SU1173189A1 - Импульсный одноканальный ультразвуковой расходомер - Google Patents

Abstract

ИМПУЛЬСНЫЙ ОДКОКАНАЛЬНЫЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ РАСХОДОМЕР, содержащий два управл емых генератора, вы ,ходами подсоединенных к входам измерител  разности частот и первого коммутатора, а также последовательно включенные формирователь зондирующих импульсов, второй коммутатор, два приемно-передающих преобразовател , третий коммутатор, усилительформирователь и временной селектор. отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности, в него введены схема временного сравнени , два реверсивных счётчика, два цифроаналоговых преобразовател , а также, последовательно включенные счетчик импульсов, синхронизатор и четвертый коммутатор, причем схема временного сравнени  одним входом подсоединена к выходу временного селектора , другим входом - к синхронизатору , а выходом - к четвертому комNryTaTopy , св занному с входами реверсивных счетчиков, которые через цифроаналоговые преобразователи подключены к входам управл емых геел нераторов, при этом вход счетчика импульсов св зан с выходом первого коммутатора, а выходы синхронизатора подсоединены к временному селектору , к схеме временного сравнени , к каждому из четьфех коммутаторов и формирователю зондирующих импульсов .

Description

Изобретение относитс  к измерительной технике и предназначено дл  измерени  расходов жидких сред в химической, нефт ной, гидрометаллур гической и других отрасл х промьпиленности . Известен импульсный одноканальный ультразвуковой расходомер, основанный на измерении разности временных интервалов при распростра нении ультразвука по потоку и против него. Измерение осуществл етс  с помощью высокостабильного генератора , дискретными импульсами которо го заполн ютс  измер емые временные промежутки. Подсчитанна  счетчиком разность импульсов  вл етс  мерой расхода l . Недостатком указанного рагходоме ра  вл етс  невысока  точность измерений , котора  ограничиваетс  величиной единицы дискретного отсчета т.е. периодом колебаний генератора. Известен импульсный одноканальный ультразвуковой расходомер, содержащий два управл емых по частоте генератора, выходами подсоединенных к входам первого коммутатора, а так же последовательно включенные формирователь зондирующих импульсов,ВТО рой коммутатор, приемно-передакицие преобразователи акустического канал расходомера, третий коммутатор, усилитель-формирователь и временно селектор, при этом вторые вьпсоды управл емых генераторов св заны с измерителем разности частот 21 , Однако дл  указанного устройства характерна недостаточно высока  точ ность измерений, обусловленна  тем, что известное устройство представл ет собой по существу автоматическую систему непрерывного регулирова ни , имеющую значительную зону нечувствительности , а также невысокую оперативность измерений. Целью изобретени   вл етс  повышение точности измерений. достигаетс  тем, что в импульсный одноканальный ультразвуковой расходомер, содержащий два упра л емых генератора, выходами подсоединенных; к входам первого коммутатора и измерител  разности частот, а также последовательно включенные формирователь зондирующих импульсов второй коммутатор, два приемно-пере даюших преобразовател , третий коммутатор , усилитель-формирователь и временной селектор, введены схема временного сравнени , два реверсивных счетчика, два цифроаналоговых преобразовател , а также последовательно включенные счетчик импульсов, синхронизатор и четвертый коммутатор причем схема временного сравнени  одним входом подсоединена к выходу временного селектора, другим входом - к синхронизатору, а выходом - к четвертому коммутатору, св занному с входами реверсивных счетчиков, которые через цифроаналоговые преобразователи подключены к входам управл емых генераторов, при зтом вход счетчика импульсов св зан с выходом первого коммутатора, а выходы синхро ,низатора подсоединены к временному селектору, к схеме временного срав- нени , к каждому из четырех коммута-. торов и формирователю зондирующих импульсов. Подстройку перестраиваемых генераторов осуществл ют дискретным шаговым регулированием частоты каждого опорного генератора путем обеспечени  по цепи обратной св зи системы регулировани  автоколебательного импульсно-дискретного режима подстройки вокруг точки