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

пьезоэлементом 3, преобразуется в напряжение и поступает на сигнальные входы фазометра 16 и временного дискриминатора 17. На фазометре 16 происходит преобразование временного сдвига и) после формирования второго высокочастотного импульса между высокочастотными колебаниями, заполняющими сигнальный и опорный импульсы в соответствии со статической характеристикой фазометра 16, имеющего неоднозначность, которая корректируется с помощью временного дискриминатора 17, инвертора 19 и триггеров 20 и 21. В результате в первом такте измерения период следования импульсов управляемого генератора 23 становится равным времени распространения ультразвукового импульса по потоку. Работа устройства во втором такте происходит аналогично первому, но в направлении против потока. Отличие заключается в том, что сигнал с выхода сумматора 18, перестраивающий частоту управляемого генератора 25, дополнительно проходит через управляемый элемент 27 задержки, величина которой определяется временным положением переднего фронта импульса, управляющего работой ключа 22 и поступающего с выхода блока 10. Этим обеспечивается одновременность моментов перестройки частоты обоих управляемых генераторов 23 и 25. 4 ип.

Изобретение относится к ультразвуковой технике и может быть использовано в различных отраслях для измерения расхода жидких и газообразных веществ. Целью изобретения является повышение точности измерения. Работа устройства происходит в два такта. Высокочастотный импульс генератора 9 ударного возбуждения через ключ 5 коммутатора 4 поступает на пьезоэлемент 2, который излучает в среду ультразвуковой импульс, проходящий через поток под углом α. Через промежуток времени импульс принимается пьезоэлементом 3, преобразуется в напряжение и поступает на сигнальные входы фазометра 16 и временного дискриминатора 17. На фазометре 16 происходит преобразование временного сдвига Δ τ после формирования второго высокочастотного импульса между высокочастотными колебаниями, заполняющими сигнальный и опорный импульсы в соответствие со статической характеристикой фазометра 16, имеющего неоднозначность, которая корректируется с помощью временного дискриминатора 17, инвертора 19 и триггеров 20 и 21. В результате в первом такте измерения период следования импульсов управляемого генератора 23 становится равным времени распространения ультразвукового импульса по потоку. Работа устройства во втором такте происходит аналогично первому, но в направлении против потока. Отличие заключается в том, что сигнал с выхода сумматора 18, перестраивающий частоту управляемого генератора 25, дополнительно проходит через управляемый элемент задержки 27, величина которой определяется временным положением переднего фронта импульса, управляющего работой ключа 22 и поступающего с выхода блока 10. Этим обеспечивается одновременность моментов перестройки частоты обоих управляемых генераторов 23 и 25. 4 ил.

,

Изобретение относится к ультразвуковой технике, может быть использовано в различньгх отраслях народного хо- зяйства для измерения расхода жидких и газообразных веществ и является усовершенствованием изобретения по авт. св. № 777438.

Цель изобретения - повышение точ- ности измерения за счет снижения паразитной флуктуации выходного сигнала .

На фиг. 1 изображена блок-схема автоматического ультразвукового рас ходомера; на фиг.2 - временные диаг раммы напряжений на отдельных узлах схемы; на фиг. 3 - вре,енные диаграммы напряжений на пьезоэлементах, и статические характеристики Лазомет- ра, временного дискриминатора и сумматора; на фиг. 4 - выходные сигналы управляемых генераторов.

Автоматический ультразвуковой расходомер содержит два установленных на трубопроводе 1 пьезоэлемента 2 и 3, соединенных с коммутатором 4,включающим, например, две пары последовательно соединенных ключей 5, 6 и 7, 8 с подключением выхода ключа 5 к пьезоэлементу 2, а выхода ключа 7 - к пьезоэлементу 3, генератор 9 ударного возбуждения, выход которого соединен с входами ключей 5 и 7, блок 1 управления, состоящий, например, из двух ключей 11 и 12 и последовательн соединенных распределителя 13 импульсов, вход которого подключен к выходам ключей 11и 12 и триггера 14, до

5

0

полнительный ключ 15, включенный на выходе генератора 9 ударного возбуждения, фазометр 16 и временной дискриминатор 17, сигнальные входы которых подключены к выходам ключей 6 и В, а опорные входы - к выходу дополнительного ключа 15, выход фазометра соединен с одним из входов сумматора 18, а выходы временного дискриминатора 17 соединены с входом инвертора 19 и единичным входом триггера 20, выход инвертора 19 подключен к нулевому ВХОДУ триггера 21, выход которого так же, как и выход триггера 20, подключен к входу сумматора 18.

