Ультразвуковой расходомер

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (11964455 (61) Дополнительное к ввт. свид-вур 802792 (22) Заявлено 051179 (21) 2830551/18-10

Р(М К з

G 01 F 1/66 с присоединением заявки Но—

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (23) Приоритет

Опубликовано 0710.82. Бюллетень М 37, Дата опубликования описания07. 10.82 (i3) УДК681. 121. 8 (088.8) (72) Авторы изобретения

Э.A.Çàëåññêèé и В.В.Сьвыляев

4(. ЕСОЫЗН А Я

ЙАТЕКТНРТЕХНИЧЕСКАМ

ВЫИ1еОТЕвА, . (71) Заявитель (54 ) УЛЬТРАЗВУКОВОЙ РАСХОДОМЕР

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 проььшленности.

По основному авт.св.9 802792 . известен ультразвуковой расходомер, включающий 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 схем ми И, при этом выход запоминающего элемента подключен ко входу схем И, выход которой соединен с вторыми входами формирователя и схемы запрета, 25 няходом подключенной ко второму входу .запоминающего элемента, и измерительный блок, состоящий из смесителя, входы которого подключены к выходам двух автогенераторов, а выход — к 30 входу, индикатора, причем первое син хрокольцо снабжено формирователем рабочих импульсов, вход которого подключен к выходу делителя частоты, а выход — к входам схемы И и запоминающего элемента, а второе синхрокольцо снабжено формирователем рабо" чих импульсов, вход которого подключен к, выходу делителя частоты,к его выходам одними входами подключен блок анализа, другой вход которого подключен к второму выходу формирователя рабочих импульсов первого синхрокольца, а иыходы — один к входам схемы И и запоминающего элемента,а второй — к третьему входу формирователя (1).

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

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

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

964455 первой схемы И, третью схему И.подключенную первым входом к выходу первой схема И, первый элемент памяти, подключенный первым входом к выходу третьей схемы И, второй элемент памяти, подключенный первым входом к первому выходу первого эле.мента 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 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 схемй И, второй вход четвертой схемы И и второй вход тре-. твей схемы И являются входами блока анализа, а выходы второй и четвертой схемы И являются его выходами.

На фиг. 1 изображена блок-схема ультразвукового расходомера; на фиг. 2 — блок-схема блока анализами на фиг. 3 — диаграммы 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 пьезоэлементами 2 и 3,авто-:5 генераторы 4 и 5, делители 6 и 7 частоты, формирователи 8 и 9 рабочих импульсов, схемы 10 и 11 поиска и автоподстройки,фазы, блок 12 анализа, схема И 13 и 14,запоминающие эле- менты 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 синхроколец приемника 21, схемы 18 запрета, формирователя 20 и общего для синхроколец акустического преобразователя 1, к первому синхрокольцу подключен блок О заг уска, состоящий из схемы 11 поиска 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 схегы 11 поиска и автоподстройки фазы, схемы И 14 и запоминающего элемента

16, выход схема И.14 соединен с вторыми входами формирователя 20 и схемы 18 запрета, выход которой подклю- @ чен к второму входу запоминающего элемента 16, выход которого соединен с вторыми входами схемы 11 поиска

ix автоподстройки фазы и схема И 14. Второе синхрокольцо (которое является >S ведомым) состоит из последовательно соединенных приемника 21, схегы 17 запрета, формирователя 19 и акустического преобразователя 1, к второму синхрокольцу подключен блок запуска, состоящий иэ схемы 10 поиска и автоподстройки фазы, подключенной своим выходом к входу автогенератора 4, выход которого через делитель 6 частоты, формирователь 8 рабочих импульсов и блок 12 анализа подключен к первым входам схемы поискаи автоподстройки фазы 10,схемы И 13 и запоминающего элемента 15, выход схемы И 13 соединен с вторыми входами формирователя

19 и схемы 17 запрета, выход которой подключен к второму входу запоминающе; го элемента 15, выход которого соединен, с вторыми входами схеьы поиска, и автоподстройки фазы 10 и схемы И 13, другой вход блока 12 анализа соеди нен 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 (фиг. 2), выход которого подключен к первому входу первой схемы И 25, подключенной своим выходом к первому входу второй схемы И 26 и первому входу третьей .схемы И 21, подключенной 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 выход элемента 29 памяти подключен к второму входу пятой схеваю 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