равновеси , соответствующей равенству времени распространени  ультразвука в среде и п-периодам опорного перестраиваемого генератора. Така  подстройка осуществл етс  как дл  перестраиваемого генератора с частотой f|, пропорциональной скорости распространени  ультразвука по потоку среды, так и дл  перестраиваемого генератора с частотой fj, пропорциональной скорости распространени  ультразвука против потока среды . Шаг перестройки выбирают из услови  обеспечени  заданной точности измерений расхода. Если относительную ошибку измерений обозначим через & , то очевидно, что единичный шаг if перестройки по частоте должен быть не более bf,, 6 л f -MSlVU- ( 3 , .. . На фиг. 1 приведена блок-схема ультразвукового расходомера; на фиг. 2 - временные диаграммы сигналов расходомера. . Ультразвуковой расходомер содержит (фиг. 1) два управл емых по частоте генератора 1 и 2, выхода в1 под соединенных к входам первого коммутатора 3, а также последовательно включенные формирователь 4 зондирукщих импульсов, второй коммутатор 5, приемно-передающие преобразователи 6 и 7 акустического канала 8 расходомера, третий коммутатор 9, усилитель-формирователь Ю и времен ной селектор 11, при этом вторые выходы управл емых генераторов 1 и 2 св заны с измерителем 12 разности частот. Кроме того, в него введены схема 13 временного сравнени , вьшо ненна  на основе логических элементов И, два реверсивных счетчика 14 и 15 с цифроаналоговыми преобразовател ми 16 и 17, а также последовательно включенные счетчик 18 импульсов и синхронизатор 19, причем схема 13 временного сравнени  одним - входом подсоединена к выходу времен ного селектора 11,вторым входом - к синхронизатору 19, а выходом - к четвертому коммутатору 20, св занному с входами реверсивных счетчико 14 и 15, которые через цифроаналоговые преобразователи 16 и 17 подключены к входам управл емых по час тоте генераторов 1 и 2, при этом вход счетчика 18 импульсов св зан с выходом первого коммутатора 3, а выходы сиггхронизатора подсоединены к временному селектору 11, к схеме 13 временного сравнени  и к каждому из четырех коммутаторов 3, 5, 9 и 20. Расходомер работает следук цим об разом. Управл емые по частоте генератор 1 и 2 вьфабатьшают непрерывную им .пульсную последовательность со срав нительно большой частотой, равной, например, 10 МГц. С помощью коммутатора 3 она поочередно подаетс  от управл емых генераторов 1 и 2 на вход счетчика 18 импульсов, к выходу- которого подключен.синхронизатор обеспечиваюпщй синхронизированную работу расходомера в целом. С помощ кодовых переключателей,  вл ющихс  элементом конструкции синхронизатора 19 выбирают период зондировани  временные моменты переключений коммутаторов 3, 5, 9 и 20 и положение .сравниваемого импульса, подаваемого на схему 13 временного сравнени . Пусть к счетчику 18 импульсов коммутатором 3 подключен управл емый по частоте генератор 1, генерирующий импульсную последовательность U( (фиг. 2а), На выходе счетчика 18 формируетс  в этом случае непрерьшно мен н ца с  кодова  комбинаци , при совпадении которой с кодовой комбинацией кодовых переключателей синхронизатора 19 последний формирует управл ющие импульсы, строго сфа- зированные с колебани ми генератора : 1. Первый сформнрованньй сикхронизированньй импульс с периодом . обеспечиваклцим полное, затухание реверберационных помех в акустическом канале, подаетс  в момент времени t,- на вход формировател  4 зондирующих иь-шульсов, которьй генерирует короткий возбуждакшшй импульс U (фиг. 2б), поступакицнй в этот период измерений через коммутатор 5 на пьез преобразователь 7 расходомера. При возб кдении приемно-передающий преобразователь 7 генерирует ультразвуковой сигнал, который, распростран  сь в потоке среды акустического канала 8 расходомера, приоб|ретает дополнительное приращение, равное скорости потока среды, и через Epewf Трд (.„р, (фиг. 2в) достиг(ет противоположно расположенного приемно-передающего преобразовател  6. Последний преобразует акустический сигнал в электрический и подает его через коммутатор 9 на вход усилител -формировател  10, в котором прин тый информационный сигнал усиливаетс  и стабилизируетс  по амп.