Акустический измеритель скорости течения

 

О П И С А Н И Е ()994995

ИЗОВРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистические

Респу4инк (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 31.08.81 (21) - 333444б/18 — 10 (5l)M. Кл.

G 01 P 5/08 с присоединением заявки РЙ (23) Приоритет

Гвоударстюимй квинтет

СССР

IIo делан изобретений и открытий (53) УДK S21.317. .39:531 7 (088.8) Опубликовано 07.02.83. кзллвт@нь Я 5

Дата опубликования описания 0 0 (72) Авторы изобретения

В. М. Кушнир и 10. Н. Колтаков (7l ) Заявитель

Морской гидрофизическнй институт

АН Украинской ССР (54) АКУСТИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ СКОРОСТИ

ТЕЧЕНИЯ

Изобретение относится к технике измерения скорости текучих сред и может быть использовано для измерения скорости течения . в океане, в том числе, для прямых измерений вертикальной скорости при проведении океанографических исследований.

Известен ультразвуковой датчик скорости течения, который содержит два передатчика; два приемника, генератор ультразвуковых сигналов, два усилителя, два детектора и иэt0 меритель интервалов времени 1т).

Недостатком устройства является небольшая точность измерения скорости течении.

Известен также акустический измеритель скорости течения, который содержит первый акустический преобразователь, выход которого соединен через первый приемник с первым .входом второй схемы И, а через первый передатчик — с выходом пеовой схемы ИЛИ, с входом первого счетчика и с С-входом первого О-триггера, выход которого подключен к второму входу третьей схемы И, первый вход которой соединен с вторым входом четвертой схемы И,с выходом генератора опорной частоты, а выход — с входом. второго счетчика, .< второй акустический преобразователь, выход которого подключен через второй приемник к второму входу первой схемы И, а через второй передатчик — с выходом второй схемы

ИЛИ и с С.-входом второго 0-триггера, выход которого соединен с первым входом четвертой схемы И, выход которой подключен к входу третьего счетчика, при этом выход первой схемы И соединен с вторым входом . первой схемы ИЛИ, первый вход которой подключен к входу элемента задержки, выход которого соединен с вторым взводом второй схемы ИЛИ, первый вход которой подключен к выходу второй схемы И (2).

В схеме измерителя осуществляется строго определенное число циклов встречного излучения акустических сигналов, причем в первом цикле излучение акустического сигнала вторым преобразователем относительно первого преобразователя производится с задержкой 1, равной половине времени прохождения акустичес

3 994995 ким сигналом измерительной базы длиной т. е. Т = 1/ 2 С, где С вЂ” скорость звука.

При последующих циклах разница по времени между моментами излучения сигналов первым

1 и вторым акустическими преобразователями .будет уменьшаться на величину !

Л"- 1(1)

С2И2

10 где V — скорость течения,С вЂ” скорость звука.

Во избежание одновременного срабатывания приемника и передатчик, соединенных с одним из акустических преобразователей, число цикло и встречного излучения ограничено следующим соотношением (при С ) ) V ):

2nUL

С 2С откуда

С

"max=

П10(Х

Это предельное число циклов определяет для заданного диапазона измеряемых скоростей течения чувствительность измерителя или 2S цену. единицы его наименьшего разряда.

Недостатком известного акустического измерителя является то, что его чувствительность является фиксированной заранее и не зависит от фактической измеряемой скорости течения. Это приводит к тому, что при ма J лых скоростях течения данные измерений оказываются загрубленными., Целью изобретения является повышение чувствительности при измерении малых скоростей течения.

Поставленная цель достигается тем, что в акустический измеритель введены трехвходовая схема ИЛИ, RS-триггер и два временных селектора, входы которых соединены с выходами RS-триггера, а выходы — соответственно с вторым и третьим входами третьей схемы ИЛИ, первый вход которой йодключен к выходу первого счетчика, а выход — к 0-входу первого. 0-триггера, выход которого соединен с

45 первым входом первой схемы И и с 0 -входом второго 0-триггера, выход которого подключен к второму входу второй схемы И, причем выход первой схемы ИЛИ соединен с

S-входом, а выход второй схемы ИЛИ вЂ” с 50

R-входом RS-триггера.

На фиг. 1 показана схема предлагаемого акустического измерителя скорости течения; на фиг. 2 — временная диаграмма импульсов .в отдельных точках схемы.

Акустический измеритель содержит два устаээ новленных на измерительной базе акустических преобразователя 1 и 2. С первым преобразователем 1 соединены вход первого приемника 3, .

4 представляющего собой усилитель — формирователь сигналов, и выход первого передатчика 4, который представляет собой генератор коротких импульсов, срабатывающий при поступлении на его вход запускающего сигнала. С вторым преобразователем 2 соответственно соединены вход второго приемника 5 и выход второго передатчика 6, аналогичных указанным.

