Автоматический ультразвуковой расходомер Советский патент 1980 года по МПК G01F1/66 

ход - к опорным входам фазометра и временного дискриминатора, сигнальный вход фазометра соединен с выходом коммутатора, управляющий вход временного дискриминатора подключен к пятому выходу блока управления, а выходы временного, дискриминатора подключены к единичному входу одного триггера и через инвертор к нулевому входу другого триггера, вторые входы двух триггеров соединены с шестым выходом блока управления, а выходы двух триггеров и фазометра подключены к входам сумматора, выход которого соединен с входами двух ключей.

На фиг. 1 изображена структурная схема автоматического ультразвукового расходомера; на фиг. 2 - временные диаграммы напряжений на отдельных узлах схемы; на фиг. 3 - временные диаграммы напряжений на пьезоэлементах и статические характеристики фазометра, временного дискриминатора и сумматюра.

Автоматический ультразвуковой расходомер содержит два установленных на трубопроводе / пьезоэлемента 2 и 3, соединенных с коммутатором 4, включающим, например, две пары последовательно соединенных ключей 5, 6 и 7, 8 с подключением выхода ключа 5 к пьезоэлементу 2, а выхода ключа 7 к пьезоэлементу 3, генератор ударного возбуждения 9, выход которого соединен с входами ключей 5 и 7, блок управления 10, состоящий, например, из двух ключей // и /2 и последовательно соединенных распределителя импульсов 13, вход которого подключен к выхода1м ключей // и 12, и триггера 14, дополнительный ключ 15, включенный на выходе генератора ударного возбуждения 9, фазометр 16 и временной дискриминатор /7, сигнальные входы которых подключены ж выходам ключей 6 и 8, а опорные входы - к выходу дополнительного ключа 15, выход фазометра соединен с одним из входов сумматора 18, а выходы временного дискриминатора 17 соединены с входом инвертора 19 и единичным входом триггера 20, выход инвертора 19 подключен к нулевому входу триггера 2-1, выход которого, так же как и выход триггера 20, подключен к входу сумматора 18, две цепи, состоящие из последовательно соединенных ключа 22 и управляемого генератора 23, а также ключа 24 и управяемого генератора 25, которые включены на выходе сумматора 18, выходы управляемых генераторов 23 и 25 подключены к входам частотомера 25 и ключей // и 12 блока управления 10. Выход «а блока упавления 10 подключен к управляющим входам ключей 5, 8, 12 и 22, выход «Ь - управляющимвходамключей 6,7, 11 и 24, ЫХ10Д «-С - к входу генератора ударного озбуждения 9, выхрд «d - к управляющему входу ключа 15, вых:од «е - к упавляющему входу временного дискриминатора 17 и выход «f - к нулевому входу триггера 20 и единичному входу триггера 21.

Автоматический ультразвуковой расходомер работает следующим образом.

При изменении скорости потока V (см. фиг. 2) происходит, например, увеличение скорости ультразвука по потоку С+ Vcosa и уменьшение против потока

С-Vcosa, где С - скорость ультразвука в неподвижной среде, а - угол между векторами С и V. Измерение расхода (скорости V) предлагаемым устройством осуществляется в два такта. В одном такте происходит измерение и преобразование в частоту скорости ультразвука по потоку, а в другом такте - измерение и преобразование в частоту скорости ультразвука против потока, разность указанных частот пропорциональна измеряемой величине скорости потока V.

Пусть триггер il4 блока управления 10 находится в таком состоянии, что напряжением Ui(a) (см.фиг. 2) с выхода «а открыты ключи 5 и 5 коммутатора 4 и ключи 22 я 12 на входе и выходе управляемо го генератора 23. Выходным сигналом «Ъ триггера 14 ключи 6, 7, 24 и :11 заперты. Таким образом, следящая автоматическая

система подключена для измерения скорости ультразвука по потоку. Импульсы /2з управляемого генератора 23, осуществляющие коммутацию выходов блока управления W через ключ 12, поступают на вход

распределителя импульсов 13. Допустим, что максимальное количество импульсов в этом такте равно семи. Указанное количество импульсов выбрано исходя из конструкции акустической части расходомера

и акустических свойств среды (чем меньще затухание ультразвука в среде, тем большее количество импульсов).

При поступлении на вход распределителя импульсов 13 второго импульса на его выходе «с возникает импульс, возбуждающий генератор ударного возбуждения 9, формируется импульс напряжения f/g, заполненный высокочастотным напряжением,

фаза которого Жестко связана с передним фронтом импульса. Одновременно с этим с выхода «е распределителя импульсов 13 поступает импульс (e), который подготавливает к работе временной дискриминатор 17. Высокочастотный импульс генератора ударного возбуждения 9 через ключ 5 коммутатора 4 поступает на пьезоэлемент 2 в виде напряжения U, который излучает в среду ультразвуковой импульс, проходящий

через поток среды под углом а. Импульс принимается пьезоэлементом 3 через про/

-, где / - расмежуток времени

C + Fcos а стояние между пьезоэлементами 2 и 5. Импульс напряжения f/з с пьезоэлемента 3

5

через ключ 8 подается на сигнальные входы фазометра 16 и временного дискриминатора /7. Третьим импульсом управляемого генератора 23 формируется с выхода «d распределит(гля импульсов 13 импульс напряжения Uiz(d), который открывает ключ 15. При этом одновременно по сигналу с

