Автоматический ультразвуковой расходомер

 

Изобретение относится к ультрозвуковой технике и может быть использовано в различных отраслях техники для измерения расхода жидких и газообразных веществ. Целью изобретения является повышение точности измерения расхода. Расходомер содержит пару пьезоэлементов 2 и 3, коммутатор 4, блок 5 управления, генератор 6 ударного возбуждения, два управляемых генератора 7 и 8, частотомер 9, семь ключей 10 - 16, временной дискриминатор 17, фазометр 18, инверторы 19 и 20, триггеры 21 и 22, два элемента И 23 и 24, элемент ИЛИ 25, счетчик 26, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 27, компаратор 28, операционный усилитель 29. в расходомере осуществляется грубая и точная подстройка периода следования импульсов управляемых генераторов 7 и 8. Грубая подстройка осуществляется в сторону уменьшения выходного сигнала временного дискриминатора 17 до величины порога срабатывания компаратора 28, а затем производится точная подстройка управляемого генератора так, чтобы уменьшить выходной сигнал фазометра 18 до нуля. Причем грубая подстройка периода следования управляемых генераторов осуществляется дискретно изменяющимся по линейной зависимости управляющим напряжением. Управляющее напряжение на входе управляемых генераторов будет тем больше, чем больше будет величина рассогласования между высокочастотными колебаниями сигнального и опорного импульсов. Расходомер позволяет повысить точность измерений быстропеременных расходов жидких сред за счет замены статической характеристики управляющего сигнала с релейной на дискретно изменяющуюся по линейной зависимости. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

А1

„„SU„,, 15062 (5D 4 0 01 F 1/66

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

К АBTOPCKOMY СВИ4ЕТЕЛЬСТВУ (21) 438)358/24-10 (22) 22.02.88 (46) 07.09.89. Бюл. Р 33 (71) Ленинградский институт авиационного приборостроения (72) С,Н . Разов, В.Л. Борцов, В .М . Кушуль, 0 .Н . Разов, В .В .Рудин, B.K° . Хамидуллин и Ю.В. Хамидуллин (53) 681.121(088.8) (56) Патент США Ф 3720105, кл . 9 О1 F 1/66, !973, Авторское свидетельство СССР

У 777438, кл. G 01 Р 1/66, 1980.

2 (54) АВТОМАТИЧЕСКИЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ

РАСХОДОМЕР (57) Изобретение относится к ультразвуковой технике и может быть использовано в различных отраслях техники для измерения расхода жидких и газообразных веществ. Целью изобретения является повышение точности измерения расхода. Расходомер содержит rtapy пьезоэлементов 2 и 3, коммутатор 4, блок 5 управления, генератор 6 ударного возбуждения, два управляемых генератора 7 и 8, частотомер 9, семь

3 1506279 ключей 10-16, временной дискриминатор 17, фазометр 18, инверторы 19 и

20, триггеры 21 и 22, два элемента

И 23 и 24, элемент ИЛИ 25, счетчик

26, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 27, компаратор 28, операционный усилитель 29. В расходомере осуществляется грубая и точная подстройка периода следования импульсов управляемых генераторов 7 и 8. Грубая подстройка осуществляется в сторону уменьшения выходного сигнала временного дискриминатора 17 до величины порога срабатывания компаратора 28, 15 а затем производится точная подстройка управляемого генератора так, чтобы уменьшить выходной сигнал фазо" метра 18 до нуля. Причем грубая под— стройка периода следования управляемых генераторов осуществляется дискретно изменяющимся по линейной зависимости управляющим напряжением. Управляющее напряжение на входе управляемых генераторов будет тем больше, чем больше будет величина рассогласования между высокочастотными колебаниями сигнального и опорного импульсов.Расходомер позволяет повысить точность измерений быстропеременных расходов жидких сред за счет замены статической характеристики управляющего сигнала с релейной на дискретно изменяющуюся по линейной зависимости.

3 ил.

Изобретение относится к ультразвуковой технике и может быть использовано в различных отраслях техники для измерения расхода жидких и газообразных веществ.

Целью изобретения является повышение точности измерения расхода.

На фиг. 1 изображена структурная схема предлагаемого расходомера, на фиг. 2 — временные диаграммы напряжений на отдельных узлах схемы, на фиг. 3 — временные диаграммы напряжений на пьезоэлементах (а) статическая характеристика фазометра (б), статическая характеристика цепи временноГо дискриминатора (в), суммарная статическая характеристика фазометра и цепи временного дискриминатора (г).

