CN2047781U

CN2047781U - 小管径超声波流量计

Info

Publication number: CN2047781U
Application number: CN 88220240
Authority: CN
Inventors: 张瀚; 梁青阳; 桂德东; 阎锐; 富强
Original assignee: Air Force No2 Training School Of Aeronautical Technology Pla
Current assignee: Air Force No2 Training School Of Aeronautical Technology Pla
Priority date: 1988-11-21
Filing date: 1988-11-21
Publication date: 1989-11-15

Abstract

一种小管径超声波流量计。它是在现有的频差法超声波流量计的基础上，增加了由集成电路构成一个时间滤波电路，可以克服超声波流量计在用于小管径时产生的影响测量的杂波干扰，又增加一个由集成电路构成的数字延时电路并配合单个锁相环电路，得到测量时流量与声速无关的效果，从而排除声速温漂对流量的影响。

Description

本项技术属于流量测量仪器。

由于超声波流量计可以实现探测装置与被测流体非接触式测量。具有使用方便，适应较广的测量环境的特点，因此自身的技术发展得很快，特别是集成电路出现，锁相环路设计与使用，使得超声波流量计成为常用的可靠的流体测量器具。目前，由美国、日本、荷兰等国家生产定型产品。这些产品所达到的基本功能指标为：测速范围0－±12米／秒，可测最小管径为1／2吋，最高精度为±0.5％。

尽管超声波流量计的设计与制造已达到成熟的程度，但也同任何其他事物一样有它不足的地方。本领域的技术人员都知道，制造适用于大管径超声波流量计还比较容易，其工作也比较可靠。但对于小管径超声波流量计，问题就比较复杂。所以目前适用于小管径的超声波流量计较少。价格也比较昂贵。其原因是小管径超声波流量计要解决这种测量仪器和工作环境即小管径的适应关系。

需要解决的第一个问题是在换能器（探测头）中超声波发射器与接收器和管道之安装关系。在较大管径中，超声波发射换能器、接收换能器一般都是分别置于管道两侧，置于同侧会产生杂波干扰；但对小管径来说，超声波发射换能器和接收换能器置于管道两侧会由于距离过近满足不了声程的要求，只好置于管道同侧，这种安装方式所产生的杂波，管径越小越严重，这就产生一个如何消除杂波干扰问题，此外，由于管径小，声速温漂的影响会导致测量不准，必须有复杂的修正和补偿电路。

当前一些国家较为先进的产品中，在防止杂波干扰问题上，较多采用的是延时整形电路，但这种电路也只能排除主波到达后的杂波干扰，不能排除主波前的干扰，在声速温漂补偿上，国内LES－01型和国外频差法超声波流量计与下面所要叙述的本项技术构思有类似之处，但是它们都还附带有时间检测器，两套控制器和压控振荡器。因此国内外超声波流量计（特别是可适用于小管径的超声波流量计）线路异常复杂，价格也就异常昂贵。

为了克服现有的上声波流量计上述的不足，本项技术构思设计了两部分电路，一个是时间滤波电路，用以清除杂波干扰，另一个是利用数字延时电路配合单个相相环消除声速温漂的影响，从而达到了在保持测量功能的情况下，减化电路，降低造价，提高工作的可靠性，便于这种流量计的推广。

