Ультразвуковой расходомер В.И.Филатова Советский патент 1982 года по МПК G01F1/66 

() УЛЬТРАЗВУКОВОЙ РАСХОДОМЕР В.И. ФИЛАТОВА

1

Изобретение относится к измери- гельной технике и может быть исполь- зовано при разработке контрольноизмерительных приборов для определения расхода, а также в точных скоростомерах потоков.

Известны ультразвуковые расходомеры, содержащие схему синхрокольца, коммутатор и одноканальный преобразователь, блоки хранения и сравнения информации об измерениях попеременно по потоку и против него

Однако эти расходомеры обладают значительной погрешностью измерений, обусловленной вариациями параметров измеряемой среды при попеременном измерении по потоку и против него.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является ультразвуковой расходомер, содержащий два пьезодатчика, установленные на стенках трубопровода и связанные с генератором, усилитель и фильтр высокой частоты, включенные последовательно и связанные с выходами пьезодатчиков, формирователь, счетный триггер, триггер направлений, триггер задержки, одновибратор задержки, генератор запуска, пять схем ИЛИ, десять схем И, две схемы НЕ и блок индикации 2.

Недостатком этого расходомера -является невысокая точность измерений, обусловленная различием времени за10держки сигналов в фильтре высокой частоты, усилителе, формирователе, схеме запрета, схеме ИЛИ и генераторе импульсов каждой схемы синхрокольца. Цель изобретения - повышение точ«Sности измерений.

Указанная цель достигается тем, что в ультразвуковой расходомер вве.дены ограничитель - схема ИЛИ, четыре схемы И, два одновибратора-селектора с инверторами и линиями задержки, генератор с коммутатором, коммутирующий триггер, триггер выбора, две

схемы НЕ и расширитель формирователя. 3 причем один пьезодатчик соединен с одним выходом генератора с коммутатором,, входом одного одновибратораселектора с инвертором и линией задержки и одним входом ограничителя схемы ИЛИ, а другой пьезодатчик с другим выходом генератора с комму татором, входом другого одновибрато ра-селектора с инвертором и линией задержки и другим входом ограничителя - схемы ИЛИ, выход последней подключен к входу фильтра высокой частоты, выход которого соединен с входом усилителя, выход усилителя со единен с одним из входов первой схемы ИЛИ, а ее выход - с входом формир вателя, выход которого соединен с вх дами первой, пятой, шестой схем И и второй схемы НЕ, выход последней соединен с входами десятой схемы И и расширителя формирователя, выход последнего соединен с другим входом шестой схемы И, другой вход первой схемы И подключен к выходу второй схемы ИЛИ, а выход - к входу третьей схемы НЕ и входу генератора, одни входы (второй)и четвертой схем И соединены с разными выходами коммутирующего триггера, а их другие входы соответственно подключены к выходам первого и второго одновибраторов-селекторов с инверторами и линиями заде жки, выходы последних соединены такж с входами седьмой схемы И, выход кот рой соединен входом генератора запус ка, выход последнего соединен с входами первой схемы ИЛИ непосредственно и через четвертую схемуНЕ, выход шестой схемы И подключен к входу третьей схемы ИЛИ и к входам одиннадцатой и двенадцатой схем И, другие входы последних подключены к раз ным выходам коммутирующего триггера, а их выходы - к разным входам три1- гера направлений, выходы которого со единены с входами тринадцатой и четырнадцатой схем И, другие входы последних соединены с одним выходом счетного триггера, а выходы - с блок ин/дикации, другой вход третьей схемы ИДИ соединен с выxoдo пятой схемы И, а выход - с входом одновибратора задержки, выход которого соединен с входом первой схемы НЕ, выход последней г дключен к входам триггера задержки и девятой схемы И, триггер задержки неинвертированным выходом подключен к входам третьей, пятой, одевятой и десятой схем И, пятой схеI4мы ИЛИ, а инвертированным - ко входам первой, второй, четвертой схем ИЛИ и счетного триггера, другой вход пятой схемы ИЛИ подключен к выходу десятой схемы И, а выход - к входу триггера выбора, один выход последнего соединен с входом пятой схемы И, а другой - с входами третьей и девятой схем И, выход девятой схемы И соединен с входом четвертой схемы ИЛИ, входы восьмой схемы И соединены с выходами четвертой схемы ИЛИ и третьей схемы НЕ, а ее выход - с входом коммутирующего триггера. На чертеже изображена структурная схема предлагаемого ультразвукового расходомера. Расходомер содержит укрепленные на контролируемом участке трубопровода 1 пьезодатчики 2 и 3, ограничительсхему ИЛИ 4, фильтр 5 высокой частоты, усилитель 6, первую, вторую, .третью, четвертую и пятую схемы ИЛИ 7 П, формирователь 12, четырнадцать схем И 13 - 26, первый и второй одновибратор-селектор 27 и 28 с инверторами и линиями задержки, генератор 29 с коммутатором, коммутирующий триггер 30, триггер 31 задержки, триггер 32 выбора, счетный триггер 33 и триггер 3 напра.влений. Расходомер содержит также первую, вторую, третью и четвертую схемы НЕ 35 - 38, одновибратор 39 задержки, расшири- . тель kQ формирователя, генератор k запуска и блок 42 индикации. Схема синхрокольца образована датчик,ами 2 и 3, ограничителем-схемой ИЛИ Л, фильтром 5 высокой частоты, усилителем 6, первой схемой ИЛИ 7, формирователем 12, первой схемой И 13 и генератором 29 с коммутатором. Выходной сигнал расходомера снимают с выхода счетного триггера 33, либо в зависимости от направления потока - с выхода тринадцатой 25 или четырнадцатой 26 схемы И. Предлагаемый ультразвуковой расходомер работает следующим образом. В момент включения питания срабатывает генератор запуска Ц, передним фронтом импульса которого через первую схему ИЛИ 7 запускается формирователь 12. Импульс формирователя 12 длительностью у-ф через первую схему И 13, на другой вход которой через вторую схему ИЛИ 8 передается инвертированный сигнал триггера задержки 31.поступает на вход запуска генератора 29 с коммутатором и на вход третьей схемы НЕ 37- Импульс генератора с коммутатором поступит на один или другой выход только при наличии разрешающего сигнала, поступающего соответственно, с выхода схемы И второй 1А или четвертой 16. Разрешающий сигнал на выходе одной из этих схем появится при наличии на ее входах сиг нала коммутирующего триггера 30 и инвертированного сигнала одновибратора-селектора 27 или 28 с линией задержки .