1 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 питающих напряжений напряжение на выходе схемы 11 поиска и автоподстройки фазы равно нулю. При этом период следования импульсов управляемого автогенератора 5 минималенТ„щ„(фиг. 3 а,). Кроме того, должно выполйяться условие, чтобы период следования импульсов с выхода делителя 7 частоты с коэффициентом деления К Т„„,) . 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 импульсов. При этом на выходе формирователя 9 рабочих импульсов низкий уровень. Этот уровень фиксируется запоминающим элементом 16, в качестве которого можно использовать P,S-триггер,при этом íà его выходе высокий уровень. . Ha 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 схемы 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 формирователя 20 осуществляется задним фронтом положительного импульса,т.е. по отрицательному перепаду. Импульс с формирователя 20 (фиг. 3 г) поступает на пьезоэлемент 3, преобразуется в ультразвуковой сигнал, который проходит контролируемую среду и,принимается пьезоэлементом 2,преобразующим его в электрический .сигнал. Этот сигнал поступает на приемник 21, где усиливается и формируется в прямб,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 езд, .

Поскольку период импульсов с выхода формирователя 9 рабочих импульсов минимален и меньше „,то второй импульс с выхода схем H 14 поступает на вход схемы 18 запрета раньше, чем ,импульс 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 поступакт на схему 11

5 поиска и автоподстройки фазы, увеличивая напряжение на ее выходе. При этом .период управляемого автогенератора 5 увеличивается до тех пор, пока к моменту прихода импульса с при10 емника 21 на схему 10 запрета схема

:,18 запрета не оказывается открытой импульсом с выхода схемы И 14. Тогда импульс с приемника 21 проходит через схему 18 запрета на вход формирователя 20 импульсов возбуждения, запуская его передним фронтом отрицательного импульса — ведущее синхро. кольцо расходомера запущено. Одновременно отрицательный импульс с выхода схемы 18 запрета поступает нэ вход запоминающего элемента 16, устанавливая на его выходе низкий уровень, так что на схему И 14 подается "За прет", что приводит к.ограничению дли25 тельности импульса иа ее выходе (момент времени t на фиг. 3в) . При этом

orp задний фронт положительного импульса на выходе схемы И 14 будет совпадать с передним фронтом отрицательного импульса на выходе схемы 18 запрета т.е. дальнейшая работа управляемого автогенератора 7 не оказывает влияния

;на работу синхрокольца следовательно управляемый автогенератор 5 автоматически отключаЕтся. В дальнейшем

З5 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 положи45 тельного импульса с выхода формирователя 9 рабочих импульсов.Импульсы с выхода формирователя 9 рабочих импульсов поступают на вход схемы

11 поиска и автоподстройки фазы, а

50на. другой ее вход поступают импульсы с выхода запоминающего элемента 16, передний фронт которых совпадает с передним фронтом импульса синхрокольца, прошедшего схему 18 запрета. Схема 11 поиска и автоподстройки фазы выделяет ошибку рассогласования повремени между импульсом с выхода формирователя 9 рабочих импульсов и передним фронтом импульса автоциркуляции синхрокольца, преобразует ошиб60 ку. в управляЮщий сигнал, с помощью которого управляет частотой и фазой автогенератора 5. Причем подстройка производится таким образом, чтобы передний фронт импульса автоциркуляции

45синхрокольца по времени находился

964455 внутри импульса с выхода формиров хеля

9 рабочих,импульсов,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,синхрокольца, т.е. время открытого синхрокольца составит половину длительности импульса с выхода формирователя 9 ра- 10 бочих импульсов. С точки зрения поме хозащищенности длительности импульса с выхода формирователя 9 рабочих импульсов выбирают равной (1-2)Ф от пе. риода следования импульсов автоцир- 15 куляции.

В случае нарушения электроакустического канала импульсы с выхода формирователя 9 рабочих импульсов будут продолжать поступать на вход схеьи 2О

11 поиска и автоподстройки фазы, Увеличивая напряжение на ее выходе. При этом период импульсов на выходе формирователя 9 рабочих импульсов будет увеличиваться. При напряжении. 0 д„ на выходе схемы 11 поиска и автоподстройкй фазы этот. период будет максимален, схема 11 поиска и автоподстройки фазы осуществит разряд этого напряжения до нуля, после чего уст ЗО ройство будет работать так, как было описано выше. Таким образом, в ведущем синхрокольце импульсы,.с выхода автогенератора 5 оказываются связанными по частоте и фазе с импульсами синхрокольца, но частота этих им. пульсов в К раз выше частоты импульсов синхрокольца, где К - коэффициент. деления делителя частоты импульсов. Чтобы осуществить запуск расходомера в первом цикле изменения 46 периода импульсов автогенератора 5, каждяй последуюций период импульсов с выхода формирователя 9 рабочих импульсов изменяют ие более, чем на . длительность импульса с выхода фор- 45 мирователя.

