Ультразвуковое устройство для автоматического измерения скорости потока Советский патент 1977 года по МПК G01P5/24 G01F1/66 

1

Изобретение относится к технической акустике и может найти применение для контроля скорости потока жидкостей и газов.

Известны ультразвуковые измерители скорости потока, имеюидие два измерительных акустических преобразователя, помещенных в измеряемый поток, один из которых используется для определения скорости ультразвука по потоку, а другой - против потока, разность этих скоростей определяет скорость потока (1-5). Однако эти измерители имеют недостаточно высокую точность либо из-за взаимного влияния акустических частей каналов по потоку и против него, либо из-за погрешностей, вносимых фазометром.

Известно одно канальное измерительное устройство, содержащее измерительный акустический преобразователь с двумя датчиками, два идентичных канала измерения, включающих фазометр и модулятор, входы которых подключены к выходу генератора, а второй вход фазометра соединен с датчиком и выходом модулятора другого канала, коммутатор с двумя выходами, каждый из которых соединен с управляющими входами фазометра и модулятора одного канала, и регистрирующий прибор (6).

Однако это устройство имеет недостаточную точность, обусловленную нелинейностью амплитудно-фазовой характеристики фазометров,

в результате чего изменение CKopoctH Звука в жидкости вызывает дрейф начальной точки фазометра, которая выходит за пределы линейного участка его амплитудно-фазовой характеристики.

Для повышения точности измерения скорости потока предлагаемое устройство содержит интегратор, входы которого подключены к управляющим входам фазометров, а выход - к входу перестройки частоты генератора, два реле, входы которых соединены с выходами фазометров, а выходы - с двумя входами коммутатора, третий выход которого соединен с управляющим входом регистрирующего прибора, измерительный вход которого соединен с выходом генератора.

На фиг. 1 представлена блок-схема описываемого устройства; на фиг. 2, 3 - амплитудно-фазовая и амплитудно-частотная характеристики фазометра.

Устройство содержит измерительно-акустический преобразователь с двумя датчиками 1, генератор 2, модуляторы 3, 4, фазометры 5, 6, реле 7, 8, коммутатор 9, регистрирующий прибор 10, интегратор 11.

Каждый из двух измерительных каналов состоит из модулятора 3 (4), фазометра 5 (6), реле 7 (8).

Выход интегратора 11 соединен с входом перестройки частоты генератора 2, выход которого соединен с измерительным входом регистрирующего прибора 10 и с входами модуляторов 3, 4 и фазометров 5, 6. В каждом канале выход модулятора 3 (4) соединен с соответствующим датчиком измерительно-акустического преобразователя 1 и со вторым входом фазометра 6 (5) другого канала.

Выход фазометра 5 (6) соединен с реле 7 (8).

Выходы реле 7 и реле 8 соединены с коммутатором 9, нервый выход которого подключен к управляющим входам модулятора 3 и фазометра 5 одного канала, а второй - к управляющим входам модулятора 4 и фазометра 6 другого. Первый и второй выходы коммутатора 9 соединены с двумя входами интегратора 11. Третий выход коммутатора 9 подключен к управляющему входу регистрирующего прибора 10.

Устройство работает следующим образом. Пусть в исходном состоянии включен канал измерения по потоку. Выходной сигнал постоянного уровня с коммутатора 9 открывает модулятор 3 и фазометр 5. Этот же сигнал подается на первый вход интегратора И, на выходе которого формируется линейно-спадающее ндпряжение, которое, воздействуя на вход перестройки частоты генератора 2, плавно уменьшает его частоту.

На фиг. 3 кривая 1 соответствует распространению ультразвуковых колебаний против потока, а кривая II - по .потоку, I - расстояние между датчиками.

При изменении частоты от значения f до / на выходе фазометра 5 напряжение примет нулевое значение k раз, где k - целое число (см. фиг. 3, кривая II).

Реле 7 формирует короткие прямоугольные импульсы напряжения, соответствующие нулевым значениям выходного напряжения фазометра 5. Эти импульсы поступают на коммутатор 9, который открывает регистрирующий прибор 10 для измерения частоты генератора 2 в моменты времени, соответствующие первому и k-ouy импульсу на выходе реле 7 (8). Причем частота /+ генератора 2, соответствующая первому импульсу, увеличивает показания регистрирующего прибора, а fe-ому - уменьшает. На выходе регистрирующего приОора фиксируется разность частот f f k которая пропорциональна скорости распространения ультразвука С от одного датчика к другому.

С Со 4- и,

где Со - скорость ультразвука в среде,

V - скорость потока.

Под действием -ого импульса на выходе реле 7 коммутатор 9 открывает модулятор 4 и фазометр 6, т. е. подключается канал измерения против потока. При этом выходное напряжение с коммутатора 9 подается на другой вход интегратора 11. На его выходе формируется линейно-возрастающее напряжение, которое плавно увеличивает частоту генератора 2. На выходе реле 8 возникают импульсы, соответствующие нулевым значениям выходного сигнала фазометра 6. Регистрирующий прибор 10 измеряет частоты / и /- генератора

2. Показания регистрирующего прибора 10 в момент действия 1-ого импульса увеличиваются, а при действии k-ото - уменьшаются. При этом на выходе регистрирующего прибора 10 фиксируется разность скоростей ультразвука по потоку и против потока, т. е. измеряемая скорость V.

Коммутатор 9 после воздействия -ого импульса с реле 8 подключает канал измерения по потоку, т. е. открывает модулятор 3 и фазометр 5. Устройство возвращается в исходное состояние, и цикл измерения вновь повторяется.

Наличие интегратора 11, вырабатывающего линейно изменяющееся напряжение, в соответствии с которым частота генератора 2 изменяется в определенных пределах, двух реле 7, 8, вырабатывающих прямоугольные импульсы при нулевом напряжении на выходе фазометров 5, 6, дает возможность использовать фазометр как нуль-индикатор разности фаз.

Это исключает влияние нелинейности амплитудно-фазовой характеристики фазометра, что повышает точность измерения скорости потока. Фиксация k нулевых точек на выходе фазометров позволяет в k раз снизить погрешность измерения.

Ширина амплитудно-фазовой характеристики фазометра не органичивает в предлагаемом устройстве верхний диапазон измеряемых скоростей потока, что позволяет увеличить его по сравнению с известными устройствами.

Формула изобретения

Ультразвуковое устройство для автоматического измерения скорости потока, содержащее измерительный акустический преобразователь с двумя датчиками, два идентичных канала измерения, включающих фазометр и модулятор, входы которых подключены к выходу генератора, а второй вход фазометра соединен с датчиком и выходом модулятора другого канала, коммутатор с двумя выходами, каждый из которых соединен с управляющими входами фазометра и модулятора одного канала, и регистрирующий прибор, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения скорости потока, устройство снабжено интегратором, входы которого подключены к управляющим входам фазометров, а выход - к входу перестройки частоты генератора, двумя реле, входы которых соединены с выходами фазометров, а выходы - с двумя входами коммутатора, третий выход которого соединен с управляющим входом регистрирующего прибора, измерительный вход которого соединен с выходом генератора.