Ультразвуковой расходомер многофазных сред Советский патент 1992 года по МПК G01F1/66 

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к ультразвуковым приборам, и может быть использовано для измерения расхода многофазных сред, в том числе жидкостей, содержащих твердые, газообразные или другие неоднородности.

В известном ультразвуковом доплеров- ском расходомере, содержащем первичный преобразователь и блок обработки принимаемого сигнала, который включает в себя опорный генератор и компаратор, последний служит для сравнения принимаемого сигнала с опорным сигналом. Опорный сигнал изменяется в соответствии с величиной принимаемого сигнал и затем, обладая ги- стерезисной шириной, передается на вход компаратора. В результате шумовые сигналы эффективно устраняются из принимаемого сигнала в компараторе и регистрируется только доплеровский сдвиг частоты.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является доплеровский ультразвуковой измеритель скорости потока или расхода многофазных сред, в котором измеритель скорости предназначен для определения средней скорости потока жидкости, содержащей твердые или газообразные включения. Поток жидкости, проходящий через трубу, имеет некоторый профиль скоростей. Измеритель скорости содержит установленные на наружной стенке трубопровода излучающий и приемный ультразвуковые преобразователи, соединенные соответственно с генератором непрерывных колебаний и с приемным устройством, позволяющим выделять группу доплеровских частот биений. Частоты биений соответствуют отдельным скоростям включений, содержащихся в потоке и отражающих ультразвуковую энергию. Скорости движения твердых или газообразных вклюЈ

VI

со

СЛ

jco

у

чений определяются скоростями потока жидкости.

Для измерения средней скорости потока жидкости, то есть преобладающей в про- фмле скорости потока, в известном устройстве используется анализатор спектра, через который пропускается вся полоса доплеровских частот. Анализатор измеряет амплитуду выхода каждой частоты в определенной полосе частот, обеспечивая спектральный анализ.

Недостатками указанных устройств (аналога и прототипа предлагаемого устройства) является следующее.

Как в аналоге, так и в прототипе устройство обработки принимаемого сигнала выполнено в виде анализатора, выделяющего частоту принимаемого сигнала - доплеров- ский сдвиг частот, по максимальной амплитуде выходного сигнала, соответствующей этой частоте. Однако ширина полосы пропускания анализатора спектра, основанного на амплитудном способе, не обеспечивает достаточной точности выделения преобладающей частоты из многочастотного сигнала, то есть не обеспечивает достаточной точности измерения скорости потока и расхода.

Целью изобретения является повышение точности измерения расхода многофазных сред, с помощью ультразвуковых расходомеров, основанных на отражении ультразвуковой энергии от неоднородно- стей потока.

Цель достигается тем, что в ультразвуковом расходомере многофазных сред выделение преобладающей частоты доплеровского сигнала осуществляется путем отбора и накопления наиболее часто повторяющихся временных интервалов между моментами пересечения сигналов доплеровской частоты нулевого уровня.

Отбор я накопление наиболее часто повторяющихся измеряемых интервалов времени производится с помощью блока памяти. При этом каждому измеряемому интервалу времени ставится в соответствие своя ячейка памяти.

На чертехче показано устройство ультразвукового расходомера многофазных сред.

Ультразвуковой расходомер многофазных сред включает в себя излучающий ультразвуковой преобразователь 1 и приемный ультразвуковой преобразователь 2, установленные на наружной стенке трубопровода 3 и соединенные соответственно с генератором непрерывных колебаний 4, усилителем высокой частоты 5. детектором 6. усилителем низкой частоты 7. Блок формирования коротких импульсов 8 выполнен в виде последовательно соединенных с усилителем низкой частоты 7 триггера Шмитта 9, ждущего мультивибратора 10 и элемента

2И-НЕ 11. Блок кварцевого генератора 12. Блок управления 13. Блок формирования специальной последовательности импульсов 14, выполненный в виде последовательно соединенных первого двоичного

0 счетчика 15 и первого реверсивного счетчика 16. Блок памяти 17, выполненный в виде последовательно соединенных коммутатора 18, счетчика адреса памяти 19, запоминающего устройства 20,второго реверсивного

5 счетчика 21 и триггерного устройства установки режима работы 22. Блок выходного устройства 23, выполненный в виде последовательно соединенных второго двоичного счетчика 24, регистра 25, цифроаналогового

0 преобразователя 26, цифрового показывающего вольтметра 27 и преобразователя напряжение-ток 28. Выход .триггерного устройства установки режима работы 22 соединен со вторым входом элемента 2И-НЕ

5 11, вторым входом блока управления 13, входами разрешения счета первого двоичного счетчика 15 и второго двоичного счетчика 24, входом управления переключением коммутатора 18-и входом управления режи0 мом счета второго реверсивного счетчика 21. Выходы блока кварцевого генератора 12, соединены соответственно с первым входом блока управления 13, счетным входом первого двоичного счетчика 15, счет5 ным входом первого реверсивного счетчика 16 и со вторым входом коммутатора 18. Выход первого реверсивного счетчика 16 соединен со своим входом разрешения параллельной загрузки, со вторым входом

0 коммутатора 18 и счетным входом второго двоичного счетчика 24. Выход последнего разряда счетчика адреса памяти 19 соединен со своим входом разрешения счета, а также со вторым входом триггерного уст5 ройства установки режима работы 22. Выходы блока управления 13 соединены со входом разрешения счета первого реверсивного счетчика 16, со входом сброса данных первого двоичного счетчика 15, со

0 входом сброса данных счетчика адреса памяти 19, со входом разрешения чтения и записи запоминающего устройства 20, со входом тактовых импульсов второго реверсивного счетчика 21, со входом сброса дан5 ных второго двоичного счетчика 24 и со входом разрешения записи в регистр 25.