выхода «с распределителя импульсов 13 генератор ударного возбуждения 9 формирует второй высокочастотный импульс f/g, поступающий через открытый ключ 15 на, опорные входы фазометра /5 ,и временного дискриминатора 17. На фазометре 16 происходит преобразование временного сдвига Дт (ом. фиг. 3, а) между высокочастотными колебаниями, заполняющими сигнальный и опорный импульсы, в напряжение /le в соответствии со статической характеристикой фазометра 16 (Air), приведенной на фиг. 3, б. Статическая характеристика фазометра 16 имеет неоднозначность, которая корректируется с помощью временного дискриминатора 17, инвертора 1 и триггеров 20 и 21. Во временном дискриминаторе ./7 осуществляется преобразование сдвига вре,-мени Дт в импульс напряжения f/iy, ампли-туда которого в соответствии с его статической характеристикой (см. фиг. 3, б) пропорциональна Дт, появляющийся на первом

или втором выходе временного дискриминатора 17 в зависимости от полярности. Импульс Un положительной полярности с первого выхода временного дискриминатох.ра 17 поступает на единичный вход триггера 20, что переводит его в другое устойчивое состояние, и в результате формируется передний фронт импульса f/2o. Если импульс Un отрицательной полярности, то со второго выхода временного дискриминатора 17 импульс f/17 поступает - на нулевой вход триггера 21 через инвертор 19. Совме-. щенная релейная характеристика триггера 20 и триггера 21 с инвертором 19 привёде-на на фиг. 3, в. Для стыковки характеристик фазометра 16 (см. фиг. 3, б) и релейной

- необходимо, чтобы порог срабатывания триггера 20 или 21 был меньшим, чем максимальный выходной сигнал f/ie фазометра 16. Сигналы с фазометра 16 и триггера .20 (или 2.1) поступают на сумматор 18. Зависимость выходного сигнала сумматора

-от входной величина Дт (см. фиг. 3, г) не имеют неоднозначности. Выходной сигнал сумматора 18 через ключ 22 осуществляет сначала грубую подстройку периода следования импульсов управляемого генератора 23 в сторону уменьшения выходного сигна-ла временного дискриминатора 17 до величины порога срабатывания триггера 20 (или 21), а затем производится точная подстройка управляемого генератора таким образом, чтобы уменьшить выходной сигнал фа-зометра.до нуля. В результате в первом такте измерения перепад следования имnv.TlbfTiR лХппятчлармпгп грнрпятлпя 9.9 Т/ч

становится равным временя распространения ультразвукового импульса по потоку

., а частота следования этих имС + У-cosa

пульсов равна

С + V-COSa.

F,,

Т,,

При поступлении на вход распределителя импульсов 13 седьмого импульса управляемого генератора 25 триггер 20 импульсом с выходаф устанавливается в исходное состояние и формируется задний фронт импульса Uzo, а триггер 14 иереходит в другое устойчивое состояние. При этом элементы расходомера переключаются в режим работы с преобразованием скорости

ультразвука против потока С-У - cqsa в частоту импульсов управляемого генератора 25.

Работа устройства во втором такте измерения происходит аналогично первому.

В результате во втором такте измерения происходит точная подстройка периода следования импульсов управляемого генератора 25 Т25, который станрвится р авным времени распространения ультразвуковых импульсов против потока ,--,-,---, а частоО - V COS Л

та следования импульсов равна

С - У-cos я

1

, /

Г,.

Частотомер 26 измеряет разность частот импульсов на выходах управляемых генераторов 23 и 25, значение которой пропор40 ционально скорости потока среды.

Формула изобретения

Автоматический ультразвуковой расходомер, содержащий два установленных на трубопроводе пьезоэлемента, соединенных с коммутатором, временной дискриминатор, сцгн:альный вход которого подключен к выходу коммутат10ра, две цепи, состоящие из последовательно соединенных ключа и управляемого генератора, частотомер, входы которого подключены к выходам управляемых генераторов, и блок управления, два

входа которого соединень с выходами управляемых генераторрв, а первый и второй выходы которого подключены к управляющим входам ключей и коммутатора, о т л ич а ю щ и и с я тем, что, с целью повышения

точности измерения, он снабжен генератором ударного возбуждения, фазометром, дополнительным ключом, сумматором, инвертором и двумя триггерами, причем вход генератора ударного возбуждения соединен с

тпрткттил (TTnivr finova гппят1гтригта (гг,

ВЫХОД , свходами коммутатор а и дополнительного ключа, управляющийвход которого подключен « четвертому выходу блока упра вления, а выход - к опорйым входам фазометра и временного дискриминатора, сигнальный вход фазомера соединен с выходом коммутатора, управляющий вход временного дискриминатора подключен к пятому выходу блока управления, а выходы временного дискриминатора подключены к единичному входу одного триггера и через инвертор к нулевому входу другого триггера, вторые входы двух триггеров соединены с шестым выходом блока управления, а выходы двух триггеров и фазометра подключены ;к входам сумматора, выход которого соединен с входами двух ключей.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1.Авторск)ое свидетельство СССР № 162335, кл. G 01 F 1/66, 1963.

2.Патент США № 3720105, кл. 73-194А, 1973 (прототип).

О 2,

fi 5 в 7

тиир пппппппппппппп/

т

Uzs

I I || 11 й

y/fy/W:-/ :

,

I I

I ///// /У ///У// //////////////////////7/Щ

Г Ih1in I iinrl 25

-t

2 3 ii 5 6

W V/7 /Z W/ p

Ь

I

I I

t

iJ

.-; -V

UzfUy

/7