CS260192B1

CS260192B1 - Device of gaseous or liquid medium's flow direction and speed ultrasonic digital measuring in plane

Info

Publication number: CS260192B1
Application number: CS872913A
Authority: CS
Inventors: Stefan Kocis; Pavol Bystriansky
Original assignee: Stefan Kocis; Pavol Bystriansky
Priority date: 1987-04-24
Filing date: 1987-04-24
Publication date: 1988-12-15
Also published as: CS291387A1

Description

Vynález sa týká zariadenia na ultrazvukové. číslicové meranie směru a rychlosti rovinného prúdenia plynného alebo kvapalnóho média využitím ultrazvukovej impulznej vlny.The present invention relates to an ultrasonic device. digitally measuring the direction and velocity of the planar flow of a gaseous or liquid medium using an ultrasonic pulse wave.

Klasické merače prúdenia, používané v meteorologii, využívajú pohybovú energiu prúdiacebo média na oláčanie propelera šálkového alebo listového tvaru, pričom směr prúdenia Je určovaný pomocou směrového křidélka. Ich přesnost je závislá od stupňa opotrebenla mechanicky pohyblivých súčastí a navýše majú poměrně vysoký práh merania. Niektoré konštrukcie používajú sondu s ocbladzovaním vyhrievaného odporového drótu alebo vrstvy. Umožňujú merať rýchlosť prúdenia ale nie jeho směr.Conventional flow meters used in meteorology use the flowing energy of the flowing media to propel a cup or leaf-shaped propeller, the flow direction being determined by the directional aileron. Their accuracy depends on the degree of wear of the mechanically moving parts and, moreover, they have a relatively high measurement threshold. Some designs use a probe to harden a heated resistance wire or layer. They allow to measure the flow velocity but not its direction.

Novšie merače využívajú unášanie ultrazvukovej vlny prúdiacim médiom. Ide o vysielanie rovinnej ultrazvukovej vlny, směrované) do úzkého zvázku. V prvých zariadeniach tohto typu sa meria rýchlosť šírenia ultrazvuku pre každú súradnicu v dvoch opačných smeroch pomocou osobitného páru vysielacieho meniča a prijímacieho měniče. Pre meranie rovinného prúdenia je teda potřebných osem elektroakustických meničov. V iposledných konštrukciách sa používajú recipročně meniče, ktoré menia elektrický signál na akustické vlnenie a tiež akustické vlnenie na elektrický signál. Na meranie rovinného prúdenia sa počet meničov zníži na štyri. Nevýhodou uvedených a im podobných spósobov, napr. s odrazenými vlnami, je silné nelineárna a so vzrastom rýchlosti prúdenia narastajúca chyba merania. Pri váčších rýchlostiach prúdenia sa výraznejšie uplatňujú i přídavné chyby, spdsobené znosom směrovaného ultrazvukového zvázku mimo aktívnej polohy prijímacieho meniča.Newer meters use ultrasonic wave entrainment to flow media. It is the transmission of planar ultrasonic wave, directed) into a narrow beam. In the first devices of this type, the ultrasound propagation rate for each coordinate is measured in two opposite directions by means of a separate pair of transducer and receiving transducer. Thus, eight electroacoustic transducers are required to measure plane flow. In the latter designs, reciprocal transducers are used which convert an electrical signal into an acoustic wave and also an acoustic wave into an electrical signal. To measure plane flow, the number of converters is reduced to four. A disadvantage of the above and similar methods, e.g. with reflected waves, it is strong nonlinear and with increasing flow velocity increasing measuring error. At higher flow velocities, additional errors due to the bearing of the directed ultrasonic beam outside the active position of the receiving transducer are also more pronounced.

