Ультразвуковой расходомер

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик п 11964455(31 М. Кл. С 01 Г 1/66 с присоединением заявки Ио -Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий, Дата опубликования описания 07.10.82133) УДК 681. 121, 8(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,Р 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 схеми И, при этом выход запоминающего элемента подключен ко входу схема 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 синхрокольцо 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 импульсовпервого 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 выходупервой схемы И, третью схему И,подключенную первым входом к выходу первой схемою 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 первим входом к второму выходу первого элемента памяти, вторым входомк второму 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 схемы И, второй вход 0 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 од" новременную работу двух синхроколец в одном акустическом канале.Ультразвуковой расходомер содержит акустический преобразователь 1 (Фиг.1) с пьезоэлементами 2 и З,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, схем И 13 и 14,запоминающие эле-9 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 к общего для синхроколец акустического преобразователя 1, к первому синхрокольцу подключен блок О запуска, состоящий из схемы 11 поиска к автоподстройки Фазы, подключенной своим выходом к входу автогенератора 5,выход которого через делитель 7 частоты и формирователь 9 рабочих импульсов подключен к первым входам схеьи 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- В чен к второму входу запоминающего элемента 16, выход которого соединен с вторыми входами схемы 11 поиска ,и автоподстройки Фазы и схемы И 14. Второе синхрокольцо (которое является 5 ведомым) состоит из последовательносоединенных приемника 21, схемы 17запрета, формирователя 19 к акустического преобразователя 1, к второму синхрокольцу подключен блок запуска,состоящий кэ схемы 10 поиска и автоподстройки Фазы, подключенной своимвыходом к входу автогенератора 4, выход которого через делитель 6 частоты, Формирователь 8 рабочих импульсов и блок 12 анализа подключен кпервым входам схемы поискаи автоподстройки фазц 10,схемы И 13 и запоминающегоэлемента 15, выход схемы И 13 соединен с вторыми входами формирователя19 и схемы 17 запрета, выход которойподключен 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 соединен с вторим выходом Формирователя 9рабочих импульсов первого синхроколь.ца, а .его второй выход - с третьимвходом Формирователя 19 первого синхрокольца, измерительный блок состоит кз 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 своимвыходом к первому входу второй схемы И 26 и первому входу третьейсхемы И 21, подключенной выходом кустановочному входу первого элемента 28, памяти, первый выход которого соединен с информационным входомвторого элемекта 29 памяти, первыйвыход которого подключен к первомувходу четвертой схемы И 30. Инверсный выход элемента 29 памяти подключен к второму входу пятой схеви И 31 и к стирающему входу элемента 28 памяти, инверсный выход которого соединен с первым входом схемы И31,. подсоединенной своим выходом кустановочному входу делителя 24 частоты. При этом первый вход делителя24 частоты, объединенный с вторымвходом схемы И 25 к тактовым входомэлемента 29 памяти, а также второйвход схемы И 26 и второй вход схемыИ 30 являются одними входами блока12 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 следующимобразом,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 напряженийнапряжение на выходе схемы 11 поиска и автоподстройки фазы равно нулю. При этом период следования импульсов управляемого автогенератора 5 минима- ленТ фиг. 3 а,). Кроме того, должно выполйяться условие, чтобы период следования импульсов с выхода делителя 7 частоты с коэффициентом деления К Тф. 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 электро- акустическому 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 Р 5-триггер,при )этом на его выходе высокий уровень. . На 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 выходаформирователя 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 йзд Поскольку период импульсов с выхода формирователя 9 рабочих импульсов минимален и меньше с ,то второй импульс с выхода схема И 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 поступают на схему 11 5 поиска и автоподстройки фазы, увеличивая напряжение на ее выходе. Приэтом .