Автоматический ультразвуковой расходомер содержит два установленных на трубопроводе 1 пьезоэлемента 2 и

3, соединенных с коммутатором 4, блок 5 управления, генератор 6 ударного возбуждения, два управляемых генератора 7 и 8, частотомер 9, семь ключей 10-16, временйой дискриминатор 17, фазометр 18, инверторы 19 и

20, триггеры 21 и 22, два элемента

И 23 и 24, элемент ИЛИ 25, счетчик

26, цифроаналоговый преобраЗователь (ЦАП) 27, компаратор 28, операционный усилитель 29. Выходы первого 10 и второго 11 ключей соответственно соединены с входами первого 7 и второго 8 управляемых генераторов,выходы которых соответственно соединены

55 первого триггера 21 и нулевым входом второго триггера 22, а вторые входы— с седьмым выходом i блока 5 управления, входы элемента Ш1И 25 соединены с выходами первого 23 и второго 24 элементов И, а выход — с сигнальным входом счетчика 26, ус1ановочный вход с первыми и вторыми входами блока

5 управления и частотомера 9, выходы блока управления соединены соответственно: первый выход а — с управляющим входом первого ключа 10 и первым управляющим входом коммутатора 4, вто— рой выход Ь вЂ” с управляюшим входом второго ключа 11 и с вторым управляющим входом коммутатора 4, третий вы— ход с — через генератор 6 ударного возбуждения с сигнальными входами коммутатора 4 и третьего ключа 12, четвертый выход d — с управляющим входом третьего ключа 12, пятый выход е — с управляющим входом временного дискриминатора 17, шестой выход f с нулевым входом первого триггера

21 и единичным входом второго триггера 22, нулевой вход которого через инвертор 19 соединен с вторым выходом временного дискриминатора 17, первый выход которого соединен с единичным входом первого триггера 21, выход коммутатора 4 соединен с сигнальными входами фазометра 18 и временчого дискриминатора 17, опорный вхо g которого соединен с опорным входом фазометра 18 и выходом третвего ключа 12, первые входы первого 23 и второго 24 элементов И соединены соответственно с единичным входом

1506279

Импульс 11, появляется на первом или втором выходе временного дискриI минатора 17 в зависимости от полярности.. Импульс U<> положительной которого соединен с шестым выходом блока 5 управления, а выходы соединены с.входами ЦАП 27, выход которого соединен с сигнальными входами компаратора 28, а также четвертого 13

5 и пятого 14 ключей, выходы которых соответственно подключены к неинвертирующему и инвертирующему входам операционного усилителя 29, а управляющие входы — соответственно к выходам первого 21 и второго 22 триггеров, опорный вход компаратора 28 соединен с восьмым выходом 1 блока 5 управления, а выход — через второй инвертор 20 с управляющим входом седьмого ключа

16, сигнальный вход которого соединен с выходом фаэометра 18, а выход— с сигнальными входами первого 10 и второго 11 ключей, а также с выходом шестого ключа 15, сигнальный вход которого соединен с выходом операционного усилителя 29, а управляющий вход — с выходом компаратора 28.

При изменении скорости V происхо- 25 дит, например, увеличение скорости ультразвука по потоку С + Vcos qL и уменьшение против потока )Cf - Усозоб, где 1С f — скорость ультразвука в неподвижной среде, g — угол между век- 30 торами С и V.Èýìåðåíèå расхода (скорости V) осуществляется в два такта. В одном такте происходит измере" ние и преобразование в частоту ультразвука по потоку, а в другом такте— измерение и преобразование в частоту скорости ультразвука против потока, разность укаэанных частот пропорциональна измеряемой величине скорости потока V.

Пусть блок 5 управления находится в таком состоянии, что напряжение

U- (а) (фиг. 2) с первого выхода а открыт ключ 10 на входе управляемого генератора 7 и осуществлены необходи- 45 мые переключения в коммутаторе 4. Выходным напряжением Us (Ь со второго выхода b коммутатора 5 заперт ключ

11 и перекрыты соответствующие связи в коммутаторе 4. Таким образом, следящая автоматическая система подключена для измерения скорости ультразвука по потоку. Импульсы IJ< управляемого генератора 7, осуществляющие коммутацию выхода блока 5 управления, поступают на вход последнего. Допустим, что максимальное количество импульсов в этом такте равйо семи.

