Устройство для измерения скорости потока жидкости и газа Советский патент 1977 года по МПК G01P5/24 

Изобретение относится к приборам, измеряющим скорость потока жидкости или газа с помоидью передачи звуковых волн через измеряемую среду В двух взаимопротивоположпых паправлениях.

Известные устройства можно разделить на два класса. К первому классу относятся устройства, показания которых зависят от скорости распространения звуковых волн в среде. Так, например, известно устройство для измерения скорости потока, где используется одновременное излучение звуковых волн с одной нары излучателей, которые в следующий момент времени используются как приемники. Скорость потока определяется по временному сдвигу между ультразвуквьши сигналами после прохождения движущейся среды в двух взаимопротивоположных направлениях. В данном приборе не предусмотрена компенсация ВЛИЯНИЯ скорости звука на результат измерения. Поэтому устройства данного типа имеют узкую область применения, только для сред, параметры которых (температура, плотность и т. д.) меняются в небольщом диапазоне.

Известны устройства, в которых компенсируется влияние скорости звука на результат измерения. В этих устройствах имеются две автоколебательные системы с запаздывающими акустическими обратными связями, в каждой из которых ВЫХОД приемника подключен к

входу передатчика. О величине скорости потока судят по разности частот двух автоколебательных систем. Устройства характерны своей простотой, но

практически реализовать на них достаточную точность оказалось иевозмон ным, так как они предъявляют жесткие требования к стабильности расстояний от приемников до излучателей и к стабильности временных задержек в

электрических цепях.

Иаиболее близким по технической сущности к занному рещению является устройство, содержащее электроакустические преобразователи, соединенные соответственно с первым и

вторым передатчиком, первый вход приемника соединен с одним из электроакустических преобразователей, ВЫХОД - с ВХОДОМ триггера, первый ВЫХОД которого подключеп к первому входу первого элемеита П, и реверсивный

счетчик.

Данные о скорости получают из измерения разности времени прохождения акустического сигнала, который проходит путь между электроакустическими преобразователями сначала

В одном, а затем в другом направлении. Интервал времени прохождения акустического сигнала в одном направлении заполняется частотой с генератора синхронизирующих импульсов, количество импульсов регистрируется на реверсивном счетчике, при прохождении ультразвукового сигнала в друго.м направлении эти импульсы вводятся в счетчик с противоположным знаком. Чтобы частично исключить влияние скорости звука на результат измерения, частота генератора синхронизирующих импульсов изменяется пропорционально квадрату температуры окружающей среды Управление частотой осупхествляет терморезистор. Последовательность работы устройства определяется схемой управления. В описании устройства приведено выражение для разности времени прохождения ультразвукового сигнала в двух взаимопротивоположных направлениях 2/fCos 9 где I - расстояние между электроакустическими преобразователями; V - скорость потока; с - скорость звука; 6 - угол между наплавлением вектора скорости потока и прямой, соединяющей электроакустические преобразователи. Данное выражение не учитывает временные задержки в электрических цепях усилителей, которые могут быть вызваны как нестабильностью самих задержек, так и неоднозначностью определения времени прихода сигнала в пределах длительности фронта импульса. С учетом задержек в электрических цепях, а считая, что , а , выражеиие (1) принимает вид . , 2/и . , V (1 - г) где TI - временная задержка в первом усилителе;Т2 - временная задержка во втором усилителе, откуда (1--2)С обозначим До - погрешность измерения где Дт - нестабильность временных задержек Таким образом, нестабильность временных задержек в электрических цепях приводит к погрешностям измерения скорости, смещающим ноль прибора (начало отсчета). Другой фактор, приводящий к погрешности измерения скорости, - это неполная компенсация влияния скорости звука на результат измерения. В устройстве для компенсации влияния скорости звука на реззльтат измерения скорости потока используется генератор, частота которого изменяется с изменением температуры, что не дает полной компенсации, так как скорость звука зависит не только от температуры, но также от влажности, плотности среды и т. д. К тому же трудно реализовать зависимость частоты генератора сннхронизируюн1их имнульсов, повторяюн1ую зависимост, скорости звука от температуры, что также приводит к дополнительным погрешностям. Цель изобретения. - уменьшение погрешности нзмерения путем использования одного приемника, т. е. повышение точностн измерения. Это достигается тем, что в устройство введены умножитель частоты и второй элемент И, причем второй вход приемника соединен с другим электроакустическим преобразователем, выход приемника подключен к второму входу первого элемента Инк первому входу второго элемента И, второй выход триггера соединен с вторым входом второго элемента И и первым входом реверсивного счетчика, к второму входу которого подключен первый выход триггера, выход первого элемента И - с входом первого передатчика и через умножитель частоты с третьим входом реверсивного счетчика, выход второго элемента И - с входом второго передатчика. На чертеже представлена блок-схема устройства для измерения скорости потока жидкости и газа. Устройство содержит электроакустические преобразователи 1, 2, которые преобразую электрические сигналы в ультразвуковые v наоборот, ультразвуковые сигналы в электрические. Электроакустические преобразователи 1, 2 соединены с выходами передатчиков 3, 4, с которых подаются импульсы возбуждения, и с входами приемника 5, который усиливает и формирует принятые электроакустическими преобразователями сигналы. Триггер 6 с помощью элементов И 7 и 8 осуществляет поочередное переключение выхода приемника 5 на вход передатчиков 3, 4, для чего выход приемника соединен с входами элементов И и триггера, выходы триггера - с другими входами элементов И, а выходы элементов И- с входами соответствующих передатчиков. Выходы триггера 6 подключенный также к управляющим входам реверсивного счетчика 9. Реверсивный счетчик измеряет разность временных интервалов прохождения ультразвуком по направлению потока и против и осредняет данное измерение за время соединения. Чтобы результат измерения скорости потока не зависел от скорости звука, реверсивный счетчик заполняется через умножитель частоты 10 импульсами с элемента И 7, частота повторения которых пропорциональна скорости звука. Величина коэффициента умножения умнои ителя частоты 10 определяется необходимой точностью измерения. Устройство имеет два выхода, выход элемента И 7 (или элемента И 8) - выход величины скорости звука, выход реверсивного счетчика- выход величины скорости потока.