период управляемого автогенератора 5 увеличивается до тех пор, пока к моменту прихода импульса с при О емника 21 на схему 18 запрета схема :,18 запрета не оказывается открытойимпульсом с выхода схемы И 14, Тогдаимпульс с приемника 21 проходит черезсхему 18 запрета на вход формирова теля 20 импульсов возбуждения, запуская его передним Фронтом отрицательного импульса - ведущее синхро;кольцо расходомера запущено. Одновременно отрицательный импульс с выходасхемы 18 запрета поступает нэ входзапоминающего элемента 16, устанавливая на его выходе низкий уровень,так что на схему И 14 подается "Запрет", что приводит к.ограничению дли тельности импульса иа ее выходе (момент времени с на фиг.3 в). При этомогрзадний фронт положительного импульсана выходе схемы И 14 будет совпадатьс передним фронтом отрицательногоимпульса на выходе схемы 18 запретат.е, дальнейшая работа управляемогоавтогенератора 7 не оказывает влияния;на работу синхрокольца следовательно.управляемый автогенератор 5 автоматически отключаЕтся. В дальнейшем З 5 ведущее синхрокольцо работает непрерывно.После этого схема 11 поиска иавтоподстройки Фазы из режима поиска переходит в режим автоподстройки 40 фазы управляемого автогенератора 5 симпульсами автоциркуляции синхрокольца. Высокий уровень на выходезапоминающего элемента 16 вновь установится по заднему Фронту положи 4 тельного импульса с выхода формирователя 9 рабочих импульсов.Импульсы с выхода формирователя 9 рабочихимпульсов поступают на вход схемы11 поиска и автоподстройки фазы, а Она другой ее вход поступают импульсыс выхода запоминающего элемента 16,передний фронт которых совпадает спередним фронтом импульса синхрокольца, прошедшего схему 18 запрета, зСхема 11 поиска и автоподстройки фазывыделяет ошибку рассогласования по .времени между импульсом с выхода Формирователя 9 рабочих импульсов ипередним фронтом импульса автоциркуляции синхрокольца, преобразует ошиб- бОку. в управляЮщий сигнал, с помощьюкоторого управляет частотой и фазойавтогенератора 5. Причем подстройкапроизводится таким образом, чтобы передний фронт импульса автоциркуляции 65 синхрокольца,по времени находилсявнутри импульса с выхода формировхеля9 рабочих,импульсов,предпочтительно наего середине. Тогда схема 18 запрета,а следовательно, ведущее синхрокольцо будет открываться по переднемуфронту импульса с выхода формирователя 9 рабочих импульсов,а закрыватьсяпо переднему фронту импульса,щнхрокольца, т.е. время открытого синхро"кольца составит половину длительностиимпульса .с выхода формирователя 9 рабочих импульсов. С точки зрения поме хозащищенностк длительности импульсас выхода формирователя 9 рабочих импульсов выбирают равной (1-2)Ф от пе. риода следования импульсов автоциркуляции.В случае нарушения электроакустического канала импульсы с выхода формирователя 9 рабочих импульсов будутпродолжать поступать на вход схеьи 2 О11 поиска и автоподстройки Фазы, Увеличивая напряжение на ее выходе. Вриэтом период импульсов на выходе формирователя 9 рабочих импульсов будетувеличиваться. При напряжении. Омдна выходе схемы 11 поиска и автоподстройкй фазы этот. период будет максимален, схема 11 поиска и автоподстройки фазы осуществит разряд этогонапряжения до нуля, после чего устЗОройство будет работать так, как былоописано выше. Таким образом, в ведущем синхрокольце импульсы,.с выходаавтогенератора 5 оказываются связанными по частоте и фазе с импульсамисинхрокольца, но частота этих им. пульсов вК раз выше частоты импульсов синхрокольца, где К - коэффициент деления делителя частотыимпульсов. Чтобы осуществить запускрасходомера в первом цикле изменения 46периода импульсов автогенератора 5,казей последующий период импульсов с выхода формирователя 9 рабочихимпульсов изменяют ие более, чем на .длительность импульса с выхода формирователя,Аналогично проходит запуск и восстановление работы ведомого синхрокольца.При одновременной работе двух щсинхроколец диаграмма напряжений навыходах отдельных блоков выглядятследующим образом. На фкг. 4 а показаны импульсы на выходе делителя 7 частоты импульсов, на фкг. 4 в - кмпуль"сы, поступающие с формирователя 9 ра бочих импульсов, на схему И 14; нафиг. 4 г - сигналы ведущего синхрокольца., принятые приемником; а нафиг. 4 д - импульсы, излучаемые Формирователем 20. Как видно иэ фиг.4 ги фиг. 4 д, ведущее синхрокольцо работает постоянно и его период равенТ ведущего.Коэффициент деления делителя,бчастоты выбирают таким образом,чтобы частота импульсов на его выходе была в целое число раз вьше частоты импульсов ведомого синхрокольца (на фиг. 4 е - в два раЪа). Формирователи 7 и 9 рабочих импульсов Формируют кз импульсов с выходов делителей б и 7 частоты импульсы запрета (фиг. 4 ж и фиг, 4 б).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. 4 и), фронты которых совпадают с фронтами импульсов, излучаемыхформирователем 19 (фиг. 4 н), Эти импульсы (фиг. 4 и) 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. 