Ультразвуковой расходомер Советский патент 1982 года по МПК G01F1/66 

Изобретение относится к технике ультразвуковых измерений, а точнее к области измерения скорости и расхода веществ, и может быть использовано в мелиорации, нефтяной, химической, гидрометаллургической и других отраслях промьшшенности.

По основному авт.св. 802792 известен ультразвуковой расходомер, включакиций два синхрокольца, состоящие из последовательно соединенных схемы запрета, формирователя и общих для синхроколец акустического преобразователя и приемника, подключенные к синхрокольцам два блока запуска, каждый из которых состоит из схемы поиска и автоподстройки фазы, выход который через автогенератор подключен к делителю частоты, а входы - к одним из входов запоминающего элемента и схеva И, при этом выход запоминающего элемента подключен ко входу схемы И, выход которой соединен с вторыми входами формирователя и схемы запрета, выходом подключенной ко второму ВХОДУ запоминающего элемента, и измерительный бЛок, состоящий из смесите ля, входы которого подключены к выходам двух автогенераторов, а выход - к

входу, индикатора, причем первое син хрокольцо снабжено формирователем рабочих импульсов, вход которого подключен к выходу делителя частоты, а выход - к входам схемы И и запоми нающего элемента, а второе синхрокольцо снабжено формирователем рабо чих импульсо,в/ вход которого подключен К| выходу делителя частоты,к его

10 выходам одними входами подключен блок анализа, другой вход которого подключен к BTOpoNv выходу формирователя рабочих импульсов первого синхрокольца, а пыходы - один к входам

15 схемы И и запоминающего элемента,а второй - к третьему входу формирователя 1 .

В известном расходомере невозможна реализация быстродействующего блока анализа, что приводит к снижению

20 точности измерений.

Цель изобретения - повышение точности измерений за счет обеспечения йлстроДействия блока анализа.

Поставленная цель достигается

25 тем, что в известном ультразвуковом расходомере блок анализа содержит делитель частоты, первую схему И подключенную первым входом к выходу делителя частоты, вторую схему И,

30 подключенную первым входом к выходу первой схемы И, третью схему И.подключеннуг первым входом к выходу первой схемы И, первый элемент памяти, подключенный первым входом к выходу третьей схемы И, второй элемент памяти, подключенный первым входом к первому выходу первого элемента памяти, четвертую схему И, под ключенную первым входом к первому выходу второго элемента памяти, и пятую схему И, подключенную первым входом Квторому выходу первого элемента памяти, вторым входом к вто;рому входу первого элемента памяти и к второму выходу второго элемента памяти, и выходом - к второму входу делителя частоты, первый вход кото-, рого, объединенный с вторым входом первой схемы И и.вторым входом второго-элемента памяти, а также второй вход второй схеки И, второй вход четвертой схемы И и .второй вход третьей схемы И являются входами блока анализа, а выходы второй и четвертой схемы И являются его выходами. На фиг. 1 иэобралсена блок-схема ультразвукового расходомера; на фиг. 2 - блок-схема блока анализа; на фиг. 3 - диаграмли напряжений, поясняющие работу одного синхрокольца с блоком запуска; на фиг. 4 диаграммы напряжений, поясняющие одновременную работу двух синхроколец в одном акустическом канале. Ультразвуковой расходомер содержит акустический преобразователь 1 (фиг.1) с пьеэоэлементамй 2 и 3,авто генераторы 4 и 5, делители 6 и частоты, формирователи 8 и 9 рабочих импульсов, схеЛы 10 и 11 поиска и автопрдстройки,фазы, блок 12 анализа схемл И 13 и 14,запоминаияцие элементы 15 и 16, схемы 17 и 18 запрета формирователи 19 и 20, приемник .21, смеситель 22 и индикатор 23,причем первое синхрокольцо (которое является ведущим ) состоит из последовательно соединенных общего для синхро колец приемника 21, схемы 18 запрета формирователя 20 и общего для синхро колец акустического преобразователя к первому синхрокольцу подключен бло зайуска, состоятций из схекы 11 поиск и автоподстройки фазы, подключенной своим выходом к входу автогенератора 5,выход которого через делитель 7 частоты и формирователь 9 рабочих импульсов подключен к первым входам схемы 11 поиска и авуоподстройки фаз схемы И 14 и запоминакяцего элемента 16, выход схемы И.14 соединен с вторыми входами формирователя 20 и схеr/u 18 запрета, выход которой подкЛючен к второму входу запоминающего элемента 16, выход которого соединен с вторыми входами схемл 11 поиска 1И автоподстройки фазы и схеки И 14. |Вт;орое синхрокольцо ( которое являетс ведомым состоит из последовательно соединенных приемника 21, cxe№i 17 запрета, формирователя 19 и акустического преобразователя 1, к второму синхрокольцу лодключен блок запуска, состоящий из схемы 10 поиска и авт.рподстройки фазы, подключенной своим выходом к входу автогенератора 4, выход которого через делитель 6 частоты, формирователь 8 рабочих импульсов и блок 12 с1Нали а подключен к первым входам схемы поиска и автоподстройки Фазы 10,схемы И 13 и запоминающего элемента 15, выход схемы И 13 соединен с вторыми вхрдаляг формирователя рхемы 17 запрета, выход которой подключен к второму входу запоминающе-, го элемента 15, выход которого соединен, с вторыми входами схеьи поиска 1и автоподстройки фазы 10 и схемы И 13, |Другой вход блока 12 анализа соединен с 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. Блок 12 анализа содержит делитель 24 частоты . 2), выход которого подключен к первому входу первой схемы И 25, подключенной своим выходом к первому входу второй схеl«j И 26 и первому входу третьей рхекы И 21, псгдключенной выходом к установочному входу первого элемента 28, памяти, первый выход которого соединен с информационным входом второго элемента 29 памяти, первый выход которого подключен к первому входу четвертой схемы И 30. Инверсный ззыход элемента 29 памяти подключён к второму входу пятой схемы и 31 и к стирающему входу элемента 28 памяти, инверсный выход которого соединен с первым входом схемы И; 31,. подсоединенной своим выходом к установочному входу делителя 24 частоты. При этом первый вход делителя 24 частоты, объединенный с вторым входом схемы И 25 и тактовым входом элемента 29 памяти, а также второй вход схемы И 26 и второй вход схемы И 30 являются одними входами блока 12 анализа. Второй вход схемы И 27 является другим входом блока 12 анализа. Выходы схем И 26 и 30 являются соответственно одним и вторым выходом устройства анализа. Устройство работает следующим образом. Напряжение с выхода схемы 11 поиска и автоподстройки фазы {фиг. 3 е) подается на вход управляемого автогенератора 5, перестраивая его частоту. В момент подачи питагацих напрях{ений