литуде с помощью автоматической регулировки усилени . Дополнительна  частотна  селекци , предусмотренна  на выходе усилител Формировател  10, обеспечивает прохождение на вход временного селекто-, ра Т1 сигналов с частотой,, соответствующей резонансной частоте приемно-передающих преобразователей 6 и 7. Временной селектор 11 разрешает прохождение прин того информационного сг;гнала в пределах временных ворот t3 - t (фиг. 2г), сформированных синхронизатором 19, на вход схемы t3 временного сравнени . Схема 13 сравнивает взаимное временлое положение вьщеленного усилите-лемop шpoвaтeлeм 10 переднего фронта j(5 прин того сигнала в момент времени tj (фиг, 2д) с передним фронтом сравниваемого импульса U( , поступающего с синхронизатора 19 в момент времени t (фиг. 2е). В зависимости от того, какой импульс поступил раньше на вход схемы 13 времен ного сравнени , последн   формирует на своем выходе и &1ульсы записи +1 или -1, которые через коммутатор 20 подаютс  на соответствующие входы .реверсивного счетчика 14 (фиг. 2ж и 2и). Дальнейша  работа расходомера основана на выравнивании временного положени  tj импульса сравнени  U, с временным положением tj информацион ного импульса U ( , сформированно го по прин тому ультразвуковому Сигналу. Указанное выравнивание осуществл етс  по схеме 13 временного сравнени  с помощью замкнутой системы автоматической дискретношаговой подстройки частоты i управл емого по частоте генератора 1, состо щей из коммутатора 20, реверсивного счетчика 14, цифроаналогового преобразовател  16, управл емого по частоте генератора 1, коммутатора 3, счетчика 18 импульсов, синхронизатора и схемы 13 временного сравнени . Предположим, что импульс сравнени  U| пришел на схему 13 взаимного временного сравнени  раньше (момент времени ty, фиг. 2е), чем информационный импульс и,о (момент времени tj , фиГо 2д). В этом случае на выхо де схемы 13 формируетс  счетный импульс , который через коммутатор 20 подаетс  на счетный вход 1 реверси ного счетчика 14 (фиг. 2ж). Реверси ный счетчик 14 по этому импульсу соответствующим образом измен ет на единицу свое состо ние, которое бьш в него занесено в предьщущие циклы измер ений. Код числа, полученный в результате этого, преобразуетс  хщф роаналоговым преобразователем 16 в уровень напр жени  U,g (фиг,.2к), ко торым производитс  подстройка часто ты управл емого генератора 1 на величину , равную единичному шагу перестройки , к частоте, пропорциональ ной скорости распространени  ультра звука по потоку среды. На этом заканчиваетс  период подстройки управл емого по частоте генератора 1 при измерении по потоку среды (в соответствии с направлением движени  среды, указанным на фиг. 1). Дпинным тактовым импульсом Uj , поступившим с синхронизатора (фиг.2л), коммутаторы 3, 5, 9 и 20 в момент времени t.g устанавливаютс  в состо ние , обеспечивающее включение управл емого по частоте генератора 2 в измерительный контур расходомера дл  измерени  скорости распространени  ультразвука по потоку среды. Процесс подст)7ойки частоты управл емого по частоте генератора 2 осуществл етс  в описанном пор дке по замкнутой цепи: схема 13 взаимного временного : сравнени , коммутатор 20, реверсивный счетчик 15, цифроаналоговый преобразователь 17, управл емый по частоте генератор 2, коммутатор 3, счетчик 18 импульсов и синхронизатор. Предположим, например, что импульс сравнени  U|g пришел на схему 13 временного сравнени  позже (момент времени t, фиг. 2е), чем на информационный импульс U|,jj. (момент времени tg, фиг. 2д), Б этом случае на выходе схемы 13 формируетс  счетный импульс, который через коммутатор 20 подаетс  уже на счетньй вход , +1 реверсивного счетчика 15 (фиг.2и). Реверсивный счетчик 15 также соответ ствующим образом измен ет свое состо ние , увеличива  на единицу числовое значение, полученное им в предь -дущпе такты измерений. Цифроаналоговый преобразователь 17 преобразует результирую1ци1 код числа в уровень напр жени  U (фиг. 2м), которь м и производитс  подстройка управл емого гекаратора 2, вырабатьгоающего часто-i ту, пропорциональную скорости ульт- , развука против потока среды. Далее длинный тактовый импульс U/g (фиг..2л) Заканчиваетс , и расходомер с помощью коммутаторов 3, 5, 9 и 20 снова переходит в режим измерени  i и подстройки генератора 1, вырабатьшающего частоту, пропорциональную скорости ультразвука по потоку сре;у 1. Таким образом, осуществл етс  подстройка частот генераторов 1 и 2 по каждому периоду измерений дискретно-щаговым регулированием до тех

