Ультразвуковой расходомер Советский патент 1993 года по МПК G01F1/66 

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

В основу настоящего изобретения была положена задача создания ультразвукового расходомера, позволяющего уменьшить погрешность измерения.обусловленную наложением на сигналы приема паразитных сигналов многократных отражений от стенок трубопровода, а также добиться более полного использования информации сигнала посылки.

Целью изобретения является повышение точности.

Такое выполнение заявляемого устройства позволяет добиться поставленной задачи, а именно, уменьшить погрешность измерения, обусловленную наложением на сигналы приема паразитных сигналов многократных отражений от стенок трубопровода, а также добиться более полного использования информации сигнала посылки, что ведет к повышению точности измерения.

Далее изобретение поясняется описанием конкретного примера его осуществления и прилагаемыми чертежами на которых: структурная схема ультразвукового расходомера приведена на фиг. 1; эпюры напряжения, поясняющие принцип работы расходомера, приведены на фиг. 2; принцип формирования фазовой характеристики фазометра приведен на фиг. 3; структурные схемы формирователя опорных сигналов с первым делителем частоты приведены на фиг. 4; второго делителя частоты с дешифратором - на фиг. 5; вычислительного блока на фиг. 6; на фиг. 7 - блок-схема алгоритма работы вычислительного блока.

Предлагаемое устройство ультразвукового расходомера (фиг, 1) содержит двз обратимыхэлектроакустическихпреобразователя 1 и 2, подключенных через коммутатор 3 к первому (сигнальному) входу фазометра 4 и выходу ключа 5, первый вход

ioo

|Сл

01

ел

i

СО

которого через первый элемент ИСКЛЮЧА- . ЮЩЕЕ ИЛИ 6 и первый делитель 7 частоты соединен с задающим генератором 8, второй делитель 9 частоты через дешифратор

10подключен к второму входу ключа 5 и входу установки управляемого триггера 11Г входу управления коммутатора 3, а также второму входу первого элемента 6 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и четвертому входу (управления) вычислительного блока 12, связанному входами 1 и 2 (данных) со счетчиком 13 интервала задержки и вторым выходом фазометра 4, первый элемент 14 совпадения, выход которого подключен к входу счетчика 13 интервала задержки,.первый вход - к выходу управляемого триггера

11и третьему входу (пуска) фазометра 4, а второй вход - к четвертому выходу (квантования) фазометра 4, вход сброса управляемого триггера 11 подключен к первому (сигнальному) выходу фазометра 4.

4 Фазометр 4 содержит усилитель-ограничитель 15, вход которого является первым (сигнальным) входом фазометра 4, а выход - первым (сигнальным) выходом фазометра 4, второй 16 и третий 17 элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, первые входы которых подключены к выходу усилителя-ограничителя 15, вторые входы - к формирователю 18 опорных сигналов, а выходы - к первым входам второго 19 и третьего 20 элементов совпадения, выходы которых подключены ко входам второго 21 и третьего 22 счетчиков, выходы которых являются выходами данных фазометра 4, квантующий генератор 23, выход которого является выходом квантования фазометра 4 и подключен ко второму входу четвертого элемента 24 совпадения, выход которого подключен ко вторым входам второго и третьего элементов 19,20 совпадения и входу третьего делителя 25 частоты, выход которого подключен ко входу сброса второго управляемого триггера 26, вход установки которого через формирователь 27 задержки подключен ко входу пуска фазометра 4, выход второго управляемого триггера 26 подключен к первому входу четвертого элемента 24 совпадения и является выходом времени измерения фазометра 4, вторым сигнальным входом которого является вход формирователя 18 опорных сигналов.

Первый делитель 7 частоты выполнен в виде последовательно соединенных счетных триггеров 28, 29, а формирователь 18 опорных сигналов реализован двумя D- триггерами 30, 31, синхровходы которых подключены ко входу счетного триггера 28, D-вход триггера 30 - к выходу счетного триггера 29, D-вход триггера 31 - к выходу Dтриггера 30, являющемуся как и вход Т-триг- гера 31 выходами формирователя 18 опорных сигналов (фиг. 4).

Второй делитель 9 частоты представляет собой N-разрядный двоичный делитель частоты, два старших разряда которого подключены к 5 элементу 32 совпадения дешифратора 10, выход пятого элемента 32 совпадения является третьим выходом дешифратора 10, шестой элемент 33 совпадения подключен к последующим младшим разрядам второго делителя 9 частоты, выход шестого элемента 33 совпадения является первым выходом дешифратора 10 (фиг. 5).

Вычислительный блок 12 содержит микропроцессорный модуль 34, связанный по шинам адреса и данных с оперативным запоминающим устройством 35, постоянным запоминающим устройством 36, первым и

вторым интерфейсами 37, 38, вторым дешифратором 39 и контроллер 40 прерываний (фиг. 6).

Расходомер работает следующим образом.