Uvedené nevýhody odstraňuje a technický problém rieši ultrazvukový číslicový merač směru a rýchlosti prúdenia plynného alebo kvapalného média v rovině podía vynálezu, ktorý pozostáva zo· sondy tvorenej štyrmi válcovými, prstencovými, gulovými alebo miniatúrnymi elektroakustickými meničmi a z elektronického· obvodu tvořeného zosilňovačmi, časovačmi, počítadlami, generátorem impulzov mernej frekvencie, riadiacim obvodom, jednotkou spracovania, budiacim obvodom a prepínačom s ovládačom, ktorého podstatou je, že prvý a druhý elektroakustický přijímací měnič sú umiestnené svojimi stredmi na osiach x, y, pravouhlej súradnicovej sústavy v horizontálnej rovině, v počiatku ktorej je svojim stredom umiestnený třetí elektroakustický měnič a v prvom kvadrante roviny xy je umiestnený štvrtý elektroakustický měnič, ktorý je spolu s třetím meničom recípročný. Prvý a druhý měnič sú pomocou svoriek připojené priamo na vstupy prvého a druhého zosilňovača, kým třetí a čtvrtý měnič sú připojené cez dvojpólový přepínač riadený ovládačom na vstup tretieho zosilňovača a na výstup budiaceho obvodu. Výstupy zosilňovačov sú připojené na nulovacie vstupy časovačov, ktorých nastavovacie vstupy sú spojené s prvým budiacim výstupom riadiaceho obvodu. Jeho druhý budiaci výstup je spojený so vstupom budiaceho obvodu. Prvý nulovací výstup riadiaceho obvodu je spojený s pomocnými nulovacími vstupmi časovačov, ktorých výstupy sú připojené ku hradlovacím vstupom počítadiel. Ich počítacie vstupy sú spojené s výstupom generátora impulzov mernej frekvencie a ich pomocné nulovacie vstupy sú spojené s druhým nulovacím výstupom riadiaceho obvodu. Synchronizačný výstup riadiaceho obvodu je spojený so synchronizačným vstupom jednotky spracovania, ktorej údajové vstupy sú spojené s údajovými výstupmi počítadiel a údajové výstupy jednotky spracovania sú spojené so svorkou informácie o rýchlosti prúdenia a so svorkou informácie o smere prúdenia. Svorka štartu merania je spojená so startovacím vstupom riadiaceho obvodu.The above-mentioned disadvantages are overcome and the technical problem is solved by an ultrasonic digital meter of direction and flow velocity of a gaseous or liquid medium in the plane according to the invention which consists of a probe consisting of four cylindrical, annular, ball or miniature electroacoustic transducers and an electronic circuit consisting of amplifiers, timers. a specific frequency pulse generator, a control circuit, a processing unit, an excitation circuit, and a switch with a controller, the essence of which is that the first and second electroacoustic receiving transducers are centered on the x, y axes of the orthogonal coordinate system in the horizontal plane its centered third electroacoustic transducer, and in the first quadrant of the xy plane, a fourth electroacoustic transducer, which, together with the third transducer, is recycled. The first and second transducers are connected via terminals directly to the inputs of the first and second amplifiers, while the third and fourth transducers are connected via a two-pole switch controlled by the actuator to the input of the third amplifier and to the output of the driver circuit. The outputs of the amplifiers are connected to the reset inputs of the timers whose setting inputs are connected to the first excitation output of the control circuit. Its second excitation output is connected to the excitation circuit input. The first reset output of the control circuit is coupled to the auxiliary reset inputs of the timers whose outputs are connected to the gate inputs of the counters. Their counting inputs are connected to the output of the pulse generator and their auxiliary reset inputs are connected to the second reset output of the control circuit. The control circuit synchronization output is coupled to a processing unit synchronization input whose data inputs are connected to the counter data outputs and the processing unit data outputs are associated with the flow rate information terminal and the flow direction information terminal. The measurement start terminal is connected to the start input of the control circuit.

Výhodou zariadenia podl'a vynálezu je, že na bezkontaktně číslicové meranie rovinného vektora prúdenia vyžaduje len dva recipročně meniče a dva prijímacie meniče. Vyslelané ultrazvuková vlna je sférická, nemůže teda dójsť k chybě merania vplyvom znosu. Zariadenie naviac poskytuje možnost merať rovinné súradnice polohy štvrtého elektroakustického meniča, pričom výpočtový algoritmus umožňuje plné korigovat vplyv zmien parametrov média skalárneho charakteru i vektorového charakteru a tak docieliť zvýšenie přesnosti merania.An advantage of the device according to the invention is that it requires only two reciprocating transducers and two receiving transducers for contactlessly digital measurement of the planar flow vector. The transmitted ultrasonic wave is spherical, so there is no measurement error due to drift. In addition, the device provides the possibility to measure the plane coordinates of the position of the fourth electroacoustic transducer, while the computational algorithm allows to fully correct the influence of changes of parameters of the scalar and vector character and thus increase the accuracy of the measurement.