пор, пока не произойдет выравнивание моментов времени t, t прихода импульсов сравнени  с синхронизатора и моментов времени t, tg информационных импульсов по каждому из направлений измерени  скорости ультразвука. При достижении сравнени  указанных моментов времени на величину, по времени меньшую дискретного шага подстройки, система автоматической подстройки частоты осуществл ет в одни периоды работы автоколебательный импульсно-дискретный режим подстройки вокруг момента времени tj , соответствук цего времени распространени  ультразвука по потоку среды, а в другие периоды работы - автоколебательный импульсно-дискретный режим вокруг момента времени tg, соответствующего распространению ультразвука против потока среды. В свою очередь, такой же автоколебательный режим работы

совершают и частоты fj   f Управл емых генераторов 1 и 2. Усредненное значение частоты управл емого 5 по частоте генератора 1, полученное в результате этого, пропорционально скорости распространени  ультразвук по потоку среды, а усредненное значение частоты управл емого по часто

10 те генератора 2 пропорционально ско рости распространени  ультразвука против потока среды.

Измеритель 12 разности частот, подключенный к выходам управл емых

15 по частоте генераторов 1 и 2, регистрирует разностную величину их частот, пропорциональную скорости потока среды в акустическом канале расходомера.

20 Испытани  расходомера показали, что его можно примен ть в тех област х науки, техники и производства , где требуетс  измер ть расход жидких сред с высокой точностью.

&Ч

Claims (1)

1. ИМПУЛЬСНЫЙ ОДНОКАНАЛЬНЫЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ РАСХОДОМЕР, содержащий два управляемых генератора, выводами подсоединенных к входам измерителя разности частот и первого коммутатора, а также последовательно включенные формирователь зондирующих импульсов, второй коммутатор, два приемно-передагацйх преобразователя, третий коммутатор, усилительформирователь и временной селектор, ¹ отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в него введены схема временного сравнения, два реверсивных счётчика, два цифроаналоговых преобразователя, а также последовательно включенные счетчик импульсов, синхронизатор и четвертый коммутатор, причем схема временного сравнения одним входом подсоединена к выходу временного селектора, другим входом - к синхронизатору, а выходом - к четвертому коммутатору, связанному с входами реверсивных счетчиков, которые через цифроаналоговые преобразователи подключены к входам управляемых генераторов, при этом вход счетчика импульсов связан с выходом первого коммутатора, а выходы синхронизатора подсоединены к временному селектору, к схеме временного сравнения, к каждому из четырех коммутаторов и формирователю зондирующих импульсов .