Принцип действия ультразвукового расходомера основан на измерении разности времен прохождения радиоимпульсов через движущуюся жидкость в двух противоположных направлениях. С целью

повышения чувствительности расходомер использует фазовый принцип измерения, в котором измеряется разность фаз между сигналами приема, а величина расхода вычисляется по формуле

„-I.L,

40

где

П + Г2 Г2

TI , Г2 , - величины задержек посылок

радиоимпульсов по течению и против течения движущейся жидкости в трубопроводе; К - коэффициент, учитывающий параметры трубопровода, скорость и угол распространения ультразвука.

Формирование импульсов посылок осуществляется ключом 5. На первый вход ключа 5 поступают сигналы заполнения с частотой F, формируемой от задающего генератора 8, имеющего частоту f 4F, первым делителем 7 частоты и первым элементом 6 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. На второй вход ключа 4 с первого выхода дешифратора 10, подключенного ко второму делителю 9 частоты, поступают видеоимпульсы посылок, определяющие длительность радиоимпульсов и период их следования (фиг. 2э).

Схема реализации дешифратора 10 и его подключение к второму делителю 9 частоты показаны на фиг. 5. Дешифратор 10 содержит два элемента совпадения: пятый элемент 32 совпадения и шестой элемент 33 совпадения.

Коммутатор 3 служит для поочередной подачи импульсов посылок на обратимые электроакустические преобазователи 1. 2. Для этого на вход управления коммутатора 3 подаются сигналы со второго выхода дешифратора 10 (фиг.2, б) . Сигнал стретьего выхода дешифратора 10 подается на второй вход первого элемента б ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и служит для управления фазой сигнала заполнения радиоимпульсов (фиг. 2в). При воздействии этого сигнала первый эле- ментб ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ в каждом четвертом импульсе посылки изменяет фазу сигнала заполнения на 180°. Это приводит к тому, что два соседних отсчета фазы будут иметь равные по модулю значения погрешностей, обусловленных наложением сигнала приема и паразитных сигналов отражения, но противоположные по знаку. А поскольку результирующий отсчет сдвига фаз берется за два такта изменения, то указанная погрешность будет скомпенсирована. На фиг. 2г, д показаны эпюры напряжений сигналов с обратимых ультразвуковых преобразователей 1, 2.

В усилителе-ограничителе 15 фазометра 4 импульсы приема селектируются и уси- ливаются. Длительность импульсов, формируемого управляемым триггером 11, соответствует измеряемой задержке п и Г2(фиг. 2е). В элементе 14 совпадения эти временные интервалы квантуются импульсами высокой частоты, поступающими с квантующего генератора 23 фазометра 4. а счетные импульсы подсчитываются счетчиком 13 интервала задержки. По истечении некоторого интервала времени, определяемого формирователем 27 задержки, переключается второй управляемый триггер 26, формирующий времяизмерительный строб Т для измерения фазовых сдвигов (фиг. 2ж). Указанная задержка при измерении фазовых сдвигов необходима для исключения первых периодов сигнала приема, которые могут внести дополнительную погрешность измерения, обусловленную переходными процессами в тактах ультразвуковых преобразователей 1. 2. Длительность времяизме- рительного строба задается третьим делителем 25 частоты, на который через открытый четвертый элемент 24 совпадения поступают импульсы с квантующего генератора 23. В течение длительности времяиз- мерительного строба осуществляется 5 квантование фазовых интервалов, поступающих от второго и третьего элементов 16. 17 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ на второй и третий элементы 19 и 20 совпадения, а счетные импульсы подсчитываются вторым и греть0 им счетчиками 21, 22. Второй и третий 16, 17 элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ реализуют преобразователи фаза-интервал времени с перекрытием. На первые входы этих элементов поступают измеряемые стналы 5 приема с усилителя-ограничителя 15. а на другие - сигналы с формирователя 18 опорных сигналов, содержащем два D-трипера 30, 31, подключенные к счетным триггерам 28, 29 первого делителя 7 частоты (фиг. 4).

0 Эти сигналы представляют собой две импульсные последовательности типа меандр с частотой F и сдвинутые друг относительно друга на 90°. В результате этого фазовые характеристики р Us f uc фазовых преоб5 разователей на второй и третьем элементах 16, 17 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ смещены на этот угол. Фазовая характеристика преобразователя на базе элемента ИСКЛЮЧА- ЮЩЕЕ ИЛИ представляет собой

0 периодическую (с периодом 360°) треугольную функцию с вершиной, соответствующей 180°. Указанная функция отО до 180° линей но возрастает, а от 180 до 360° - линейно убывает. Это приводит к неоднозначности

5 отсчета в диапазоне 0-360°, либо ± 180°. Кроме этого, при отсутствии симметри;.-; ограничения сигналов в усилителе-ограничителе, что имеет место практически в большинстве случаев, фазовая характери0 стикз преобразователя имеет зоны нэчувст- вительности в районе О и 180 - так называемые мертвые зоны. Для исключения указанных недостатков с помощью алгоритмическойобработкив

5 вычислительном блоке 12 формируется результирующая характеристика (например, в диапазоне ± 180°, используя четыре,указанных на фиг. 36, участка характеристик р us и р uc . которые находятся вне Мер0 твой зоны. Вычисление фазового сдвига на каждом участке производится в соответствии с анализом кодов, поступающих с измерительных счетчиков. Первый участок результирующей характеристики (при

5 ф us 0,25) соответствует - f,s - 0,25. второй (при 0,75) соответстпует - 0,25, третий (при 0.25) соответствует (f, y,s - 0,25), четвертый

(при 0,75) соответствует рц + + 0,25).

