Автоматический ультразвуковой расходомер Советский патент 1989 года по МПК G01F1/66 

(Л

ел

СО

ФИ9.1

31506

ключей 10-16, временной дискриминатор 17, фазометр 18, инверторы 19 и 20, триггеры 21 и 22, два элемента И 23 и 24, элемент ИЛИ 25, счетчик 26, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 27, компаратор 28, операционный усилитель 29. В расходомере осуществляется грубая и точная подстройка периода следования импульсов уп- равляемых генераторов 7 и 8. Грубая подстройка осуществляется в сторону Згменьшения выходного сигнала временного дискриминатора 17 до величины порога срабатывания компаратора 28, а затем производится точная подстройка управляемого генератора так, чтобы уменьшить выходной сигнал фазометра 18 до нуля. Причем грубая подстройка периода следования управляемых генераторов осуществляется дискрено изменяющимся по линейной зависимости управляющим напряжением. Управляющее напряжение на входе управляемых генераторов будет тем больше, чем больше будет величина рассогласования между высокочастотными колебаниями сигнального и опорного импульсов.Расходомер позволяет повысить точность измерений быстропеременных расходов жидких сред за счет замены статической характеристики управляющего сигнала с релейной на дискретно изменяющуюся по линейной зависимости. 3 ил.

Изобретение относится к ультрозвуковой технике и может быть использовано в различных отраслях техники для измерения расхода жидких и газообразных веществ. Целью изобретения является повышение точности измерения расхода. Расходомер содержит пару пьезоэлементов 2 и 3, коммутатор 4, блок 5 управления, генератор 6 ударного возбуждения, два управляемых генератора 7 и 8, частотомер 9, семь ключей 10 - 16, временной дискриминатор 17, фазометр 18, инверторы 19 и 20, триггеры 21 и 22, два элемента И 23 и 24, элемент ИЛИ 25, счетчик 26, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 27, компаратор 28, операционный усилитель 29. в расходомере осуществляется грубая и точная подстройка периода следования импульсов управляемых генераторов 7 и 8. Грубая подстройка осуществляется в сторону уменьшения выходного сигнала временного дискриминатора 17 до величины порога срабатывания компаратора 28, а затем производится точная подстройка управляемого генератора так, чтобы уменьшить выходной сигнал фазометра 18 до нуля. Причем грубая подстройка периода следования управляемых генераторов осуществляется дискретно изменяющимся по линейной зависимости управляющим напряжением. Управляющее напряжение на входе управляемых генераторов будет тем больше, чем больше будет величина рассогласования между высокочастотными колебаниями сигнального и опорного импульсов. Расходомер позволяет повысить точность измерений быстропеременных расходов жидких сред за счет замены статической характеристики управляющего сигнала с релейной на дискретно изменяющуюся по линейной зависимости. 1 ил.

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

Целью изобретения является повьшге- ние точности измерения расхода.

На фиг. 1 изображена структурная схема предлагаемого расходомера, на фиг. 2 - временные диаграммы напряжений на отдельных узлах схемы; на фиг. 3 - временные диаграммы напряжений на пьезоэлементах (а) статическая характеристика фазометра (б), статическая характеристика цепи вре- { енного дискриминатора (в), суммарная статическая характеристика фазометра и цепи временного дискриминатора (г) .

Автоматический ультразвуковой расходомер содержит два установленных на трубопроводе 1 пьезоэлемента 2 и 3, соединенных с коммутатором 4, блок 5 управления, генератор 6 ударного возбуждения, два управляеи 1х генератора 7 и 8, частотомер 9, семь ключей 10-16, временйой дискриминатор 17, фазометр 18, И1терторы 19 и 20, триггеры 21 и 22, два элемента И 23 и 24, элемент ИЛИ 25, счетчик 26, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 27, компаратор 28, операционный усилитель 29. Выходы первого 10 и второго И ключей соответственно соединены с входами первого 7 и второго 8 управляемых генераторов,выходы кото рых соответственно соединены

с первыми и вторыми входами блока 5 управления и частотомера 9, выходы

блока управления соединены соответственно: первый выход а - с управляющим входом первого ключа 10 и первым управляющим входом коммутатора 4, второй выход b - с управляющим входом

второго ключа 11 и с вторым управляющим входом коммутатора 4, третий выход с - через генератор 6 ударного возбуждения с сигнальными входами коммутатора 4 и третьего ключа 12, четвертый выход d - с управляющим входом третьего ключа 12, пятый выход е - с управляющим входом временного дискриминатора 17, шестой выход f - с нулевым входом первого триггера

