CS260193B1

CS260193B1 - Device for gaseous or liquid medium's flow direction and speed ultrasonic digital measuring in space

Info

Publication number: CS260193B1
Application number: CS872914A
Authority: CS
Inventors: Stefan Kocis; Pavol Bystriansky
Original assignee: Stefan Kocis; Pavol Bystriansky
Priority date: 1987-04-24
Filing date: 1987-04-24
Publication date: 1988-12-15
Also published as: CS291487A1

Description

Vynález s.a týká zariadenia na ultrazvuková Číslicové meranie směru a rýchlosti priestc-rového prúdenia plynného alebo kvapalného média s využitím ultrazvukovéj sférické) 'impulzne) vlny.The invention relates to an apparatus for ultrasonic digital measurement of the direction and velocity of the spatial flow of a gaseous or liquid medium using an ultrasonic spherical pulse wave.

Známe sú ínerače, využívajúce pohybová energiu prúdíaceho média na otáč-anie proip3lera šálkóvého alebo listového tvaru a jeho natočenie do směru prúdenia pomocou směrového kríditúka. Ich nevýhodou je žvačšovanie chyby merauia pri mechanickom opotřebení pohyblivých súč-a-stí. Niektoré konštrukcie používajú sondu s vyhríevaným odporovým drOtom alebo vrstvou, ochladzovanou prúdíacim médiom. Umcžňujú merať rýchlosť prúdenia média, ale nie jeho směr.Knobs are known which utilize the motive energy of the flowing medium to rotate the cup or leaf shape and rotate it into the flow direction by means of a directional wing. Their disadvantage is the chewing of the measurement error in the mechanical wear of the moving parts. Some designs use a probe with a heated resistive wire or layer cooled by the flow medium. They allow to measure the flow rate of the medium, but not its direction.

Novsie riešenia, využívajúce unáša-nie Ultrazvukové] vlny prúdiacim médiom, umožňuj ú meraf i priestorové prúdenie. Využívajú úzko smerovanú rc-vinnú ultrazvukovú vlnu samostatné vo všetkých troch pravoúhlých súradnicových osiach. V prvých konštrukciách tohto typu sa meria rýchlosť šírenia ultrazvukovej vlny v každej súradnici dvoma pármi meničov, pričom každý pár pozostáva z jedného vysiel-acleho a jedného prijímacieho meniča. Meranie v priestore teda vyžaduje celko-ve dvanásť elektro-akustických meničov s příslušnými elek2 ironickými obvodmi, preto- sú zariadenia zložité.More recent solutions utilizing ultrasonic wave entrainment to the flowing media allow for spatial flow. They utilize a narrowly directed r-t-wave ultrasonic wave separate in all three orthogonal coordinate axes. In the first constructions of this type, the rate of ultrasonic wave propagation in each coordinate is measured by two pairs of transducers, each pair consisting of one transducer and one transducer. Measurement in space therefore requires a total of twelve electro-acoustic transducers with associated electrical circuits, which makes the equipment complex.

V posledných konštrukciách sú použité recipročně meniče, ktoré menia elektrický signál na -akustické vlnenie -á tiež i akustické vlnenie na elektrický signál. Tým sa ich celkový po-čet v zariadení zníži na šest.In recent designs, reciprocal transducers are used which convert an electrical signal into an acoustic wave as well as an acoustic wave into an electrical signal. This reduces their total number in the device to six.

Nevýhodou uvedených i podobných spdsobov, napr. s odrazenými vlnami je nelineárna a progresivně narast-ajúca závislost chyby merania od rýchlosti a směru prúdenia média. Pri vačších rýchlc-stiach prúdenia s-a- významnejšie upl-atňujú i přídavné chyby, sposobené znosom směrovaného ultrazvukového zvázku mimo a-ktívnej plochy prijímacieho meniča.A disadvantage of these and similar methods, e.g. with reflected waves there is a non-linear and progressively increasing dependence of the measurement error on the velocity and direction of flow of the medium. At larger flow velocities, additional errors due to the bearing of the directed ultrasonic beam outside the acoustic surface of the receiving transducer are also more significant.

