Частотный ультразвуковой расходомер Советский патент 1979 года по МПК G01F1/66 

Изобретение относится к технической акустике и может найти применение для измерения расходов продуктов в продуктопроводе. Известны частотные ультразвукрвые расходомеры, выполненные по одноканальной схеме, работа которых основана на сравнении изменения частот зондирующих импульсов по потоку и против него 1. Однако этим расходомерам свойственна погрешность из-за асимметрии электронных каналов. Наиболее близким по технической суш,ности является ультразвуковой расходомер, содержащий первичный преобразователь, состоящий из измерительного участка трубопровода с двумя пьезопреобразователями, на нем, два синхрокольца, каждое из которых содержит пьезопреобразователи ус литель с формирователем приемных импульсов на выходе, формирователь зондирующих импульсов, который через электронный ключ и схему ИЛИ соединен с формирователем приемных импульсов непосредственно и через элементы задержки, а также схему между входами которой и выходом синхроколец последовательно включены по паре мультивибраторов 2. Недостатком такого расходомера является наличие погрещности измерения от асимметрии электронных каналов, связанной с работой в каждом синхрокольце, отдельных передатчиков и усилителей приемных импульсов, что приводит еще и к аппаратурной избыточности. Другим источником погрещности измерения расхода является низкая выходная частота расходомера. Кроме того, в этом расходомере отсутствует возможность проверки «нуля прибора в рабочем состоянии, он имеет невысокую надежность работы вследствие того, что в случае срыва автоколебаний по любому синхрокольцу расходомер не восстанавливает режим работы и требует для этого вмешательства извне. Целью изобретения является повьпиение точности измерения работы расходомера. Поставленная цель достигается тем, что в него дополнительно введены щесть электронных ключей, ключ рода работ, два элемента задержки, делитель частоты, схема антисовпадений, реверсивный счетчик, триггер направления зондирования, триггер задержки, цифроаналоговый преобразователь и управляемый генератор, причем выход одного синхрокольца подан непосредственно на один вход.реверсивного счетчика, а выход другого синхрокольца подан на другой вход реверсивного счетчика через схему антисовпадения, к другому входу которой через делитель частоты подсоединен управляемый генератор, связанный по управляющему входу через цифроаналоговый преобразователь с выходом реверсивного счетчика, выходы же крайних состояний реверсивного счетчика через элементы задержки по времени и схему ИЛИ соединены с формирователем зондирующих импульсов, при этом входы управления электронных ключей на выходе формирователя зондирующих импульсов связаны с выходами триггера направления зондирования, подключенного по входу к выходам синхроколец, а выходы мультивибраторов поданы на управляющие входы электронных ключей, стоящих, на входе синхроколец, и через схему И и триггер задержки - на входы ключей, расположенных в цепи элементов задержки по времени, а пьезопреобразователи соединены через электронные ключи и ключ рода работ с усилителем и формирователем зондирующих импульсов. На фиг. 1 представлена блок-схема устройства; на фиг. 2 - эпюры сигналов. Преобразователь состоит из участка трубопровода 1 с измеряемым в нем продуктом и двух пьезопреобразователей 2 и 3. В состав одного синхрокольца входят ключи 4-8, элементы задержки по времени 9 и 10, мультивибраторы 11 и 12. Аналогичные элементы другого синхрокольца обозначены: 4 -12. Общими элементами являются формирователь зондирующих импульсов 13, усилитель 14, формирователь приемных импульсов 15, триггер направления зондирования 16, схема ИЛИ 17, схема И 18, триггер задержки 19 и ключ рода работ 20. В состав выходного уетройс:тва (И) входят: реверсивный счетчик 21, схема антисовпадений 22, цифроаналоговый преобразователь 23, управляемый генератор 24, делитель частоты 25 и индикатор расхода 26. На схеме указаны выходы расходомера: частотный выход 27, аналоговый выход. 28 и цифровой выход в виде параллельного кода 29. Расходомер работает следующим образом. Пусть в исходном состоянии триггер направления зондирования 16 открывает ключ 7 и закрывает ключ 7. Триггер задержки 19 удерживает открытие ключа 5 и 5 (ключи 6 и 6 закрыты), мультивибраторы 11 и II возбуждены. При этом время возбуждения мультивибратора 11 TViH должно быть меньще То - Д Т, где То - время распространения ультразвуковых колебаний между пьезопреобразователями через неподвижный измеряемый продукт, а AT То - Ттт (Tmin время распространения ультразвуковых колебаний между пьезопреобразователями по потоку при максимальном расходе). Время возбуждения мультивибратора 11 должно быть меньще То При этом время мультивибраторов 12 и 12 должно удовлетворять условию Гмп. + Тш2 Г) и 7ммЧ- 7wa TO + А Г. Другими словами, мультивибраторы- 12 и 12 должны на оси времени выделять минимальные промежутки достоверного появления сигналов синхроколец с вь1хода усилителя. Допустим, что первым в исходное состояние возвращается мультивибратор И, который при этом возбуждает мультивибратор 12, открывающий ключи 4 и 8. С этого момента в промежутке Гми сигнал с пьезопреобразователя 3 поступает на усилитель 14, формирователь приемных импульсов 15 и через ключи 4 и 5 на запуск мультивибратора И, на трриггер направления зондирования 16 и через элемент задержки 10 и схему ИЛИ 17 - на формирователь зондирующих импульсов 13. Триггер направления зондирования открывает ключ 7, и зондирующий импульс поступает на пьезопреобразователь 2, который излучает ультразвуковые колебания в измеряемый продукт. Не более, чем через Го эти колебания принимаются пьезопреобразователем 3 и цикл повторяется. В другом синхрокольце после возбуждения мультивибратора 12 открываются ключи 4 и 8 и принятый из измеряемой среды импульс ультразвуковых колебаний пьезопреобразователем 2 усиливается усилителем 14 и формируется формирователем 15. Далее приемный импульс поступает на запуск мультивибратора 11, на триггер 16 и через элемент задержки 10 и схему ИЛИ 17 на (|}ормирователь зондирующих импульсов 13 и т. д. Как только импульсы в обоих синхрокольцах подойдут по времени близко один к другому настолько, что перекроются импульсы на выходах мультивибраторов 12 и 12, сработает схема И 18, которая по счетному входу перебросит триггер задержки 19 в противоположное состояние. При этом закроются ключи 5 и 5, откроются ключи 6 и 6. Значит в первое синхрокольцо введен элемент 9 задержки по времени, который разнесет импульсы в двух синхрокольцах и исключит возможность их совпадения. При новом приближении импульсов в двух синхрокольцах вновь сработает схема И 18, и триггер задержки 19 отключит из цепи синхрокольца элемент .9 задержки. Чтобы введение или отключение элемента задержки по времени не вносило возмущений в выходной цепи, синхронно с помощью ключей 6 и 5 вводится и отключается такой же элемент задержки 9 в цепи выхода

