Цифровой ультразвуковой измеритель скорости движения воды Советский патент 1975 года по МПК G01P5/24 G01F1/66 

(54) ЦИФРОВОЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ . ИЗМЕРИТЕЛЬ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ ВОДЫ

Изобрете 1ие относится к техин-ке лзмерения скорости движения жидких сред с помощью ультразвука и люжет найти примененке при измерениях скорости движения воды з OTKpbiTbfx упорядоченных руслах.

Известны измерители скорости дв1 ження воды, содержащие приемно-передающие элементы, размещенные на проти|воположных стен .ках канала под некоторым углом к наПра1злен.чю движения -потока, усилитель, смеситель, фильтр низичих частот, формирователь, генератор заполняющих ИМпульсов и упрашляемый эле-хтронный счетчик импульсов. Однако известные измерители скорости движения жидкости при их ис.лользоза)1.им для лЗМерений в загрязненных открытых руслах имеют низкую точность и .малую надежность из-за значительных колебан;1й амплитуд принимаемых импульсов.

Цель изобретения - повышение точности измерений и надежности. Это достигается благодаря тому, что устройство содержит генератор качающейся частоты с модуляцией по пилообразному закону, соединенный то высокочастотному выходу со входом введенного в устройство Коммутатора направлений, коммутируемые .выходы j-соторого подключены К излучающему и приемному злементал-, и входом с есителя, при это.м выход коммутатора на1лра1вленип соединен через CJk;:iтель с другим входом смесителя, подключенного по выходу через фильтр низких частот ко входу схемы выделения .измерительного периода, низкочастотный вы.ход генератора качающейся частоты соединен через формирователь со входом коммутатора направлений, входоМ схемы выделения измерительного периода и входом схемы управления .счетчиком импульсов, выходы которой «счет, «CTaipT и «стоп соединены с соответствующими входами управляемого счетчика, а выход генератора качающейся частоты подключен .к одному 1ИЗ входов схемы выделения измерительного периода.

5

На фиг. 1 представлена фу 1кциональная схема предлагаемого измерителя. Она состоит .из генератора качающейся частоты /, .соединенного ио высокочастотному выходу со входами смесителя 2 и коммутатора на.прав0лений 3, ко.ммутируемые выходы которого подключены к излучающему и пр15емнОМу элемента.м 4, а выход его соединен через .сиЛ1итель 5 с другим входом .смесителя 2, выход которого через фильтр низких частот 6

