Ультразвуковой расходомер Советский патент 1981 года по МПК G01F1/66 

Изобретение относится к области измерения потока и расхода веществ и может быть использовано в нефтяно химической, гидрометаллургической и других отраслях промышленности. Известен одноканальный ультразву ковой расходомер, вк.пючакнций два синхрокольца, состоящие из последевательно соединенных усилителя, фор мирователя, схемы совпадения, гене ратора и общего для двух синхроколец акустического преобразователя и блок управления и регистрации результатов измерения l. Недостатком известного расходомера является отсутствие автоматического запуска и восстановления ег работы после временного нарушения электроакустического канала, которое может возникнуть из-за рассеяния ультразвукового луча на газовых пузырьках и других неоднородностях в контролируемой среде. Наиболее близким по технической сущности к предложенному расходомеру является ультразвуковой расходомер, который содержит два синхрокол ца, состоящие из последовательно соединенных схемы запрета, формирователя и общих для сннхроколец акустического преобразователя и приемника, подключенные к синхрокольцам два блока запуска, каждый из которых состоит из схемы поиска и автоподстройки фазы, выход которой через автогенератор подключен к делителю частоты, а входал - к одним из входов .запоминаняцего элемента м схемы И, при этом выход запоминающего эле-. :мента подключен к входу схемы И, выход которой соединен со вторыми входами формирователя и схемы запрета, выходом подключенной к второму входу запсйлинающего элемента, и измерительный блок, состоящий из смесителя, входы которого подключены к выходам двух автогенераторов, а выход - к входу индикатора 2. Недостатки известного измерителя обусловлены тем, что два синхрокольца могут устойчиво работать с одним акустическим преобразователем лишь последовательно. Это .приводит к снижению точности измерения скорости потока вследствие изменения физических свойств среды между тактами коммутации. Кроме того, возникает необходимость запоминания частоты синхроимпульсов одного синх{Рокольца во время работы другого, что ведет к дополнительной погрешности измерения. Целью изобретения является повышение точности измерения. Это достигается тем, что первое синхрокольцо расходомера снабжено формирователем рабочих импульсов, вход которого подключен к выходу делителя частоты,а выход - к входам схемы И и запоминающего элемента, а второе синхрокольцо снабжено последовательно соединенными формирова телем рабочих импульсов и устройством анализа, причем вход формирователя рабочих импульсов соед1;1нен с выходом делителя частоты, один выход устройства анализа подключен к входам схемы И и запоминающего элемента, .второй выход - к третьему входу формирователя, а вход устройства анализа соединен с выходом фор мирователя рабочих импульсов первог синхрокольца. На фиг. 1 изображена блок-схема .ультразвукового расходомера; на фиг, 2 - диаграммы напряжения, поясняющие работу одного синхрокольца с блоком запуска; на фиг. 3 диаграммы напряжений, поясняющие одновременную работу двух синхроколец с одним акустическимпреобразователем., Ультразвуковой расходомер содерж акустический преобразователь 1 с пьезоэлементами 2 и 3, автогенерато ры 4 и 5, делители частоты б и 7, формирователи 8 и 9 рабочих импульсов, схемы 10 и 11 поиска и автопод стройки фазы, устройство 12 анализа схемы И 13 и 14, запоминающие элементы 15 и 16, схемы запрета 17 и 18, формирователи 19 и 20, приемник 21, смеситель 22 и индикатор 23. При этом первое синхрокольцо (кото рое является ведущим) состоит из последовательно соединенных общего для синхроколец приемника 21, схемы запрета 18, формирователя 20 и общего для синхроколец акустическо го преобразователя 1, к первому синхрокольду подключен блок запуск состоящий из схемы 11 поиска и автоподстройки фазы, подключенной вы ходом к входу автогенератора 5, вы ход которой .через делитель частоты 7 и формирователь 9 рабочих импуль подключен к первым входам схемы 11 поиска и автоподстройки фазы,схемы 14 и запоминающего элемента 16, BH ход схемы И 14 соединен со вторыми входами формирователя 20 и схемы запрета 18, выход которой подключе к второму входу запоминающего элемента 16, выход которого соединен со вторыми входами схемы 11 поиска и.автоподстройки фазы и схемы И 14 Второе синхрокольдо (которое является ведомым) состоит из последовательно соединенных приемника 21, схемы запрета 17, формирователя 19 и акустического преобразователя 1, к второму синхрокольцу подключен блок запуска, состоящий из схемы 10 поиска и автоподстройки фазы, подключенной выходом к входу автогенератора 4, выход которого через делитель частоты 6, формирователь 8 рабочих импульсов, и устройство 12 анализа подключен к первым входам схемы 10 поиска и автоподстройки фазы, схемы И 13 и запоминающего элемента 15, выход схемы И 13 соединен со вторыми входами формирователя 19 и схемы запрета 17, выход которой подключен к второму входу запоминающего элемента 15, выход которого соединен со вторыми входами схемы 10 поиска и автоподстройки фазы и схемы И 13, другой вход устройства 12.анализа соединен со вторым выходом формирователя 9 рабочих импульсов первого синхрокольца, а его второй выход - . с третьим входом формирователя 19 первого синхрокольца, измерительный блок состоит из смесителя 22, входы которого подключены к выходам двух автогенераторов 4 и 5, а выход - к входу индикатора 23. Расходомер работает следующим образом. Напряжение с выхода схемы 11 поиска и автоподстройки фазы (фиг. 2е) подается на вход управляемого автогенератора 5, перестраивая его частоту. В момент подачи питающих напряжений напряжение на выходе схемы 11 поиска и автоподстройки фазы равно нулю. При этом период следования импульсов управляемого автогенератора 5 минимален (Фиг. 2а). Кроме того,, должно выполняться условие, чтобы период следования импульсов с выхода делителя частоты 7 с коэффициентом деления К ( К) был меньше минимального времени распространения сигнала по электроакустическому каналу. Перестройка периода управляемого автогенератора 5 выбирается с таким расчетом, чтобы максимальный период импульсов на выходе делителя частоты 7 был больше максимального времени распространения сигнала по электроакустическому каналу. В момент подачи питающих напряжений импульс на выходе автогенератора 5 отсутствует, поэтому отсутствуют импульсы и на выходах делителя частоты 7 и формирователя 9 рабочих импульсов, при этом на выходе формирователя 9 рабочих импульсов низкий уровень. Этот уровень фиксируется запоминающим элементом 16, в качестве которого можно использовать RS-триггер, при этом на его выходе высокий уровень. На выходе

