Ультразвуковой фазовый цифровой расходомер

СОЮЗ СОВЕТСНИХссцмп абйеснижРЕСПУБЛИН 09) (И) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРП 0 ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И 03 НРЦТЮОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИН:ЮТЮСЬ СНИМУ 6 ВИДЕТВЪСТВУ 4(51) С 01 Р 1/6(54)(57) 1. УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ФАЗОВЬЯ ЦИФРОВОЙ РАСХОДОМЕР, содержащий два обратимых электроакустических преобразователя, закрепленных на измерительном участке трубопровода и соединенных через блок коммутации с усилителем принятых сигналов, управляемый низкочастотный генератор, вход которого подключен к выходу блока управления, фазовйй компаратор и блок выделения разностной частоты, состоящий из последовательно соединенных электронного ключа и реверсивного счетчика и подключенный к выходу блока коммутации, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точности измерений, он снабжен усилителем мощности, двумя высокочастотными . кварцевыми генераторами и тремя смесителями, причем входы первого смесителя подключены к выходам управляемого низкочастотного генератора и первого высокочастотного кварцевого генератора, выход первого смесителя подключен к блоку коммутации через усилитель мощности, первые входы второго,и третьего смесителей подключены. к выходу Второго высокочастотного кварцевого генератора, их вторые вхо- . ды подключены соответственно к выходам усилителей, и первого смЕсителя а выходы - к входам фазового компаратора, при этом выходы третьего смесителя и фазового компаратора подключены к первому и второму входам блока управления.2. Расходомер по п. 1, о т л ич а ю щ и й с я тем, что управляемый низкочастотный генератор выполнен в виде низкочастотного кварцевого генератора, соединенного через блок делителей с многоканальным ком- Е мутатором, причем выход многоканального коммутатора является выходом управляемого низкочастотного генератора.Ф 83. Расходомер по и. 1, о т л ич а ю щ и й с я тем, что блок управления содержит последовательно соединенные формирователь, схему сравнения,первый электронный ключ, второй электронный ключ и реверсивный счетчик, а также высокочастотный кварцевый генератор, выход которого подключен к второму входу первого электронного ключа, инвертор, вход которого подключен к выходу схемы сравнения,а выход через третий электронныйключ подклю-, чен к второму входу реверсивного счет- . чика, при этом выход схемы сравнения дополнительно подключен к второму входу второго электронного ключа, входы формирователя и схемы сравне являются первым н вторым входами блока управления, а выход реверсивного счетчика - его выходом.Изобретение относится к ультразвуковой технике и может быть использовано для измерения расхода жидкостии газов в трубопроводах различногодиаметра в нефтеперерабатывающей, 5химической и других отраслях промышленности.Известен ультразвуковой расходомер,содержащий два преобразователя, переключающий блок, фазовый детектор, 10генератор, индикатор, блок проверкидинамического диапазона, выполненныйв виде последовательно соединенныхзадатчика режима, низкочастотногогенератора и делителя, блок синхронизации, модулятор, демодулятор, фазовый дискриминатор и пороговое устройство 11 .Недостатком известного устройстваявляется недостаточная точность измерения.Наиболее близким к предлагаемомуявляется одноканальный ультразвуковой расходомер, содержащий два обра-.тимых электроакустических преобраэователя, закрепленных на измерительномучастке трубопровода и соединенныхчерез коммутатор с усилителем, фазовый дискриминатор, блок управления,управляемый генератор, преобразова- З 0тель и дискриминатор с входом порогового устройства, выполненного в видепоследовательно соединенных схемысравнения, нуль-органа, интегратора,выход которого подключен к блоку уп- Зравления, выход управляемого генератора подключен к блоку измерения разностной частоты, выполненного в видеэлектронного ключа, соединенного с ре"версивным счетчиком, и через модулятор к коммутатору, одйн из выходовкоторого через демодулятор подключенк дискриминатору, при этом выход нульоргана подключен к третьему входу фазового дискриминатора 2 .45Недостатком данного устройства является низкая точность измерения, ко-,торая обусловлена