напряжение на выходе схекы 11 поиска и автоподстройки фазы равно нулю. Пр этом период следования импульсов упpaвляe иoгo автогенератора 5 минималенТ У б иг. 3 а). Кроме того, должно илполняться условие, чтобы период следования импульсов с выхода делителя 7 частоты с коэффициентом деления 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 7 частоты 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 7 частоты и формирователя 9 рабочих иг тульсов. При этом на выходе формирователя 9 рабочих импульсов низкий уровень. Этот уровень фиксируется запоминающим элементом 16, в качестве которого можно использовать Р,5-триггер,при этом на его выходе высокий уровень. На выходе схемы 18 запрета, в качестве которой может быть использована схема И-НЕ, в исходном состоянии высокий уровень.

Поскольку выход запоминающего элемента 16 соединен с входом схеf/ы И 14, то первый положительный импульс с выхода формирователя 9 рабочих импульсов (фиг. 3 б) через схему И 14 (фиг. 3 в ) поступает на схему 18 запрета, открывая ее,и на запуск формирователя 20. Запуск форглирователя 20 осуществляется задним фронтом положительного импульс а , т.е. по отрицательному перепаду. Импульс формирователя 20 (фиг. 3 г) поступае на пьезоэлемент 3, преобразуется в ультразвуковой сигнал который проходит контролируемую среду и .принимается пьезоэлементом 2,преобразующи его в электрический .сигнал. Этот сигнал поступает на приемник 21, где усиливается и формируется в прямо.угольный импульс (фиг. 3 д, после чего поступает на схему 18 запрета.

Импульс на выходе приемника 21 задержан относительно импульса с выхода формирователя 20 на время злд Поскольку период импульсов с выхода формирователя 9 рабочих импульсов ютнимален и меньше 1-5(,д,то второй импульс с выхода cxe№J И 14 поступает на вход cxeNM 1В запрета раньше, чем сИмпульс с выхода приемника 21; и схема 18 запрета к моменту прихода импульса с приемника 21 оказывается закрытой. Тем не менее, второй импульс с выхода схемы И 14 пройдет

по электроакустическому каналу аналогично первому и т.д.