схемы запрета 18, в качестве кото.рой может быть использована схема И-НЕ, в исходном состоянии высокий уровень.

Поскольку выход запоминающего элемента 16 соединен с входом схемы И 14, то первый же положительный импульс с выхода формирователя 9 рабочих импульсов (фиг, 26) через схему И 14 (фиг. 2в) поступает на схему запрета 18, откЕилвая ее, и на запуск формирователя 20. За.пуск формирователя 20 осуществляется задним фронтом положительного импульса, т.е. по отрицательному перепаду. Импульс с формирователя 20 {(фиг. 2rJ поступает на пьезоэлемент 3, преобразуется в ультразвуковой сигнал, который проходит контролируемую среду и принимается пьезоэлементом 2, преобразующим его в электрический сигнал. Этот сигнал поступает на приемник 21, где усиливается и формируется в прямоугольны импульс (фиг. 2д), после чего поступает на схему запрета 18. Импульс на выходе приемника 21 задержан относительно импульса с выхода формирователя 20 на время Поскольку период импульсов с выхода формирователя 9 рабочих импульсов минимален и меньше t, то второй импульс с выхода схемы И 14 поступит на вход схемы запрета 18 раньше чем импульс с выхода приемника 21, и схема запрета 18 к моменту прихода импульса с приемника 21 оказывается закрытой. Тем не менее второй швгульс с выхода схемы И 14 продет по электроакустическому каналу гшадогнчяо первому и т.д.

Одновременно положительные импульсы с выхода формирователя 9 рабочих 1№1пульсов поступают на схему 11 поиска и автоподстройки фазы, увеличивая напряжение на ее выходе. При этом период управляемого автогенератора 5 увеличивается до тех пор, пока к моменту прихода юоульса с приемника 21 на схему запрета 18 схема запрета 18 не оказывается открыта импульсом с выхода схемы И 14. Тогда импульс с приемника 21 пр ходит через схему запрета 18 на вход ф ормирователя 20 импульсов возбуждения, запуская его передним фронтом отрицательного импульса. Ведущее синхрокольцо расходомера запущено. Одновременно отрицательный импульс с выхода схемы запрета 18 поступает на вход запоминающего элемента 16, устанавливая на его выходе низкий уровень, так что на схему И 14 подается Запрет, что приводит к ограничению длительности импульса на ее выходе (момент времени на фиг. 2в). При этом задний фронт положительного импульса на выходе схемы И 14 будет совпадать

передним фронтом отрицательного импульса на выходе схемы запрета 18, ,т.е. дальнейшая работа управляемого автогенератора 7 не оказывает влияния на работу синхрокольца. Следовательно, управляемый автогенератор 5 автоматически отключается. В дальнейшем ведущее синхрокольцо работает непрерывно.