21 и единичным входом второго триггера 22, нулевой вход которого через инвертор 19 соединен с вторым выходом временного дискриминатора 17, первый выход которого соединен с единичным входом первого триггера 21,

выход.коммутатора 4 соединен с сиг-. i нальными входами фазометра 18 и временного дискриминатора 17, опорный вход которого соединен с опорным входом фазометра 18 и выходом третьего

ключа 12, первые входы первого 23 и второго 24 элементов Н соединены соответственно с единичньм входом первого триггера 21 и нулевым входом второго триггера 22, а вторые входыс седьмым выходом i блока 5 управления, входы элемента Ш1И 25 соединены с выходами первого 23 и второго 24 элементов И, а выход - с сигнальным входом счетчика 26, установочный вход

5 , которого соединен с шестым выходом f блока 5 управления, а выходы соеднены с входами ЦАП 27, выход которо соединен с сигнальными входами компаратора 28, а также четвертого 13 и пятого 14 ключей, выходы которых ответственно подключены к неинвертирующему и инвертирующему входам операционного усилителя 29, а управляю щие входы - соответственно к выхода первого 21 и второго 22 триггеров, опорньй вход компаратора 28 соедине с восьмым выходом k блока 5 управлени а выход - через второй инвертор 20 управляющим входом седьмого ключа 16, сигнальный вход которого соединен с выходом фазометра 18, а выход с сигнальными входами первого 10 и второго 11 ключей, а также с выходом шестого ключа 15, сигнальный вход которого соединен с выходом операционного усилителя 29, а управляющий вход - с выходом компаратора 2б,

При изменении скорости V происходит, например, увеличение скорости

увеличение ультразвука по потоку С + Vcos Qi и уменьшение против потока ||Cf - cos где /С( - скорость ультразвука в неподвижной среде; 0 - угол между векторами и V.Измерение расхода (скорости V) осуществляется в два такта. В одном такте происходит измерение и преобразование в частоту ультрзвука 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 блок 5 управления находится в таком состоянии, что напряжение U--(a) (фиг. 2) с первого выхода а открыт ключ IО на входе управляемого генератора 7 и осуществлены необходи мые переключения в коммутаторе 4. Выходным напряжением U(b3 со второго выхода b коммутатора 5 заперт ключ 11 и перекрыты соответствующие связи в коммутаторе 4. Таким образом , следящая автоматическая система подключена для измерения скорости ультразвука по потоку. Импульсы и7 управ- ляемого генератора 7, осуществляющие коммутацию выхода блока 5 управления , поступают на вход последнего. Допустим, что максимальное количество импульсов в этом такте равно семи.

5

0

0

5

0

При поступлении на вход блока 5 управления второго импульса на его третьем выходе с возникает импульс, возбуждающий генератор 6 ударного возбуждения, формируется импульс напряжения Ug, заполненный высокочастотным напряжением, фаза которого жестко связана с передним фронтом импульса. Одновременно с этим с пятого выхода с блока 5 управления поступает импульс Uy(e), который подготавливает к работе временной дискриминатор 17. Высокочастотный импульс генечратора 6 ударного возбуждения через коммутатор 4 поступает на пьезо- |элемент 2 в виде напряжения U, который излучает в среду ультразвуковой импульс, проходящий через по- |ток среды под углом ci . Импульс принимается пьезозлементом

1 межуток времени

3 через про- где 1 С +V cosei

расстояние между пьезоэлементами 2 и 5 3. Импульс напряжения U, с пьезоэле- мента 3 через коммутатор 4:подается на сигнальные входы фазометра 18 и временного дискриминатора 17. Третьим импульсом управляемого генератора 7 на четвертом выходе d блока 5 управления формируется импульс U5-(d), который открывает к люч 12. При этом одновременно по сигналу с третьего выхода с блока 5 управления генератор 6 ударного возбуждения формирует второй высокочастотный импульс U , поступающий через открытый ключ 12 на опорные входы фазометра 18 и временного дискриминатора 17. На фазометре 18 происходит преобразование временного сдвигаДС(фиг.3,а). между вы0

сокочастотными колебаниями, заполняющими сигнальный и опорный импульсы, в напряжение соответствии со g статической характеристикой фазометра 18 f(A t ) (фиг.3,6). Статическая характеристика фазометра 18 имеет неоднозначность, которая корректируется с помощью цепи временного дискриминатора. Во временном дискриминаторе 17 осуществляется преобразование сдвига времени л в импульс напряжения U , , длительность которого

А

5

пропорциональна временному сдвигуUL,

Импульс появляется на первом или втором выходе временного дискриминатора 17 в зависимости от полярности. Импульс и,7 положительной

