Одноканальный ультразвуковой расходомер Советский патент 1977 года по МПК G01F1/00 

3

На фиг, 1 показана блок-схема одноканального ультразвукового расходомера; на фиг. 2, а-д и фиг. 3, а-ж приведены временные диаграммы, поясняющие работу расходомера.

Одноканальный ультразвуковой расходомер содержит вибраторы 1 и 2, переключающий блок 3, фазовый детектор 4, выход которого через блок 5 управления частотой генератора подключен к входу ультразвукового генератора 6, и блок 7 измерения разностной частоты, содержащий ключ 8 и реверсивный счетчик 9. Вибраторы 1 и 2 закреплены на трубопроводе 10, в котором измеряется скорость потока движуи1ейся среды 11. Кроме того, измеритель снабжен блоком 12 11реоб)азонания и сиихронизаини частот), блоком модуляцни-де.модуляции, в состав которого входят модулятор 13 и демодулятор 14, фазовым дискриминатором 15 и иороговым устройством 16, которое содержит последовательно соединенные схему сравнения 17 с опорным наиряжением, нульоргаи 18 и интегрирующее звено 19.

Входы фазового детектора 4 соединены через переключающий блок 3 с вибраторами 1 и 2, а выход модулятора 13 - с одним из вибраторов. В блоке измерения разностной частоты первый вход ключа 8 подключен к выходу ультразвукового генератора 6, а второй вход - к выходу переключающего блока 3, выход ключа 8 соединен с измерительным входом реверсивиого счетчика 9, уиравляющий вход которого связан с выходом иереключающего блока 3. Один выход ультразвукового генератора 6 соединен с входом блока 12 иреобразования и синхронизации частоты, одни из входов модулятора 13 соединен с вторым выходом ультразвукового генератора 6, а другой - с выходом блока 12 и с одним входом фазового дискриминатора 15, второй вход которого через демодулятор 14 и переключающий блок 3 подключеи к вибратору 1 или 2, настроенному на прием ультразвуковых колебаний.

Выход фазового дискриминатора 15 соединен в пороговом устройстве 16 с одним входом схемы сравнения 17, на другой вход которой иодано онорное напряжение. В пороговом устройстве 16 выход схемы сравнения 17 через нуль-орган 18 соединен с интегрирующим звеном 19. Выход нуль-органа соединен с запирающим входом фазового детектора 4, а выход интегрирующего звена 19 - с суммирующим входом блока управления 5.

Одноканальный ультразвуковой расходомер работает следующим образом.

Переключающий блок 3 соединяет ультразвуковой генератор 6 с вибратором 1, а фазовый детектор 4 - с вибраторами 1 и 2. В среде 11 проходят ультразвуковые колебания, направление распространения которых совпадает с вектором скорости потока. При прохождении ультразвуковых колебаиий от излучающего вибратора 1 до приемиого вибратора

4

2 они запаздывают, поэтому на входы фазового детектора 4 приходят сдвинутые по фазе напряжения ультразвуковой частоты. На выходе фазового детектора 4 появляется нанря5 жение, зaвиcяп ee от величины разности фаз входных сигналов. В блоке управлеиия 5 это напряжение сравнивается с заданной величиной, усиливается и нреобразуется в управляющее напряжение, которое изменяет частоту

0 ультразвукового генератора 6. При иостояином времени заназдываиия с изменением частоты изменяется сдвиг фаз наиряжений иа входе фазового детектора 4 и напряжение на его выходе. Этот процесс изменения частоты

5 ироисходнт до тех пор, нока выходное напряжение фазового детектора 4 не станет равным заданной величине.

В следующий такт работы нереключающего устройства 3 ультразвуковой генератор 6 соединяется с вибратором 2, поэтому нанравление распространения ультразвуковых колебаний противоположно вектору скорости потока. При этом запаздывание сигнала имеет меньщую величину, поэтому частота ультразвукового генератора 6 уменьщается до тех пор, пока разность фаз на входе фазового детектора 4 не станет равной заданной величине.

Пусть скорость потока равна нулю (фиг. 2, а) в интервале времени от О до о- Тогда запаздыванне в среде 11 при прохождении ультразвуковых колебаний расстояния от излучающего до приемного вибраторов 1 и 2 одинаково в обоих нанравлениях, и на выходе фазового детектора нанряженне равно ну5 лю (фиг. 2, 0). Частота ультразвукового генератора остается постоянной (фиг. 2, г), и показания блока 7 (фиг. 2, д) в иитервале времени до 0 равны 0. Начиная с момента времени /о, скорость поQ тока отлична от нуля (фиг. 2, а). Выходное нанряжение переключающего блока 3 изменяется (фиг. 2, б), причем в интервале времени + излучает вибратор 2, а в интервале времени Tj-J-Tj - вибратор 1. Интервалы Tj и 2 отводятся на переходные процессы, а интервалы 7j и Т - на измерение в блоке 7 измерения разностной частоты. При излучении вибратором 2 запаздываиие сигнала в среде

0 увеличивается, а ири излучении вибратором 1 умеиьщается. В результате на выходе фазового детектора 4 появляется снгиал (фиг. 2, б), под действием которого изменяется частота ультразвукового генератора 6 (фиг. 2, г). Каждая из частот, получаемая на выходе генератора 6 измеряется в блоке 7 измерения разностной частоты и затем иаходится их разность. Показания на индикаторе блока 7 пропорциональны скорости потока и не зависят от скорости ультразвука.

