Ультразвуковой измеритель скорости движения среды

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для одновременного измерения скорости движения среды и скорости ультразвука и ней. Цель изобретения - повышение точности за счет выявления сигнала поправки на индикаторы скорости ультразвука и скорости движения среды. Аттенюатор 6 позволяет сравнить амплитуды принятых сигналов, прошедших среду в различных направлениях . Принятые колебания суммируется на усилителе 7 и смесителе 8, и выявляются частоты биений. Модуль сигнала претерпевает двойные изменения от минимума до максимума: низкочастотные и высокочастотные . При одинаковых амплитудах принятых сигналов погрешности выявляются в вычислителе 17 и добавляются с помощью сумматоров 11 и 15 на индикаторы 12 и 16 скорости ультразвука и скорости движения среды 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (s»s G 01 F 1/66

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) 792077 (21) 4714016/28 (22) 03.07.89 (46) 23,11.91. Бюл, М 43 (71) Каунасский политехнический институт им. А.Снечкуса (72) В.А. Сука цкас (53) 532.574 (088.8) . (56) Авторское свидетельство СССР

1Ф 792077, кл. G 01 F 1/66, 1977. (54) УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ

СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ СРЕДЫ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для одновременного измерения скорости движения среды и скорости ультразвука а ней.

„„. Ж „„1á93388 А2

Цель изобретения — повышение точности за счет выявления сигнала поправки на индикаторы скорости ультразвука и скорости движения среды. Аттенюатор 6 позволяет сравнить амплитуды принятых сигналов, прошедших среду в различных направлениях, Принятые колебания суммируются на усилителе 7 и смесителе 8, и выявляются частоты биений. Модуль сигнала претерпевает.двойные изменения от минимума до максимума: низкочастотные и высокочастотные. При одинаковых амплитудах принятых сигналов погрешности выявляются в вычислителе 17 и добавляются с помощью сумматоров 11 и 15 на индикаторы 12 и 16 скорости ультразвука и скорости движения среды, 2 ил.

1693388

Изобретение относится к измерительной технике, может быть использовано для одновременного измерения скорости движения среды и скорости ультразвука в ней или параметра, зависящего от скорости ультразвука, температуры, давления и является усовершенствованием измерителя по авт.св. М 792077, Целью изобретения является повышение точности за счет введения поправки на индикаторы.

На фиг. 1 изображена структурная схема измерителя; на фиг. 2 — зависимость погрешности, подлежащей компенсации, от параметров сигнала биений.

Генератор 1 высокочастотного напряжения с прямолинейной модуляцией частоты с блоком 2 управления подключен к одному из входов коммутатора 3, к среднему контакту которого подключены электроакустический преобразователь 4 непосредственно, а преобразователь 5— через аттенюатор 6, Другой вход коммутатора 3 через усилитель 7 соединен с входом смесителя 8, а другой вход смесителя 8 соединен с генератором 1. К выходу смесителя

8 подключена последовательная цепь, состоящая из фильтра 9 высоких частот, преобразователя 10 период-напряжение, первого двухвходового сумматора 11 и индикатора 12 скорости ультразвука. К другому выходу смесителя 8 подключен фильтр 13 нижних частот и первый вычислитель 14, связанный также с выходом фильтра 9. Выходы вычислителя 14 и первого сумматора

11 связаны через второй сумматор 15 и индикатор 16 скорости движения среды. Второй вычислитель 17 через измерители 18 и

19 текущего напряжения связан с выходами усилителя 7 и преобразователя 10 период — напряжение. Вычислитель 17 подключен на управление источником 20 постоянного напряжения, выход которого соединен с вторыми входами сумматоров 11 и 15, На фиг, 2 изображены зависимости нормированного отклонения частоты сигнала на выходе усилителя 7, т.е. погрешности результата биений как функции нормированного времени. Параметр семейства кривых — отношение амплитуд принимаемых преобразователями 4 и 5 сигналов.

Измеритель работает следующим образом.