Uvedené nevýhody odstraňuje a technický problém rieši číslicový ultrazvukový mera-č směru a rýchlosti prúdenia plynného alebo kv-apalného média v priestore podfa vynálezu. pozostávajúceho zo sondy tvorenej piatimi elektro-akustickými meničmi gufového tvaru a z elektronického obvodu tvořeného zosilňova-čmi, časovačmi, počít-adl-ami, generátorem impulzov- mernej frekvencie, riadiacim obvodom, jednotkou spracov-a-nia, budiacim obvodom a přepínačem s ovládačo-m, ktorého podstatou je, že prvý, druhý a třetí elektroakustický přijímacíThe above-mentioned disadvantages are overcome and a technical problem is solved by a digital ultrasonic meter of direction and flow rate of gaseous or quaternal medium in the space according to the invention. Consisting of a probe consisting of five electro-acoustic bead-shaped transducers and an electronic circuit consisting of amplifiers, timers, counters, a pulse frequency generator, a control circuit, a processing unit, an excitation circuit and a switch with a controller m, whose essence is that the first, second and third electroacoustic receiving

měnič sú umiestnená svojimi stredmi na osiach x, y, z pravouhlej súradnicovej sústavy, v počiatku ktorej je svojím stredom umiestnený štvrtý elektroakustický měnič.the transducers are located by their centers on the axes x, y, of a rectangular coordinate system, at the beginning of which the center of the fourth electroacoustic transducer is located.

Vnútri priestoru myšleného rovnobežnostena, ktorého štyri vrcholy sú tvořené stredmi meničov, umiestnených na osiach x, y, z a v počiatku, je umiestnený piaty elektroakustický měnič, ktorý je spolu so štvrtým měničem recipročný. Prvý, druhý a třetí měnič sú svorkami spojené so vstupmi zosilňovačov, štvrtý a piaty měnič sú připojené cez dvojpólový přepínač rladený ovládačom na vstup štvrtého zosilňovača a na výstup budiaceho obvodu.Within the space of the imagined parallelepiped, whose four peaks are formed by the centers of the transducers located on the x, y, z and initially axes, is the fifth electroacoustic transducer, which is reciprocal with the fourth transducer. The first, second and third transducers are connected to terminals of the amplifier inputs, the fourth and fifth transducers are connected via a two-pole switch controlled by the actuator to the input of the fourth amplifier and to the output of the driver circuit.

Výstupy zosilňovačov sú připojené na nulovacie vstupy časovačov, ktorých nastavovacie vstupy sú spojené s prvým budiacim výstupom riadiaceho obvodu. Druhý budiaci výstup riadiaceho obvodu je spojený so vstupom budiaceho obvodu a prvý nulovaní výstup riadiaceho obvodu je spojený s pomocnými nulovacími vstupmi časovačov. Ich výstupy sú připojené ku hradlovacím vstupom počítadiel, ktorých počítacie vstupy sú spojené s výstupom generátora impulzov mernej frekvencie.The outputs of the amplifiers are connected to the reset inputs of the timers whose setting inputs are connected to the first excitation output of the control circuit. The second driver circuit output is coupled to the driver circuit input and the first driver circuit reset is coupled to the auxiliary timer reset inputs. Their outputs are connected to the gate inputs of the counters whose counter inputs are connected to the output of the pulse generator.

Pomocné nulovacie vstupy počítadiel sú spojené s druhým nulovacím výstupom riadiaceho obvodu, ktorého synchronizačný výstup je spojený so synchronizačným vstupom jednotky spracovania. Jej údajové vstupy sú spojené s údajovými výstupmi počítadiel a jej údajové výstupy sú spojené so svorkou informácie o rýchlosti prúdenia a so svorkou informácie o smere prúdenia. Štartovacia svorka je spojená so Startovacím vstupom riadiaceho obvodu.Auxiliary reset inputs of the counters are coupled to a second reset output of the control circuit whose synchronization output is coupled to the synchronization input of the processing unit. Its data inputs are connected to the data outputs of the counters and its data outputs are connected to the flow rate information terminal and the flow direction information terminal. The start terminal is connected to the Start input of the control circuit.

Výhodou zariadenia pod(a vynálezu je schopnost bezkontaktného merania prúdenia v priestore bez použitia mechanicky pohyblivých súčasti, čím je vylúčená možnost mechanického opotrebenia. V porovnaní s dosial' používanými ultrazvukovými meračmi pozostáva z menšieho počtu elektroakus tických meničov a meranie vyžaduje menší počet meracích taktov, čím sa meranie urýchli. Přitom iba dva meniče sú recipročně, kým zvyšné tri sú prijímacie. Zariadením možno merať prúdenie v priestore. Generováním sférickej ultrazvukové] vlny je vylúčená možnost znosu mimo aktívnej plochy přijímacích meničov.The advantage of the device according to the invention is the ability of non-contact flow measurement in the space without the use of mechanically movable components, thus eliminating the possibility of mechanical wear and tear compared to hitherto used ultrasonic meters and consisting of fewer electroacoustic transducers and requiring fewer measuring cycles. At the same time, only two transducers are reciprocal, while the other three are receiving receivers, and the flow can be measured in space by generating a spherical ultrasonic wave.