Кроме того, расходомер содержит две цепи, одна из которых состоит из последовательно соединенных ключа 22 и управляемого генератора 23, вторая - из последовательно соединенных ключа 24, управляемого генератора 25, которые включены на выходе сумматора 18, выходы управляемых генераторов 23 и 25 подключены к входам частотомера 26 и ключей 11 и 12 блока 10 управления, во вторую цепь между выходом ключа 24 и входом управляемого генератора 25 включен управляемый элемент 27 задержки, управляющий вход которого соединен с управляюшим входом ключа 22 другой цепи. Выход 1 блока 10 управления подключен к управляющим входам ключей 6, 7, И и 24, вькод 2 подключен к управляющим входам ключей 5, 8, 12 и 22, выход 3 - к нулевому входу триггера 20 и единичному входу триггера 21, выход

54 - к управляюшему входу временного дискриминатора 17, выход 5 - к управляющему входу ключа 15, выход 6 - к входу генератора 9 ударного возбуждения.

Автоматический ультразвуковой расходомер работает следующим образом.

При изменении скорости потока V (фиг. 2) происходит, например, увеличение скорости ультразвука по потоку С + V cos d и уменьшение против потока С - V cosof, где С - скорость ультразвука в неподвижной среде; dl угол между векторами С и V. РЬмерени расхода (скорости V) устройством осуществляется в два такта. В одном такте происходит измерение и преобразование в частоту скорости ультразвука 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 триггер 14 блока 10 управления находится в таком состоянии, что напряжением U.(a) (Лиг. 2) с выхода открыты ключи 5 и 8 коммутатора 4 и ключи 22, 12, на входе и выходе управляемого генератора 23. Выходным- сигналом 1 триггера 14 ключи 6, 7, 24 и 11 заперты. Таким образом, следящая автоматическая система подклю чека для измерения скорости ультра- звука по потоку. Импульсы U, Управляемого генератора 23, осуществляющие коммутацию выходов блока 10 управления через ключ 12, поступают на вход распределителя 13 импульсов. Допустим, что максимальное количество Импульсов в этом такте равно семи.

При поступлении на вход распределителя 13 импульсов второго импульса на его выходе 6 возникает сигнал, запускающий генератор 9 ударного возбуждения, и Нормируется импульс напряжения Uq, заполненный высокочасто ньм напряжением. Лаза которого жестк связана с передним фронтом шпульса. Одновременно с этим с выхода 4 распределителя 13 импульсов поступает импульс U,j(4) , который подготавливает к работе временной дискриминатор 17. Высокочастотный импульс генератора 9 ударного возбуждения через ключ 5 коммутатора 4 поступает на пьезоэлемент 2 (фиг.2, сигнал Ui),который излучает в среду ультразвуково

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

импульс, проходящий через поток среды под углом о . Импульс принимается пьезоэлементом 3 через промежуток времени 1/С + V coso, где 1 - расстояние между пьезоэлементами 2 н 3. Импульс напряжения Uj с пьезоэлемен- та 3 через ключ 8 подается на сигнальные входы фазометра 16 и временного дискриминатора I7. Третьим импульсом управляемого генератора 23 формируется с выхода 5 распределителя 13 м пульс напряжения Ujj(5) , которьй открьюает ключ 15. При этом одновременно по сигналу с выхода 6 распределителя 13 импульсов генератор 9 ударного возбуждения формирует второй высокочастотный импульс Uj, поступающий через открытый ключ 15 на опорные входы фазометра 16 и временного дискриминатора 17. На фазометре 16 происходит преобразование временного сдвига и С (фиг.За) между высокочастотными колебаниями, заполняющими сигнальный и опорный импульсы в напряжение и в соответствии со статической характеристикой фазометра 16 U,j f(4 t), приведенной на фиг.Зб. Статическая характеристика фазометра 16 имеет неоднозначность, которая корректируется с помощью временного дискриминатора 17, инвертора 19 и триггеров 20 и 21. Во временном дискриминаторе 17 осуществляется преобразование сдвига времени Д в импульс напряжения и, амплитуда которого пропорциональна 1 (фиг.Зб).

