Ультразвуковой расходомер

Союз Советских Сецналнстнчесинх Республик(51 М К 3 С 01 Г 1/бб с присоединением заявим Нов Государственный комитет СССР ио делам изобретений и открытий(54) УЛЬТРАЗВУКОВОЙ РАСХОДОМЕР Недостатки известного измерителя обусловлены тем, что два синхрокольца могут устойчиво работать с одним акустическим преобразователем люсь последовательно. Это,приводит к снижению точности измерения скорости потока вследствие изменения физических свойств среды между тактами коммутации. Кроме того, возникает необходимость запоминания .частоты синхроимпульсов одного синхИзобретение относится к области измерения потока и расхода веществ и может быть использовано в нефтяной, химической, гидрометаллургической и других отраслях промышленности.Известен одноканальный ультразвуковой расходомер, включающий два синхрокольца, состоящие из последо- вательно соединенных усилителя фор О мирователя, схемы совпадения, генератора и общего для двух синхроколец акустического преобразователя, и блок управления и регистрации результатов измерения 1).Недостатком известного расходомера является отсутствие автоматического запуска и восстановления его работы после временного нарушения электроакустического канала, которое может возникнуть иэ-за рассеяния ультразвукового луча на газовых пузырьках и других неоднородностях в контролируемой среде.Наиболее близким по технической сущности к предложенному расходомеру является ультразвуковой расходомер, который содержит два синхрокольца, состоящие иэ последовательно соединенных схемы запрета, формирователя и общих для сннхроколец акустического преобразователя и прием-ника, подключенные к синхрокольцамдва блока запуска, каждый из которыхсостоит из схемы поиска и автоподстройки фазы, выход которой черезавтогенератор подключен к делителючастоты, а входы - к одним нэ входовзапоминающего элемента и схемы И,при этом выход запоминающего эле-.:мента подключен к входу схемы И,выход которой соединен со вторымивходами формирователя и схемы запрета, выходом подключенной к второму входу запоминающего элемента, иизмерительный блок, состоящий изсмесителя, входы которого подключены к выходам двух автогенераторов,а выход - к входу индикатора 2 .На фиг, 1 изображена блок-схема ультразвукового расходомера; на фиг. 2 - диаграммы напряжения, поясняющие работу одного синхрокольца с блоком запуска; на фиг, 3 диаграммы напряжений, поясняющие одновременную работу двух синхроколец с одним акустическим преобразователем. Ультразвуконой расходомер содержит акустический преобразователь 1 с 35 пьезоэлементами 2 и 3, антогенераторы 4 и 5, делители частоты 6 и 7, Формирователи 8 и 9 рабочих импульсов, схемы 10 и 11 поиска и автоподстройки Фазы, устройство 12 анализа, схемы И 13 и 14, запоминающие эле- .ф менты 15 и 16, схемы запрета 17 и 18, формирователи 19 и 20, приемник 21, смеситель 22 и индикатор 23. При этом первое синхрокольцо (которое является ведущим) состоит из Я последовательно соединенных общего для синхроколец приемника 21, схемы запрета 18, формирователя 20 и общего для синхроколец акустического преобразователя 1, к первому 50 синхрокольцу подключен блок запуска, состоящий из схемы 11 поиска и автоподстройки фазы, подключенной выходом к входу автогенератора 5, ны" ход которой через делитель частоты 7 и формирователь 9 рабочих импульсов. подключен к первым входам схемы 11 поиска и автоподстройки Фазы, схемы И 14 и запоминающего элемента 16, вы ход схемы И 14 соединен со вторыми входами формирователя 20 и схемы запрета 18 выход которой подключен к второму входу запоминающего элемента 16, выход которого соединен со вторыми входами схемы 11 поиска и.автоподстройки фазы и схемы И 14. 65 б 0,рокольца но время. работы другого, что ведет к дополнительной погрешности измерения.Целью изобретения является повышение точности измерения.Это достигается тем, что первое синхрокольцо расходомера снабжено формирователем рабочих импульсов, вход которого подключен к выходу делителя частоты,а выход - к входам схемы И и запоминающего элемента, а второе синхрокольцо снабжено последовательно соединенными формирователем рабочих импульсов и устройством анализа, причем вход формирователя рабочих импульсов соединен с выходом делителя частоты, один выход устройства анализа подключен к входам схемы И и запоминающего элемента, второй выход - к третьему входу формирователя, а вход устройства анализа соединен с выходом фор О миронателя рабочих импульсов первого синхрокольца. Второе синхрокольцо которое является ведомым) состоит из последовательно соединенных приемника 21, схемы запрета 17, формирователя 19 