Na priloženom výkrese na obr. 1 je znázorněné geometrické rozloženie meničov a na obr. 2 je uvedená bloková schéma zapojení# elektronických obvodov merača.In the accompanying drawing of FIG. 1 shows the geometrical distribution of the transducers, and FIG. 2 is a block diagram of the # electronic circuitry of the meter.

Ako je znázorněné na obr. 1, prvý elektroakustický měnič 1 je umiestnený svójím stredom na x-ovej súradnej osi 6, druhý elektroakustický měnič 2 na y-ovej súradnej osi 7 a třetí elektroakustický měnič 3 na z-ovej súradnej osi 8. Najvhcdnejší tvar meničov je gufový, můžu však byť aj tvaru gufového vrchlíka, připadne i kvázibodové, t. j. s rovinnou aktívnou plochou technicky zanedbatelných rozmerov voči vzájomným vzdialenostiam meničov.As shown in FIG. 1, the first electroacoustic transducer 1 is located at its center on the x-coordinate axis 6, the second electroacoustic transducer 2 on the y coordinate axis 7, and the third electroacoustic transducer 3 on the z coordinate axis 8. be also in the shape of a canopy, eventually quasi-point, i. j. with a plane active surface of technically negligible dimensions relative to the mutual distances of the inverters.

Prvý recipročný měnič 4 je umiestnený v počiatku súradnicovej sústavy a druhý recipročný měnič 5 v priestore myšleného rovnoběžnostěne, v ktorého vrcholoch sú meniče 1, 2, 4, 3. Meniče můžu pracovat na principe elektrostatickom, píezoelektrickom alebo magnetostrikčnom. Svorkami 30, 31, 32, 33, 34 je meracia sonda připojená k elektronickému obvodu merača.The first reciprocal transducer 4 is located at the origin of the coordinate system and the second reciprocal transducer 5 is in the space of the intended parallelepipedal, at the apexes of which are the transducers 1, 2, 4, 3. The terminals 30, 31, 32, 33, 34 are a measuring probe connected to the electronic circuit of the meter.

Meniče 1, 2, 3 sú připojené ku zodpovedajúcim vstupom prvého zosilňovača 9, druhého zosilňovača 10 a tretieho zosilňovača 11. Recipročně meniče 4, 5 sú cez dvojpólový přepínač 14 připojené na štvrtý zosilňovač 12 a na budiaci obvod 13. Přepínáme může byť bezkontaktně. Přepínač 14 je ovládaný ovládačom 16, ktorý je budený z výstupu riadiaceho obvodu 21 so startovacím vstupom 15. Prvý časovač 17, druhý časovač 18, třetí časovač 19 a štvrtý časovač 20 sú bistabilné preklápacie obvody, spojené s riadiacim obvodom 21 a so zodpovedajúcimi výstupmi zosilňovačov 9, 10, 11.The transducers 1, 2, 3 are connected to the corresponding inputs of the first amplifier 9, the second amplifier 10 and the third amplifier 11. Reciprocally, the transducers 4, 5 are connected via a two-pole switch 14 to the fourth amplifier 12 and the driver circuit 13. The switch can be contactless. The switch 14 is actuated by a controller 16 which is driven from the output of the control circuit 21 with the start input 15. The first timer 17, the second timer 18, the third timer 19 and the fourth timer 20 are bistable flip-flops connected to the control circuit 21 and the corresponding amplifier outputs 9, 10, 11.

Na hradlovacie vstupy prvého počítadla 22, druhého počítadla 23, tretieho počítadla 24 a štvrtého počítadla 25 sú připojené zodpovedajúce výstupy časovačov 17, 13, 19, 20. Na počítacie vstupy počítadiel 22, 23, 24, 25 je přivedený výstup z generátora impulzov mernej frekvencie 26 a na ich nulovacie vstupy je připojený výstup riadiaceho obvodu 21. Na údajové vstupy jednotky spracovania 27 sú připojené údajové výstupy počítadiel 22, 23, 24 a 25. Na výstupných svorkách 28 a 29 jednotky spracovania 27 sú informácie o smere a rýchlosti prúdenia.The corresponding outputs of the timers 17, 13, 19, 20 are connected to the gating inputs of the first counter 22, the second counter 23, the third counter 24 and the fourth counter 25. The counter inputs of the specific frequency pulse generator are connected to the counting inputs of the counters 22, 23, 24, 25. 26 and their control inputs 21 are connected to their reset inputs. Data outputs of the counters 22, 23, 24 and 25 are connected to the data inputs of the processing unit 27. The output terminals 28 and 29 of the processing unit 27 have flow direction and speed information.