Напряжение генератора 1, частота которого под воздействием блока 2 управления изменяется по прямолинейному закону, поступает на один из входов коммутатора 3, Коммутатор 3 сигналом с блока 2 управления периодически подключает электроакустические преобразователи 4 и 5 к выход,. генератора 1(на время, меньшее времени пробега ультразвука расстояния L) или к входу усилителя 7. Ультразвуковые волны

5 излучаются преобразователями в направлении одна к другой и достигают их с задержками Т1 и Тг, равными:

10 С+Ч С вЂ” V где С вЂ” скорость ультразвука в неподвижной среде;

V — проекции скорости среды на направ15 лении распространения ультразвука.

Частоты f1 и fz обоих сигналов, принятых преобразованных преобразователями в электрическое напряжение, соответственно равны:

20 f) = 1и(1 — КТ1), fz = 1и(1 КТг) (2). где f< — частота излучаемого з данный момент времени ультразвука.

К вЂ” коэффициент пропорциональности, равный скорости изменения частоты гене25 ратора 1, Оба колебания суммируются на входе усилителя 7. Вследствие биений между ними сигнал на выходе усилителя 7 является синусоидальным электрическим колебани30 ем частоты (fr+fr)/2, амплитуда которого изменяется от минимума (равного нулю, если оба сигнала одинаковой амплитуды) до максиму:" с частотой f<-1г=Рн. Этот сигнал поступает на один вход смесителя 8, на другой

35 вход которого подается сигнал генератора 1 с частотой f<. Вследствие биений между сигналами частот f> и (т1+12)/2 модуль суммар,ного сигнала претерпевает двойные изменения от минимума до максимума; ниэ40 кочастотные с частотой f< — 1г=Ен, высокочастотные с частотой т1+ г

fn

=Fg

В действительности излучаются и принимаются не непрерывные колебания, а вырезанные из него пачки импульсов, Однако это обстоятельство влияния на работу не

50 оказывает, если частота подключения коммутатора 3 значительно больше FB.

Иэ формулы (1) и (2) вытекают следуюшие зависимости (с погрешностью порядка ч!с:

С = = КПВТ,, (3) ю„к

69",;388

С FH 05с TdFí К 10

2К1 Тн Fa 2 где Ts, Т вЂ” периоды высокочастотных и низкочастотных биений соответственно.

Однако указанные формулы верны только тогда, когда амплитуды принятых преобразователями 4 и 5 волн равны. В противном случае частота. результата биений на входе усилителя не равна (т1+12)/2 и, как результат этого, период высокочастотных биений Тн отличен от значения Т, треI буемого формулой (3), что вызывает погрешность С и V.

Зависимости погрешности частоты выходного сигнала усилителя fz по сравнению

1 с (f1+f2)/2 изображены на фиг. 2..0ни получены численным моделированием на персональном компьютере. Погрешность fy (т1+12)/2 нормирована относительно разности двух крайних значений частоты, получаемых при амплитуде сигнала с частотой f2, равной нулю, и при одинаковых амплитудах принятых сигналов. В первом случае часто2ц та f1, во втором (т1+12)/2, т.е, нормированная погрешность, равна

f1 + г

f1 +f2

11—

2 (5) 30

f1 +f2 1 — (6)

При наличии погрешности

Fa = 1= в + ЛРв, 1 гДе Fe = ти — fy, а так как fy (f1+f2)/2, то в уравнение (7) внесена поправка ЛТ . Она равна

Абсциссы на графике нормированы относительно периода огибающей низкочастотных биений 2Тн = 2 / (— — — ), 1

f1 тг

В крайних случаях, когда амплитуды принятых сигналов равны, Kt = О, а когда

BMflJ1HTÓË8 одного сигнала Равна О, отноше- 40 ние амплитуд тоже О, К = 1. Остальные. графики соответствуют отношениям 0,3;.

0,5; 0,7; 0,9. Из графиков следует, что погрешность частоты сигнала на выходе усилителя имеет кратковременный значительный выброс, что вносит погрешность в результаты измерения С и V.

При отсутствии погрешности можем написать:

f1 + f2

AF, = К1 (f< — — Р - ) =- К1 F„=- К1, Т, (8)

При наличии погрешности точное значение Fa неизвестно, но для расчета поправки по формуле (8) достаточно считать F, = F„, а

1 1 последнее, точнее, — = Тв измеряется в Fe устройстве непосредственно, Таким образом,на вход индикатора 12 должно поступать согласно формуле (3) напряжение Ов, пропорциональное Т>, т.е.