иакустического преобразователя 1, квторому синхрокольцу подключен блокзапуска, состоящий из схемы 10 поиска и автоподстройки фазы, подключенной выходом к входу антогенератора 4, выход которого через делительчастоты 6, формирователь 8 рабочихимпульсов, и устройство 12 анализаподключен к первым входам схемы 10поиска и автоподстройки фазы, схемыИ 13 и запоминающего элемента 15, выход схемы И 13 соединен со вторымивходами Формирователя 19 и схемызапрета 17, выход которой подключенк второму входу запоминающего элемента 15, выход которого соединен совторыми входами схемы 10 поиска иавтоподстройки фазы и схемы И 13,другой вход устройства 12 анализасоединен со вторым выходом формирователя 9 рабочих импульсов первогосинхрокольца, а его второй выход -с третьим входом Формирователя 19первого синхрокольца, измерительный блок состоит из смесителя 22,входы которого подключены к выходам двух автогенераторов 4 и 5, авыход - к входу индикатора 23,Расходомер работает следующимобразом.Напряжение с выхода схемы 11 поиска и автоподстройки фазы (фиг. 2 е)подается на вход управляемого автогенератора 5, перестраивая его частоту. В момент подачи питающих напряжений напряжение на выходе схемы11 поиска и автоподстройки Фазы равно нулю, При этом период следованияимпульсов управляемого автогенератора 5 минимален Т,(Фиг. 2 а). Крометого,. должно выполняться условие,чтобы период следования импульсовс выхода делителя частоты 7 с коэф-фициентом деления К (ТК) былменьше минимального времени распространения сигнала по электроакустическому каналу. Перестройка периодауправляемого автогенератора 5 выбирается с таким расчетом, чтобы максимальный период импульсов на выходеделителя частоты 7 был больше максимального времени распространения сигнала по злектроакустическому каналу.В момент подачи питающих напряженийимпульс на выходе автогенератора 5отсутствует, поэтому отсутствуютимпульсы и на выходах делителя частоты 7 и Формирователя 9 рабочихимпульсов. При этом на выходе Формирователя 9 рабочих импульсов низкий уровень. Этот уровень фиксируется запоминающим элементом 16, вкачестве которого можно использовать йб-триггер, при этом на еговыходе высокий уронень. На выходе1 20 25 30 35 40 4 50 55 60 65 схемы запрета 18, в качестве кото,рой может быть использована схема И-НЕ, в исходном состоянии высокий уровень.Поскольку выход запоминающего элемента 16 соединен с входом схемы И 14, то первый же положительный импульс с выхода Формирователя 9 рабочих импульсов (Фиг, 2 б) через схему И 14 (фиг. 2 в) поступает иа схему запрета 18, открывая ее, и на запуск формирователя 20. За.пуск Формирователя 20 осуществляет- ся задним Фронтом положительного импульса, т.е. по отрицательному перепаду. Импульс с формирователя 20 (фиг. 2 г) поступает на пьезоэле-: мент 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 прямоугольный импульс (фиг. 2 д), после чего поступает на схему запрета 18. Импульс на выходе приемника 21 задержан относительно импульса с выхода формирователя 20 на время сзб . Поскольку период импульсов с выхода Формирователя 9 рабочих импульсов минимален и меньше с , то второй импульс с выхода схемы И 14 посту-пит на вход схемы запрета 18 раньше, чем импульс с выхода приемника 21, и схема запрета 18 к моменту прихода импульса с приемника 21 оказывавтая закрытой. Тем не менее второй юатульс с выхода схемы И 14 пройдет по злектроакустическому каналу аналогично первому и т,д.Одновременно положительные импульсы с выхода Формирователя 9 рабочих ююнульсов поступают на схему 11 поиска и автоподстройки Фазы, увеличивая напряжение на ее выходе, При этом период управляемого авто- генератора 5 увеличивается до тех пор, пока к моменту прихода импульса с приемника 21 на схему запрета 18 схема запрета 18 не оказывается открыта импульсом с выхода схемы И 14. Тогда импульс с приемника 21 про- ходит через схему запрета 18 на вход формирователя 20 импульсов возбуждения, запуская его передним фронтом отрицательного импульса. Ведущее синхрокольцо расходомера запущено. Одновременно отрицательный импульс с выхода схемы запрета 18 поступает на вход запоминающего элемента 16, устанавливая на его выходе низкий уровень, так что на схему И 14 подается "Запрет", что приводит к ограничению длительности импульса на ее выходе (момент времени с на фиг. 2 в). При этом задний фронт положительного импульса на оговыходе схемы И 14 будет совпадать передним фронтом отрицательногоимпульса на выходе схемы запрета 18, т.е. дальнейшая работа управляемого автогенератора 7 не оказывает влияния на работу синхрокольца, Следовательно, управляемый автогенератор 5 автоматически отключается. В дальнейшем ведущее синхрокольцо работает непрерывно.