Схема измерителя содержит также первую и вторую схемы ИЛИ 7 и &, первую и, вторую схемы И 9 и 10, элемент 11 задержки, первый и второй 0-триггеры 12 и 13, первый счетчик 14, выход которого совместно с выходами первого и второго временных селекторов 15 и 16 подключены к входам третьей схемы ИЛИ 17, а входы временных селекторов 15 и 16 подключены к раздельным выходам RS-триггера 18. Выход первого 0-триггера 12 через первый вход третьей схемы

И 19 подключен к входу второго счетчика 20. а выход второго 0-триггера 13 через первый вход четвертой схемы И 21 соединен с входом третьего счетчика 22, причем вторые входы схемы И 19 и 21 совместно подключены к генератору 23 опорной частоты.

Измеритель имеет запускающий вход à, его три цифровых выхода подключены к первому, второму и третьему счетчикам, 14, 20 и 22 соответственно.

Акустический измеритель скорости течения работает следующим образом.

В начальный момент времени на запускающий вход а поступает импульсный сигнал, который через схему ИЛИ 7 запускает передатчик 4, формирующий импульс возбуждения акустического преобразователя 1. Одновременно от импульсного сигнала, запускающего вход а, срабатывает элемент 11 задержки, который через. интервал времени TII формирует импульс, запускающий через схему ИЛИ & передатчик 6 и формирующий импульс, излучаемый акустическим преобразователем 2. Сформированные акустические сигналы от преобразователей 1 и 2 распространяются со сдвигом по времени То навстречу друг другу, причем один из них движется по течению а второй — против течения.

Когда акустические сигналы достигают преобразователей 1 и 2, они преобразуются в электрические импульсы, усиливаются, формируются приемниками 3, 5 и подаются на первые входы второй и первой схем И 10 и

9 соответственно. На вторые входы этих логических схем И поступают сигналы с BbIxoдов 0-триггеров 13 и 12 соответственно, причем полярность этих сигналов такова, что сигналы с выходов приемников 3 и 5 проходят через логические схемы И 10 и 9, логические схемы ИЛИ 8 и 7, поступают на входы и -хо

М = (4)

2 С (С ЧС

2 н Ео Тм

1-—

0 То

5 99499 передатчиков 6 и 4, формирующих сигналы возбуждения акустических преобразователей 2 . и 1 соответственно. Этот цикл повторяется.

Импульсные сигналы, поступающие на входы передатчиков 4 и 6 (r и в на фиг; 2), 5 подаются также на С-входы первого и вторвго D-триггеров 12 и 13, счетный вход счетчика 14 и раздельные RS-входы триггера 18.

При этом первый импульс, совпадающий по времени с импульсом запуска, переводит 10

0-триггер 12 в состояние, разрешающее прохождение импульсов через схемы И 9 и 19, а импульс, совпадающий по времени с выходными импульсом элемента 11 задержки, переводит 0-триггер 13 в состояние, разрешающее прохождение импульсов через схемы

И 10 и 21. Это приводит к тому, что в моменты излучения акустических импульсов. преJ образователями 1 и 2 начинает поступать частота опорного генератора 23 через логичес- 20 кие схемы И 19 и 21 на входы второго и третьего счетчиков 20 и 22, а.также обеспечивается возможность многократного повторения циклов излучения и приема акустических сигналов за счет "разрешения" прохождения 2$ через схемы И 10 и 9 импульсов с выходов приемников 3 и 5 к входам передатчиков б и 4 соответственно.

Импульсный сигнал с входа передатчика 4 заполняет первый счетчик 14 до половины зв его емкости, после чего триггер последнего разряда изменяет свое состояние, что. приводит . к тому, что на 0-входе 0-триггера 12 изменяется полярность сигнала, что при поступлении импульса на С-вход приводит к опрокидыванию триггера и формированию потенциалов запрета прохождения частоты опорного генератора 23 на вход счетчика 20 и сигналов с выхода приемника 5 на вход генератора 4. С выхода первого D-триггера 12 сигнац 4о поступает на 0-вход второго 0-триггера 13 и переводит его в состояние, при котором первый же импульс с выхода приемника 6 опрокидывает триггер и тем самым останав- ливает счет импульсов опорной частоты в третьем счетчике 22 и прохождение импульсов с выхода приемника 3 к передатчику 6. Приэтом цикл встречного излучения акустических сигналов прерывается, а в счетчиках 20.и 22 фиксируются коды, пропорциональные времени и циклов прохождения акустических сигналов во встречных направлениях, причем и даВно половине емкости первого счетчика 14.