Импульс Uj, положительной полярности с первого выхода временного дискриминатора 17 поступает на единичный вход триггера 20, что переводит его в другое устойчивое состояние, в результате формируется передний фронт импульса . Если импульс U отрицательной полярности, то с второго выхода временного дискриминатора 17 импульс и,-) поступает на нулевой вход триггера 21 через инвертор 19. Совмещенная релейная характеристика триггера 20 и триггера 21 с инвертором 19 приведена на фиг.Зв. Для стыковки характеристик Лазометра 16 (фиг.Зб) и релейной необходимо, чтобы порог срабатьюания триггера 20 ипи 21 бып меньшим, чем максимальный выходной сигнал U Фазометра 16. Сигналы с фазометра 16 н триггера 20 ипи 21 поступают на сумматор 18. Зависимость выходного сигнала сумматоpa от входной величины д-С (фиг.Зг) не имеет неоднозначности. Выходной сигнал сумматора 18 через ключ 22 осуществляет сначала грубую подстройку периода следования импульсов управляемого генератора 23 в сторону уменьшения выходного сигнала временного дискриминатора 17 до величины порога срабатьшания триггера 20 или

21, а затем производится точная подстройка управляемого генератора таким образом, чтобы уменьшить выходной сигнал фазометра до нуля. В результате в первом такте измерения пе риод следования импульсов управляемого генератора 23 становится равным времени распространения ультразвукового импульса по потоку 1/(С Vcos о ), а частота следования этих

1C+Vcoso

импульсов равна F jj ;;;-

113i

При поступлении на вход распределителя 13 импульсов седьмого импульса управляемого генератора 23 триг- гер 20 иипульсом с выхода 3 устанавливается в исходное состояние и Нормируется задний фронт импульса U ,а триггер 14 переходит в другое устойчивое состояние. При этом элементы расходомера переключаются в режим работы с преобразованием скорости ультразвука против потока С - Vcos о( в частоту нипульсов управляемого генератора 25.

Работа устройства во втором такте измерения происходит аналогично первому. Отличие заключается в том, что сигнал с выхода сумматора 18, перестраивающий частоту управляемого ге- нератора 25, дополнительно проходит через управляемый элемент 27 задержки. Вносимая задержка определяется временным положением переднего фронт иипульса, управляющего работой ключа

0

с п

5 о

0 5

22и поступающего с второго выхода блока 10. Этим обеспечивается одновременность моментов перестройки частоты обоих управляемых генераторов

23и 25.

В предлагаемом устройстве обеспечивается уменьшение паразитной флуктуации выходного сигнала расходомера, что поясняется на фиг.4, где изображены временные зависимости выходных сигналов генераторов 23 и 25 без элемента 27 задержки (фиг.4а) и при наличии этого элемента (фиг.4 б).

В результате, во втором такте измерения происходит точная подстройка периода следования импульсов генератора 25 Tjj, который становится равным времени распространения ультразвуковых и-1пульсов против потока

1/С - Vcost/, а частота следования им1 C-VcosoL пульсов равна ;- i.

Частотометр 26 измеряет разность частот импульсов на выходах генераторов 23 и 25, значение которой пропорционально скорости потока среды, и не содержит паразитных флуктуации, обусловленных импульсным режимом работы измерительной схемы предлагаемого расходомера.

Формула изобретения

Автоматический ультразвуковой расходомер по авт. св. № 777438, отличающийся тем, что, с целью повьш1ения точности измерения расхода, он снабжен управляемым элементом задержки, включенные между выходом ключа и входом управляемого генератора одной из цепей управления гег. нератором, а управляющий вход управляемого элемента задержки соединен с управляющим входом ключа другой цепи.

ic-KcoM

НзЩ

яя я ЯП n n n nn If Y 3

«oiojjpi

F f

( I I I .

I I /

1/tWj -ffffii

яя я ЯП n n n nn П n nnn nnn If Y 3 4 /

F f

I I .

I I /

«.2

ttf,

гз

.

f-ftj- ts

23

Z5

0f/a

K-J