компаратора, а С-вход - с выходом генератора тактовых импуль- .сов, первые входы третьей и четвертой схем совпадения соединены с задержанным выходом генератора такто- Вых импульсов, а вторые - соответственно с инверсным и прямым выходами второго триггера, счетные входы четвертого и пятого счетчиков подключены соответственно к выходам третьей и четвертой схем совпадения а входы - Сброс - соответственна к прямым и инверсным выходам второго

триггера, S- и R-входы третьего триггера соединены с выходами чет}- вертого и пятого счетчиков, информационные входы регистра и первые информационные входы схемы сравнени кодов соединены с выходами третьего счетчика, вторые входы схемы сравнения кодов - с выходами регистра, а вход Сброс регистра - с вторым выходом блока управления и входом генератора импульсов нагрева, первые входы пятой, шестой и седьмой схем совпадения соединены с выходом схемы сравнения кодов, вторые входы шестой и седьмой схем совпадения соединены с выходами соответственно четвертого и пятого счетчиков, вто- рой вход лятой схемы совпадения - с прямым выходом второго триггера а третий вход - с вьвсодом третьего

триггера, выход седьмой схемы совпадения соединен с входом Сброс второго счетчика и управляющим входом регистра, счетный вход шестого счетчика и его вход Сброс соединены соответственно с выходами пятой и шестой схем совпадения, а выход -. с третьим входом арифметического устройства.

2. Устройство по П.1 отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, в Hiero дополнительно введен второй регистр, информационные входы которого соединены с выходом первого счетчика, управляющий вход - с выходом первого триггера, а выход - с первым входом арифметического устройства.

Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения - уменьшение погрешности измерения , Для этого нагреватель 3 вьтол- нен в виде кольца с термометром 4 в центре. При любом направлении движения в просйости потока тепловая метка проходит одинаковое расстояние от нагревателя до термометра 4. Уменьша-г ется погрешность, связанная с изменением амплитуды тепловой метки, что достигается нормированием входного сигнала путем компенсации постоянной составляющей и дополнительным усилением. Уменьшение погрешности измере-г ния, связанной с малой крутизной фронтов и конечной длительностью максимума тепловой метки, достигается тем, что производится измерение половины интервала времени на вершине сигнала. Расширение функциональных возможностей достигается выводом кода счетчика 10 с помощью регистра 12, несущего информацию о температуре потока жидкости в момент окончания нормирования входного сигнала. 1 з.п. ф-лы, 4 ил. (Л

фае.Г

-171 1 2S

а 5

linnnilllinnHHIIlHliH(llllllil{lttl}|JllH ini

пппш

лдппп

1ППП п ППППППП п

ППППП n

ппп

и тип 1 тип п И1П 11

Ml run шипи ними

I }

IL

1 ГП

ж

t

лдппп

-if

ппп

- t

I }

IL

1 ГП

ж

Фие.2