Ультразвуковой измеритель скорости потока Советский патент 1979 года по МПК G01F1/66 

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано при измерении скорости потока жидкостей или газов. Известны ультразвуковые измерители скорости потока, основанные на автопиркуляции сигналов в синхрокольце, которое попеременно коммутируется в противоположных направлениях по потоку и против него. Они содержат два электроакустических преобразователя, передающее и приемное устройства, включенные в схему синхроколыда, коммутатор, синхронизатор и схему измерения разности частот автоциркуляции. Измерители разности частот автоциркуляции пост роены на основе реверсивного счетчика или представляют собой двухканальную следящую систему. Однако для измерения разностной частоты требуется определенный интервал времени, что снижает быстродействие измерения. Кроме того,эти измерители разностной частоты не обеспечивают высокой точности измерений 1 и 2. Наиболее близким по технической сущности является ультразвуковой измеритель скорости потока, содержащий два электроакустических преобразователя, соединенные через коммутатор с возможностью попеременного их подключения с приемным и передающим устройствами, синхронизатор, из выходов которого подключен к управляющему входу коммутатора, а другой - ко передающего устройства, триггер, один из входов которого соединен с выходом приемного устройства, и блок выделения разностной частоты 3. В этом измерителе импульсы автоциркуляций синхронизируют и фазируют когерентные генераторы, которые сохраняют значение частот синхроколец, разность которых пропорциональна скорости потока. 11ля регулирования частот когерентного генератора требуется несколько периодов управляющей частоты, что снижает быстродействие измере.ния.Одновременно с этим к когерентным генераторам предъявляются противоречивые требования: для обеспечения быстродействия измерения они должны легко синхронизироваться и фазироваться, а для обеспечения высокой точности измерения они сохранять частоту колебаний при отключении синхронизатора. Целью изобретем)/ яп.лнется поиыи.сиис быстродействия и точности изме)е1111Я. Указанная ие.чь юстигастся тем, что в ультразвуковой мзмери ;е,1ь скорости потока введены генератор постоянной частоты, подключенный к снгнальным входам двух двоичных делителей частоты, и два буферных устройства, нрнчем входы задания коэффициента деления делителей частоты соединены через коммутатор с возможностью понеременно1о их нодключсния с выходом триггера, входы сброса которых соединены с выходом синхронизатора, а выходы -- с выходами соответствуюни1х буферных устройств и с соответствуюншм входами синхронизатора н блока выделения разностной частоты, входы буферных устройств соединены через коммутатор с возможностью нонеременного их подключения с выходом приемн 1ка, второй вход триггера сое/тинен с (5м нередаюHiero устройства. На фиг. 1 изображена блок-схе.ма ульт развукового измерителя; на фиг. 2 - вре.менные диаграммы сигналов. Ультразвуковой из.меритель скорости потока содержит электроакустические нреобразователи 1 и 2, нрие.мное устройство 3, передаюнхее устройство 4, триггер 5, ко.ммутатор 6, синхронизатор 7, генератор 8 ностоянной частоты, буферные устройства 9 и 10, двоичные делители частоты II и 12 н блок выделения 13 разностной частоты. Каждый из двоичных делителей частоты содержит счетчики 14 и 15, ключи 16-18, импульсы 19, ностунающие с первого выхода синхронизатора 7 на коммутатор 6; 20 - и.мнульсы, ноступающие со второго выхода синхронизатора 7 на вход нередаюгнего устройства 4; 21-имиульсы на выходе приемного устройства 3; 22 - имнульсы на выходе триггера 5; 23 и 24 -- имнульсы .на входах б.юка В1,1деления разностной частоты 13. Электроакустические преобразователи 1 и 2 соединены соответственно с нриемиым уетройством 3 и нередаюн1И.1 уетройетво.м 4 через коммутатор 6 для возможности их нонеременного переключения. Выходы устройств 3 и 4 соединены со входами триггера 5. Выход триггера 5 через коммутатор 6 -- со входом задания коэффициента деления соответствуюн его двоичного делителя частоты И или 12. К сигна;1ьным входам двоичных делителей 11 и 12 нодключен выход генератор-а 8 постоянной частоты. Выходы делителей 1 и 12 объединены с выходами буферных устройств 9 и 10 и соединены с соответствующими входами , синхронизатора 7 и блока выделения разностной частоты 13. Входы устройств 9 и 10 соединены с коммутатором 6 для возможности понере.