второго синхрокольца. С выходов синхроколец сигналы поступают на выходное устройство. При этом сигнал с большей частотой (с синхрокольца, работающего по по-, току) .поступает непосредственно на один вход счетчика 21, а сигнал с другого синхрокольца поступает,предварительно на схему антисовпадений 22, а с нее - на другой вход реверсивного счетчика. Код реверсивного счетчика преобразуется в аналоговый сигнал с помощью преобразователя 23, который подается на управляемый генератор 24. Сигнал с управляемого rejuepaTopa поступает на делитель частоты 25 и на индикатор расхода 26. С выхода делителя частоты импульсы идут на другой вход схемы 22 и, складываясь с импульсами синхрокольца, работающего «против потока, поступают на вход счетчика 21.

Если генерация какого-нибудь синхрокольца прекращается, реверсивный счетчик 21 достигает одного из крайних своих положений, и по соответствующему выходу реверсивного счетчика вырабатывается запускающий импульс, который поступает на вход соответствующего элемента задержки по времени 10 или 10. Если генерация отсутствует в обоих синхрокольцах (например, в начале работы), импульсы, поступающие от управляемого генератора, заполняют реверсивный счетчик, который в крайнем своем положении выработает запускающий импульс. Этот импульс запускает синхрокольцо, сигналы от которого приводят реверсивный счетчик Б другое крайнее положение (частота синхрокольца выше частоты импульсов с делителя частоты 25). В этом случае с реверсивного счетчика поступает сигнал на запуск другого синхрокольца.

Если ключ 20 рода переключают вправо, схема работает в режиме «проверки нуля. В этом случае оба синхрокольца генерируют ультразвуковые колебания по потоку. И так как эти колебания от каждого синхрокольца следуют одно за другим с малым интервалом времени (доли миллисекунды), то изменением скорости потока за этот промежуток можно пренебречь. Следовательно, оба синхрокольца работают в одинаковых условиях и на выходах имеют одинаковые частоты или нуль на индукторе расхода. Таким образом, при разных скоростях измеряемого продукта пропорционально изменяется и состояние (код) реверсивного счетчика, а следовательно, и аналоговый сигнал с выхода цифроаналогового преобразователя 23, который задает частоту управляемого генератора 24. Индикатор расхода 26 указывает величину расхода.

Помимо индикации расхода выходное устройство вырабатывает пропорциональный расходу частотный сигнал с выхода 27 (с возможностью масштабирования коэффициента деления для получения именованных единиц измерения), аналоговый сигнал с выхода 28 и цифровой сигнал в виде параллельного кода для выдачи на ЭВМ и другие цифровые устройства и системы.