После этого схема 11 поиска и автоподстройки фазы из режима поиска

0 переходит в режим автоподстройки фазы управляемого автогенератора 5 с импуп льсс1Ми автоциркуляции синхрокольца. Высокий уровень на выходе запоминающего элемента 16 вновь установится

5 по заднему фронту положительного импульса с выхода формирователя 9 рабочих импульсов. Импульсы с выхода формирователя 9 рабочих импульсов поступают на вход схемы 11 поиска и авто0подстройки фазы, а на другой ее вход поступают импульсы с выхода запомиНснощего элемента 16, передний фронт которых совпадает с передним фронтом импульса синхрокольца, прошедшего схему запрета 18. Схема 11 поиска

5 и автоподстройки фазы выделяет оцшбку рассогласования по времени между импульсом с выхода формирователя 9 рабочих импульсов и передним фронтом импульса автоциркуляции синхроколь0ца, преобразует ошибку в управляющий сигнал, с помощью которого управляет частотой и фазой автогенератора 5. Причем подстройку производится таким образом, чтобы перед5ний фронт импульса автоциркуляции синхрокольца по времени находился внутри импульса с выхода формирователя 9 рабочих импульсов, предпочтительно на его середине. Тогда

0 схема запрета 18 и, следовательно, ведущее синхрокольцо будет открываться по переднему фронту импульса с выхода формирователя 9 рабочих юшульсов, а закрываться по переднему фронту импульса синхрокольца,

$ т.е. время открытого синхрокольца составит половину длительности юшульса с выхода формирователя 9 рабочих импульсов. с точки зрения помахозащищенности длительность

0 KMfiynbca с выхода формирователя 9 рабочих импульсов выбирают равной 1-2% от периода следования импульсов автоциркуляции.

В случае нарушения электроакус5тического канала импульсы с выхода формирователя 9 рабочих импульсов будут продолжать поступать на вход схемы 11 поиска и автоподстройки фазы, увеличивая напряжение на ее выходе. При этом период импульсов

0 на выходе формирователя 9 рабочих импульсов будет увеличиваться. При напряжении на выходе схемы 11 поиска и автоподстройки фазы зтот период будет максимален.