На фиг. б приведена структурная схема вычислительного блока. Съем измерительной информации вычислительным блоком 12 осуществляется по концу времяизмери- тельного строба, который приходит на кон- троллер прерываний 40. При этом поочередно, по команде с дешифратора 39 информационные входы о временной задержке и фазе поступают через первый и второй интерфейс 37, 38 в оперативное запоминающее устройство 35. Программа обработки кодов хранится в постоянном запоминающем устройстве 36. Блок- схема алгоритма работы вычислительного блока 12 приведена на фиг. 7. Выдача результирующего отсчета о расходе синхронизируется сигналом с третьего выхода дешифратора 10.

Таким образом, использование предло- ценного устройства позволяет уменьшить погрешность измерения, обусловленную наложением на сигналы приема паразитных сигналов многократных отражений от стенок трубопровода, Кроме этого, использованный в ультразвуковом расходомере, фазометр повышает точность измерения за счет более полного использования информации сигнала посылки.

Устройство может быть использовано в различных отраслях техники для измерения жидких и газообразных веществ.

Формула изобретения 1. Ультразвуковой расходомер, содержащий два обратимых электроакустических преобразователя, подключенных через коммутатор к первому входу фазометра, ключ, выход которого подключен к коммутатору, задающий генераторе подключенным к нему первым делителем частоты, от л и чающийся тем, что. с целью повышения точности, в него введены последовательно соединенные первый элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, второй делитель частоты, дешифратор, управляемый триггер, первый элемент совпадения, счетчик интервала задержки и вычислительный блок, вторым и третьим входами связанный с соответствующими выходами фазометра, а четвертым

входом - с третьим выходом дешифратора и вторым входом первого элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ,.первым входом связанного через первый делитель частоты с задающим

генератором, а выходом с первым входом ключа, второй вход которого связан с первым выходом дешифратора, вход сброса управляемого триггера подключен к первому выходу фазометра, а выход - к третьему

входу фазометра, второй вход первого элемента совпадения подключен к четвертому выходу фазометра, второй вход которого подключен к выходам первого делителя частоты, при этом второй выход дешифратора

подключен к входу управления коммутатора.

2. Расходомер по п. 1,отличающий- с я тем, что фазометр состоит из усилителя- ограничителя, второго и третьего элементов

ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, второго, третьего и четвертого элементов совпадения, второго и третьего счетчиков, формирователя опорных сигналов, квантующего генератора, третьего делителя частоты, формирователя

задержки и второго управляемого триггера, выход которого является третьим выходом фазометра, и подключен к первому входу четвертого элемента совпадения, второй вход которого подключен к выходу квантующего генератора, являющемуся четвертым выходом фазометра, а выход - к вторым входам второго и третьего элементов совпадения и входу третьего делителя частоты, выход которого подключен к входу сброса

второго управляющего триггера, вход установки которого через формирователь задержки подключен к третьему входу фазометра, вход усилителя-ограничителя является первым входом фазометра, а выход - первым

выходом фазометра, который подключен к первым входам второго и третьего элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выходы которых подключены к первым входам второго и третьего элементов совпадения, выходы которых подключены к входам второго и третьего счетчиков, выходы которых являются вторым выходом фазометра. , второй вход фазометра подключен к формирователю опорных сигналов, выходы которого подключены к вторым входам второго и третьего элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ.

Фиг. I

Использование: в ультразвуковой технике для измерения расхода жидких и газообразных сред. Сущность изобретения, устройство содержит два обратимых ультразвуковых преобразователя, коммутатор, ключ, три делителя, задающий генератор, дешифратор, триггеры, три элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, усилитель-органичи- тель, формирователь опорных сигналов, четыре элемента совпадения, формирователь задержки, кварцевый генератор. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

Фиг. 3

сригЛ

A A

b,Z6 10

Фие.6

С

Начало

)

Ожидание ЗПр от иш

ЗПр от ДШ

Ожидание ЗПр от (разом.

ЗПр о/г сразим

Чтение Гл/- СгЗ

дычисление ft ВО°

Ожидание ЗЛр от фазы

ЗЛр от (разам.

Чтение Crf СгЗ

Вычисление

Редактор

Составитель Ei.Чернышев

Техред М.МоргенталКорректор Т.Вашкович

Ожидание jnp от фазам.

J/7/) о/г разом

Утем/е Crt- СгЗ

Вычисление VJ

Ожидание 3/7р о/ азазам

ЗЛр от (разом

Чтение Crf- СгЗ

Вычисление Р4

вычисление расхода

Фиг.7