其具体电路结构如附图，其中u₂、u₃、u₄、u₅、为接电源端。时间滤波电路所涉及的元件：

集成电路IC₇（1／24001）：集成电路IC₈（1／24011）：

集成电路IC₉（1／44061）：集成电路IC₁₀（4522）：

集成电路IC₁₁（4522）：集成电路IC₁₂（1／24011）：

电容器C₁₈、C₁₉：电阻R₁₀、R₁₁、R₁₂、R₁₃：

半导体三极管BG₃（1815）

半导体二极管D₂₁、D₂₂、（2CK14）

其电路工作过程为：当接通电源后，锁相环IC₂₀的“4”端输出较低频率的启始同步脉冲，由于IC₁₇触发器“S”端平时处于高电平，故启始同步脉冲可通过与非门使IC₁₇触发器“R”端加上负脉冲，触发器输出高电平。此后，除了“S”端输入负脉冲，同步脉冲就不能再通过IC₁₇输出。IC₁₇输出正脉冲后，一方面此脉冲经发射触发电路使BG₁₄导通，接着BG₁₅，BG₁₆也导通，高压电容C₂₂经BG₁₆给发射换能器（设为上游换能器）加上电压，该换能器振动发射超声波，其主波进入液体，经对侧管壁反射经时间T后被接收换能器（此时在下游）收到，转化为电振荡由IC₁₃放大，BG₁₈倒相成负脉冲加到IC₁₂触发器“R”端。另一方面，同步正脉冲经非门后使IC₇触发器输出端成高电平状态，此后频率为fφ′的时钟脉冲就可以通过IC₈进入计数器IC₁₀，IC₁₀、IC₁₁为二级可予置数的减法计数器，设予置数为w，（本构思中一般设w为2－3位数）当有w个时钟脉冲进入计数器时，原予置数减到零，其输出端“3”输出正脉冲并恢复原予置数，同时此脉冲送至IC₇“S”端使之置“0”时钟脉冲就不能再进入计数器了。所以IC₁₁输出正脉冲比同步正脉冲要延时t_延＝W 1/(fφ′) 这延时正脉冲经非门后加到IC₁₂“S”端使其置零。选择w值使t_延略小于T，则接收主波的超声振荡脉冲到达IC₁₂“R”端，其第一个正脉冲就可使IC₁₂输出正脉冲，经微分后加至IC₁₅或非门输入端“a”，转化成负脉冲加到IC₁₇的“S”端，因此又可让另一同步正脉冲通过IC₁₇再次发生上述过程，如此反复形成声循环。从上述分析可见，在主波之前，超声波接收换能器收到一个杂波，如果它是在t_延之前，由于IC₁₂处于“1”状态，这个杂波不能使IC₁₂触发，因此杂波不能形成干扰声循环。如果管径不同，声循环周期T也就不同，可予置不同的w值，以达到上述要求。如此就可以达到消除杂波干扰的效果。

设计消除声速温漂的影响的思路是：在理想的频差法超声波流量计中，流量计的流量只与频差成正比，而与声速无关，但由于信号在传播时存在着附加延迟时间，致使流量计的流量还受到声速的影响，其关系式为：

Q＝ (πD³)/(4NKSinzQ₃) （1＋ (τ_oCCOεQ₃)/(D) ）²ΔF

其中Q为流量，D为管道内径，N为锁相环分数，K为流量修正系数，θ₃为超声波由管壁进入液体的折射角，τ₀为声波在声楔和管壁中传播时间及脉冲在电路中传播的电路延迟时间。对于大管径流量计，由于 (τ_oCCOSQ₃)/(D) 远小于1，此项可以略去。对于小管径，其值增大，则必须将其影响考虑进去予以修正。本项技术构思的修正办法是在分频电路后引入一个延迟时间与上式τ₀相等的延迟电路，用以抵消上式中含声速的项，以此来补偿声速温漂的影响，其组成原件为：

集成电路：IC₂₄（1／2 4001）集成电路：IC₂₅（4011）

集成电路：IC₂₆（4001）集成电路：IC₂₇（4522）

集成电路：IC₂₈（4522）电阻R₃₄。其电路工作过程是：声速温漂补偿电路接在分频电路和锁相环中鉴相器比较端“3”之间当IC₂₀输出频率为F的脉冲加到分频电路输入端“6”，分频电路也是由可予置数减法计数器构成，予设其予置数N，则经时间 (N)/(F) 后，IC₂₂才能输出正脉冲，一路加到IC₂₁禁止端“4”，阻止同步脉冲继续进入分频电路，另一路使IC₂₅开通，φ′时钟脉冲就可以通过IC₂₇、IC₂₈。予设IC₂₇IC₂₈予置数为M，使 (M)/(φ′) ＝τ₀，则又需经历时间才能有正脉冲从IC₂₈输出，一路加到IC₂₀鉴相器比较端“3”去，于是锁相环锁定就有下列关系：

正程 (2D/COSθ3)/(C+VSinθ3) ＋τ₀＝ (N)/(F₁) ＋ (M)/(φ¹) 即 (2D/COSθ₃)/(C+VSinθ₃) ＝ (N)/(F₁)

逆程 (2D/COSθ₃)/(C+VSinθ₃) ＋τ₀＝ (N)/(F2) ＋ (M)/(φ¹) 即 (2D/COSθ₃)/(C+VSinθ₃) ＝ (N)/(F₂)