Одновременно положительные импульсы с выхода формирователя 9 рабочих импульсов поступают на схему 1

5 поиска и автоподстроПки фазы, увеличивая напряжение на ее вы}юде. При этом .период управляемого автогенератора 5 увеличивается до тех пор, пока к моменту прихода импульса с при10 емника 21 на схему 18 запрета схема .18 запрета не оказывается открытой импульсом с выхода схемы Н 14. Тогда импульс с приемника 21 проходит чере схему 18 запрета на вход формирователя 20 импульсов возбуждения, запуская его передним фронтом отрицательного импульса - ведущее синхро.кольцо расходомера запущено. Одновреr-ieHHo отрицательный импульс с выхода

2Q схемы 18 запрета поступает на вход запоминающего элемента 16, устанавливая на его выходе низкий уровень, так что на схему И 14 подается Запрет, что приводит к.ограничению дл25 тельности импульса на ее выходе (момент времени фиг, Зв). При этом задний фронт положительного импульса на выходе схемы И 14 будет совпадать с передним фронтом отрицательного

Q импульса на выходе схемы 18 запрета т.е. дальнейшая работа управляемого автогенератора 7 не оказывает влияни {на работу синхрокольца следовательно управляемый автогенератор 5 автоматически отключается. В дальнейшем

35 ведущее синхрокольцо работает непрерывно.

После этого схема 11 поиска и автоподстройки фазы из режима поиска переходит в режим автоподстройки

40 фазы управляемого автогенератора 5 с импульсами автоциркуляции синхрокольца. Высокий уровень на выходе запоминающего элемента 16 вновь установится 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 автоподстройки фазы, а

jQHa Другой ее вход поступают импульсы с выхода запоминающего элемента 16, передний фронт которых совпадает с передним фронтом импульса синхрокольца, прошед1;лего схему 18 запрета.

„Схема 11 поиска и автоподстройки фазы выделяет ошибку рассогласования по времени между импульсом с выхода форйирователя 9 рабочих импульсов и передним фронтом импульса автоциркуляции синхрокольца, преобразует ошиб60ку, в управля}аций сигнал, с помощью которого управляет частотой и фазой автогенератора 5. Причем подстройка производится таким образом,чтобы передний фронт импульса автоциркуляции

65синхрокольца,.пр времени находился

внутри импульса с выхода формироЬс1геля 9 рабочих лмпульсов,предпочтительно на его середине. Тогда схема 18 запрета, а следовательно, ведущее синхрокольцо будет открываться по переднему фронту импульса с выхода формирователя 9 рабочих импульсов,а закрываться по переднему фронту импульса.еднхрокольца, т.е. время открытого синхрокольца составит половину длительности импульса с илхода формирователя 9 рабочих импульсов. С точки зрения помехозащищенности длительности импульса с выхода формирователя 9 рабочих импульсов выбираютравной ( от периода следования импульсов автоциркуляции .

В случае нарушения электроакустического канала импульсы с выхода формирователя 9 рабочих импульсов будут продолжать поступать на вход схемы 11 поиска и автоподстройки фазы, увеличивая напряжение на ее %1Х€Щё. 11;ри этом период импульсов на выходе формирователя 9 рабочих импульсов будет увеличиваться. При напряжении на выходе схемы 11 тю)лска и автоподстройки фазы этот, период будет максимален, схема 11 поиска и автоподстройки фазы осуществит разряд этого напряжения до нуля, после чего ройство будет работать так, как было описано выше. Таким образом, в ведущем синхрокольце импульсы,,с выхода автогенератора 5 оказываются связаншми по частоте и фазе с импульсами синхрокольца, но частота этих импульсов в К раз выше частоты импульсов синхрокрльца, где К - коэффициент деления делителя частоты импульсов. Чтобы осуществить запуск расходомера в первом цикле изменения периода импульсов автогенератора 5, каждь1й пocrteдyюt ий период импуль- сов с выхода формирователя 9 рабочих импульсов изменяют не более, чем на : длительность импульса с выхода формирователя.

Аналогично проходит запуск и восг становление работы ведомого синхрокольца.

При одновременной двух синхроколец диаграмк« напряжений на выходках отдельных блоков выглядят следукш им образом. На фиг. 4а показаны Импульсы на выходе делителя 7 частоты импульсов, на фиг. 4в - импульсы j поступающие с формирователя 9 рабочих импульсов, на схему И 14; на фиг. 4г - сигналы ведущего синхрокольца, принятые приемником; а на фиг. 4д - импульсы, излучаемые формирователем 20. Как видно из фиг.4г и фиг. 4д, ведущее синхрокольцо работает постоянно и его период равен Т ведущего.

Коэффициент деления делителя.6 частоты выбирают таким образом,тобы

частота импульсов на его выходе была в целое число раз выше частоты им пульсов ведомого синхрокольца (на фиг. 4е - в два paSa|. Формирователи 7 и 9 рабочих шлпульсов формируют из импульсов с выходов делителей б и -7 частоты импульсы запрета (фиг. 4ж и фиг. 46).