Na priloženom výkrese je na obr. 1 znázorněné geometrické rozloženie meničov v rovině xy a na obr. 2 je uvedená bloková schéma zapojenia elektronických obvodov merača.In the accompanying drawing, FIG. 1 shows the geometric distribution of the transducers in the xy plane and FIG. 2 is a block diagram of the electronic circuitry of the meter.

Ako je znázorněné na obr. 1, prvý elektroakustický měnič 1 je umiestnený svojím stredom na súradnej osi x a druhý elektroakustický měnič 2 na osi y pravouhlej rovinnej súradnej sústavy. Vyhovujúci tvar meničov je válcový, prstencový alebo gulový; móže však ísť aj o meniče kvázibodové, t. j. s rovinnou aktívnou plochou technicky zanedbatelných rozmerov voči vzájomným vzdialenostiam meničov. Prvý recipročný měnič 3 je umiestnený v počiatku súradnej sústavy a druhý recipročný měnič 4 v prvom kvadrante roviny xy vnútri rovnoběžníka, ktorého vrcholy sú tvořené počiatkom súradnej sústavy a stredmi přijímacích meničov 1 a 2. Recipročně meniče móžu byť tvaru valca, prstenca alebo gule a móžu byť elektrostatické, piezoelektrické alebo magnetostrikčné. Svorkami 5, 6, 7, 8 je meracia sonda připojená k elektronickému obvodu merača.As shown in FIG. 1, the first electroacoustic transducer 1 is centered on the x-axis and the second electroacoustic transducer 2 is on the y-axis of a rectangular planar coordinate system. The suitable shape of the transducers is cylindrical, annular or spherical; however, they may also be quasi-point converters, i.e. j. with a plane active surface of technically negligible dimensions relative to the mutual distances of the inverters. The first reciprocal transducer 3 is located at the origin of the coordinate system and the second reciprocal transducer 4 in the first quadrant of the xy plane within a parallelogram whose peaks are formed by the origin of the coordinate system and the centers of the receiving transducers 1 and 2. be electrostatic, piezoelectric or magnetostrictive. The measuring probe is connected to the electronic circuit of the meter by terminals 5, 6, 7, 8.

Z obr. 2 je zřejmé, že měnič 1, 2 sú připojené ku zodpovedajúcim vstupom prvého zosilňovača 9 a druhého zosilňovača 10. Recipročně meniče 3, 4 sú cez dvojpólový přepínač 13, riadený cvládačom 14 připojené na třetí zosilňovač 11 a na výstup budiaceho obvodu 12. Riadiaci obvod 18 so štartovacou svorkou 19 je budiacimi výstupmi připojený ku ovládačů 14 a ku časovačem 15, 16, 17.'Časovače sú bistabilné preklápacie obvody, spojené svojimi vstupmi s výstupmi zosilňovačov 9, 10, 11 a svojimi výstupmi spojené s hradlovacími vstupy počítadiel 20, 21, 22, ktorých počítacie vstupy sú připojené k výstupu generátora impulzov mernej frekvencie 23. Údajové výstupy počítadiel sú spojené s údajovými vstupmi jednotky spracovania 24, ktorej údajové výstupy sú spojené so svorkou 25 Informácie o smere prúdenia a so svorkou 26 informácie o rýchlosti prúdenia média. Nulovacie výstupy riadiaceho obvodu 18 sú spojené s pomocnými nulovacími vstupmi časovačov 15, 16, 17 a počítadiel 20, 21, 22. Synchronizačný výstup riadiaceho obvodu 18 je spojený so synchronizačným vstupom jednotky spracovania 24.FIG. 2, it is evident that the transducer 1, 2 is connected to the corresponding inputs of the first amplifier 9 and the second amplifier 10. Reciprocally, the transducers 3, 4 are connected to the third amplifier 11 and the output of the driver circuit 12 via a two-pole switch 13 controlled by the pickup. The timers are bistable flip-flops connected by their inputs to the outputs of the amplifiers 9, 10, 11 and by their outputs connected to the gating inputs of the counters 20, 21. 22, whose counting inputs are connected to the output of the pulse generator 23. The data outputs of the counters are connected to the data inputs of the processing unit 24, whose data outputs are connected to the flow direction information terminal 25 and the flow rate information terminal 26. The reset outputs of the control circuit 18 are coupled to the auxiliary reset inputs of timers 15, 16, 17 and counters 20, 21, 22. The synchronization output of the control circuit 18 is coupled to the synchronization input of the processing unit 24.