Устройство работает следующим образом.

Предположим, что триггер 6 находится в состоянии, когда разрешение имеется на элементе И 7, тогда импульс с приемника 5, проходит иа запуск передатчика 3, который возбуждает электроакустический преобразователь 1. Концом импульсов триггер 6 меняет свое состояние, и разрешение появляется на элемент И 8. Ультразвуковой импульс с электроакустического преобразователя 1, если скорость потока направлена от электроакустического преобразователя 1 к преобразователю 2, приходит к электроакустическому преобразователю 2 через время

Т -- ,

с V

где / - расстояние между электроакустическими преобразователями; с - скорость звука; V - скорость потока.

Принятый приемником 5 сигнал усиливается и формируется и теперь через открытый элемент И 8 запускает передатчик 4, с которого импульс подается на электроакустический преобразователь 2, а концом импульса меняется состояние триггера. С электроакустического преобразователя 2 ультразвуковой импульс приходит к электроакустическому преобразователю 1 через время

г

1 2-

С - V

Принятый приемником 5 сигнал теперь через открытый элемент И 7 поступает на запуск передатчика 3, и все повторяется снова. Если теперь обратить внимание на частоту повторения импульсов на выходе любого элемента И, то она будет

,.

Г,

если скорость v незначительна, то частота / пропорциональна скорости звука. Реверсивный счетчик 9 переключается с режима суммирования на режим вычитания и, наоборот, одновременно с изменением состояния триггера 6, т. е. через интервалы Т и Гг. За время TZ в реверсивный счетчик записывается п импульсов, rt2 fe/72. Из этого результата за время Г) вычитается п импульсов, ni kfTi, тогда в реверсивном счетчике остается результат

п «2 - rt, - f ( - Г,).

За время осреднения ср количество таких разностей p ftocp, а общий результат на счетчике

N (T,-T,)f.f,,. Подставив значение Т, Т и /, получим

(т)ТЗачитывая, что во многих случаях величй„ / и г

НОИ - по сгмонению с единицей можно пре с

g небречь, тогда

N

2/

т, е. показания счетчика пропорциональны скорости потока. Умножитель 10 умножает частоту повторения импульсов на выходе элемента И 7 на постоянный коэффициент, так как непосредственно с выхода элемента PI 7 на вход реверсивного счетчика 9 нодавать импульсы нельзя ввиду того, что частота повтбрения импульсов на выходе элемента И и частота переключения реверсивного счетчика из режима суммирования в режим вычитания одинаковы.

Паличие в схеме только одного приемника позволило исключить составляющую ногрешности измерения, вызванную неидентичностью временных задержек сигналов в приемниках. Величина названной погрещности в прототипе может достигать значительной величины, например, если величина базы ,2 м, неидентичность временных задержек (длительность фронта импульса) Ат 1 мкс, скорость звука в воздухе 330 м/с, то погрешность измерения согласно выражению (2) составит

A.-:-:..j- ;;;;- :o,5M/c.

Палпчие в устройстве триггера и двух элементов И дало возможность на двух электроакустических преобразователях получать величину скорости потока и скорости звука, тем самым исключить влияние скорости звука на результат измерения скорости потока.

Формула изобретения

Устройство для измерения скорости потока жидкости и газа, содержащее электроакустические преобразователи, соединенные соответственно с первым и вторым передатчиком,

первый вход приемника подключен к одному нз электроакустических преобразователей, выход соединен с входом триггера, первый выход которого подключен к первому входу первого элемента И, и реверсивный счетчик, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, в устройство введены умножитель частоты и второй элемент И, причем второй вход приемника соединен с другим электроакустическим преобразователем, выход

приемника подключен к второму входу первого элемента И и к первому входу второго элемента И, второй выход триггера соединен с вторым входом второго элемента И и первым входом реверсивного счетчика, к второму входу которого подключен первый выхот, триггера, выход первого элемента И соединен с входом первого передатчика и через умнолситель частоты подключен к третьему входу реверсивного счетчика, выход второго элемента И

соединен с входом второго передатчика.

ILiE