Činnost zariadenia je nasledovná:Operation of the device is as follows:

Přivedením štartovacieho impulzu na štartovací vstup 15 sa spustí prvý takt merania. Riadiacl obvod 21 spustí budiaci obvod 13, ten vybudí druhý recipročný měnič 5, ktorý vyšle sférickú impulznú ultrazvukovú vlnu. Súčasne riadiaci obvod 21 vybudí nastavovacie vstupy časovačov 17, 13, 19, 20, na výstupoch ktorých sa objavia časové šírkovo modulované měrné impulzy. Počas ich trvania prechádzajú impulzy z generátora impulzov mernej frekvencie 26 na počítacie vstupy počítadiel 22, 23, 24, 25. Pri dopade čela ultrazvukovej sférickej impulznej vlny na aktivně povrchy meničov 1, 2, 3, 4 tieto vybudia zosilňovače 9, 10, 11, 12. Na ich výstupoch sa objavia impulzné signály, ktoré prekiopia časovače 17, 13, 19, 20 do východiskovej polohy. Tým sa ukončí počítanie impulzov mernej frekvencie v počítadlách 22, 23, 24, 25.Applying a start pulse to start input 15 triggers the first measurement cycle. The control circuit 21 triggers an excitation circuit 13, which excites a second reciprocating transducer 5, which transmits a spherical pulsed ultrasonic wave. At the same time, the control circuit 21 excites the setting inputs of the timers 17, 13, 19, 20 at the outputs of which time-width modulated measurement pulses appear. During their duration, pulses from the pulse generator 26 pass to the counting inputs of the counters 22, 23, 24, 25. On the impact of the ultrasonic spherical pulse wave front on the active surfaces of the transducers 1, 2, 3, 4 these excite the amplifiers 9, 10, 12. At their outputs, pulse signals appear, which override timers 17, 13, 19, 20 to the default position. This completes the counting of the specific frequency pulses in the counters 22, 23, 24, 25.

Po ukončení merania v prvom takte riadiaci obvod vyšle riadiace signály na přenos čísel z počítadiel 22, 23, 24, 25 do památi jednotky spracovania 27, potem signály na vynulovanie počítadiel 22, 23, 24, 25Upon completion of the measurement in the first measure, the control circuit sends control signals for number transmission from the counters 22, 23, 24, 25 to the memory of the processing unit 27, then the counters for resetting the counters 22, 23, 24, 25.

I a tiež na vynulovanie Ďasovačov 17, 18, 19, 20 pre případ, že by z nějakých důvodov nedošlo pc· ukončení merania· k vynulovaniu niektnrého. Riadiaci obvod 21 přepne cez ovládač 16 přepínač 14 do druhej polohy, v ktorej si recipročně meniče 4, 5 vymenia funkcie.And also to reset the timers 17, 18, 19, 20 in case there is no reason to reset the measurement. The control circuit 21 switches the switch 14 via the actuator 16 to a second position in which the transducers 4, 5 exchange reciprocally the functions.

Riadiaci obvod 21 spustí automaticky druhý takt merania, ktorý prebieha rovnako ako prvý s tým rozdielom, že obsahy počítá dlel 22, 23, 24, 25 sa přepíšu do iných pamaťových miest jednotky spracovania 27. Pc· ukončení druhého taktu prebehne vyhodnotenie údajov. Jednotka spracovania 27 podía zadaného algoritmu vypočítá směr a rýchlosť prúdenia média. Spracováva pri tom čísla získané v počítadlách 22, 23, 24, 25 počas oboch taktov merania. Čísla reprezentují! doby šírenia ultrazvuku v prúdiacom prostředí.The control circuit 21 automatically starts the second measure cycle, which is the same as the first one, except that the contents counts 22, 23, 24, 25 are rewritten to other memory locations of the processing unit 27. When the second measure is terminated, data evaluation takes place. The processing unit 27 calculates the direction and velocity of the medium according to a given algorithm. In doing so, it processes the numbers obtained in the counters 22, 23, 24, 25 during both measurement cycles. The numbers represent! ultrasound propagation times in a flowing environment.

Využitím všetkých nameraných čísel jednotka spracovania 27 vypočítá rýchlosť prúdenia, která sa objaví na svorke 28 a směr prúdenia, dostupný na svorke 29.Using all the measured numbers, the processing unit 27 calculates the flow rate that appears on the terminal 28 and the flow direction available on the terminal 29.