Расходомер многофазных сред работает следующим образом.

Излучающий ультразвуковой преобразователь 1, возбуждаемый генератором непрерывных колебаний 4, создает в контролируемой среде ультразвуковую волну с волновым вектором, направленным под углом к оси трубопровода 3. Ультразвуковой сигнал, отраженный от неоднородностей потока, с помощью приемного ультразвукового преобразователя 2 преобразуется в электрический сигнал, который поступает на вход усилителя высокой частоты 5. Низкочастотный сигнал, пропорциональный до- плеровскому сдвигу частот, выделяется с помощью детектора 6, усиливается усилителем низкой частоты 7 и поступает в блок формирования коротких импульсов 8. Триггер Шмитта 9 преобразует исходный сигнал в сигнал прямоугольной формы. Этот сигнал поступает на вход ждущего мультивибратора 10, который формирует короткие импульсы по фронтам входного сигнала. Короткие импульсы с выхода ждущего мультивибратора 10 поступают на один вход элемента 2И-НЕ 11. На второй вход элемента 2И-НЕ 11 поступает сигнал из триггерного устройства установки режима работы 22. Устройство имеет два режима работы: режим счета и режим синтеза преобладающей частоты. В режиме счета с выхода триггерного устройства установки режима работы 22 на второй вход элемента 2И-НЕ 11, поступает сигнал высокого уровня и короткие импульсы из блока формирования коротких импульсов 8 поступают в блок управления 13. После прихода очередного короткого импульса из блока формирования коротких импульсов 8 блок управления 13 формирует серию импульсов. Первый импульс из блока управления 13 поступает на вход разрешения счета первого реверсивного счетчика 16 и останавливает счет. Благодаря этому прекращается поступление импульсов с выхода первого реверсивного счетчика 16 через коммутатор 18 на счетный вход счетчика адреса памяти 19, который останавливается на ячейке памяти с номером N. Далее, по сигналам,поступающим из блока управления 12, в блоке памяти 17 последовательно производится: считывание содержимого N- й ячейки запоминающего устройства 20, запись его значения во второй реверсивный счетчик 21, прибавление к нему единицы и запись результата обратно в ячейку памяти запоминающего устройства 20. Если результат не превышает определенного значения, с выхода последнего разряда второго реверсивного счетчика 21 на вход триггерного устройства установки режима работы 22 поступает сигнал низкого уровня и данное устройство продолжает работать в режиме счета. Последнии импульс из блока управления 13 поступает на вход сброса

данных первого двоичного счетчика 15, на вход сброса данных счетчика адреса памяти 19, на вход сброса данных второго двоичного счетчика 24. Когда очередной короткий

импульс поступает на вход блока управления 13, последний останавливает счетчик адреса памяти 19 и к содержимому ячейки памяти, на которой остановился счет, прибавляется единица. Для экономии объема

0 запоминающего устройства на счетный вход счетчика адреса в режиме счета, через коммутатор 18, поступают импульсы из блока формирования специальной последовательности импульсов 14. Первый

5 реверсивный счетчик 16 в блоке 14 работает в режиме обратного счета, и как только его содержимое становится равным нулю, сигнал с его выхода поступает на его же вход разрешения параллельной загрузки и

0 в него записывается информация с выхода первого двоичного счетчика 15. На счетный вход первого двоичного счетчика 15 и на счетный вход первого реверсивного счетчика 16 поступает сигнал из блока кварцевого

5 генератора 12. Таким образом, с выхода первого реверсивного счетчика 16 на счетный вход счетчика адреса памяти 19 поступают импульсы с интервалами следования, пропорциональными интервалу времени от

0 начала последнего короткого импульса. Благодаря этому единичка прибавляется к содержимому ячейки с номером, пропорциональным логарифму от периода времени между короткими импульсами.