4 ж), импульсов запомненной фазы (фиг. 4 и) импульсов, которые должны поступать на схему Й 13, запоминающий элемент 15 и схему 10 поиска и автоподстройкн фазы ( фиг, 4 з ) с частотой также в целое число раз выше частогы ведомого синхрокольца (в рассматриваемом случае в два раза). Яоэтому 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. 4 м),и импульсытолько четной последовательности поступают через устройство 12 анализа на схему И 13, запоминающий элемент 15 и схему 10 поиска и автоподстройки фазыПоскольку 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 664455 10чхрокольцу - 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 Форми- 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 ведомо- рабочих импульсов. После наступления го синхрокольца (например четная совпадения блок 12 анализа обеспечи-. последбвательность), 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. 4 з) с выхода Формировательности и начинает пропускать вателя 8. Частота этих импульсов такимпульсы нечетной последовательности же в два раза выде частоты ведомого которая сдвинута на полперйода отно синхрокольца. Поскольку эти импульсы сительно четной. При этом схема 17 находятся внутри импульсов запрета запрета оказываетсязакрытой 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 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 4 л ), 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 на первом выходе элемента 28 памяти пульсам. низкий уровень. Этот уровень подает.После этого блок 12 анализа наци- З 0 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 уровень закрывает кольца нечетной последовательности . по первому входу схему И 30 и импуль(Фиг. 4 к ). При новом приближении сы (Фиг. 4 и) запомненной Фазы посту- сигналов Синхроколец происходит вновь пающие на второй вход схемы И 30 с35Ф 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 свыходов . , При совпадении импульсов запрета автогенераторов 4 и 5 поступают на синхроколец в схеме И 27 на ее высмеситель 22, который выделяет раэ ходе появится импульс, который постуностную частоту в К раз более высокую пит на установочный вход элемента 28 чем разность частот синхроколец, ко- памяти, устанавливая на его первом торая пропорциональна скорости потока. выходе высокий уровень. Этот уровеньдля обеспечения нормальной рабо- поступает на информационный вход тоспособности длительности импульсов 45 элемента 29 памяти подготавливая егощфУ запретавыбирают из условия к записи информации о наличии совпадения импульсов запрета. Эта информа 2 Г ция записывается в элемент 29 памяти где Т - минимальный период синхро- по переднему Фронту импульса (фиг,4 к)50 запрета ведомого синхрокольца, постуколец;.М - отношение частоты импульпающего на тактовый вход элемента 29сов на выходе делителя 6 памяти с выхода фоРмирователя. 8. И начастоты к частоте ведомого восстановление работы ведомого синсинхрокольца.хрокольца с выхода Формирователя 8(Фиг. 4 и) запомненной Фазы.выбирается из условия Одновременно после совпадения им 2 и Т .пульсов запрета синхроколец низкийс С уровень второго выхода элемента 28 Теперь р сс р боле и б б 0 памяти пройдя через схему И 31 на .Р . " установочный вход элемента 24 памяти,еперь рассмотрим более под обноработу блока 12 анализа (Фиг. 2). устайовит на его выходе низкий Уро-.Импульсы (Фиг. 4 ж) запрета ведо- фвень. 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 выхода формиро- е 5 ы И 25. По переднему фронту импульса 32 (фиг. 4 к) 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, т.е. 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 широкоприменяемьц в настоящее время радио- элементов.формула изобретенияультразвуковой 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, вторуюсхему И, подключенную первым входомк выходу первой схемы И, третью схему И, подключенную первым входомк выходу первой схемы И, первый элемент памяти, подключенный первым входом к выходу третьей схемы И,второй.элемент памяти, подключенный первым 10 входом к первому выходу первого элемента памяти, четвертую схему И,подключенную первым входом к первому выходу второго элемента памяти, и пятуюсхему И, подключенную первым входом 35 к второму выходу первого элемента памяти, вторым входам - к второму входу первого элемента памяти, вторымвходом - к второму входу первогоэлемента памяти и к второму выходу 20 втсрого элемента памяти и выходомк второму входу делителя частоты,первый вход которого; объединенныйс вторым входом первой схемы И ивторым входом второго элемента памяд ти, а также второй вход второй схемы И, второй вход четвертбй схемы Ии второй вход третьей схемы И являются входами блока анализа, а выходы второй и четвертой схемы И яв- ЗО ляются его выходами.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР Р 802792, кл. 6 01 Г 1/66, 1978,