Popísané rozloženie meničov a příslušný elektronický obvod umožňuje velmi jednoduchým spůsobom zmeniť popísaný merač prúdenia média na merač súradníc polohy druhého recipročného meniča 5, ak sa tento upraví na pohyblivý a spojí sa s objektom, polohu ktorého třeba merať. Přitom algoritmus výpočtu súradníc umožňuje úplné korigovat’ vplyv zmien parametrov média skalárneho charakteru, napr. teploty. Pri využití oboch taktov merania je možné zaviesť i korekciu vplyvu prúdenia média ako vektora, parametre ktorého sa vypočítají! z údajov prvého a druhého taktu merania. Docieli sa tým vyššia presnesť merania.The described layout of the transducers and the associated electronic circuit make it possible in very simple ways to convert the described flow meter to the coordinate meter of the position of the second reciprocating transducer 5, if it is made movable and connected to the object to be measured. In doing so, the coordinate calculation algorithm allows you to completely correct the impact of changes in scalar media parameters, e.g. temperature. Using both measurement cycles, it is possible to introduce a correction of the influence of the medium flow as a vector, the parameters of which are calculated! data from the first and second measure bars. This achieves higher measurement accuracy.

Zariadenie podía vynálezu je možné využiť v meteorologii, hydrologii, vojenskej technike, robotike a inde.The device according to the invention can be used in meteorology, hydrology, military technology, robotics and elsewhere.

Claims

260193 and also for resetting timers 17, 18, 19,20 in case the measurement is terminated for any reason. The control circuit 21 switches the override controller 16 to a second position in which the transducers 4, 5 change functions. The control circuit 21 automatically triggers the second measurement cycle, which is the same as the first, except that the contents counted from 22, 23, 24, 23 are overwritten by other processing locations. -value of data. The pod processing unit27 of the specified algorithm calculates the direction of the fluid flow rate. In doing so, it processes the numbers obtained in counters 22, 23, 24, 23 during both measurement cycles. The numbers represent the ultrasound propagation times in the flowing environment. By using all measured numbers, the processing unit 27 calculates the flow rate that appears at terminal 28 and the flow direction available at terminal 29. The described inverter layout and associated electronic circuit make it very easy to change the described media flow meter to a coordinate meter the position of the second reciprocating transducer 5 if this is adjusted to the movable one and is connected to the object to be measured. The co-ordinate algorithm makes it possible to completely correct the influence of changes in media parameters such as temperature. The use of both measurement cycles can also lead to correction of the flow effect of the akovector medium, the parameters of which are calculated! The measurements of the first and second measurement cycles. The device according to the invention can be used in meteorology, hydrology, military technology, robotics and elsewhere. SUBJECT A device for ultrasonic digital measurement of the direction and flow rate of a gaseous or liquid medium in a space consisting of a probe consisting of five electro-acoustic ball-shaped transducers and an electronic circuit made up of amplifiers, timers, counters, pulse rate generators, a control circuit, a processing unit, an excitation circuit and an actuator switch, characterized in that the first, second and third electroacoustic transducers (1, 2, 3) are located at their centers on the rectangular coordinate system axes (6, 7, 8) , at the beginning of which a fourth electroacoustic transducer (4j and the interior of the intended parallelism, the four vertices of which are formed by the mid-sized transducers (1, 2, 3, 4) is located, is placed a fifth electroacoustic transducer (5), which is the fourth transducer (4) reciprocal, the first, second and third transducers (1, 2, 3) being terminals (30, 31, 32) connected to the inputs of the amplifiers (9, 10, 11), the fourth and fifth transducers (4, 5) are connected via terminals (33, 34) via a two-pole switch (14) controlled by the controller (16 ), to the input of the amplifier (12) and to the output of the drive circuit (13), the outputs of the invention (9, 10, 11, 12) are connected to the inputs of the timers (17, 18, 1.9, 20), the setting inputs of which are coupled by a first driving output driver (21) whose second drive output is coupled to the input of the drive circuit (13) and the first reset circuit controlling the circuit (21) is coupled to the auxiliary painting inputs of the timers (17, 18, 19) , 20), the outputs of which are connected to the gating inputs of the counters (22, 23, 24, 25), whose counting inputs are connected to the output of the specific frequency pulse generator (26), auxiliary reset inputs of the counters ( 22, 23, 24, 25) are connected to a second reset output of the control circuit (21) whose synchronization The output is coupled to a synchronization input of the processing unit (27) whose data inputs connected to the data outputs of the counter (22, 23, 24, 25) and the data outputs of the processing unit (27) are connected to the flow rate information terminal (28) and with a terminal (29) of information about the direction of flow, wherein the terminal (15) is connected to the start input of the control circuit (21). 1 sheet of drawings