полярности с первого выхода временного дискриминатьра J7 поступает на единичный вход триггера 2J j что переводит его в другое устойчивое состояние, в результате формируется передний фронт импульса U,2, , открывающего ключ 13. Если импульс U, отрицательной полярности, то со второго выхода временного дискриминатора 17 импульс и,7 поступает на нулевой вход триггера 22 через инвертор 19 и переводит его в другое состояние, формируя передний фронт импульса . открывающего 14. Одновременно импульс U поступает с временного дискриминатора на первые входы элементов И 23 и 24. На вторые входы элементов И с седьмого выхода i блока 5 управления подается напряжение UgC i) , представляющее единичные счетные импульсы, следующие с высокой частотой. На элементах И происходит заполнение импульса, единичными счетными импульсами.Таким

18 (фиг.3,6) Таким образом, ес напряжение на выходе иДЛ Uj- по личине больше, чем U , то на вы компаратора 28 появляется импуль который открывает ключ 15 и закр

ет ключ 16, и наоборот, если нап жение на выходе ЦДЛ , меньше то ключ 15 закроется, а ключ. 16

10 кроется. В результате формируетс суммарная статическая характер стика фазометра 18 в цепи времен го дискриминатора, которая представлена на фиг,3,г, при этом уп

55 равляющий сигнал на выходе ключе 15 и 16, зависящий от входной ве личины h , не имеет неоднозначн сти. Управляющий сигнал с выхода ключей 15 и 16 через ключ 10 осу

20 ствляет сначала грубую подстройк периода следования импульсов упр ляемого генератора 7 в сторону у шения выходного сигнала временно дискриминатора 17 до вел1гчины по

образом, на входы элемента ИЛИ 25 по- 25 j, срабатьшания компаратора 28,

ступает пачка единичных счетных импульсов с длительностью, равной длительности импульсов и (т.е. количество счетных импульсов в пачке пропорционально Л t ). Эта пачка ноявля- ется либо на выходе элемента И 23, либо на выходе элемента И 24 в зависимости от полярности импульса U Счетчик 26 считает единичные импульсы появившиеся на выходе элементов ИЛИ 25, количество которых пропорционально рассогласованию д. ДАЛ 27 осуществляет преобразование количества сосчитанных импульсов в аналоговое напряжение, которое-через открытый ключ 13 или ключ 14 (в зависимости от полярности и ,7 ) поступает на один из входов операционного усилителя 29. Совмещенная статическая характеристика цепи временного дискриминатора 17, триггеров 21 и 22, элементов И 23 и 24, элемента ИЛИ 25, счетчика 26, ЦАП 27, ключей 13 и 14 и операционного усилителя 29 на выходе операционного усилителя приведена на фиг.3,в.

Для стыковки статических характеристик цепи временного дискриминатора и фазометра 18 служат компаратор 28, инвертор 20 и ключи 15 и 16. На опорный вход компаратора 28 с восьмо- го выхода k блока 5 управления поступает напряжение U такой величины, чтобы оно было меньшим, чем максимапь ный выходной сигнал

6279

18 (фиг.3,6) Таким образом, если напряжение на выходе иДЛ Uj- по величине больше, чем U , то на выходе компаратора 28 появляется импульс, который открывает ключ 15 и закрьшает ключ 16, и наоборот, если напряжение на выходе ЦДЛ , меньше U то ключ 15 закроется, а ключ. 16 от10 кроется. В результате формируется суммарная статическая характери-: стика фазометра 18 в цепи временного дискриминатора, которая представлена на фиг,3,г, при этом уп55 равляющий сигнал на выходе ключей 15 и 16, зависящий от входной величины h , не имеет неоднозначности. Управляющий сигнал с выхода ключей 15 и 16 через ключ 10 осуще20 ствляет сначала грубую подстройку периода следования импульсов управляемого генератора 7 в сторону уменьшения выходного сигнала временного дискриминатора 17 до вел1гчины поро25 j, срабатьшания компаратора 28,

затем производится точная подстройка управляемого генератора так, чтобы уменьшить выходной сигнал фазометра до нуля. этом грубая подстройка периода следования импульсо управляемых генераторов осуществляется не постоянным напряжением, которое подается на вход управляемых генераторов, как в известном расходомере, а дискретно изменяющимся по линейной зависимости управляющим напряжением.Т .е. управляющее напряжение на входе управляемых генераторов тем больше, чем больше величина рассогласования й , следовательно, и скорость перестройки управляемых генераторов в тактах излучения ультразвука по потоку - против потока существенно выше.