Предположим, что импульс генератора с первого выхода генератора с коммутатором поступает на пьезодатчик 3 и на запуск первого одновибратора-селектора 27 с инвертором и линией задержки. Инвертированный импульс последнего задерживается линией задержки на время ., и поступает на входы схемы И седьмой 19 и второй I, и на выходе последней снимается разрешающий сигнал. Таким образом, импульс длительностью Сд поступает на пьезодатчик 3, который преобразует его в ультразвуковой импульс, излучаемый против потока поц углом сС к оси трубы преобразователя. Инвертированный третьей схемой НЕ 37 импульс формирователя 12 через восьмую И 20, на другой вход которой через четвертую схему ИЛИ 10 поступает инвертированный ©игнал триггера задержки 31, задним фронтом реребрасывает коммутирующий триггер 30. Импульс формирователя 12 инвертируется также второй схемой НЕ 36 и запускает расширитель 0 формирователя. Последний генерирует импульс длительностью («.

Импульс генератора запуска, инвертированный четвертой схемой НЕ 38, через первую схему ИЛИ 7 своим задним фронтом повторно запускает формирователь 12. Импульс формирователя 12 через схему первую И 13 запускает генератор 29 с коммутатором, с второго выхода которого импульс поступает на пьезодатчик 2 и на запуск второго одновибратора-селектора 28 с инвертором и линией задержки. Инвертированный импульс последнего задеркивается линией задержки на время и поступает на входы схем И седьмой 19 и четвертой 16, снимая на выходе по- следней разрешающий сигнал. Импульс длительности Тль поступает на пьезодатчик 2, который преобразует его в

ультразвуковой импульс, излучаемый по потоку под углом d к оси трубы 1. Инвертированный третьей схемой НЕ 37 импульс формирователя 12 через восьмую схему И 20 задним фронтом перебрасывает коммутирующий триггер 30. Прошедший через измеряемый поток ультразвуковой импульс поступает на пьезодатчик 2 и 3, преобразуется в электрический и через ограничительсхему ИЛИ , фильтр высокой частоты 5 поступает на усилитель 6. Усиленный усилителем 6 импульс через первую схему ИЛИ 7 запускает формирователь 12. Далее процесс повторяется. Поскольку в расходомере применяется одна схема синхрокольца, поочередно работающая по потоку и против него., в нем нет разности времени задержки электронной схемой сигналов, автоциркулирующих по потоку и против него

