Импульсный ультразвуковой расходомер Советский патент 1981 года по МПК G01F1/66 

(54) ИМПУЛЬСНЫЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ РАСХОДОМЕР

1

Изобретение относится к ультразвуковой технике и может найти применение в различных отраслях народного хозяйства при автоматизации контроля и управления технолог:ическими процессами производства жидких и газообразных веществ.

Известны одноканальные ультразвуковые расходомеры с попеременной коммутацией, содержащие два электроакустических преобразователя, два идентичных измерительных канала, каждый из которых включает в себя ключ и дискриминатор времени 1.

Недостатком этих расходомеров является влияние на точность измерения нелинейности статических характеристик дискриминаторов времени и величины абсолютной скорости ультразвука в контролируемой среде.

Наиболее близок к предлагаемому импульсный ультразвуковой расходомер, содержащий трубопровод с установленными на нем двумя электроакустическими преобразователями,частотомер и два идентичных измерительных канала, каждый из которых состоит из последовательно соединенных делителя частоты, дискриминатора :времени: сигнальный вход которого соединен с одним из электроакустических преобразователей, блока управления и управляемого генератора, выход которого подключен ко входу частотомера, и ключа выходом подключенного ко второму электроакустическому преобразователю 2 .

Однако вследствие того, что фиксация приращения фазового сдвига ультразвуковых импульсов, прошедших через исследуемую среду, осуществляется дискриминатором времени по переднему (заднему) фронту принятых импульсов, крутизна и форма которых зависит от акустических свойств среды и конструкции элементов и потому нестабильна, то точность измерения скорости потока невысокая. Другим недостатком известного устройства, обусловленным поочередным подк.гиочением каналов, является невозможность измерять с высоким быстродействием скорость пульсирующих потоков сред с быстроменяющимся составом и температурой.

Цель изобретения - повышение точности и быстродействия измерений.

Указанная цель достигается тем, что расходомер снабжен генератором тактовых импульсов и введенными в

каждый измерительный канал фазовым детектором и триггером, причем сигнальный вход фазового детектора подключен к одному из электроакустических преобразователей, опорный вход - к выходу управляемого генератора, а его выход подключен ко второму входу блока управления, выход генератора тактовых импульсов подключен к первому входу триггера, второй вход которого соединен с выходом делителя частоты, а выход - с управляющим входом ключа, второй вход которого подключен к выходу управляемого генератора, а выход - ко входу делителя частоты.

На фиг,1 представлена функциональная схема импульсного ультразвукового расходомера; на фиг,2 - временные диаграммы напряжений на функциональных блоках.

Устройство содержит трубопровод 1 в котором установлены электроакустические преобразователи 2 и 3. Электронная часть состоит из двух измерительных идентичных каналов, содержащих последовательно соединенные управляемые генераторы 4 и 5, ключи 6 и 7, подключенные вторыми входами к триггерам 8 и 9, делители 10 и И частоты, дискриминаторы 12 и 13 времени, блоки 14 и 15 управления, кроме того, каналы содержат фазовые детекторы 16 и 17.

Одновременное включение измерительных каналов производится генератором 18 тактовых импульсов, а выходные сигналы с обоих каналов поступают в частотомер 19.

Измерение скорости ультразвуковой волны по потоку и против потока осуществляется одновременно двумя измерительными каналами, являющимися импульсными электронными следяшими системами, запускаемыми импульсами напряжения U-j генератора 18 тактовых импульсов. Передним фронтом импульс генератора 18 тактовых импульсов устанавливает триггеры 8 и 9 в рабочее состояние, при этом на заданное время отключаются ключ б, который пропускает высокочастотное напряжение U управляемого генератора 4,и ключ 7,пропускающий высокочастотное напряжение управляемого генератора 5,

С выхода ключа 6 импульс высокочастотного напряжения Uj поступает на вход делителя 10 частоты и на электроакустический преобразователь 2. Происходит излучение ультразвукового импульса по потоку среды. Точно также происходит излучение ультразвука против потока. При этом дискриминаторы 12 и 13 времени и фазовые детекторы 16 и 17 закрУты,

Ультразвуковой импульс электроакустического преобразователя 2, прошедший по потоку, появляется на выходе электроакусгического преобразователя 3 в виде напряжения U через промежуток времени

г

4v C.OS d.