При поступлении на вход блока 5 г управления второго импульса на его третьем выходе с возникает импульс, возбуждающий генератор 6 ударного возбуждения, формируется импульс напряжения U<, заполненный высокочастотным напряжением, фаза которого жестко связана с передним фронтом импульса. Одновременно с этим с пятого выхода с блока 5 управления поступает импульс V (e), который подготавливает к работе временной дискриминатор 17. Высокочастотный импульс генератора 6 ударного возбуждения через коммутатор 4 поступает на пьезо элемент 2 в виде напряжения U<, который излучает в среду ультразвуковой импульс, проходящий через по( ток среды под углом eC . .Импульс принимается пьезоэлементом 3 через про1 межуток времени где 1—

С +Ч cosо4 расстояние между пьезоэлементами 2 и

3. Импульс напряжения U> с пьезоэлемента 3 через коммутатор 4. подается на сигнальные входы фазометра IS u временного дискриминатора 17. Треть им импульсом управляемого генератора

7 на четвертом выходе d блока 5 управления формируется импульс U (d), который открывает ключ 12. При этом одновременно по сигналу с третьего выхода с блока 5 управления генератор

6 ударного возбуждения формирует второй высокочастотный импульс V<, поступающий через открытый ключ 12 на опорные входы фазометра 18 и временного дискриминатора 17. На фазометре

18 происходит преобразование временного сдвига ЬС(фиг.3,а) между высокочастотными колебаниями, заполняющими сигнальный и опорный импульсы, в напряжение U s в соответствии со статической характеристикой фаэометра

18 Uis = f(Ü c) (фиг.3,б ). Статическая характеристика фазометра 18 имеет неоднозначность, которая корректируется с помощью цепи временного дискриминатора. Во временном дискриминаторе 17 осуществляется преобразовал ние сдвига времени bc в импульс напряжения 0, длительность которого пропорциональна временному сдвигу Ь b, л

150627 полярности с первого выхода временного дискриминатора 17 поступает на единичный вход триггера 21 > что переводит его в другое устойчивое состоя5 ние, в результате форМируется передний фронт импульса U< открывающего ключ 13 ° Если импульс U > отрицательной полярности, то со второго выхода временного дискриминатора 17 импульс 10

U<> поступает на нулевой вход триггера

22 через инвертор 19 и переводит его в другое состояние, формируя передний фронт импульса U< открывающего ключ

14. Одновременно импульс Б„т посту- )5 пает с временного дискриминатора на первые входы элементов И 23 и 24. На вторые входы элементов И с седьмого выхода i блока 5 управления подается напряжение U (i ), представляющее 20 единичные. счетные импульсы, следующие с высокой частотой. На элементах И происходит заполнение импульса U„ единичными счетными импульсами .Таким образом, на входы элемента ИЛИ 25 по- 2 ступает пачка единичных счетных импульсов с длительностью, равной длительности импульсов U, (т.е. количество счетных импульсов в пачке пропорционально д i ). Эта пачка появля- 30 л ется либо на выходе элемента И 23, либо на выходе элемента И ?4 в зависимости от полярности импульса U<

Счетчик 26 считает единичные импульсы, появившиеся на выходе элементов ИЛИ 35

25, количество которых пропорционально рассогласованию дс .. ЦАП 27 осуществляет преобразование количества сосчитанных импульсов в аналоговое напряжение, которое. через открытый ключ 13 40 или ключ 14 (в зависимости от полярности U 7 ) поступает на один из входов операционного усилителя 29. Совмещенная статическая характеристика цепи временного дискриминатора 17, 45 триггеров 21 и 22, элементов И 23 и 24, элемента ИЛИ 25, счетчика 26, ЦАП 27, ключей 13 и 14 и операционного усилителя 29 на выходе операционного усилителя приведена на фиг 3 В 50

Для стыковки статических характеристик цепи временного дискриминатора и фазометра 18 служат компаратор

28, инвертор 20 и ключи 15 и 16. На опорный вход компаратора 28 с восьмо- 55

ro выхода k блока 5 управления поступает напряжение U „ такой величины, чтобы оно было меньшим, чем максималь- ный выходной сигнал У я„„, фазометра

9 Ь

18 (фиг.3,б ) Таким образом, если напряжение на выходе ЦАП U<< по величине больше, чем U „, то на выходе компаратора 28 появляется импульс, который открывает ключ l5 и закрывает ключ 16, и наоборот, если напряжение на выходе ЦАП U< меньше U

> то ключ 15 закроется, а ключ, 16 откроется. В результате формируется суммарная статическая характеристика фазометра 18 в цепи временного дискриминатора, которая представлена на фиг,З,г, при этом управляющий сигнал на выходе ключей

15 и 16, зависящий от входной величины Дь, не имеет неоднозначности. Управляющий сигнал с выхода ключей 15 и 16 через ключ 10 осуществляет сначала грубую подстройку периода следования импульсов управляемого генератора 7 в сторону уменьшения выходного сигнала временного дискриминатора 17 до величины порога срабатывания компаратора 28, а затем производится точная подстройка управляемого генератора TQK, чтобы уменьшить вьн,одной сигнал фазометра до нуля. Лфи этом грубая подстройка периода следования импульсов управляемых генераторов осуществляется не постоянным напряжением, которое подается на вход управляемых генераторов, как в известном расходомере, а дискретно изменяющимся по линейной зависимости управляющим напряжением, Т.е. управляющее напряжение на входе управляемых генераторов тем больше, чем больше величина рассогласования д .-, следовательно, и скорость перестройки управляемых генераторов в тактах излучения ультразвука по потоку — против потока существенно выше.