; Поскольку автогенераторы 4 и 5 жестко связаны по частоте и фазе с последовательностями импульсов соответствующих синхроколец, несложно выполнить.требование, чтобы импульсы запрета охва:тывали сигналы, принятые пьезрдатчиками, Наличие импульсов защ)ета необходимо для обеспечения исключения моментов совпадений импульсов синхроколец. Кроме того, жесткая связь по частоте И фазе автогенератора 4 с импульсами ведомого синхрокольца позволяет формирователю 8 рабочих импульсов сформировать импульсы (фиг. 4и), фронты которых совпадают с фронтами импульсов, излучаемы форгдарователем 19 (фиг, 4н). Эти импульсы (фиг. 4и) в дальнейшем будем называть импульсами запомненной фазы Поскольку частота импульсов с выхода делителя 6 частоты в целое число раз выше частоты ведомого синхрокольца, формирователь 8 рабочих импульсов формирует последовательности импульсов запрета (фиг. 4ж), импульсов запомненной фазы (фиг. 4и) импульсов, которые должны поступать на схему И 13, запоминающий элемент 15 и схему 10 поиска и автоподстройки.фазы (фиг. 4з ) с частотой также в целое число раз выше частогы ведомого синхрокольца (в рассматриваемом случае в два раза К Поэтому каждую из сформированных последовательностей можно рассматривать как результат наложения двух последовательностей импульсов (четной и нечетной ) е частотой равной Частоте ведомого синхрокольца но сдвинутых друг от друга по фазе на полпериода ведомого синхрокольца. При этом за счет фазовой автоподстро1КИ фронты.импульсов запомненной фазы например четной последовательнос.ти, совпадают с фазами импульсов излучаемых формирователем 19, т.е. син}фонны с импульсами ведомого синхрокольца. Кшулъсы запрета четной последовательности охватывают принимае1Ф1й сигнал (фиг. 4м),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 синхрокольца имеют разницу частот, их сигналы неизбежно постепенно сближаются друг с другом. Чтобы исключить момент совпадения этих сигналов обеспечивают приоритет, ведущему синхрокольцу - оно р&б.отает непрерывно Кроме того, блок 12 анализа контролирует совпадение и myльcos запрета четной последовательности с формирователя 8 рабочих импульсов и импульсов запрета с формирователя 9 рабочих импульсов. После наступления совпадения блок 12 анализа обеспечивает сдвиг по фазе импульсов автоциркуляции ведомого синхрокольца на полпериода. Это достигается тем,что блок анализа перестает пропускать, н схему И 13 импульсы четной последовательности и начинает пропускать импульсы нечетной последовательности которая сдвинута на полперАода относительно четной. При этом схема 17 .запрета оказывается закрытой для импульсов. синхрокольца, соответствующих четным последовательностям и. открытой для импульсов, соответствую щих нечетным. Одновременно блок авал за пропускает на запуск формирователя 19 один импульс запомненной фаз из нечетной последовательности (фиг 4л), который восстанавливает работу ведомого синхрокольца сдвигом на пол периода. Дальнейшая фазовая автоподстройка происходит по нечетным импульсам. -После этого блок 12 анализа начинает контролировать совпадение импульсов запрета ведущего синхрокольц с импульсами запрета ведомого синхро кольца нечетной последовательности (фиг. 4« . При новом приближении сигналов Синхроколец происходит внов сдвиг по фазе импульсов автоцйркуляции в ведомом синхрокольце на полпериода и т.д. Импульсы сгвыходов автогенераторов 4 и 5 поступают на смеситель 22, который выделяет разностную частоту в К раз более высоку чем разность частот синхроколец, которая пропорциональна скорости поток Для обеспечения нормальной работоспособности длительности импульсов запретаt выбирают из условия , : где Т - минимальный период синхроколец # N - отношение частоты импульсов на выходе делителя б частоты к частоте ведомого синхрокольца. Для рассматриваемого случая и величина выбирается из условия Теперь рассмотрим более работу блока 12 анализа (фиг. 2). Импульсы (фиг. 4ж) запрета ведоглого синхрокольца с частотой в два раза большей частоты этого синхрокольца поступают с выхода формирователя 8 на первый вход делителя 24 частоты и второй вход схемы И 25. Поскольку первый вход схемы И 25 соединен с выходом делителя 24, на выходе схемы И 25 будет выделяться . каждый второй импульс запрета ведомого синхрокольца (например четная последовательность). Частота следования этих импульсов равна частоте ведомого синхрокольца. Эти импульсы поступают на первый вход схемы И 26. На второй вход схемы И 26 поступают импульсы (фиг. 4з) с выхода формирователя 8. Частота этих импульсов также в два раза выше частоты ведомого синхрокольца. Поскольку эти импульсы находятся внутри импульсов запрета, на выходе схемы И 26 будет выделяться каждый второй импульс из поступающих на второй вход схемы И 26, которые поступают на один выход блока 12.