менного нод ключения их к выходу устройства 3. Вход устройства 4 и входы сброса двоичных делителей частоты 11 и 12 соединены с соответствующими выходами синхронизатора 7. Выход блока выделения рахностной частоты 13 является выходом ультразвукового измерителя скорости потока. В приведенном примере конкретного исполнения ультразвукового измерителя скорости потока двоичные делители частоты 11 и 12 содержат двоичные счетчики 14 и 15 к счетным входам которых подключены выходы ключей 16 и 17. Выходы разрядов счетчика 14 через ключи 18 соединены со входами разрядов счетчика 15. Выход счетчика 15 соединен с управляющими входами ключей 18 и служит выходом двоичного делителя частоты. Одни входы ключей 16 и 17 образуют сигнальный вход двоичного делителя частоты, а другие управляющие входы ключей 16 и 17 образуют вход задания коэффициента деления. В предлагаемом устройстве могут быть использованы любые двоичные делители частоты, имеющие сигнальный вход, вход задания коэффициента деления и выход, при условии, что задание коэффициента деления может быть осуществлено подачей на соответствующий вход делителя сигнала, длительность которого пропорциональна этому коэффициенту. Ультразвуковой из.меритель скорости потока работает следующим образом. Импульс 19 синхронизатора 7 переключает коммутатор 6 в одно из двух его состояний, при котором электроакустический нреобразователь 1 соединен со входом приемного устройства 3, а электроакустический преобразователь 2 - с выходом передающего устройства 4. Выход устройства 3 при этом нодключен ко входу буферного устройства 10 а выход триггера 5 соединен со входом заДания коэффициента деления двоичного делителя частоты 11. После этого импульс 20 синхронизатора 7 производит сброс счетчиков 14 и 15 двоичного делителя частоты 11 в нулевое состояние и одновременно запускает передающее устройство 4. Устройство 4 возбуждает преобразователь 2, излучающий акустический импульс, и переключает триггер 5, находящийся до этого в исходном состоянии. Акустический импульс за интервал времени Ti проходит заданное состояние в контролируемой среде, прини.мается электроакустическим преобразователем 1, преобразуется в электрический импульс, усиливается и нормализуется приемным устройством 3. Выходной импульс устройства 3 нереключает триггер 5 в исходное состояние, и на выходе триггера 5 формируется импульс 22, длительность TI которого равна времени прохождения фронтом акустической волны расстояния между акустическими преобразователями 1 и 2 т - ..„k. iC-- V где L-расстояние между электроакустическими преобразователями; С - скорость распространения звука в среде; V,- составляющая вектора скорости потока, параллельная траектории распространения ультразвукового сигнала. Знак ( + ) плюс в знаменателе означает, что составляющая V совпадает по направлению с вектором С. Передний фронт импульса 22 триггера 5 в момент излучения акустического сигнала поступает на вход задания коэффициента деления двоичного делителя частоты 11 и открывает ключ 16, одновременно закрывая ключ 17. Импульсы генератора 8 в течение интервала времени TI поступают на вход двоичного счетчика 14 и в него записывается пропорционально этому интервалу число N 1. Выходной импульс 21 приемного устройства 3 в момент окончания импульса 22 триггера 5 поступает через буферное устройство 10 на ключи 18, открывает их и в счетчик 15 поразрядно переносится из счетчика 14 дополнительный код числа N1. После этого ключи 18 закрываются. Так как в этот момент ключ 16 закрывается, а ключ 17 открывается, то счетчик 15 начинает заполняться импульсами генератора 8. Момент переполнения счетчика 15 наступает через интервал времени, равный T| . Импульс переполнения поступает на. выход двоичного делителя 11, открывает ключи 18 и, так как после переполнения счетчик 15 обнуляется, то в него снова заносится дополнительный код числа N1, хранящегося в счетчике 14. Да,1ее процесс деления частоты генератора 8 на число N1 повторяется до тех пор, пока в счетчик 14 не будет вновь записано новое значение этого числа. Выходные