Činnost zariadenia je nasledovná:Operation of the device is as follows:

Přivedením Štartovacieho impulzu ua svorku 19 sa začne prvý takt merania, v ktorom riadiaci obvod 18 spustí budiaci obvod 12 a ten vybudí druhý recipročný měnič 4, ktorý vyšle ultrazvuková Impulznú sférická vlnu. Súčasne riadiaci obvod 18 nastaví časovače 15, 16, 17 a ich výstupy odhradlujú počítadlá 20, 21, 22, takže začnú počítat impulzy mernej frekvencie. Pri dopade čela tej časti sférickéj ultrazvukovej vlny, ktorá sa šíři v rovině xy, na aktivně povrchy elektroakustických meničov 1, 2, 3 sú prostredníctvom zosilňovačov 9, 10, 11 nulované časovače 15, 16, 17 a počítadlá 20, 21, 22 přestáná počítat. Vysláním synchronizačného impulzu na jednotku spracovania 24 sú obsahy počítadiel 20, 21, 22 přesunuté do památi jednotky spracovania 24. Potom riadiaci obvod 18 vynuluje časovače 15, 16, 17 a počítadlá 20, 21, 22 a pomocou ovládača 14 přepne dvojpólový přepínač 13. Automaticky je spustený druhý takt merania, v ktorom si recipročně meniče 3 a 4 vymenia funkcie vzhladom na prvý takt. Obsahy počítadiel 20, 21, 22 po druhom takte sú přesunuté na iné pamaťové miesta jednotky spracovania 24. Tým je vlastně meranie ukončené a automaticky je spustené vyhodnotenie údajov. Jednotka spracovania 24 pódia voipred zadaného algoritmu vypočítá směr a rýchlosť prúdenia média v rovině xy na základe obsahov počítadiel z oboch taktov merania, ktoré reprezentujú rýchlosti šírenia ultrazvukovej vlny, uná260132 šanej prúdiacim médiom. Po skončení výpočtu sú výsledky k dispozícii na svorke 25 informácie o smere prúdenia a na svorke 26 informácie o rýchlosti prúdenia.Applying a start pulse at terminal 19 initiates a first measurement cycle in which the control circuit 18 triggers the excitation circuit 12 and excites the second reciprocating transducer 4, which sends an ultrasonic pulse spherical wave. At the same time, the control circuit 18 sets the timers 15, 16, 17 and their outputs divert counters 20, 21, 22 so that they start counting the specific frequency pulses. When the face of that part of the spherical ultrasonic wave that propagates in the xy plane on the active surfaces of the electroacoustic transducers 1, 2, 3, the timers 15, 16, 17 and the counters 20, 21, 22 stop counting by the amplifiers 9, 10, 11. . By sending a synchronization pulse to the processing unit 24, the contents of the counters 20, 21, 22 are transferred to the memory of the processing unit 24. Then, the control circuit 18 resets the timers 15, 16, 17 and counters 20, 21, 22 and switches the two-pole switch 13. a second measurement cycle is started, in which the inverters 3 and 4 exchange the functions with respect to the first cycle. The contents of the counters 20, 21, 22 after the second clock are moved to other storage locations of the processing unit 24. This actually terminates the measurement and automatically starts the data evaluation. The stage processing unit 24 of a predetermined algorithm calculates the direction and velocity of the medium flow in the xy plane based on the contents of the counters from both measurement bars representing the ultrasonic wave propagation velocities driven by the flowing medium. At the end of the calculation, the results are available at terminal 25 of the flow direction information and terminal 26 of the flow rate information.

