Ультразвуковой измеритель скорости движения среды Советский патент 1980 года по МПК G01F1/66 

1

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для одновременного измерения скорости движения среды и скорости ультразвука в ней или параметра, зависящего 5 от скорости ультразвука: температура, давление.

Известен импульсный ультразвуковой термоанемометр, в котором измерение скорости потока производится по изме- Ю рению разности частот импульсно-модулированных ультразвуковых колебаний, распространяющихся в двух противоположных направлениях в замкнутой динамической системе устройства l. 15

Он позволя.ет измерять скорость ультразвука в среде и скорость движения среды, однако на точность измерения влияют как неидентичность и нестабильность обоих электрических кана- 20 лов, так и нестабильности передних и задних фронтов импульсов, а также флюктуации, поскольку среда зондируется по обоим направлениям в разных точках и необязательно oднqвpeмeннo. 25

Известен циЛровой ультразвуковой измеритель скорости движения ере.цы, содержащий приемопередающие элементы, размещенные на противоположных стенках канала под углом к направлению Ю

движения потока, усилитель, смеситель, фильтр низких частот, формирователь, управляемый электронный счетчик импульсов, а также генератор качающейся частоты с модуляцией по пилообразному закону, соединенный по высокочастотному выходу с входом к;оммутатора направлений, выходы которого подключены к излучакхцему и .приемному элементам и входам смесителя, при этом выход коммутатора направлений соединен через усилитель с другим входом смесителя,подключенного по входу через фильтр низких частот к входу схемы выделения измерительного периода, низкочастотный выход генератора качаюгцейся частоты соединен через формирователь с входами коммутатора направлений, входом схемы выделения измерительного периода и входом схемы управления счетчиком импульсов, выходы которой Счет, Старт и Стоп соединены с соответствую1цими входами управляемого счетчика, а выход генератора качающейся частоты подключен к одному из входов схемы выделения измерительного периода 2 .

С помощью этого измерителя измеря.ется только один параметр: скорость i

среды. Кроме того, среда эо.н/5ируется в каждом .направлении в разное время, а величина быстрых флуктуации .скорости движения среды или скорости ультразвука в среде не компенсируются, что вносит погрешность измерения. . Цель изобретения - одновременное кЗмерение скорости ультразвука в среде и повышение точности.

Указанная цель достигается тем,что ультразвуковой измеритель скорости движения среды снабжен последов ательной цепью из фильтра высокой частоты и преобразователя период-напряжение, включенной между выходом смесителя и индикатором скорости ультразвука в среде и вычислителем в виде последовательно соединенных ждущего геНератора импульсов стабильной длительности и амплитуды, селектора и накопителя, при . этом выходы фильтров высокой и -НИЗКОЙ частот соответственно соединенных с входом запуска ждуЫего генератора и входом селектора, блок управления связи с селектором и накопителем, а индикатор скорости движения среды, выполненный в виде измерителя отношения постоянных напряжений, включен между выходом вычислителя и индикатором скорости ультразвука в среде.

На чертеже изображена структурная схема измерителя.

Генератор 1 высокочастотного напряжения с прямолинейной модуляцией частоты с блоком управления 2 подключен к одному из входов коммутатора 3, к среднему контакту - которого подключены электроакустические преобразователи 4 и 5, расположенные на расстоянии Ь . Другой вход коммутатора 3 через усилитель б соединен с входом смесителя 7, а другой вход смесителя 7 соединен с генератором 1. К выходу смесителя: подключена последовательная цепь из фильтра высокой частоты 8 и.преобразователя период-напряжение 9, к выходу которой присоединен индикатор 10 скорости ультразвука в среде.

К выходу смесителя через фильтр 11 низкой частот 11 подключен селектор 12 вычислителя, вьтолненного в виде последовательно соединенных ждущего генератора 13 импульсов стабильной длительности и амплитуды, селектора 12 и накопителя 14. Выход фильтра 8 соединен также с входом запуска генератора 13, а выход вычислителя через индикатор 15 скорости движения среды - с индикатором 10 скорости ультразвука.Блок 2 управления связан с генератором 1 ,комму.татором 3 и бло-, ками 12 и 14 вычисйител.я.

Измеритель работает следуюго,им.образом.

Напряжение генератора 1, Частота которого под воздействием блока 2 уп- равления изменяется по прямолинейному закону, поступает, на один из входов коммутатора 3, .Коммутатор 3 сигналом с блока управления периодически подключает электроакустические преобразователи 4 и 5 к выходу генератора 1 (на время, меньшее времени пробега ультразвука расстоянияL) или j выходу усилителя 6. Ультразвуковые волны излучаются .преобразователями в направлении одна к другой и достигае их с задерх ками Т и Tg , равными; Т - - т - ь

Ч C+V i

(1) где. С - скорость ультразвука в неподвижной среде, V - проекции скорости среды на направлении распространения ультразвука.