Таким образом, после осуществления грубой н точной подстройки в певом такте измерения период следования импульсов управляемого генерато .ра 7 TI становится равным времени распространения ультразвукового им1

пульса по потоку - , а С + Vcos об

частота следования этих импульсов рна

-L +V созоб

TT 1 При поступлении на вход блока 5

управления седьмого импульса управляемого генератора 7 на шестом выхоFr

91

де f.блока 5 управления формируется импульс сброса U ( f) , который переключает триггеры 22 и 21 в исходное состояние и обнуляет счетчик 26. После этого элементы расходомера переключаются в режим работы с преобразованием скорости ультразвука против потока С - Vcoso в частоту импульсо управляемого генератора 8.

Работа расходомера во втором такт измерения происходит аналогично первому. В результате во втором такте измерения происходит точная подстройка периода следования импульсов управляемого генератора 8 Т. , который становится равным времени распространения ультразвуковых импульсов

против потока-; а частоС - Vcoso

та следования импульсов равна

-iС - УсоБоб

1

Частотомер 9 измеряет разность частот импульсов на выходах управляемых генераторов 7 и 8, значение которой пропорционально скорости потока

среды. I

Таким образом, автоматический ульт

развуковой расходомер позволяет повысить точность измерений быстроперё- менных расходов жидких сред за счет более быстрой перестройки управляемых генераторов в режиме грубой подстройки частоты следования их импульсов. Ускорение процесса перестройки достигается за счет замены статической характеристики управляющего сигнала с релейной на дискретно изменяющуюся по линейной зависимости.

Формула изобре т-е н и я

Автоматический ультразвуковой рас- 45 выходом блока управления, выходы счетчика соединены с входами циф- роаналогового преобразователя, выход которого соединен с сигнальным входом компаратора и сигнальными входами четвертого и пятого ключей, выходы которых соответственно подключены к неинвертирующему и инвертирующему входам операционного .усилителя, а управляющие входы подключены соответ ственно к выходам первого и второго триггеров, опорный вход компаратора соединен с восьмым выходом блока управления, а выход через второй инвер тор соединен с управляющим входом

ходомер, содержащий два установленных на трубопроводе пьезоэлемента, соединенных с коммутатором, блок управления, генератор ударного возбуждения, первый и второй управляемые генераторы, частотомер, первый, второй и третий , временной дискриминатор, фазометр, перйый инвертор, первый и второй триггеры, причем выходы . первого и второго.ключей соответственно соединены с входами первого и второго управляемых генераторов, вы- ходы которых соответственно соединены с первыми и вторыми входами блока упJO

10

15

25

30

равления и частотомера, выходы блока управления соединены: первый - с управляющим входом первого ключа и первым управляющим входом коммутатора, второй - с управляющим входом второго ключа и с вторым управляющим входом коммутатора, третий через генератор ударного возбуждения - с сигнальными входами коммутатора и третьего ключа, четвертый - с управляющим входом третьего ключа, пятый - с управляющим входом временного дискриминатора, шестой - с нулевым входом первого триггера и единичным входом второго триггера, нулевой вход которого через первый инвертор соединен с вторым выходом временного дискриминатора, первьЛ выход которого соединен с единичным

20 входом первого триггера, выход комму- I

татора соединен с сигнальными входами фазометра ,и временного дискриминатора, опорный вход которого соединен с опорным входом фазометра и выходом третьего ключа, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения расхода, он снабжен первым и вторым элементами И, элементом ИЛИ, счетчиком, цифроаналоговым преобразователем, компаратором,.четвертым, пятым,шестым и седьмым ключами, операционным усилителем и вторым инвертором, причем первые входы первого и второго элементов И соединены соответственно с единичным входом первого триггера и нулевым входом второго триггера, а вторые входы - с седьмым выходом блока управления, входы элемента ИЛИ соединены с выходами первого и второго элементов И, а выход - с сигнальным входом счетчика, установочный вход которого соединен с шес5

0

выходом блока управления, выхо

ды счетчика соединены с входами циф- роаналогового преобразователя, выход которого соединен с сигнальным входом компаратора и сигнальными входами четвертого и пятого ключей, выходы которых соответственно подключены к неинвертирующему и инвертирующему входам операционного .усилителя, а управляющие входы подключены соответственно к выходам первого и второго триггеров, опорный вход компаратора соединен с восьмым выходом блока управления, а выход через второй инвертор соединен с управляющим входом

111506279 12

седьмого ключа, сигнальный вход ко- . шестого ключа, сигнальный вход кото-

торого соединен с выходом фазометра, ,а выход - с сигнальными входами первого и второго ключей, и с выходом

4

W

%Л

4

4

j

%

OtM

«п

ttti

Ни а,М

(Ofac)

и а,М

«п

рого соединен с выходом операционного усилителя, а управляющий вход - с выходом компаратора.