импульсы 23 двоичного делителя частоты 11 следуют с частотой ft -lip Они поступают с выхода счетчика 15 на вход блока 13, а также на вход синхронизатора 7 для синхронизации очередно1о импульса запуска передающего устройства (диаграмма 20). В любой из моментов времени носле приема-акустического импульса и возврата триггера 5 в исходное состояние очередной импульс синхронизатора 7 (диаграмма 19) включает коммутатор 6, который переключает выход триггера 5 к вход- задания коэффициента деления двоичного делителя частоты 12, выход приемного устройства 3-ко входу буферного устройства 9, и соединяет преобразователь 1 с передающим устройством 4, а преобразователь 2 - с устройством 3. Далее в соответствующий счетчик двоичного делителя 12 записывается коэффициент делен11Я в виде числа N2, пропорционального интервалу времени распространения акустического импульса Тг. На выходе делителя 12 появляются импульсы 24, следующие с частотой fi 1 -. fcK Эти импульсы поступают на второй вход б.чока 13, а также на соответствующи вход синхронизатора 7 для синхронизации момента запуска передающего устройства 4 синхронизатором. Благодаря наличию буферных устройств 9 и 10 выходные импульсы двоичных делителей частоты 11 пли 12 не мог)т поцасть на вход триггера 5 и вызвать его переключение. В моменты окончания записи в счетчик 14 двоичного делителя частоты 11 (или 12) каждого нового значения числа N1 (или N2), т. е., в моменты окончания выходных импульсов 22 триггера 5, на выходе двоичного делителя частоты не формируется никакого сигнала, так как в этот момент переполнения счетчика 15 не происходит. Для того, чтобы в после.т,овательностя. iiMny.-ibсов 23 и 24 частот ti и i не было в эти мрм-енты пропусков импульсов, в них вводятся выходные импульсы 21 приемного устройства 3, подаваемые через буферное уст1К)йство на входы блока 13 и синхронизатора ТТак как последовательности импульсов ii и li подаются на соответствующие вход1 1 синхронизатора 7, то последний выдаст каждый очередной импульс 20 запуска передающего устройства 4 только в один из моментов, совпадающих с началол; какого-либ) из импульсов указанных поеледоватс,1ьностей, п скачки фазы сигналов 1| и fz. отсутствуют. На выходе блока выделения разностной частоты 13 формируется сигнал с частотой f -1 1 1 - iy Р „71 U ь ;. пропорциональный измеряемой ве,1пчине скорости потока V. Предлагаемый измеритель скорости потока обладает повышенным быстродействием, так как формирует одиночные интерва.чы времени распространения акустических сигналов и преобразует их непосредственно в частоту цифровым способом, а также повышенной точностью, так как точность измерения мгновенного значения скорости потока определяется постоянством частоты генератора 8. что может быть обеспечено HJJOCтыми средствами. Формула изобретения Ультразвуковой измеритель скорости нотока, содержащий два электроакустических преобразователя, соединенные через коммутатор с возможностью попеременного их подключения с приемным н передающим устройствами. синхронизатор, один из выходов которого подключен к управляющему входу коммутатора, а другой - ко в.ходу передающего устройства, тштер, один из входив которого соединен с выходом iipHe.Miioio устройства, и блок выде.тения разностной частоты, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия и точности измерения, в него введены генератор п стояннои частоты, подключенный к сигнальным в.ходам двух двоичных делителей частоты, и двя буферных устройства, причем входы задания коэффициента деления делителей частоты соединены через коммутатор с возможностью попеременного их подключения с выхолщм триггера, входы сброса соединены с выходом синхронизатора, а их выходы --с выходами соответствующих буферных устройств и с соответствующими входами синхронизатора и блока выделения разностной частоты, входы буферных устройств соединены через коммутатор с возможностью попеременного их подключения с выходом приемника, второй вход триггера соединен с выходом передающего устройства. Источники инфор.мации, принятые во внимание при экспертизе 1.Патент Франции № 1.604.378, кл. G 01 F 1/66, 1971. 2.Акц. заявка Великобритании № 1330719, кл. Н 4 D, 1973. 3.Авторское свидетельство СССР Л 523355, кл. G 01 Р 5/00, 1976.

Ш

Риг г