После этого схема 11 поиска и аэтоподстройки Фазы из режима поиска переходит в режим автоподстройки Фазыуправляемого автогенератора 5 с импульсами автоциркуляции синхрокольца.Высокий уровень на выходе запоминающего элемента 16 вновь установится по заднему фронту положительного импульса с выхода Формирователя 9 рабочих импульсов. Импульсы с выхода формирователя 9 рабочих импульсов поступают на вход схемы 11 поиска и авто- подстройки Фазы, а на другой ее вход поступают импульсы с выхода запоминающего элемента 16, передний фронт которых совпадает с передним фронтом импульса синхрокольца, прошедшего схему запрета 18, Схема 11 поиска и автоподстройки фазы выделяет ошибку рассогласования по времени между , импульсом с выхода Формирователя 9 рабочик импульсов и передним Фронтом импульса автоциркуляции синхрокольца, преобразует ошибку в управляющий сигнал, с помощью которого управляет частотой и Фазой автогенератора 5, Причем подстройка производится таким образом, чтобы передний Фронт импульса автоциркуляции сиихрокольца по времени находился внутри импульса с выхода Формирователя 9 рабочих импульсов, предпочтительно на его середине, Тогда схема запрета 18 и, 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 а выхода формирователя 9 рабочих импульсоэ. С точки зрения помехозащищенности длительность импульса с выхода Формирователя 9 рабочих импульсов выбирают равной 1-25 от периода следованияимпульсов автоциркуляции.В случае нарушения электроакустического канала импульсы с выхода Формирователя 9 рабочих импульсов будут продолжать поступать на вход схемы 11 поиска и автоподстройки фазы, увеличивая напряжение на ее выходе. При этом период импульсов на выходе формирователя 9 рабочих импульсов будет увеличиваться.Прн напряжении О, на выходе схемы 11 поиска и автоподстройки Фазы этот период будет максимален.Схема 11 поиска и автоподстройки Фазы осуществит разряд этого напряжения до нуля, после чего устреВетно будет работать аналогично аж%санному; Таким образом, в веду- веем синжрокольце импульсы с вйхода антогенератора 5 оказываются связанными по частоте и Фазе с импульсами синхрокольца, но частота этих импульсов в К раз нысы частоты импульсов синхрокольца, где Ккозефиционт деления делителя частоты икиульсов, Чтобы осуществить запуск рлсходомера в первом цикле изменения периода имнульеон автогенератора 5, каждый иоследунщий период импульсон с выхода Формирователя 9 рабочих импульсов изменяют не более, чем на длительность импульса с выхода Формирователя.Аналогично проходит запуск и носетеновление работы ведомого синхрокояьца. При одновременной работе двух скнхроколец диаграммы напряжений на выходах отдельных блоков выглядят следующим образом. На Фиг. За показаны ющульсы на выходе делителя 7 частвты импульсов 7 на фиг. Зв-импудьсы, поступающие с Формирователя 9 рабочих импульсон на схему И 14 на Фиг. Зг - сигйалы ведущего синхрокольца, принятые приемником; на фиг. Зд - импульсы, излучаемые Форф мирователем 20, Как видно из фиг.Зг и Зд, ведущее синхрокольцо работает постоянно и его период равен Т ведущегоКоэффициент деления делителя частоты б выбирают таким образом, чтобы частота импульсон на его выходе была в целое число раз выше частоты импульсов ведомого синхрокольца (на Фиг. Зе - в два раза) Формирователи 8 и 9 рабочих импульсов с выходов делителей частоты б н 7 импульсы запрета (Фиг. Зж и Зб). Поскольку автогенераторы 4 и 5 жестко 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 обе спечения исключения моментов совпадений импульсов синхроколец. Кроме того, жесткая связь по частоте и фазе автогвнератора 4 с импульсами ведомого синхрокольца позволяет формирователю 8 рабочих импульсов сформировать импульсы (фиг. Зи), фронты .которых совпадают с Фронтами импульсон, излучаемых Формирователем 19 (фиг. 4 н). Эти импульсы (Фиг. Зи) в дальнейшем будут называться импульсами запомненной Фазы. Поскольку частота импульсов с выхода дели 5 10 15 20 25 30 35 4 О 45 50 55 ЬО теля частоты Ь в целое число раз выше частоты ьедомого синхрокольца, формирователь 8 рабочих импульсов Формирует последовательности импульсов запрета (фиг. Зж), импульсов запомненной Фазы (Фиг. Зи) и импульсов, которые должны поступать на схему И 13, запоминающий элемент 15 и схему 10 поиска и автоподстройки Фазы (Фиг. Зз) с частотой, также, в целое число раз выше частоты ведомого синхрокольца(в рассматриваемом случае два раза). Поэтому каждую из сформированных последовательностей можно рассматривать как результат наложения двух последовательностей импульсов (четной и нечетной) с частотой, равной частоте ведомого синхрокольца, но сдвинутых друг от друга по фазе на полпериода ведомого синхрокольца. При этом за счет Фазовой автоподстройки Фронты импульсов заполненной фазы, например четной последовательности, совпадают с Фазами импульсов излучаемых Формирователем 19, т.