С выхода седьмой схемы И 19 импульсы, образовавшиеся от совпадения во времени импульсов первого и второго одновибраторов-селёкторов с инверторами и линиями задержки, посту.пают на вход генератора k запуска, срывая его работу. Таким образом, схема И 19 контролирует прохождение импульсов схемы синхрокольца по потоку и против него. При прохождении ультразвуковых импульсов только в одном направлении, при отсутствии жидкости в трубопроводе 1 или при нарушении работы электронноЧ схемы прибора импульсы на выходе седьмой схемы И 19 отсутствуют. Генератор k запуска генерирует импульсы, поступающие на запуск формирователя 12 и блок индикации, индицируя аварийное состояние.

При совпадении во времени импульсов формирователя 12 с импульсом расширителя формирователя kO HS выходе шестой схемы И 18 образуется импульс, который через третью схему ИЛИ 9 запускает одновибратор 39 задержки. Импульс последнего длительностью 1 инвертируется первой схемой НЕ 35, поступает на вход девятой схемы И 21 и своим задним фронтом перебрасывает триггер 31 задержки. Перепадом напряжения с неинвертированного выхода триггера 31 задержки через пятую схему ИЛИ 11 перебрасывается триггер 32 выбора. Импульс формирователя 12 пройдет через первую схему И 13 только при совпадении инвертированного сигнала триггера 32 выбора и неинЬертированного сигнала триггера 31 задержки на входах третьей схемы И 15, с ее выхода сигнал через вторую схему ИЛИ 8 поступает на другой РХОД первой схемы И 13. С выхода первой схемы И 13 инвертированный третьей схемой НЕ 37 импульс через восьмую схему И 20 задним фронтом перебросит коммутирующий триггер 30 только при совпадении неинвертированного сигнала 31 задержки, инвертированного сигнала триггера 32 выбора и инвертированного первой схемой НЕ 35 сигнала одновибратора 39 задержки на входах девятой схемы И 21, тогда с ее вы)«ода сигнал через четвертую схему ИЛИ 10 поступит на другой вход восьмой схемы И 20, Инвертированный второй схемой НЕ 36 импульс формирователя 12 своим задним фронтом через десятую схему И 22, другой вход которой подключен к неинвертированному выходу триггера 32 задержки, и пятую схему ИЛИ 11 перебрасывает триггер 32 выбора. При совпадении неинвертированных сигналов триггера 31 задержки и триггера 32 выбора, поступающих на входы пятой схемы И 17, через последнюю и третью схему ИЛИ 9 импульс формирователя 12 передним фронтом запускает одновибратор 39 задержки.Импульс последнего;инве тируется первой схемой НЕ 35 и своим задним фронтом возвращает триггер 31 задержки в исходное состояние. Перепадом напряжения с инвертированного выхода триггера 31 задержки перебрасы вается счетный триггер 33 и через первую схему ИЛИ 7 запускается фо0мирователь 12. Для определения направления потока используется свойство ультразвуковых импульсов, излучаемых по потоку Догнать ультразвуковые импульсы, излучаемые против потока. Направление потока указывает сигнал коммутирующего триггера 30 в момент совпадения во времени импульса формирователя 12 с импульсом расширителя 0 формирователя, подаваемых на входы шестой схемы И 18, С ее выхода импульс поступает на входы одиннадцатой 23 и двенадцатой 2k схем И, на другие входы которых поступают сигналы с разных выходов коммутирующего триггера 30. С выходов этих схем И сигналы поступают на разные входы триггера З направлений, С выхода счетного три1- гера 33 сигнал подается на входы тринадцатой 25 и четырнадцатой 26 схем И, на другие входы которых поступают сигналы с разных выходов триггера 3 направлений. Индикатор 2 показывает направление потока в зависимости от сигнала, поступающего на его входы с выхода тринадцатой 25 или четырнадцатой 26 схем И, В зависимости от направления потока на выход устройства поступает сигнал частоты F переключений счетного триггера 33 и.ц или DCI, снимаемый с выходов тринадцатой схемы И 25 или че.тырнадцатой схемы И 26, или независящий от направления потока сигнал, снимаемый с выхода счетного триггера 33. Период следования импульсов счетного триггера 33, определяемый оментами совпадений импульсов формирователя 12 с импульсами расширителя формирователя 0, может быть выражен Т 1 пТ +t (п-1) Ttj + Г , где п - количество полных периодов Ту| 4Т((или ) за период Т; Т,Т- - периоды автоциркуляции импульсов по потоку и против него. После несложных преобразований из этого выражения получаем 1 ч-едГ где л f f и - f« г- - . - раз -а ность частот по потоку и против него. Поскольку и f « 1, можно принять F uf. Таким образом, на выходе устройства получают частотный сигнал, прямо пропорциональный расходу потока. Формула изобретения Ультразвуковой расходомер, содержащий два пьезодатчика, установленные на стенках трубопровода и с§язанные с генератором, усилитель и фильтр высокрй частоты, включенные последовательно и связанные с выходом ПЬШЗодатчиков, формирователь, счетный триггер, триггер нап|завлений, триггер задержки, одновибратор задержки, генератор запуска, пять схем ИЛИ, десять

