УЛЬТРАЗВУКОВОЙ РАСХОДОМЕР Советский патент 1973 года по МПК G01F1/66 

(1

Изобретение относится к области измерения расхода с помощью ультразвука.

Известные ультразвуковые расходомеры включают в себя пьезопреобразователи, два генератора, приемные усилители-ограничители, преобразователь импульсного напряжения в гармонические колебания, устройство выделения разностной частоты, содержащее частотный детектор, коммутатор, электронное реле времени и схему измерения.

Однако известные расходомеры отличаются невысокой точностью измерения, особенно в области малых расходов из-за наличия в них частотных детекторов для выделения разностной частоты, имеющих в данном случае большую погрешность. Это объясняется тем, что частота биений равна единицам гц в верхнем диапазоне измеряемого расхода и долям гц в области малых расходов, а выделение такой частоты с помощью частотного детектора и зарядно-разрядных емкостей сопряжено с большими погрешностями, так как выходное напряжение частотного детектора прямо пропорционально частоте биений и в данном случае оно соизмеримо с сигналом помехи. Кроме того, частотный детектор имеет дополнительную погрешность на малых частогах за счет нелинейности его выходной характеристики. Ограниченные возможности частотного детектора сужают так же и диапазон измерения.

Другим недостатком известных расходомеров, ВЛИЯЮЩИМ на точность измерения, является отсутствие в них устройств контроля за статической («нулевой) ошибкой. В известных расходомерах обнаружение «нулевой ошибки и ее устранение возможно только с помошью дополнительных лабораторных

приборов, поэтому уход «Нуля под влиянием изменения температуры, изменения параметров элементов схемы во времени и т. п. не будет замеЧен оператором, что приводит к снижению точности показаний расходомера.

Предлагаемый расходомер для повышения точности расширения диапазона измерения и упрощения настройки снабжен схемой предварительного вычитания и схемой индикации направления потока, а схема выделения разностной частоты выполнена в виде двух триггеров, счетные выходы которых объединены соответственно со своими счетными входами логическими схемами «И, выходы с которых через логическую схему «ИЛИ подключены

к выходной шине, одновременно счетный вход каждого триггера подключен ко входу установки «О триггера противоположного канала и к выходу электронного вентиля соответствующего канала схемы предварительного

вычитания, а входы электронных вентилей

подключены через линии задержки к выходам усилителей-ограничителей и ко входу схемы совнадения, выход которой подключен к мультивиОрагору, а выход последнего подключен к управляющим входам электронных вентилей, счетный выход триггеров схемы выделения разностной частоты подключен также через интегрирующую цепочку к снабженным индикаторам и пороговым усилителям схемы индикации направления потока.

Jria фиг. 1 показана схема описываемого расходомера; на фиг. 2 - диаграммы напряжений в различных точках схемы.

Генераторы 1 (фиг. 1) работают с запаздывающей обратной связью, т. е. каждый следующий импульс их генерируется из предыдущего, задержанного после излучения передающим пьезопреобразователем 2 в измеряемой среде и поступившего через приемный пьезопреобразователь и усилитель-ограничитель 4 на вход генератора. Одновременно импульсы с усилителя-ограничителя поступают в схему предварительного вычитания о, на вход соответствующих линий задерл1ки 6 и на вход схемы совпадения /. сли площади импульсов последовательности, полученных против направления потока, перекрываются во времени с импульсами последовательности, полученных по направлению потока (на фиг. 2 диаграммы А и Ь, импульсы а, 6, в), то происходит запуск мультивибратора 8 импульса запрета, который своим импульсом закроет электронные вентили 9. Задержка импульсов обоих последовательностей в линиях задержки 6 необходима для того, чтобы при их совпадении запрещающий импульс мультивибратора 8 появился несколько раньше, чем задний (рабочий для последующей схемы) фронт входных импульсов. Это исключает сбой в работе схемы. Импульсы «заирета несколько шире входных импульсов. Это необходимо для надежного перекрытия площадей входных импульсов. Начиная с импульса г импульсы обеих последовательностей проходят вентили 9 и поступают в схему 10 выделения разностной частоты на вход установки «1 триггера 11 своего канала и на вход установки «О триггера 11 противоположного канала (см. диаграммы А и Б ). Одновременно импульсы установки «I и выходные импульсы триггера своего канала поступают на вход логических схем «И 12.