На фиг. 2 приведены диаграммы, иллюстрирующие работу частотного ультразвукового расходомера. Диаграммы на фиг. 2, а показывают режимы работы основных элементов расходомеров в отсутствии срывов генерации синхроколец. Причем слева показан случай, когда импульсы в каждом синхрокольце разнесены на достаточно большое время Д ti, а справа показан случай, когда импульсы в разных синхрокольцах сближаются один относительно другого до интервала Д.12. В этом случае импульсы от мультивибраторов 12 и 12 перекрываются во времени, срабатывает схема совпадения и триггер 19 перебрасывается в противоположное состояние, вводя при этом элемент задержки 9 в первое синхрокольцо (на диаграмме - время ti).

0

Диаграммы 2, в показывают работу расходомера (в более крупном масштабе времени) после пропадания сигналов в синхрокольцах. До момента 11, когда на выходе синхроколец отсутствуют импульсы, на вход реверсивного счетчика 21 поступают импуль5сы от генератора 24 после делителя 25. В момент-ti при поступлении на реверсивный счетчик 21 импульса N axпоследний счетчик достигает крайнего положения и на вход элемента задержки 10 с реверсивного счетчика поступает запускающий импульс. С этого момента возобновляется генерация в первом синхрокольце. Поскольку частота этих колебаний значительно выше частоты импульсов, поступающих на реверсивный счетчик с выхода делителя 25, реверсивный счетчик из5меняет свое состояние в другом направлении и в момент ta достигает другое свое крайнее положение. В этом случае на вход элемента задержки 10 с реверсивного счетчика поступает запускающ ; импульс во второе синхрокольцо. Таким образом, после срыва колебаний произойдет автоматический запуск этих синхроколец. На диаграмме 2, в видно, как меняется частота генератора 24 после делителя 25 при изменении состояния реверсивного счетчика.

45

Частота ультразвуковых расходомеров, пропорциональная расходу, равна разности частот двух синхроколец. Обычно это очень низкая частота от 0,1 до нескольких десятков герц. Измерение таких частот простыми средствами дает значительные погрешности. Кроме того, использование низкой частоты в качестве сигнала в устройствах систем контроля и управления не всегда представляется возможным. В рассматриваемом расходомере выходная частота повыщается за счет применения генератора 24, управляемого реверсивным счетчиком 21. Используя делитель частоты 25, можно менять выходную частоту в широких пределах. Таким, образом, основные элементы схемы являются ооилими для обоих син.хроколеи, что почти полностью исключает погрешность асимметрии каналов. Кроме того, примененная схема выходного устройства не только повышает частоту выходного сигнала, ио и обеспечивает в предла1гаемом расходомере все современные формы выходного сигнала: в виде аналогового сигнала, в виде частотного сигнала с возможностью масштабирования частоты и в виде цифрового параллельного кода для использования в ЭВМ и других цифровых системах и устройствах контроля и управления. Использование сигналов крайних состояний реверсивного счетчика для запуска синхроколец обеспечивает автоматический запуск генерации синхроколец в начале работы и при срывах генерации синхроколец во время работы. Это повышает надежность работы предлагаемого расходомера. Введение ключа рода работ позволяет во время работы прибора одновременно включать оба синхрокольца по или против потока и,таким образом, не останавливая поток, в любой .момент времени проверять «нуль расходомера. Формула изобретения Частотный ультразвуковой расходомер, содержащий преобразователь, состоящий из измерительного участка трубопровода с двумя пьезопреобразователями на нем, два синхрокольца, каждое из которых содержит пьезопреобразователи, усилитель с формирователем приемных импульсов на выходе, формирователь зондирующих импульсов, который через электронный ключ и схему ИЛИ соединен с формирователем приемных импульсов непосредственно и через элементы задержки, а также схему И, между входами которой и выходом синхроколец последовательно включены по паре мультивибраторов, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения и повышения надежности работы расходомера, в него дополнительно введены шесть электронных ключей, ключ рода работ, два элемента задержки, делитель частоты, схема антисовпадений, реверсивный счетчик, триггер направгтения зондирования, триггер задержки, цифроаналоговый преобразователь и управляемый генератор, причем выход одного синхрокольца подан непосредственно на один вход реверсивного счетчика, а выход другого синхрокольца подан на другой вход реверсивного счетчика через схему антисовпадения, к другому входу которой через делитель частоты подсоединен управляемый генератор, связанный по управляющему входу через цифроаналоговый преобразователь с выходом реверсивного счетчика, выходы же крайних состояний реверсивного счетчика через элементы задержки по времени и схему ИЛИ соединены с формирователем зондирующих импульсов, при этом входы управления электронных ключей на формирователя зондирующих импульсов связаны с выходами триггера направления зондирования, подключенного по входу к выходам синхроколец, а выходы мультивибраторов поданы на управляющие входы электронных ключей, стоящих на входе синхроколец, и через схему И и триггер задержки - на входы ключей, расположенных в цепи элементов задержки по времени, а пьезопреобразователи соединены через электронные ключи и ключ рода работ с усилителем и формирователем зондирующих импульсов. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 413382, кл. G 01 F 1/00, 1974. 2.Патент Англии № 1.285.175, кл. H4D, 1971.