Аналогично проходит запуск и восстановление работы ведомого синхрокольца.

При одновременной работе двух 5() синхроколец диаграмма напряжений на выходах отдельных блоков выглядят следующим образом. На фиг. 4а . показаны импульсы на выходе делителя 7 час.тоты импульсов, на фиг. 4в - импуль" сы, поступающие с формирователя 9 ра бочих 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.4r и фиг. 4д, ведущее синхрокольцо работает постоянно и era период равен

Т ведущего.

Коэффициент деления делителя.б частоты выбирают таким образом, чтобы частота импульсов на его выходе была в целое число раз вьше частоты импульсов ведомого синхрокольца (на фиг. 4е - в два pa&a) . Формирователи

7 и 9 рабочих импульсов формируют из импульсов с выходов делителей б и .7 частоты импульсы запрета (фиг. 4ж и фиг. 4б).

Поскольку автогенераторы 4 и 5 жестка связаны по частоте и фазе с последовательностями импульсов. соответствующих синхроколец, несложно выполнить. требование, чтобы импульсы запрета охватывали сигналы, принятые пьезодатчиками. Наличие импульсов запрета 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, излучаемых формирователем 19 (фиг. 4н). Эти импульсы (фиг. 4и) в дальнейшем будем называть импульсами, запомненной фазы.

Поскольку частота импульсов с выхода делителя б частоты в целое число раз выше частоты ведомого синхрокольца, формирователь 8 рабочих импульсов формирует последовательности импуль- . сов запрета (фиг. 4ж), импульсов запомненной фазы (фиг. 4и) импульсов, которые должны поступать на схему Й

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). Иоэтому 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 автоподстройки фронты импульсов запомненной фазы, например четной последовательности, совпадают с фазами импульсов излу- . чаемых формирователем 19, т.е. синхронны с импульсами ведомого син-, хрокольца. Имйульсы запрета четной последовательности охватывают прини- маемый 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 син9 964455 10 ч хрокольцу — оно работает непрерывно. вателя 8 на первый вход делителя 24

Кроме того, блок 12 анализа контро- частоты и второй вход схемы И 25. лирует совпадение импульсов запрета . Поскольку первый вход схемы И 25 четной последовательности с формиI соединен с выходом делителя 24, на рователя 8 рабочих импульсов и им- выходе схемы И 25 будет выделяться пульсов запрета с формирователя 9 5 каждый второй импульс запрета ведоморабочих импульсов. После наступления го синхрокольца (например четная совпадения блок 12 анализа обеспечи-. последовательность). Частота следовает сдвиг по фазе импульсэв авто- вания этих импульсов равна частоте циркуляции ведомого синхрокольца на ведомого синхрокольца. Эти импульсы .полпериода. Это достигается тем,что 10 поступают на первый вход схемы И 26. блок анализа перестает пропускать на На второй вход схемы И 26 поступают схему И 13 импульсы четной последо- импульсы (фиг. 4з) с выхода формировательности и начинает пропускать вателя 8. Частота этих импульсов такимпульсы нечетной последовательности же в два раза вьые частоты ведомого которая сдвинута на полперйода отно- 15 синхрокольца. Поскольку эти импульсы сительно четной. При этом схема 17 находятся внутри импульсов запрета

+ I запрета оказывается закрытой для им- на выходе схемы И 26 будет выделяться пульсов. синхрокольца, соответствую-. .каждый второй импульс из поступающих щих четным последовательностям и на второй вход схемы И 26, которые открытой для импульсов, соответствую- 20 поступают на один выход блока 12.Им.щих нечетным. Одновременно блок анали- пульсы с выхода схемы И 25 поступают за пропускает на запуск формирова- также на первый вход схемы И 27 на теля 19 один импульс запомненной фазы второй. вход которой поступают с втоиз нечетной последовательности (фиг. рого выхода формирователя 9 импульсы

4л ), который восстанавливает работу 25(фиг. 4 б )запрета ведущего синхроведомого синхрокольца сдвигом на пол- кольца. При отсутствии .совпадения империода. Дальнейшая фазовая автопод- пульсов запрета синхроколец в схеме И стройка происходит по нечетным им- 27 на первом выходе элемента 28 памяти . пульсам. низкий уровень. Этот уровень подает.После этого блок 12 анализа нани- З0 ся на информационный вход элемента 29 нает контролировать совпадение им- намяти .Поэтому на первом выходе эле- . пульсов запрета ведущего синхрокольца мента 29 памяти будет постоянно низс импульсами запрета ведомого синхро- кий уровеуь. Этот уро е ь закрывает кольца нечетной последовательности . по первому входу схему И 30 и импуль(фиг. 4к ). При новом приближении сы (фиг. 4и) запомненной фазы посту сигналов Синхроколец происходит вновь пающие на второй вход схемы И 30 с.