е, синхронны с им" пульсами ведомого синхрокольца, Импульсы запрета четной последовательности "охватывают" принимаемый сигнал(фиг.Зм)и импульсы только четной последовательности поступают через устройстно 12 анализа на схему И 13, запоминающий элемент 15 и схему 10 поиска и автоподстройки Фазы.Поскольку ведущее и недомое синхрокольца имеют разницу частот, их сигналы неизбежно постепенно сближаются друг с другом. Чтобы исключить момент совпадения этих сигналов, обеспечивают приоритет ведущему синхрокольцу - оно работает непрерывно. Кроме того, устройство 12 анализа контролирует совпадение импульсов запрета четной последовательности с Формирователя 8 рабочих импульсов и импульсов запрета с формирователя 9 рабочих импульсов. После наступления совпадения устройство 12 анализа обеспечивает сдвиг по фазе импульсов автоциркуляции ведомого синхрокольца на полпериода. Это достигается тем, что устройство анализа перестает пропускать на схему И 13 импульсы четной последовательности и начинает пропускать импульсы нечетной последовательности, которая сднинута на полпериода относительно четной. При этом схема запрета 17 оказывается закрытой для импульсов синхрокольца, соответствующих четным последовательностям, и открытой для импульсов, соответствующих нечетным. Одновременно устройство анализа пропускает на запуск формирователя 19 один импульс запомненной фазы из нечетной последовательности (Фиг. Зл), который восстанавливает работу ведомого синхрокольца со сди - гом на полпериода. дальнейшая фазо"вая автоподстройка происходит по нечетным импульсам.После этого устройство 12 анализа начинает контролировать совпадение импульсов запрета ведущего синхрокольца с импульсами эагрета недо- мого синхрокольца нечетной последовательности (фиг, Зк). При новом приближении сигналов синхроколец происходит вновь сдвиг по фазе импульсов автоциркуляции в ведомом синхрокольцв на полпериода и т.д, Импульсы с выходов автогенераторов 4 и 5 поступают на смеситель 22, который выделяет разностную частоту в К раз более высокую, чем разность частот синхроколец, которая пропорциональна скорости потока.Для обеспечения нормальной работоспособности длительности импульсов. запрета Г выбирают из условия 2 с ,4 где Т - минимальный период сиихроколец й - отношение частоты импульсов на выходе делителя частоты 6 к частоте ведомого синхрокольца.Для рассматриваемого случая =2, и величина Г выбирается из условия 2 Сз формула изобретения Ультразвуковой расходомер, включающий два синхрокольца, состоящие иэ последовательно соединенных схемы запрета, формирователя и общих для синхроколец акустического преобразователя и приемника, подключенные к синхрокольцам два блока запуска, каждый иэ которых состоит из схемы 5 0 15 20 25 ЗО 35 пбиска и автоподстройкн фазы, выходкоторой через автогенератор подключен к делителю частоты, а входык одним из входов запоминающего элемента и схемы И, при этом выход запоминающего элемента подключен квходу схемы И, выход которой соединен со вторыми входами формирователяи схемы запрета, выходом подключенной к второму входу запоминающегоэлемента, и измерительный блок, состоящий из смесителя, входы которогоподключены к выходам двух автогенераторов, а выход - к входу индикатора,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что,с целью повышения точности измерения, первое синхрокольцо снабженоформирователем рабочих импульсов,вход которого подключен к выходу делителя частоты, а выход - к входамсхемы И и запоминающего элемента, авторое синхрокольцо снабжено последовательно соединечными формирователем рабочих импульсов и устройствоманализа, причем вход формирователярабочих импульсов соединен с выходом делителя частоты, оцин выходустройства анализа подключен к входамсхемы И и запоминающего элемента/второй выход - к третьему входу формирователя и вход устройства анализа соединен с выходом формирователярабочих импульсов первого синхрокольца.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССРР 531029 ф кл. 6 01 Г 1/бб, 1972.2. Авторское свидетельство СССРйо заявке Я 2585951/18-10,кл. 0 01 Г 1/66, 03.03.78 (прототип,.Составитель В. Антиповедаеая Кех ед Л. Дч Ко акко Редаккоо т. К одписно д. 4 иал ППП "Патент, г. Ужгород, ул. Проектная аказ 10601/53 ВНИИПИ Государств по делам изобр 113035 Москва Ж