Оба триггера находятся в режиме переключений с частотой входных импульсов (см. диаграммы А и Б). Совпадений в схемах 12 не происходит, так как входные импульсы всегда находятся в промежутках между импульсами на выходе триггеров. При наступлении следующего совпадения входных импульсов (импульс и последовательности А и импульс к последовательности Б) переключения триггеров // прекращаются. При этом триггер канала Л находится в исходном состоянии («О), а триггер канала Б во взведенном состоянии («1). В этом состоянии триггеры находятся

вплоть до импульса п последовательности Bj который поступает на вход обоих триггеров 1L Однако он не меняет состояния обоих триггеров, так как на триггер линии Ь импульс постунает на вход установки «1, а триггер уже находится во взведенном состоянии; на триггер линии л импульс поступит на вход установки «О, а триггер тоже находится в «О состоянии. На схеме 12 канала Б

происходит совпадение потенциалов взведенного триггера и потенциала импульса п, который, пройдя схему 12, поступает через элемент «ИЛИ 13 на выходную шину 14 (см. диаграмму «Выход). Импульсы с выходов

триггеров 11 поступают через интегрирующие цепочки RC в схему 15 индикации направления потока, на входы соответствующих пороговых усилителей 16. В качестве этих усилителей могут быть взяты, например, триггеры

Шмитта. Импульсы высокой частоты (узкие импульсы) фильтруются интегрирующими цепочками, а широкий импульс выделяется, усиливается и питает индикаторную лампу 17, указывающую направление потока с частотой

мигания, равной разностной частоте. Ширина импульса мигания лампочки определяется количеством импульсов, задержанных схемой предварительного вычитания, т. е. в конечном счете шириной имлульса мультивибратора запрета. Поскольку выделение разностной частоты в данном расходомере производится с абсолютной точностью, так как выделяется каждый лишний импульс одного из каналов, независимо от величины разностной частоты

(в известных расходомерах с частотным детектором разностную частоту определяют всегда с какой-то погрешностью), то инструментальная погрешность от установки «О прибора является единственной погрешностью

данного расходомера. Эта ошибка заключается в наличии разностной частоты при отсутствии потока за счет ассиметрии в схемах обоих генераторов, возникшей по разным причинам (температурное влияние, изменение параметров элементов схемы со временем и т. п.).

С помощью схемы индикации направления потока можно всегда перед началом работы

не только определить знак и величину нулевых биений (по частоте миганий лампочки соответствующего канала), т. е. ошибку нулевых показаний, но и с помощью сопротивления RK (одного, либо двух спаренных, выведенных на одну ось) уменьшить (устранить) до любой минимальной величины частоту этих биений. Меняя напряжение смещения ЕСЫ, можно менять рабочую точку усилителя 4 и устранять ассиметрию. Ассиметрию можно устранить также вращением регулировочного винта, изменяя положение одного из пьезопреобразователей, т. е. изменяя расстояние между датчиками в небольших пределах. Условно эти элементы настройки не приведены на чертеже, а приведены элементы электронной настройки. Настройку контролируют по миганию лампочек. Если есть ассиметрия, то мигает одна из лампочек в такт частоте биений. Если в нроцессе регулировки замигала вторая лампочка, а первая погасла, то перешли через «О. Чем медленнее мигает лампочка, тем точнее настройка, тем меньше погрешность.

Относительную погрешность в % (Аотн, %) определяют как отношение периода Грасх колебаний разностной частоты при измеряемом расходе к периоду Го колебаний частоты нулевых биений:

т

Л о/ - Р V 1ПП о/ iioTH /о- А шитоTO

При заданной погрешности неболее 1% и при разностной частоте измеряемого расхода в 10 гц время одного мигания лампочки при нулевых биениях не должно быть меньше, чем:

Р X 100% юсек.

Т,.

Дотн %

при заданной Дотн % 0,1%, сек и т. д.

С помощью прибора можно постоянно контролировать направление потока, который для некоторых технологических систем, где направление потока зара::ее неизвестно, может иметь суш,ественное значение.

б

Предмет изобретения

Ультразвуковой расходомер, выполненный по двухканальной схеме, содержащий в каждом канале приемный и передающий пьезопреобразователи, генератор с запаздывающей обратной связью, усилитель-ограничитель и схему выделения разностной частоты, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, расширения диапазона измерения и упрощения настройки, он снабжен схемой предварительного вычитания и схемой индикации направления потока, а схема выделения разностной частоты выполнена в виде

двух триггеров, счетные выходы которых объединены соответственно со своими счетными входами логическими схемами «И, выходы с которых через логическую схему «ИЛИ подключены к выходной шине, одновре,менно

счетный вход каждого триггера подключен ко входу установки «О триггера противоположного канала и к выхрду электронного вентиля соответствующего канала схемы предварительного вычитания, а входы электронных

вентилей подключены через линин задержки к выходам усилителей-ограничителей и ко входу схемы совпадения, выход которой подключен к мультивибратору, а выход последнего подключен к управляющим входам электронных вентилей, счетный выход триггеров схемы выделения разностной частоты подключен также через интегрирующую цепочку к снабженным индикаторами пороговым усилителям схемы индикации направления потока.