Измерение разности частот производятся в блоке измерения 7 в одном цикле измерения измг следующим образом. В иитервале Т

переключаюидее устройство 3 вырабатывает

управляющее напряжение (фиг. 2, б), отпирающее ключ 8 и нереводящее реверсивный счетчик 9 в вычитания. При этом реверсивиый счетчик 9 .в блоке 7 запомггиает значение частоты /2 с отрицательным знаком (фиг. 2, 5). В последующий интервал времени Tj переключающее устройство 3 запирает ключ 8 на время переходных процессов в измерителе. По окоичанни переходных процессов переключающее устройство 3 отпирает ключ 8 и переводит реверсивный счетчик 9 в сложения на время (фиг. 2, б). На этом интервале

времени через ключ 8 проходит частота /i со знаком «- на реверсивный счетчик 9 (фиг. 2, д). В реверсивном счетчике происходит вычитание частот, поэтому его показания пропорциональны измеряемой скорости потока.

Диапазон измерения скорости потока ограничен, так как изменение фазы принятого сигнала ограничено величиной ±Jt. Для расщиренпя диапазона работы измерителя производится переход на частоту модуляции (фиг. 3,6), которая в несколько раз меньще, чем частота ультразвукового генератора 6 (фиг. 3, а и кратна ей.

Модулированный сигнал (фиг. 3, в) одного пз вибраторов 1 или 2 приходит на другой, проходит через переключающее устройство 3 на фазовый детектор 4 и на демодулятор 14. Фазовый детектор 4 вырабатывает сигнал управления нз ультразвуковых колебаний основной частоты. Демодулятор 14 выделяет сигнал огибающей частоты, сдвинутой по фазе относительно излученного сигнала на величину, пропорциональную запаздыванию в среде И (выходной сигнал демодулятора 14 показан на фиг. 3, г).

Фазовый дискриминатор 15 измеряет фазу выходного сигнала демодулятора 14 относительно выходного сигнала блока 12 преобразова)пш и синхронизации частоты (фиг. 3,6). Выходной сигнал фазового дискриминатора 15 (ф.|г. 3, д) подается в пороговое устройство 16, содержащее схему сравнения 17 с опорным напряжением, нуль-орган 18 и интегрируюнхее звено 19. При превышении модуля сигнала фазового дискриминатора 15 порогового уровня, задаваемого опорным напряжением, срабатывает нуль-орган 18 (фиг. 3, е) до момента времени /i (нороговый уровень f/nop показан на фиг. 3, д пунктирной линией).

Срабатывание нуль-органа 18 вызывает запирание фазового детектора 4, поэтому его выходной сигнал не проходит на блок управления 5. Выходной сигнал поступает на интегрируюп1,ее звено 19 и его выходной сигнал начинает линейно нарастать до момента fi (фиг. 3, ж). Выходной сигнал интегрирующего звена 19 подается через блок управления 5 ча ультразвуковой генератор б для изменения его частоты / н, следовательно, частоты F блока 12 преобразования и синхронизации частоты. Измененне частоты происходит до тех пор, пока фазы напряжений частоты F на двух вибраторах 1 и 2 не нрндут в заданное соответствие между собой. Папример, на фиг. 3 измеиенне частоты ироисходнт до тех пор, пока сдвнг по фазе между напрялсением на фнг. 3, б и 3, г не станет примерно равным нулю после некоторого момента времени t. При нуль орган 18 обеспечивает нулевой сигнал на

входе интегрнрующего звена 19 и отнирает фазовый детектор 4. Далее работа расходомера происходит аналогично описанному ранее, но в блоке унравления сигнал фазового детектора 4 складывается с сигналом, зафнксированным на выходе интегрирующего звена 19.

Таким образом, диапазон измерения скорости потока зависит уже не от допустимого изменения фазы частоты ультразвукового генератора 6, а от допустимого изменения фазы

модулирующего сигнала. При этом обеспечивается независимость измерення скоростн потока от изменения скорости ультразвука в измеряемой среде.

25

Формула изобретения

Одноканальный зльтразвуковой расходомер, содержащнй акустический преобразователь с двумя вибраторами, к которым через нереключающий блок подключены ультразвуковой генератор и фазовый детектор, отличающнйс я тем, что, с целью повьинения точности с сохранением щирокого диа1пазона измерения расхода, между выходом фазового детектора

и управляющим входом ультразвукового генератора включен блок управления частотой генератора, выход ультразвукового генератора соединен с входом блока преобразования н синхронизации, выход которого подключен к

модулирующему входу модулятора, который включен между ультразвуковым генератором н переключающим блоком, и к одному нз входов фазового дискриминатора, второй вход которого связан с нереключающим блоком через

демодулятор, а выход которого соединен с входом порогового зстройства, выходы порогового устройства подключены к занирающему выходу фазового детектора и к другому входу блока управления частотой генератора, выход

ультразвукового генератора соединен с блоком измерения разностной частоты.

2.Расходомер по п. 1, о т л н ч а ю ni и и с я тем, что пороговое устройство выполнено в виде последовательно соединенных схем сравнения с опорным нанряженнем, нуль-органа и интегрирующего звена.

3.Расходомер по п. 1, отличающийся тем, что блок измерення разностной частоты выполнен в виде реверсивного счетчика и ключа, первый вход которого соединен с выходом ультразвукового генератора, второй вход которого соединен с переключающим блоком, а управляющий вход реверсивного счетчика динен с переключающим блоком.

)

)

{Y

г)

,Л

V

TjJSMj

fz

г

-/

U3f1

Фйг