самопроизвольнымизменением частоты управляемого генератора. Особенно это сказывается при50измерении малых расходов, когда разность частот мала и даже небольшаяпаразитная девиация частоты приводитк значительным погрешностям,Цель изобретения - повышение точ ности измерения расхода. Поставленная цель достигается тем, что ультразвуковой фазовый циф ровой расходомер, содержащий два обратимых электроакустических преобраЬзователя, закрепленных на измерительном участке трубопровода и соединенных через блок коммутации с усилителем принятых сигналов, управляемый низкочастотный генератор, вход которого подключен к выходу блока управления, фазовый компаратор и блок выделения разностной частоты, состоящий из последовательно соединенных электронного ключа и реверсивного счетчика и подключенный к выходу блока коммутации, снабжен усилителем мощности, двумя высокочастотными кварцевыми генераторами и тремя смесителями, причем входы .первого смесителя подключены к выходам управляемого низкочастотного генератора и первого высокочастотного кварцевого генератора, выход первого смесителя подключен к блоку коммутации через усилитель мощности, первые входы второго и третьего смесителей подключены к выходу второго высокочастотного кварцевого генератора, их вторые входы подключены соответственно к выходам фазового компаратора, при этом выходы третьего смесителя и фазового компаратора подключены к первому и второму входам блока управления.Управляемый низкочастотный генератор выполнен в виде низкочастотного кварцевого генератора, соединенного через блок делителей с многоканальным коммутатором, причем выход многоканального коммутатора является выходом управляемого низкочастотного генератора. Блок управления в расходомере содержит последовательно соединенные формирователь, схему сравнения, первый электронный ключ, второй электронный ключ и реверсивный счетчик, а также высокочастотный кварцевый генератор, выход которого подключен к второму входу первого электронного ключа; инвертор, вход которого подключен к выходу схемы сравнения, а выход через третий электронный ключ подключен к второму входу реверсивного счетчика, при этом выход схемы сравнения дополнительно подключен к второму входу второго электронного ключа, входы формирователя и схемы сравнения являются первым и вторым входами блока управления, а выход реверсивного счетчика - его выходом,3 1137306 4В предлагаемом устройстве излучаемая частота формируется как разнбстьчастот высокочастотного кварцевогогенератора и одной из ряда дискретныхчастот, которая выбирается управляемым коммутатором и является стабильной, так как она получена делениемна соответствующий коэффициент частоты низкочастотного кварцевого генератора: 1 О 15 Г = Г ---Йн.чигл ЬЧ 1 с где Г- частота излучения;Й- частота высокочастотногокварцевого генератора;Г - частота йизкочастотногокварцевого генератора;1 с, - коэффициент деления выбранного делителя частоты.Таким образом, при неизменном коде управления многоканальным коммутатором излучаемая частота является стабильной в пределах стабильности кварцевых генераторов. Код управления25 формируется в зависимости от отклонения,измеренной разности фаз частот излучателя и приемника от заданной 3;величины, при этом код изменяется всегда в сторону уменьшения имеющего-З 11 ся разбаланса разности фаз за счет изменения частоты излучения. Таким образом, самой структурой построения предлагаемого устройства исключается паразитная девиация излучаемой часто-З 5. ты. На фиг.1 приведена блок-схема уст-. ройства; на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие работу блока управления.1Устройство содержит обратимые элект роакустические преобразователи 1 и 2, связанные через блок 3 коммутации с усилителем 4 принятых колебаний и с 45 усилителем 5 мощности, вход которого связан с первым смесителем 6 частот, к которому подключен первый высокочастотный генератор 7, Выход усилителя принятых колебаний связан с вторым 50 смесителем 8 частот, который также связан с третьим смесителем 9 и вторым кварцевым генератором 10Выходы двух смесителей частоты подключены к фазовому компаратору 11, который соединен с блоком 12 выборки частоты.