Q＝ (πD³)/(2KNsin2θ₃) ΔF

得到了流量Q与声速无关的结果，从而消除了声速温漂对流量的影响。

本项技术构思的实施例为：按附图所示的电路图，原件选择如下表，（图上已标明的除外）

选择适应的底盘与机壳组装起来，用汕头超声波原件厂生产的矩形，短前，斜探头（锆酸铅）2.5p9×9K3换能器。计数器选用中规模集成块。ICM7271A加减法计数器，并具有存贮，译码、驱动，与微机配合等功能，数字显示可用微机或数码管，采用本技术构思所制成的超声波流量计适用管径为20～250毫米，流量为1000－15000升／时，精度不低于1.5％，达到了使用可靠减化电路的目的。

Claims

一种包括超声波换能器，锁相环电路和流量显示装置的超声波流量计，其特征在于：

1、由集成电路IC₇(1/24001)，集成电路IC₈(1/24001)，集成电路IC₉(1/44，011)，集成电路IC₁₀(4522)集成电路IC₁₁(4522)，集成电路IC₁₂(1/24011)，电阻R₁₀、R₁₁、R₁₂、R₁₃；电容器C₁₈、C₁₉；半导体二极管D₂₁、D₂₂；半导体三极管BG₃构成的时间滤波电路，其连接关系为：IC₇构成RS触发器，它的“R”端(“13”)经IC₁₆接同步脉冲电路，其“S”端(“9”)接IC₁₁输出端“3”，IC₇输出端“10”接IC₈时间门控制端“12”，时间门另一输入端“13”接时钟脉冲φ′，时间门输出端“11”经一非门接延时电路IC₁₀输入端“6”，IC₁₀、IC₁₁为由两级可予置数减法计数器构成的延时电路，它们的“4”、“10”端都接地，前一级“1”接后一级输入端“6”，前一级“13”接后一级“12”，前一级“12”与“1”通后一级“3”、“13”接电源正，两级予置端“5”、“11”、“14”、“2”都接到8×10K的集成电阻上，并可选择予置数w，使 (W)/(fφ′) 略小于T(T为从发射到接收到主波经历的时间)，IC₁₁输出端“3”经IC₉(4001)控制IC₁₂RS触发器“S”端(“13)，其输出端“10”经C₁₉(与R₁₃、D₂₂构成微分电路)接于R₁₂、BG₃构成的射极输出器基极，其射极输出信号一路接锁相环IC₂₀鉴相器输入端“14”，另一路经电容C₁₈(与R₁₃、D₂₂构成第二级微分电路)加到IC₁₅(4001)或非门“a”端，控制IC₁₅输负脉冲到IC₁₇“S”端以形成声循环，BG₃的发射极经两级非门IC₁₄接到锁相环的鉴相器“14”端，而接收放大电路经倒相器BG₁₈的集电极把接收放大信号引到IC₁₂的“R”端；

2、由集成电路IC₂₄（1／2 4001）、集成电路IC₂₅（4011）、集成电路IC₂₆（4001）、集成电路IC₂₇（4522）、集成电路IC₂₈（4522）和电阻R₃₄构成的声速温漂补偿电路，其连接关系为：锁相环IC₂₀输出端“4”经IC₁₇－与非门后接到分频电路IC₂₁输入端“6”IC₂₁与IC₂₂除IC₂₁禁止端“4”不接地而接到IC₂₄输出端“10”以外，其余接法与时间滤波电路中IC₁₀、IC₁₁接法相同，其予置端“5”、“11”、“14”、“2”用以予置分频数N，IC₂₂输出端“3”接IC₂₄触发器：“R”（“13”）端，IC₂₄输出端“10”接时间门IC₂₅（4011）控制端“12”，时间门另一输入端“13”接时钟脉冲φ¹，时间门输出端“11”经非门IC₂₆（4001）接IC₂₇“6”，IC₂₇、IC₂₈（CD4522)也是由可予置数减法计数器构成的延时电路，它们中间的连接关系完全与IC₁₀、IC₁₁相同，其予置端用以选择予置数M，使得 (M)/(φ¹) ＝τ。IC₂₈输出端“3”一路接IC₂₀中鉴相器比较端“3”，第二路接IC₂₄“S”端以控制时间门的关闭，第三路接IC₁₅与非门输入端“5”，以便刚接通电源时，由IC₂₈“3”可输出正脉冲经IC₁₅输负脉冲给IC₁₇“S”端去触发超声波触发电路发射超声波引起声循环，IC₂₀锁定后，IC₂₀“1”成高电平，经D₂₆整流，C₂₇滤波得高电平稳定电压，加到IC₁₅“6”，使该或非门关闭。