Импульсы с выхода схемы И 25 поступают также на первый вход схемы И 27 на второй вход которой поступают с второго выхода формирователя 9 импульсы фиг. 4 б)запрета ведущего синхрокольца. При отсутствии совпадения импульсов запрета синхроколец в схеме И 27 ка первом выходе элемента 28 памяти низкий уровень. Этот уровень подается на информационный вхОд элемента 29 памяти;Поэтому на первом выходе эле-v мента 29 памяти будет постоянно низкий . уровень закрывает по первому входу схему И 30 и импульсы (фиг. 4и) запомненной фазы, посту пающие на второй вход схемы И 30 с выхода формирователя 8, не проходят на выход блока 12 анализа. При совпадении импульсов запрета сгинхроколец в схеме И 27 на ее выходе появится импульс, который поступит на установочный вход элемента 28 Пс1мяти, устанавливая на его- первом выходе высокий уровень. Этот уровень поступает на информационный вход элемента 29 памяти, подготавливая его к записи информации о наличии совпадения импульсов запрета. Эта информация записывается в элемент 29 памяти по переднему фронту импульса (фиг,4к) запрета ведомого синхрокольца, поступающего на тактовый вход элемента 29 памяти с выхода формирователя 8, И на восстановление работы ведомого синхрокольца с выхода формирователя 8 через схему И 30 пройдет импульс (фиг. 4и) запомненной фазы. Одновременно после совпадения импульсов запрета синхроколец низкий ; уровень второго выхода элемента 28 рамяти, пройдя через схему И 31 на . Установочный вход элемента 24 памяти, установит на его выходе низкий уро-. вень. При этом прекратится выделение четных импульсов запрета ведомого синхрокольца на выходе схемы И 25. По переднему Фронту импульса 32 (фиг. 4к низким уровнем с ин версного выхода элемента 29 памяти, поступающим на стирающий вход элемента 28 памяти, в элементе 28 памя ти стирается информация о совпадении импульсов запрета синхроколец, и на информационный вход элемента 2 памяти вновь поступает низкий уровень. Очередной импульс запрета с выхода формирователя 8 переводит эл мент 29 памяти в противоположное со тояние, при этом схема И 30 закроется по первому входу, а схема И 11 откроется по второму входу. Низкий уровень с установочного входа элеглента 24 памяти снимается, и на выходе схемы И 25 вновь начинают выделяться импульсы запрета, но теперь уже с сдвигом на полпериода, т.е. импульсы нечетной последовательности, и так Далее. .Предлагае11вай ультразвуковой расходомер обладает более высокой точностью измерения, чем известные рас ходомеры, прост в реализации и может быть выполнен на основе широкоприменяемых в настоящее время радио элементов. Формула изобретения Ультразвуковой расходомер по авт св. № 802792, отличающийс я тем, что, с целью повьвиения Jточности измерений, устройство анализа содержит-делитель частоты,первую схему И,подключенную пepвы входом к выходу.делителя частоты,вторую, схему И, подключенную первым входом к выходу первой схемы И, третью схему И, подключенную первым входом к выходу первой схемы И, первый элемент памяти, подключенный первым входом к выходу третьей схемы И,второй элемент памяти, подключенный первым входом к первому выходу первого элемента памяти, четвертую схему И,подключенную первым входом к первому выходу второго элемента памяти, и пятую схему и , подключенную первым входом к второму выходу первого элемента памяти, вторым входом - к второму входу первого элемента памяти, вторым входом к второму входу первого элемента памяти и к второму выходу втсрого элемента памяти и выходом к второму входу делителя частоты, первый вход которого) объединенный с вторым входом первой И и вторым входом второго элемента памяти, а также второй вход второй схеглл К, второй вход четвертсзй схемы И и второй вход третьей И являются входами блока анализа, а выходы второй и четвертой схемы И являются его выходами. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе , , 1. Авторское свидетельство СССР 802792, кл. G 01 F 1/66, 1978.

/

19

79

rs

-1

П.

Xf

/J

/

f

ff

r

л W

H

//

-fj

ФУf.f

70v

фуг.

Tftffft

/I

H