Вторая цепь остановки счета и прерывания излучения акустических сигналов работает от импульсов в и r (фнг. 2), снимаемых с входов. передатчиков 4 и б. Эти импульсы, поступая на раздельные входы триггера 18, формируют на его выходах последовательности прямо-5 6 угольных импульсов, ширина которых изменяется за каждый цикл встречного излучения из — за того, что прн скорости течения У, скорости звука С и длине измерительной базы

1. время прохождения акустического сигнала по течению будет меньше времени прохождения акустического сигнала против течения на величину

Д1= 2 LЧ/С вЂ” Ф)

Поэтому, в зависимости от направления течения, на одном из выходов jj или л триггера 18 ширина положительных импульсов будет уменьшаться с каждым циклом иа указанную величину, а при достижении некоторого заданного минимального значения Т сработает один из двух временных селекторов 15 или 16, настроенных на этот минимальный интервал.

Через схему ИЛИ 17 сигнал срабатывания одного из временных селекторов 15 или 16 поступает на 0-вход первого 0-триггера 12, что при поступлении первого же импульса на его С-вход приводит к опрокидыванию триг.гера и в дальнейшем к остановке счета в счетчиках 20 и 22, а также к прерыванию циклов встречного излучения акустических сигналов в рассмотренной выше последовательности аналогично случаю заполнения половины первого счетчика 14;

Полученные двоичные коды на первом, втором и третьем счетчиках 14, 20 и 22 поступают на регистрацию и обработку.

Двоичные коды N> и М, сформированные на счетчиках 20 и 22, равны где n — код, записанный в счетчике 14;

fo — частота генератора опорной частоты 23. При заданном времени Тм срабатывания временных селекторов 15 и 16 код и определяется из следующего соотношения:

Т = Т вЂ” n Ь s = — — — (5)

L 21.Чп

Величины скорости течения и скорости звука определяются через полученные значения кодов N, Й2, и следующими выражениями пыо 4 1 ПАКО .1.

Ч = — — — — i С- 2 ° (Ь) Используя соотношения (5) и (б), определяется чувствительность измерителя или цена единицы его наименьшего разряда при усло- . вии С» Ч

7 994995

Как видно, цена единицы наименьшего разряда измерйтеля пропорцинальна измеряемой скорости течения. Это означает, что при измерении больших скоростей происходит автоматическое загрубление чувствительности а.при малых скоростях течения чувствительность автоматически увеличивается таким образом, что отношение сРV /Ч сохраняется постоянным. Применительно к измерению океанических 1Î течений это открывает воэможность прямых измерений вертикальных составляющих скорости в глубинных слоях.

Формула изобретения

Акустический измеритель скорости течения; 1 содержащий первый акустический преобразователь, выход которого соединен через первый приемник с первым вхьдом второй есхемы И, а через первый передатчик с выходом первой схемы ИЛИ, с входом первого счетчика и с

С-входом первого 0-триггера, выход которо\ го подключен к второму входу третьен схемы И, первый вход которой соединен с вторым входом четвертой схемы И и с выходом генератора опорной частотй а выход —.25 с входом второго счетчика, второй акустический преобразователь, выход которого.подключен через второй приемник к второму входу первой схемы И, а через второй передатчик к выходу второй схемы ИЛИ и С-входу вторе го О-триггера, выход которого соединен с пер8 вым входом четвертой схемы И, выход которой подключен к входу третьего счетчика, при этом выход первой схемы И соединен с вторым входом первой схемы ИЛИ, первый вход которой подключен к входу элемента задержки, выход которого соединен с вторым входом второй схемь1 ИЛИ, первый вход которой подключен к выходу второй схемы И, о т л и ч а ю щ н и с я тем, что, с целью повышения чувствительности при измерении малых скоростей течения, в него введены трехвходовая схема ИЛИ, RS-триггер и два временных селектора, входы которых соединены с выходами й3-триггера, а выходы — соответственно с вторым и третьим входами трехвходовой схемы ИЛИ, первый вход которой подключен к выходу первого счетчика, а выход — к 0-входу первого О-триггера, выход которого соединен с первым входом первой схемы И и с О-входом второго О-триггера, выход которого подключен к второму входу

1второй схемы И, причем выход первой схемы

ИЛИ соединен с S входом, а выход второй схемы ИЛИ вЂ” с R-входом RS-триггера.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Агейкин Д. И. Датчики контроля н регулирования, M., "Машиностроение", 1965, с, 747.

2.Авторское свидетельство СССР Х 690392, кл.G 01 P 5/08, 1977 (прототип).

К. 994995

Составитель М. Хаустов

Техред М.Надь

Корректор Е- Роп ко

Редактор А. Шандор

Подписное

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Заказ 631/29 Тираж. 871

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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