Блок. управления состоит иэ формирователя 13, выход которого подключен к схеме 14 сравнения, которая соединена с электронным ключом 15, к другому входу которого подключен высокочастотный кварцевый генератор 16. К схеме сравнения подключен также инвертор 17, который соединен с электронными ключами 18 и 19, выходы которых связаны с входами реверсивного счетчика 20.Управляемый низкочастотный генератор 21 состоит из кварцевого низкочастотного генератора 22 и ряда целителей 23 частоты с различными коэффициентами деления, ксторые связаны между собой, а также с кварцевым генератором и многоканальным коммутато" ром 24.Блок 25 выделения разности частот, соединенный с усилителем мощности, состоит иэ электронного ключа 26, свя. занного среверсивным счетчиком 27, причем электронный ключ соединен с блоком 3 коммутации. Ультразвуковой фазовый цифровой расходомер работает следующим образом.Блок 3 коммутации поочередно подключает к преобразователям 1 и 2 усилитель 5 мощности и усилитель 4 принятых колебаний. Поступающая на вход усилителя мощности частота предтавнч ляет собои разность Г = йигл 8 ц 1 с,Смесители частот 6, 8 и 9 выполнены на основе метода фазирования, поэтому нет необходимости в защите от зеркальной помехи, .так как на выходе смесителей присутствует только одна боковая частота. Принятый и усиленный сигнал поступает на смеситель 8, а излучаемая частота - на смесителв 9. С помощью кварцевого генератора 10 на выходе смесителей 8 и 9 формируются сигналы разностной частоты. Это необходимо для того, чтобы получить возможно большую длительность импульсов 0 на выходе фазового компаратора 11 (фиг.2), так как чем больше длительность самого импульса, соответствующего имеющейся разности фаз, тем больше и длительность приращения, которая возникает за счет изменения скорости потока и переводится в цифровую форму, т.е. чем больше длительность приращен.я, тем точнее она может быть измерена цифровым методом, что особенно, важно при измерении малых скоростей потоков. Разность фазсигналов на выходах смесителей 8 и 9равна разности фаз преобразующих сигналов, Формирователь 13 преобразуетсинусоидальный .сигнал с выхода смесителя 9 который является опережающим по фазе, в импульсы прямоугольнойформы Б (фиг.2). Прямоугольные импульсы И и 01, поступают на схему14 еравнения, которая формирует импульсы 014 (фиг.2), длительность кото Орых равна разности длительностей уи У . Кроме того, на другом выходесхемы 14 сравнения присутствует потенциал 01 (фиг.2) логической ".1" .или "Он в зависимости, от тогока-. 15кой из двух импульсов Бди Пц имеетбольшую длительность. На выходе электронного ключа 15 присутствуют пачкивысокочастотных импульсов 6 (фиг.2),которые формируют высокочастотный . 20кварцевый генератор прямоугольных импульсов 16. Эти пачки импульсов (взависимости от.того, какой потенциална выходе схемы 14 сравнения) черезэлектронный ключ 18 или 19 поступают 25на суммирующий или вычитающий вХодыреверсивного счетчика 20, выходнойкод которого управляет работой многоканального коммутатора 24 и определяет частоту излучения, которая всег-ЗОда Изменяется в сторону уменьшениядлительности импульса Пц. Таким образом, система всегда стремится поддержать разность фаз равной Ьщ =-.Излучаемая частота поступает вблок 25 выделения разности частот,в котором под управлением блока коммутации в реверсивном счетчике 27формируется код, пропорциональныйразности частот, излучаемых по потокуи против него. Разность частот, излучаемых по потоку и против потока(при условии поддержания одинаковойразности фаз между передающим и приемным преобразователями, т.е. одинаковой длины волныакустических ко 1 лебаний в измеряемой среде), пропорциональна скорости потока и не зависит от скорости ультразвука всреде,Ч=-,(й - й) Л 2Я где.Ч Ъскорость потока;длина волны УЗ колебаний,которая поддерживается постоянной;частота УЗ колебаний, излучаемых по потоку;частота УЗ колебаний, излучаемых против потока. Предлагаемое устройство отличается высокой точностью измерения расхода за счет исключения паразитной девиации частоты управляемого генератора, которая приводила к плаванию" показаний измеряемого расхода./5 лцал П 1 Ш "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная,Тираж 7 ВНИИПИ Госудапо делам из 113035, Москв 3 Подписноерственного комитета СССРобретений и открытийа, Ж, Раушская наб.,