99225

схем И, две схемы НЕ и блок индикации, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, в него введены ограничительсхема ИЛИ, четыре схемы И, два одно- j вибратора-селектора с инверторами и ли ниями задержкиj генератор с коммутатором, коммутирующий триггер, триггер выбора, две схемы НЕ и расширитель формирователя, причем один пьезо- Ю датчик соединен с одним выходом генератора с коммутатором, входом одного одновибратора-селектора с инвертором и линией задержки и одним входом ограничителя-схемы ИЛИ, а другой пье-15 зодатчик - с другим -выходом генератора с коммутатором, входом другого одновибратора-селектора с инвертором и линией задержки и другим входом ограничителя - схемы ИЛИ, выход послед- 20 ней подключен к входу фильтра высокой частоты, выход которого соединен с входом усилителя, усилителя соединен с одним из входов первой схемы ИЛИ, а ее выход - с вЯодом 25 формирователя, выход которого соединен с входами первой, пятой, шестой схем И и второй схемы НЕ, выход последней соединен с входами десятой схемы И и расширителя формирователя зо выход последнего соединен с другим входом шестой схемы И, другой вход первой схемы И подключен к выходу схемы ИЛИ, а выход - к входу третьей схемы НЕ и входу генер ора, j, одни входы второй и четвертой схем И соединены с разными выходами коммути-; рующего триггера, а их другие входы соответственно подключены к выходам первого и второго одновибраторов-се- дц лекторов с инверторами и линиями задержки, выходы последних соединены также с входами седьмой схемы И, выход которой соединен с входом генератора запуска, выход последнего со410

единен с входами первой схемы ИЛИ не посредственно и через четвертую схему НЕ, выход шестой схемы И подключен к входу третьей схемы ИЛИ и к входам одиннадцатой и двенадцатой схем И, ругие входы последних подключены к разным выходам коммутирующего триггера, а их выходы - к разным входам триггера направлений, выходы которого соединены с входами тринадцатой и четырнадцатой схем И, другие входы последних соединены с одним выходом счетного триггера, а выходы - с блоком индикации, другой вход третьей схемы ИЛИ соединен с выходом пятой схемы И, а выход - с входом однот .. вибратора задержки, выход которого соединен с входом первой схемы НЕ выход последней подключен к входам триггера задержки и девятой схемы И, триггер задержки неинвертированным выходом подключен к входам третьей, пятой, девятой и десятой схем И, пя той схемы ИЛИ, а инвертированным к входам первой, второй, четвертой схем ИЛИ и счетного триггера, другой

вход пятой схемы ИЛИ подключен к выходу десятой схемы И, а выход - к входу триггера выбора, один выход последнего соединен с входом пятой схемы И, а другой - с входом третьей и девятой схем И, выход девятой схемы И соединен с входом четвертой схемы ИЛИ, входы восьмой схемы И соединены с выходами четвертой схемы ИЛИ и третьей схемы НЕ, а ее выход - с входом коммутирующего триггера. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1,Авторское свидетельство СССР № 2kB263, кп, G 01 F 1/00, I960.

с. 130-133.