Ультразвуковой импульсно-фазовый расходомер Советский патент 1977 года по МПК G01F1/66 

На фиг. 1 представлена блок-схема импульсно-фазового ультразвукового расходомера; на фяг. 2 - эпюры электрических напряжений в некоторых точках схемы. Импульсно-фазовьш ультразвуковой расхо- 5 домер состоит из основного и дополнительно го каналов. Основной канал расходомера сос тоит из акустического преобразователя расхода с дуплексной парой излучатель-приемник 1-2, подключенной к выходу коммутато ра 3, генератора 4 основной частоты, выход которого через коммутатор поступает на вход излучателя 1, формирователя 5 измерительного интервала времени, пропорционального текущей разности фаз, входы которого связаны с коммутатором, а выход со схемой совпадений 6 основного канала, на другой вход которой поступает сигнал с выхода дополнительного канала; выход ее связан со входом счетчика основного канала 7. Дополнительный канал расходомера, служ щий для компенсации погрешности, возникаю щей при изменении скорости ультразвука в жидкости, состоит из схемы 8 формирования интервала времени, пропорционального скорости ультразвука в жидкости, входы которого связаны со схемой логики 9 основного канала и одним из выходов коммутатора, а выходы его связаны со схемой совпадений 10 и схемой 11 изменения коэффициента ум ножения, генератора дополнительного канала 12, выходы которого связаны со входами схемы совпадений 10 и умножителя частоты 13с переменным коэффициентом умножения, двух счетчиков 14, 15, вькоды которых под ключены на входы схемы сравнений кодов 16, выход схемы сравнений кодов подключен на вход схемы совпадения основного канала. Ультразвуковой импульсно-фазовый расходомер работает следующим образом. Напряжение генератора 4 основной частоты сОоПоступает через коммутатор 3 на вход электро-акустических преобразователей 1, 2 коммутатор управляется импульсами схемы логики 9, осуществляющей управление работой схемы основного и дополнительного каналов. С выходов акустических преобразователей пакеты радиоимпульсов, прошедших по и против потока через коммутатор 3, поступают на вход формирователя 5 измерительного интервала времени, пропорционального текущей разности фаз. Такой формирователь может быть построен, например, на основе известной схемы переноса закона изменения фазы текущей высокочастотного входного сигнала на низкочастотное выходное колебание с последующим формированием интервала времени, пропорционального текущей разности фаз. Сигнал с выхода формирователя измерительного интервала поступает на вход схемы совпадения 6, на другой вход которой поступает сигнал дополнительного канала. Для компенсации погрешности от изменения скорости ультразвука в жидкости используется схема формирования интервала времени, пропорционального скорости ультразвука в жидкости, на один вход которой поступает сигнал со схемы логики 9, определяющий передний фронт радиоимпульса излучаемого по и против потока, а на цругой вход огибающая приемногд радиоимпульса по одному из направлений излучения. Выход схемы формирователя интервала времени, пропорционального скорости ультразвука в жидкости, подключен на вход схемы совпадения 10, на другой вход которой поступает сигнал дополнительного генератора 12. Счетчик 14 запоминает количество импульсов, содержащихся в заданном интервале, пропорциональном скорости ультразвука в жидкости. Выход счетчика 14 подключен на вход схемы сравнения кодов 16, на другой вход которой поступает код со счетчика 15, на вход которого поступает сигнал умножителя частоты импульсов 13, с переменным коэффициентом умножения тп (с). При равенстве кодов схема сравнения кодов 16 выдает сигнал, который с одной стороны поступает на вход схемы совпадений основного канала 6, а с другой - на оборот счетчика 15. Конец измерительного интервала времени, пропорционального текущей разности фаз, сбрасывает счетчик 14 в исходное .