Частоты f и сигналов,принятых и преобразованных преобразователями в электрическое напряжение, соответственно равны:

, U)

. . - .

где f V, частота изл чаемого в данный момент времени ультразвука,

К - коэффициент пропорциональности, равный скорости изменения частоты генератора 1.

Оба колебания суммируются на входе усилителя 6. Из-за биений между комбинациями сигнал на выходе усилителя б является синусоидальньп- электрическим колебанием частоты, ч , амплитуда которого изменяется- от минимума (равного нулю, если оба сигнала одинаковой амплитуды) до максимума с частотой fi п -Этот сигнал поступает н один вход смесителя 7, на другой вход которого подается сигнал генератора 1 с частотой If, . Вследствие биений между сигналами частот fy, и модуль суммарного сигнала претерпевает двойные изменения от минимума до максимума:

низкочастотные с частотой:

. высокочастотные с частотой;

. а

в действительности излучаются и принимаются не непрерывные колебания а вырезанные из него пачки импульсов Однако это обстоятельство влияния не оказывает, если частота подключения коммутатора значительно больше Fg . : Из .формул Ij и 2 вытекают следующие зависимости (с погрешностью порядка ) :

.TB;

FB

(4)

2К.Ь

где Tg , TH - периоды высокочастотных и низкочастотных биений соответствейно. Па выходах Смесителя 7, состоящего в простейшем случае из суммато, ра и -амплитудного детектора, выделяется Сигнал, содержащий частоты fв и . Сигнал с частотой F выде.ляется фильтром 8 высокой частоты и ; через преобразователь период-напря}::ение 9 поступает на индикатор 10 скорости ультразвука в среде. Сигнал с частотой f выделяется фильтром 11 низкой частоты и поступает на селектор 12. С каждым периодом высокочастотных биений запускается генератор 13, выifабатывающий импульсы стабильной длительности и амплитуды. Под воздействи ем сигналов с выходов фильтра 11 низкой частоты и блока 2 управления селектор 12 пропускает на вход накопителя 14 импульсы генератора 13 в течение времени, пропорционального заданному количеству периодов н изкочастотных биений Тц . Напряжение на выходе накопителя 14, построенного, нап ример, на основе интегратора, пропдрционально произведению Ти FB Индикатор 15 скоростц движения среды, выполненный в виде измерителя отношения постоянных напряжений, например, логаметрическйй измерительный прибор, показывает отнсяаание напряжения, пропорционального , к напряжению, пропорциональному Tj,Fa, т,в. может быть проградуирован в единицах скоростиi В случае измерения в малопоглоцагащей среде ультразвуковые колебания на расстоянии I незначительно ослабляются и составляют заметную часть излучаемых колебаний. Необходимость усиления принятых колебаний отпадает и коммутатор 3 постоянно подключает выход генератора 1 к преобразователям 4 и 5. В остальном работа измерителя аналогична описанной выше. Измеритель подготавливается к следующему циклу измерения сбросом селек тора 12 и накопителя 14 в исходное состояние соответствующими сигналами блока 2 управления. Формула изобретения Ультразвуковой измеритель скорости движения среды, содержащий генератор с прямолинейной модуляцией частоты, связанный через коммутатор с электроакустическими преобразователями, лодключенную.к коммутатору последовательную из усилители, смесителя, связанного втopы входом с генератором и фильтра низкой частоты, а также . блок управления, соединенный с генератором и кокФ утатором, и индикаторы скорости устройства и скорости движения среды, отличающийся тем, что, с целью одновременного из-, мерения скорости ультразвука в среде и повышения точности, он снабжен последовательной цепью из фильтра высокой частоты и преобразователя периоднапряжения, включенной между выходом смесителя и индикатором скорости ультразвука и вычислителем в виде последовательно соединенных ждущего генератора импульсов стабильной длительности и амплитуды, селектора и накопителя, при этом выходы фильтров высокой и низкой частот. соответственно соединены с. входом запуска ждущего генератора и входом селектора, блок iVпpaвлeния связан с селектором и иакопителем, а индикатор скорости движения , выполненный в виде измерителя отнсядения постоянных-напряжений, включен между выходом вычислителя и индикатором скорости ультразвука в среде. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР 134920, кл. G01 Р 5/00, 1959. 2.Авторское свидетельство СССР 494693, кл. G01 Р 5/00, 1973 (прототип.