Таким образом, после осуществления грубой и точной подстройки в первом такте измерения период следования импульсов управляемого генератора 7 Т> становится равным времени распространения ультразвукового им1 пульса по потоку а

С + Vcos с6 частота следования этих импульсов равна

1 С +7 cosQ

7 Т

При поступлении на вход блока 5 управления седьмого импульса управляемого генератора 7 на шестом выхо1506279

1О де Е.блока 5 управления формируется импульс сброса 11 (f ), который переключает триггеры 22 и 21 в исходное состояние и обнуляет счетчик 26. По5 сле этого элементы расходомера переключаются в режим работы с преобразованием скорости ультразвука против потока С вЂ” Чсозс в частоту импульсов управляемого генератора 8. 10

Работа расходомера во втором такте измерения происходит аналогично первому. В результате во втором такте измерения происходит точная подстройка периода следования импульсов управляемого генератора 8 Т, который

8 становится равным времени распространения ультразвуковых импульсов

1 против потока а частоС вЂ” Ч cosa та следования импульсов равна

С вЂ” ЧсоноС

8 Т 1

Частотомер 9 измеряет разность частот импульсов на выходах унравляемых генераторов 7 и 8, значение которой пропорционально скорости потока среды. !

Формула изобретения

Автоматический ультразвуковой рас- 45 ходомер, содержащий два установленных на трубопроводе пьезоэлемента, соединенных с коммутатором, блок управления, генератор ударного возбуждения, пеРвый и второй управляемые генераторы, частотомер, первый, второй и третий клюшки, временной дискриминатор, фаэометр, перйый инвертор, первый и второй триггеры, причем выходы . первого и второго. ключей соответственно соединены с входами первого и второго управляемых генераторов, выходы которых соответственно соединены с первыми и вторыми входами блока упТаким образом, автоматический ульт-ЗО развуковой расходомер позволяет повысить точность измерений быстропеременных расходов жидких сред за счет более быстрой перестройки управляемых генераторов н режиме грубой под- 35 стройки частоты следования их импульсов. Ускорение процесса перестройки достигается за счет замены статической характеристики управляющего сигнала с релейной на дискретно изменяю- 4р щуюся по линейной занисимости. ранления и частотомера, выходы блока управления соединены: первый — с управляющим входом первого ключа и первым управляющим входом коммутатора, второй — с управляющим входом второго ключа и с вторым упранляюшим входом коммутатора, третий через генератор ударного возбуждения — с сигнальными входами коммутатора и третьего ключа, четвертый — с управляющим входом третьего ключа, пятый — с управляющим входом временного дискриминатора, шестой — с нулевым входом первого триггера и единичным входом второго триггера, нулевой вход которого через первый инвертор соединен с вторым выходом временного дискриминатора, первый выход которого соединен с единичным входом первого триггера, ныход коммуI татора соединен с сигнальными входами фазометра .и временного дискриминатора, опорный вход которого соединен с опорным входом фазометра и выходом третьего ключа, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью

1 повышения точности измерения расхо-. да, он снабжен первым и вторым элементами И, элементом ИЛИ, счетчиком, цифрбаналоговым преобразователем, компаратором,,четвертым, пятым,шестым и седьмым ключами, операционным усилителем и вторым иннертором, причем первые входы первого и второго элементов И соединены соответственно с единичным входом первого триггера и нулевым входом второго триггера, а вторые входы — с седьмым выходом блока управления, входы элемента

ИЛИ соединены с выходами первого и второго элементов И, а выход — с сигнальным нходом счетчика, установочный вход которого соединен с шестым выходом блока управления, выходы счетчика соединены с нходами цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с сигнальным входом компаратора и сигнальными входами четвертого и пятого ключей, выходы которых соответственно подключены к неинвертирующему и инвертирукицему входам операционного, усилителя, а управляющие входы подключены соответственно к выходам первого и второго триггеров, опорный вход компаратора соединен с восьмым выходом блока управления, а выход через второй иннертор соединен с управляющим входом

1506279

Составитель М. Абросимов

Техред А; Кравчук Корректор О, Кравцова

Редактор И. Горная

Заказ 5419/42 Тираж 660 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101 седьмого ключа, сигнальный вход которого соединен с выходом фазометра, а выход — с сигнальными входами первого и второго ключей, и с выходом шестого ключа, сигнальный вход которого соединен с выходом операционного усилителя, а управляющий вход— с выходом компаратора.