состояние и цикл повторяется. Для получения требуемой функциональной зависимости выходной частоты импульсов схемы сравнения кодов 16 от скорости ультразвука используется схема 11 изменения коэффициента умножения, на вход которой поступает импульс со схемы формирования интервала времени, пропорционального скорости ультразвука в жидкости. При превышении (или уменьшении) этого интервала времени длительности импульса. срабатывает схема, которая изменяет коэффициент умножения умножителя 13 частоты с переменным коэффициентом умножения. Такой умножитель может быть, например, построен по схеме с импульсно-фазовым детектором и счетчиком в цепи обратной связи, изменение коэффициента деления которого приводит к изменению коэффициента умножения умножителя частоты. Работа импульсно-фазового расходомера описывается следующей системой уравнений. Интервал времени -0- , пропорциональный текущей разности фаз, формируемый схемой 5, имеет следующий вид: ) ср К - коэффициент пропорциональности;Vcp - средняя скорость потока; F (С ) С - функциональные зависимост р (C) C-Vl-C k Р® ни8от скорости ультра звука в жидкости для акустического тракта без преломления и с цреломлением соответственно; К - коэффициент пропорциональности;С- - скорость ультразвука в жид кости. Интервал времени, формируемый схемой 8, имеет следующий вид: где S - расстояние между излучателем и приемником; - знак приращения, который зависит от направления излучения ультразвука. Так как для больщинства промышленных потоков скорость потока (V) на три порядка меньше скорости ультразвука в жидкост (С ),то членомV/С в выражении (2) можно пренебречь. Для V - единиц м/сек (при м/сек и С 1500 м/сек) максимальная погрешность, вносимая пренебрежением числом Ч/С,составит ± 0,03%). Тогда с учетом изложенного выражение (2) примет вид: Если частота, дополнительного генератор f , то код счетчика 14 можно записать в следующем виде: -fТакой же по величине код в счетчике 15 при входной частоте тп (С) f будет за время Т , определяемое из выражения f--mCOi f Частота F на выходе схемы совпадений кодов 6 имеет следующий вид: ТП(С)-С F,f) Схема 11 изменения коэффициента умножения интервала времени, пропорционального скорости ультразвука в жидкости, изменяет коэффициент умножения схемы так, чтобы тп(С)-С (С). Как показывают расчеты, при изменении скорости ультразвука в жидкости на 20%, что охватывает большую часть практических случаев достаточно (с погрешностью 0,2%) двух участков аппроксимации цля реализации функциональных зависимостей F 2 -эдвух значений коэффициентов умножения умножителя 13. В этом случае код счетчика 7 с принятыми допущениями примет следующий вид,: К .. Как следует из выражения (4), выходная информация такого расходомера не зависит от скорости ультразвука в жидкости. На фкг. 2 даны временные эпюры напряжений в соответствующих точках расходомера, при этом нижний индекс у символа V обозначает номер блока, на вььходе которого имеется данная эпюра, индекс вверху номер блока, на вход которого она подается. образом, использование новых элементов - двух счетчиков, умножителя частоты с переменным коэффициентом умножения, схемы изменения коэффициента умножения, схемы совпадений, дополнительного генератора и схемы совпадений кодов позволяет повысить точность и надежность измерения расхода различных жидкостей. Принцип компенсации прогрешности от изменения скорости ультразвука в описанном импульсно-фазовом расхоцомере может быть успешно использован в импульсно-временном ультразвуковом расходомере. Формула изобретения Ультразвуковой импульснэ-фазовый расходомер; содержащий первичный преобразователь расхода, подключенный к выходу коммутатора, один вход которого соединен с выхэдом генератора, а другой - со схемой логики, а выходы его подключены к схеме формирования измерительного интервала временя, один выход которой через схаму совпаданий соединзн со счатчиком, а другой - со схемой логики, отличающийся там, что, с целью повышения точности и надежности, в ийго дополнительно введены схема формирования интервала времени, пропорционального скорости ультразвука в жидкости, два счетчика, схема сравнения кодов, умножитель частоты с переменным коэффициентом умножения, схама изхгэнения коэффициента

умножения, дополнительный генератор и схема совпадений, при этом схема формирования интервала времени, пропорционального скорости ультразвука в жидкости,соединена с выходами схемы логики и коммутатора, а ее выход подключен через схему совпадений, один из входов которой соединен с выходом дополнительного генератора, со входом одного из счетчиков, к другому входу которого подключена схема формирования измерительного интервала времени, а выход этого счетчика подключен на -вход схемы сравнения кодов, другой вход которой подключен к выходу другого счетчика, вход которого соединен через умножитель частоты с переменным коэффициентом умножения с выходом дополнительного генератора, а выход схемы сравнения кодов связан со входами второго счетчика и схемой совпадений основного канала.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1. Авторское свидетельство СССР

№ 238593, М. КлГд

01 F 1/00, 1967. 2, Авторское СССР

свидетельство

№ 395724, М, КлЯ Q 01 F 1/00, 197О (прототип).