5Если результат превышает определенное значение, с выхода последнего разряда второго реверсивного счетчика 21 на вход триггерного устройства установки режима работы 22 поступает сигнал высокого уров0 ня и данное устройство переводит схему в режим синтеза преобладающей частоты. При этом на выходе триггерного устройства установки режима работы 22 устанавливается сигнал низкого уровня, который посту5 пает на второй вход элемента 2И-НЕ, и блокирует прохождение коротких импульсов на вход блока управления 13. Сигнал с выхода триггерного устройства установки режима работы 22 поступает на второй вход

0 блока управления 13 и переводит его в режим непрерывной работы. Этот же сигнал поступает на вход разрешения счета первого и второго двоичных счетчиков и останавливает счет в первом двоичном счетчике 15

5 и разрешает счет по втором двоичном счетчике 24. Сигнал с выхода триггерного устройства установки режима работы 22 поступает на вход управления переключением коммутатора 18, который соединяет выход блока кварцевого генератора 12 со

входом счетчика адреса памяти 19. Этот же сигнал поступает на вход управления режимом счета второго реверсивного счетчика 21 и переводит его в режим обратного счета. Сигнал с выхода счетчика адреса памяти 19 поступает на его же вход разрешения счета, и останавливает счет после того,как произведено вычитание единицы из содержимого всех ячеек памяти. Этот же сигнал поступает на второй вход триггерного устройства установки режима работы 22 и переводит его в режим счета.

В режиме синтеза преобладающей частоты останавливается первый двоичный счетчик 15. Его содержимое пропорционально наиболее часто встречающемуся периоду между короткими импульсами. Первый реверсивный счетчик 16 работает в режиме обратного счета и на его счетный вход поступает сигнал из блока кварцевого генератора 12. Как только содержимое первого реверсивного счетчика становится равным нулю, сигнал с его выхода поступает на его же вход разрешения параллельной загрузки и в него записывается информация с выходов первого двоичного счетчика 15. Таким образом с выхода первого реверсивного счетчика на счетный вход второго двоичного счетчика 24 поступают импульсы с частотой, пропорциональной преобладающей частоте. Количество этих импульсов, прошедших за определенное время (длительность режима синтеза преобладающей частоты), подсчитывается вторым двоичным счетчиком 24 и после окончания режима синтеза преобладающей частоты, записывается в регистр 25. Полученное число пропорционально частоте, преобладающей а спектре исходного сигнала. Информация с входа регистра 25 поступает на вход цифро- аналогового преобразователя 26, напряжение с выхода которого поступает на цифровой вольтметр 27 и на преобразователь напряжение-ток 28.

Таким образом производится формирование выходного унифицированного сигнала, величина которого пропорциональна частоте, преобладающей в спектре низкочастотного сигнала.

Формула изобретения

Ультразвуковой расходомер многофазных сред, содержащий установленные на наружной стенке трубопровода излучающий и приемный ультразвуковые преобразователи, соединенные соответственно с

генератором непрерывных колебаний и с усилителем высокой частоты, выход которого через детектор и усилитель низкой частоты соединен с устройством обработки, о т л ичающийся тем, что, с целью повышения точности, устройство обработки включает последовательно соединенные триггер Шмитта, ждущий мультивибратор и элемент 2И-НЕ, последовательно соединенные первый двоичный счетчик и первый реверсивный счетчик, последовательно соединенные счетчик адреса памяти, запоминающее устройство, второй реверсивный счетчик и триггерное устройство установки режима

работы, а также блок кварцевого генератора, блок управления и последовательно соединенные второй двоичный счетчик, регистр и цифроаналоговый преобразователь, выход которого соединен с цифровым

вольтметром и преобразователем напряжение-ток, причем выход триггерного устройства установки режима работы соединен с вторым входом элемента 2И-НЕ, вторым входом блока управления, входами разрешения счета первого и второго двоичных счетчиков, входом управления переключением коммутатора и входом управления режимом счета второго реверсивного счетчика, выходы блока кварцевого генератора соединены соответственно с первым входом блока управления, счетным входом первого двоичного счетчика, счетным входом первого реверсивного счетчика и вторым входом коммутатора, выход первого

реверсивного счетчика соединен со своим входом управления режимом счета, с вторым входом коммутатора и счетным входом второго двоичного счетчика, выход коммутатора соединен со счетным входом счетчика

адреса памяти, выход последнего разряда которого подключен на вход разрешения счета того же счетчика, а также на второй вход триггерного устройства установки режима работы, при этом выходы блока управления соединены с входом разрешения счета первого реверсивного счетчика, входом сброса данных первого двоичного счетчика, входом сброса данных счетчика адреса памяти, входом разрешения чтения

и записи запоминающего устройства, входом тактовых импульсов второго реверсивного счетчика, входом триггерного устройства установки режима работы, входом сброса данных второго двоичного счетчика и входом разрешения записи в регистр.

Использование: в области приборостроения для измерения расхода многофазных сред, в том числе жидкостей, содержащих твердые, газообразные и другие неоднородности. Сущность изобретения: устройство содержит излучающий и приемный ультразвуковые преобразователи, генератор непрерывных колебаний, усилитель высокой частоты, детектор, усилитель низкой частоты, блок формирования коротких импульсов, триггер Шмитта, ждущий мультивибратор, элемент 2И-Н Е, блок кварцевого генератора, блок управления, два двоичных счетчика, два реверсивных счетчика, блок памяти, коммутатор, счетчик адреса памяти, запоминающее устройство, триггерное устройство, регистр, цифроана- логовый преобразователь, цифровой вольтметр и преобразователь напряжение - ток. 1 ил,