де - расстояние между электроакустическими преобразовател ями 2 и 3;

С - скорость ультразвука в стоячей среде;

V - скорость потока; d -I угол между ультразвуковыгл -jy4OM и направлением потока среды.

Тот же импульс в виде напряжения на выходе делителя частоты 10

б оявляется через время

6-- , (1)

где п - число разрядов двоичного делителя 10 частоты;

F - частота переменного напряже ния управляемого генератора 4 .

Происходит также установка триггера 8 в исходное состояние. Сигналы с выхода электроакустического преобразователя 3 и делителя 10 частоты поступают на дискриминатор 12 времени и на его выходе возникает импульс напряжения Ug, длительность котороголСз равна разности времен - fg . Импульс Ug поступает на блок 14 управления, который подстраивает частоту управляемого генератора 4 и соответственно время в сторону уменьшения разностного сигнала на выходе дискриминатора 12 времени. После того как сигнал на выходе дискриминатора 12 времени уменьшится до порогового значения, в контур системы включается вместо дискриминатора 12 времени фазовый детектор 16,который осуществляет точное измерение разности времени между излучаемым (опорным управляемого генератора 4) и принимаемым (с выхода электроакустического преобразователя 3) сигналами по величине фазового сдвига между высокочастотными напряжениями этих сигналов. Сигнал с выхода фазового детектора 16 осуществляет через блок 14 управления точную подстройку частоты F пропорционально скорости ультразвука по потоку среды.

Таким обЬаэом, первый измерительный канал представляет замкнутую автоматическую следящую систему грубой и точной подстройки частоты управляемого генератора 4, Высокая частота переменного напряжения управляемого генератора 4 является выходным сигн лом системы и равна при условии дГд О, -4- (С + V cosi) Одновременно с работой первого измерительного канала происходит ра бота второго идентичного измеритель ного канала, функционирующего точно так же, как и первый. Выходной сигнал второго канала, т.е. высокая частота переменного напряжения , изменяется пропорционально измененн скорости распространения ультразвука против потока в соответствии с выражением при условии fit О и (С - V coseL) l -Т Частотомер 19 осуществляет опера цию вычитания двух частот напряжений НА и и,, и измерение полученной разности частот, пропорциональной скорости потока. Величина объемного расхода среды определяется из выражения а COSdИспользование, предлагаемого уст ройст ва позволяет повысить точность и быстродействие измерения объемного расхода жидкостей или газов, ско рость потока, концентрация и температура которых могут меняться в ши.роком диапазоне. Формула изобретения Импульсный ультразвуковой расход мер, содержащий трубопровод с установленными на нем двумя элек грчэку- -тическими преобразователчми, астотомер и два идентичных измерительных канала, состоящих из последовательно соединенных делителя частоты, дискриминатора времени, сигнальный вход которого соединен с одним из электроакустических преобразователей, блока управления и управляемого генератора, выход которого подключен ко входу частотомера, и .также ключа, выходом подключенного ко второму злектроакустическому преобразователю, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и быстродействия измерений, он снабжен генератором тактовых импульсов и введенными в каждый измерительный-канал фазовым детектором и триггером, причем сигнальный вход фазового детектора подключен к одному из электроакустических преобразователей, опорный вход - к выходу управляемого генератора, а его выход подключен ко втог рому входу блока управления, выход генератора тактовых импульсов подклю-чен к первому входу триггера, второй вход которого соединен с выходом делителя частоты, а выход - с управляющим входом ключа, второй вход которого подключен к выходу управляемого генератора, а выход - ко входу делителя частоты. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе Бражников Н.И. Ультразвуковая фазометрия. М., Энергия, 1968, с. 236, 245. 2. Патент США 3720105, кл. 73-194А, 1973 (прототип).