1 1

Us =Òâ= Тц — ЛТв . (9)

FB FIB +h,FB

На вход индикатора 16 должен поступать согласно формуле (4) сигнал, пропорциональный г

Тв (Тв} — 2 Жв. (1 О)

На выходах смесителя 8, состоящего в простейшем случае из сумматора .и амплитудного детектора, выделяется сигнал, содержащий частоты FB и F„, Сигнал с частотой Fa выделяется фильтром 9 высоких частот и через преобразователь 10 период— напряжение поступает на индикатор 12 скорости ультразвука в среде. Сигнал с частотой FH выделяется фильтром 13 нижних частот и поступает на вычислитель 14.

Вычислитель 14 вырабатывает напряжение, и ропорциона lbHQB /(Тн Еа). Индикатор 16, являющийся измерителем отношения напряжений. в простейшем случае логометром, показывает величину, пропорциональную

Согласно формулам (3) и (4) показания индикаторов пропорциональны соответственно С и V.

Сигнал поправки вырабатывается вычислителем 17 таким образом. Он периодически опрашивает измерители 18 и 19. Из массива показаний измерителя 18 вычислитель 17 выделяет максимальное. пропорци-:÷àëüHoå сумме амплитуд, и минимальное, r эопорциональное разности, и по ним определяет отношение амплитуды. Далее алгоритм работы вычислителя 17 следующий, Определение кривой К1 = f (t/2TH), соответствующей данному соотношению амплитуд

Определение абсциссы t/2 Т для данного текущего момента времени из текущих максимальных и минимальных показаний измерителя 18, 1693388

Получение поправки Кг из данной кривой, Она может быть получена расчетом, если в вычислитель заложено выражение К как функции t/2. Т> и отношения амплитуд, или из таблицы, если в компьютер заложены 5 функции (фиг.2), в табличном виде.

Расчет hT по формулам (7)-(9) и выдача управляющего сигнала на регулируемый источник 20, Напряжение с источника 20 добавляет- 10 ся к входному напряжению индикатора 12 один раз, а к сигналу индикатора 16 — два раза посредством сумматоров 1.1 и 15 (формулы (9) и (10}) Пункты 1 — 4 алгоритма выполняются непрерывно, определение 15 отношения амплитуды — с заданной периодичностью. Из анализа огибающей невозможно указать, которая из амплитуд больше или меньше, т,е. возникает неопределенность в знаке поправки, Для исключения 20 этого в цепь электроакустического преобразователя 5 введен аттенюатор 6, и отношение амплитуд поддерживается однозначно между О и 1.

В качестве измерителей 18 и 19 могут

1 быть рекомендованы серийные аналогоцифровые преобразователи в микросхемном исполнении, Вычислитель 17— однокристальная 3ВМ, источник 20 — серий- 30 ный цифроаналоговый преобразователь в микросхемном исполнении, Сумматоры 11 и 15 — операционные усилители, Положительный эффект достигается тем, что уменьшается погрешнос ; за счет введения поправки. То обстоятельство, что с помощью вновь введенных элементов обрабатываются низкочастотные сигналыогибающая, способствует применению широко распространенных цифровых и вычислительных узлов, простых и дешевых.

Формула изобретения

Ультразвуковой измеритель скорости движения среды по авт,св, К 792077, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения точности, он снабжен последовательно соединенными первым измерителем текущего напряжения, вход которого подключен к выходу усилителя, вторым вычислителем, регулируемым источником постоянного напряжения и первым сумматором, второй вход которого связан с выходом преобразователя период-напряжение, а выход — с входом индикатора скорости ультразвука, вторым измерителем текущего напряжения, выход которого подключен к второму входу второго вычислителя, а вход — к выходу преобразователя период-напряжение и второму входу первого сумматора, вторым сумматором, включенным между выходом регулируемого источника постоянного на-. пряжения и входом индикатора скорости движения среды, и аттенюатором, включенным между оцним из электроакустических преобразователей и коммутатором, а выход первого сумматора подключен к второму входу -торого сумматора, 1693388

0375 jZr, Составитель Л. Кондрыкинская

Тех ред M. Моргентал Корректор Т. Малец

Редактор О. Хрипта

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101

Заказ 4068 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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