Ф сдвиг по фазе импульсов автоциркуля- выхода формирователя 8, не проходят ции в ведомом синхрокольце на пол- на выход блока 12 анализа. периода и т.д. Импульсы с выходов -, При совпадении импульсов запрета автогенераторов 4 и 5 поступают на синхроколец в схеме И 27 на ее высмеситель 22, который выделяет раэ- 0 ходе появится импульс, который постуностную частоту в К раз более высокую пит на установочный вход элемента 28 чем разность частот синхроколец, ко- памяти, устанавливая íà его первом торая пропорциональна скорости потока. выходе высокий уровень. Этот уровень для обеспечения нормальной рабо- поступает на информационный вход тоспособности длительности импульсов 45 элемента 29 памяти подготавливая его

t запрета выбирают из условия к записи информации о наличии совпадения импульсов запрета. Эта информа2t < ция записывается в элемент 29 памяти где т — минимальный период синхро- по переднему фронту импульса (фиг.4к)

50 запрета ведомого синхрокольца, постуколец;. и — отношение частоты импульпающего на тактовый вход элемента 29 сов на выходе делителя 6 памяти с выхода формиРователя. 8. И на частоты к частоте ведомого восотановление Работы веДомого синсинхрокольца. хрокольца с выхода формирователя 8 (фиг. 4и) запомненной фазы. выбирается из условия Одновременно после совпадения им2 < т. .пульсов запрета синхроколец низкий б С« уровень второго выхода элемента 28 перь сс б 60 1 а и, прой Я ерез схему И 31 на работ бь 12 . становоч и вход элемента 24 па и„ епеРь Рассмотрим более под обно

Работу блока 12 анализа (фиг. 2), устайовит на его выходе низкий уро-, Импульсы (фиг. 4ж) запрета ведо- вень. При этом прекратится выделе,мого синх околь а с .ние четных импульсов запрета ведораза большей частоты этого синхро- ьюго синхрокольца на выходе схекольца поступают с ода форро- 65, И 25 По передне фронту импуль964455

ei 32 (фиг. 4к ) низким уровнем с инверсного выхода элемента 29 памяти, поступающим на стирающий вход элемента 28 памяти, в элементе 28 памяти стирается информация о совпадении импульсов запрета синхроколец, и на информационный вход элемента 29 памяти вновь поступает низкий уровень. Очередной импульс запрета с выхода формирователя 8 переводит эле-. мент 29 памяти в противоположное состояние, при этом схема И 30 закро ется по первому входу, а схема И 11 откроется по второму входу. Низкий уровень с установочного входа элемента 24 памяти снимается, и на выходе схемы И 25 вновь начинают выделяться импульсы запрета, но теперь уже с сдвигом на полпериода, t.å. импульсы нечетной последовательности, и так далее.

Предлагаемый ультразвуковой расходомер обладает более высокой точностью измерения, чем известные расходомеры, прост в реализации и может быть выполнен на основе широкоприменяемыми.в настоящее время радиоэлементов.

Формула изобретения ультразвуковой расходомер по авт. св. В 802792, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения ,точности измерений, устройство анализа содержит делитель частоты,первую схему И,подключенную первым 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 0 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

35 к второму выходу первого элемента памяти, вторым входам - к второму входу первого элемента памяти, вторым входом - к второму входу первого элемента памяти и к второму выходу

;щ втсрого элемента памяти и выходомк второму входу делителя частоты, первый вход которого, объединенный с вторым входом первой схемы И и вторым входом второго элемента памяд ти, а также второй вход второй схемы И, второй вход четвертбй схемы И и второй вход третьей схемы И являются входами блока анализа, а выходы второй и четвертой схемы И явЗ0 ляются его выходами.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе г 1. Авторское свидетельство СССР

Р 802792, кл. G 01 F 1/66, 1978.