5 Схема 11 поиска и автоподстройки фазы осуществит разряд этого наи ряжения до нуля, после чего устgioSfceiBo будет работать аналогично ©вйшаашому-. Таким образом, в ведувд®м синхрокольце импульсы с вШсода ажтогеиератора 5 оказываются связа-имыши по частоте и фазе с етонульсамм еиад-}2рокольца, но частота этих ммп.уяьеов в К раз выше частоши имиуЛье-QB свнхрокольца, гд-е К - коаф(фм-ш,и®щт деления делителя частоты ищдаудаьеов, Чтобы осуществить заIWGK расходомера в первом цйкле из1я®ш@ния ие-риояа гмпульеов автогенератора 5, каждаай гаосладукзщий период и даlyльcos с выхода формлровате ля 9 рабочих, ймиул-ьсов нзме-ияют не более, чем на длительность импульса с в ыкода формирователя. Диалогично ироходит запуск и вос етаиовление работы ведомого синхрок-олъща. гари одновременной работе двух Синхроколец диагра в4ы напряжений на выкодах отдельных блоков выглядя следующим образом. На фиг. За показами tiM-пульсы на выходе делителя 7 частффы ш тульсов 75 на фиг. Зв-далFiyjfb©i3/ поступающие с формирователя 9 рабочих импульсов на схему И 14; на фиг. Зг - сигналы ведущего сннхроколыда, принягтые приемником; на фиг. Зд - импульсы, излучаемые фор® мирователем 20. Как видно из фиг.Зг и Зд, ведущее синхрокольцо работает постоянно и его период равен Т ввдушего. Коэффициент деления делителя частоты б выбирают таким образом, чтобы частота импульсов на его выходе была в целое число раз выше частоты импульсов ведомого синхрокольца (на фиг. Зе - в два раза).. Формирователи 8 и 9 рабочих импульсов с выходов делителей частоты б и 7 импульсы запрета (фиг. Зж и 36). Поскольку автогенераторы 4 и 5 жестко связаны по частоте и фазе с последовательностями импульсов соот ветствующих синхроколец, .несложно выполнить требование, чтобы импупьсы запрета охватывали сигналы, принятые пьезодатчиками. Наличие импульсов запрета необходимо для об спечения исключения моментов совпадений импульсов сийхроколец. Кроме того, жесткая связь по частоте -и фазе автогенератора 4 с импульсами ведомого синхрокольца позволяет фор мирователю 8 рабочих импульсов сфор мировать импульсы (фиг. Зи), фронты .которых совпадают с- фронтами импул сов, излучаемых формирователем 19 (фиг. 4н). Эти импульсы (фиг. Зи) в дальнейшем будут называться импульсами запомненной фазы. Посколь ку частота импульсов с выхода дели теля частоты 6 в целое число раз выше частоты ведомого синхрокольца, формирователь 8 рабочих импульсов формирует последовательности импульсов запрета (фиг. Зж), импульсов запомненной фазы (фиг. Зи) и импульсов, которые должны поступать на схему И 13, запоминающий элемент 15 и схему 10 поиска и автоподстрой-ки фазы (фиг. За) с частотой, также в целое число раз выше частоты ведомого Синхрокольца(в рассматриваемом случае два раза).Поэтому каждую из сформированных последовательностей . можно рассматривать как результат наложения двух последовательностей импульсов (четной и нечетной) с частотой, равной частоте ведомого синхрокольца, но сдвинутых друг от друга по фазе на полпериода ведомого синхрокольца. При этом за счет фазовой автоподстройки фронты импульсов заполненной фазы, например четной последовательности, совпадают с фазами кмпульсов излучаемых формирователем 19, т.е. синхронны с импульсами ведомого синхрокольца. Импульсял запрета четной последовательности охватывают принимаемый сигнал {фиг. 3м) и импульсы только четной последовательности поступают через устройство 12 анализа на схему И 13, запоминающий элемент 15 и схему 10 поиска и автоподстройки фазы. Поскольку ведущее и ведомое синхрокольда имеют разницу частот, их сигналы неизбежно постепенно сближаются друг с другом. Чтобы исключить момент совпадения этих сигналов, обеспечивают приоритетведущему синхрокольцу - оно работает непрерывно. Кроме того, устройство 12 анализа контролирует совпадение импульсов запрета четной последовательности с формирователя 8 рабочих импульсов и импульсов запрета с формирователя 9 рабочих импульсов. После наступления совпадения устройство 12 анализа обеспечивает сдвиг по фазе импульсов автоциркуляции ведомого синхрокольца на полпериода. Это достигается тем, что устройство анализа перестает пропускать на схему И 13 импульсы четной последовательности и начинает пропускать импульсы нечетной последовательности, которая сдвинута на полпериода относительно четной. При этом схема запрета 17 оказывается закрытой для импульсов синхрокольца, соответствующих четным последовательностям, и открытой для импульсов, соответствующих нечетным. Одновременно устройство анализа пропускает на запуск формирователя 19 один импульс запомненной фазы из нечетной последовательности (фиг. 3л), который восстанавливает работу ведомого синхрокольца со сдигом на полпериода. Дальнейшая фазоЕая автоподстройка происходит по не четным импульсам. После этого устройство 12 анешнза начинает контролировать совпадение импульсов запрета ведущего синх рокольца с импульсами запрета ведомого синхрокольца нечетной последовательности (фиг. Зк). При новом приближении сигналов синхроколец происходит вновь сдвиг по фазе импульсов автоциркуляции в ведомом синхрокольце на полпериода и т.д. Импульсы с выходов автогенераторов 4 и 5 поступают на смеситель 22, ко торый вьаделяет разностную частоту в К раз более высокую, чем разность частот синхроколец, которая пропорциональна скорости потока. Для обеспечения нормальной работ способности длительности импульсов. запрета Т выбирают из условия 2tr где Т - минимсшьный период синхроколец N - отношение частоты импуль сов на выходе делителя частоты б к частоте ведомого синхрокольда. Для рассматриваемого случая , и величина С выбирается из ус ловия 2tr Формула изобретения Ультразвуковой расходомер, включающий два синхрокольца, состоящие из последовательно соединенных схема запрета, формирователя и общи для синхроколец акустического преоб разователя и приемника, подклоченные к синхрокольцам два блока запуска каждый из которых состоит из схемы поиска и автоподстройки фазы, выход/ которой через автогенератор подключен к делителю частоты, а входа к одним из входов запоминающего элемента и схемы И, при этом выход запоминающего элемента подключен к входу схемы И, выход которой соединен со вторыми входами формирователя и схемы запрета, выходом подключенной к второму входу запоминающего элемента, и измерительный блок, состоящий из смесителя, входы которого подключены к выходам двух автогенераторов, а выход - к входу индикатора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, первое синхрокольцо снабжено формирователем рабочих импульсов, вход которого подключен к выходу делителя частоты, а выход - к входам схемы И и запоминающего элемента, а второе синхрокольцо снабжено последовательно соединенными формирователем рабочих импульсов и устройством анализа, причем вход формирователя рабочих импульсов соединен с выходом делителя частоты, один выход устройства анализа подключен к входам схемы И и запомингиощего элемента/ второй выход - к третьему входу формирователя и вход устройства -анализа соединен с выходом формирователя рабочих импульсов первого синхрокольца. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР 531029, кл. G 01 F 1/66, 1972. 2.Авторское свидетельство СССР По заявке 2585951/18-10, кл. G 01 F 1/66, 03.03.78 (прототип;.

T/iifffff

V