5 подклю(чен ко входу схемы Л - выделения измер.ительного периода. Кроме того, по низкочастотному выходу (выход .пилообразного напряжения) генератор качающейся частоты 1 через формирователь 7, формирующий йо0роткий имлульс в момент излома пилообраз1ЮГО папряжеиия, соединен со входом коммутатора направленин 3, входом схемы А - выделения измерительного периолта, входом схвл-гь Б у-прав.чения счетчиком 8, выходы ;соторой «счет, «старт, и «стоп соединеяь ,с.. сойтзетствующими входами управляемого счетчика импульсов 8, а .выход генератора Заполняющей частоты подключен к одному из входов схемы А. Причем схема А состоит из двух триггеров 9 и 10, двух схем «РЬ 11 и 12 и одной схемы «PI-НЕ 13, а схема Б состоит из тр1иггера 14, реверсивного счетчика 15, схемы «И 16, .схемы «НЕ 17, схемы формирования /5 и генератора заполнения 19. Принцил работы предлагаемого измерителя основан на том, что .но направлению движения потока и против излучаются и принимаются частотно-модулированиые ло пилообразному закону ультразвуковые колебания, по каждо.му из пап.равлений онределяются частоты биений между излученными и принятыми :колеба11ИЯ:МИ, а скорость движения исследуемой жидкости определяется через раз.ность .периодов б.иен1ий. На фиг. 2 сплошной линией показан закон изменения частоты излучаемого сигнала F,,, а штриховой - иринимаемого F„, который сдвинут относительно излучаемого сигнала на время Т, равное времени распространения ультраЗВуковых колебаний от излучателя до прлемника. При смешении излучаелюго и принимаемого сигналов легко можно выделить частоты биений, периодьЕ .которых равны при излучении по направлению движения потомка 4A7/;,Z( Пр1и излучении против движе.ния потока Т - Ff:,,L где AF - максимальное отклонение частоты от сред-пего значения FQ (девиация частоты); /,,т,„ - частота и период модуляции сигнала (частота и период пилообразного напряжения); L - базовое расстояние между ; злучающим и приемным элементами; С - скорость звука в исследуемой жидкости; V - скорость движения жидкости. СкооОСть движения исследуемой жидкости чол-.ет быть определена через разность периодов биений по следующей формуле: в- t-- 0) где в - угол между направлением движения ,иото,ка и направлением распространения сигналов. Как з-идно из формулы (3) величина V соверщенно не зависит от С - скорости звука 13 исследуемой жидкости, а зависит от внутренних параметров устройства AF и /,„, что дает возможность осуществлять измерения с высокой точиостью, нрн больших зиачеи.иях L (.например, L -ь 10 .и) независимо от степени загрязнения жидкости, так как рабочую частоту можно .выбрать в диапазоне, где затухание ультразвука относительно мало. Скорость движения жидкости, согласно формуле (3), нропорциоиальна разности пернодо.в биений, которая выделяется с ПОМОЩЬЮ решающей схемы, а величина скорсхти получается путем насчета числа занолняющих импульсов за время (Г,-,-; - )Причем единица .измерения скорости о.пределяется .подбором частоты заполняющих импульсоз, девиации частоты Af или частоты М01дуляции /,н для различных значений L. Измеритель работает следующим образолк Частота генератора качающейся частоты I, шромодулированная пилообразно, подается на вход коммз татора направлений 3, который асуществляет периодическое переключение направлеиия излучения с удвоенной частотой модуляции, путем иереключеиия .излучающего и приемного элементов 4 и одновременно на один ИЗ входо1В смесителя 2. Излученный сигнал, лройдя сквозь среду, принимается приемным элементом и через коммутатор направления поступает на вход усилителя 5, выхода которого подается на второй вход смесителя 2. После смещения излученного и принятого сигналов в смесителе выделяется частота биений, которая через фильтр низких частот 6 поступает на вход схемь Л - выделения измерительного периода. Работает она следующий образом. В момент начала пилы через формирователь 7 на триггеры 9 п W поступает импульс сброса, устана.зливающий их в исходное состояние (как .показано на фиг. 2). Первый им1нульс с выхода фильтра 6, проходя через схему «И-НЕ 13, идет на счетный вход триггера 9 и о.прО|Кидывает его. Следующий импульс переводит триггер 9 в исходное состояНие, При Этом триггер 10 о.прокидывается и потенциалы с триггеров 9 и 10 открывают схему , и частота (например, / ,L или 10 мгц прил - 50. где п - целое ЧИ1СЛО) с выхода генератора 19 постукает на вход реверсивного счетчика 15, включенного в этот момент на суммирование .потенциалом с управляющего тр..иггера 14, который запускается им.пульсами от формирователя 7. Трет(ий И1м;цульс, приходящий на сметный вход триггера 9, вновь опрокидывает его, схема 12 закрывается, прекращается счет заполняющих импульсов, а схема // открывается и своим выходным потенциалом запирает схему 13. В таком COCTOH:-UIK схем,а А остается до прихода iMMiv.ibca сброса. При приходе импульса сброса работа схемы /1 происходит аналогично, мо при этом счетчик 15 включается иа вычитание потенЦиалом с триггера 14 и при проходе нулевого состояния выдает через схему 16 стартовый ил1пульс для залуска управляемого электронного счетчика имлульсов 8, на счетный вход которого одновременно поступает число импульсов со схемы 2, равное разност-;: (Тй-1- - Ти-.). Имлульсы сброса реверсивного счетчика и «старта формируются схемой 17 Л|ри переходе управляющего триггера 14 Б положение «сум мирова-ипя, а схема «И Ifi необходима, чтобы предотвратить попадание си лнала «старта на вход упра вляемого счетчика 5 при сбросе реверсизного счетч.ика 15.

Для соблюдения правильной очерсдност;записи измерительных периодов в реверсивный счетчИк 15, предусмотрена схема фазирования 18, которая выдает дополнительный импульс на счетный вход управляющего трк -гера 14, при отсутствие импульса «старта. Оброс в управляемом счетч.ике импульсов 8 лро исходит аютоматически.

Предмет изобретения

Цифровой ультразвуковой пзмеритель скорэсти движения воды, содержащ-ий приемкопередающие элементы, размещаемые на протизаполож;ных стенках канала под некоторым углом :к направлению движения потока, усилитель, смеситель, фильтр низких частот, формирователь, управляемый электронный счетчик лмаульсов, отличающийся тем, что, с целью повыщения точности измерений и надежности, он содержит гене;)атор качающейся частоты с модуляцией -по пилообразному закону, соединенный по высокочастотному выходу со входом введенного в устройство коммутатора направлений, коммутируемые выходы .которого нодключены к излучаюидему и приемному элементам, и входам смесителя, при этом .выход коммутатора иаиравленай соединен через усилитель с доугим входо ч смесителя, подключенного по выходу через фильтр низких частот ко входу схемы выделения измерительного периода, низкочастотный выход генератора качающейся частоты соединен через формирователь со входом тдаММутатора направлений, входом схемы выделения измер;ительного периода и входом схемы унравления счетчиком импульсов, выходы которой «счет, «старт и «стоп соединены с соответствующими -входами управляемого счетчика, а выход генератора качающейся частоты подключен к одному из входов схемы выделения измерительного периода.