Popísané rozloženie elektroakustických meničov a štruktúra elektronického obvodu umožňuje jednoduchých spósobom využit zariadenie podlá vynálezu na meranie polohy druhého recipročného meniča 4 v rovině xy, ak sa tento vyhotoví ako· pohyblivý a upraví sa výpočtový algoritmus. Přitom algoritmus výpočtu súradníc meniča 4 umožňuje plné korigovat vplyv zmien parametrov média skalárneho charakteru, napr. teploty a navýše i vplyv parametra vektorového charakteru, t. j. prúdenia, čím je docielená vyššia přesnost merania.The described layout of the electroacoustic transducers and the structure of the electronic circuit make it possible in a simple manner to use the device according to the invention to measure the position of the second reciprocal transducer 4 in the xy plane if this is made movable and the calculation algorithm is modified. At the same time, the algorithm for calculating the coordinates of the converter 4 makes it possible to fully correct the effect of changes in the parameters of a scalar medium, e.g. temperature and, moreover, the influence of the vector character, i. j. flow, which results in higher measurement accuracy.

Merač bol vyhotovený s válcovými elektrostatickými meničmi, rozloženými podlá obr. 1 a overený pri meraní prúdenia vzduchu.The meter was designed with cylindrical electrostatic transducers distributed according to FIG. 1 and verified in air flow measurement.

Zariadenie podTa vynálezu je možné využit v meteorologii, hydrológii, vojenskej technike, digitalizácii výkresov a máp a inde.The device according to the invention can be used in meteorology, hydrology, military technology, digitization of drawings and maps and elsewhere.

Claims

260132 flowing medium. At the end of the calculation, the results are available at the flow direction terminal 23 and the flow rate information terminal 26. The distribution of electro-acoustic transducers described and the structure of the electronic circuit make it possible, in a simple manner, to use the apparatus of the invention for measuring the position of the second reciprocating transducer 4 in the xy fashion if it is made movable and the calculation algorithm is adjusted. At the same time, the algorithm for calculating the coordinate of the transducer 4 makes it possible to fully correct the influence of the variations in the parameters of the scalar nature of the medium, eg the temperature, and also increases the influence of the vector character parameter, i.e. the flow, which results in higher measurement accuracy. The meter was constructed with cylindrical electrostatic transducers distributed over the floor. 1 and verified when measuring the air flow. The device according to the invention can be used in meteorology, hydrology, vojenskejtechnike, digitization of drawings and maps and in-de. SUBJECT A device for ultrasonic digital measurement of the direction and flow velocity of a gaseous or liquid medium in a plane consisting of a probe consisting of four cylindrical, annular, spherical or miniature electroacoustic transducers and an electronic circuit formed by amplifiers, timers, counters, pulse frequency generator , a control circuit, a processing unit, an excitation circuit and an actuator switch, characterized in that the first and second electroacoustic receiving transducers (1, 2) are located on the x, y axes of the rectangular coordinate system in a horizontal plane, in the fourth electroacoustic transducer (3) and the x-y coordinate system (4) are located at the center of the third electroacoustic transducer (3), which is reciprocal with the third transducer (3), the first and second transducers (1 , 2) are the terminals (5, 6) associated with the input (9, 10), the third and fourth transducers (3, 4) are connected via terminals (7, 8) via a two-pole switch (13), controlled by the controller (14), to the input of the amplifier (11) and the output of the drive circuit (12) ), the outputs of the EXTERNAL MOTORS (9, 10, 11) are connected to the zeroing inputs of the timers (15, 16, 17), the setting inputs of which are connected to the first output of the control circuit (18), whose second excitation output is connected to the output of the drive circuit (12), the first control output of the control circuit (18) connected to the auxiliary reset inputs of the timers (15, 16, 17), the outputs of which are connected to the gate inputs of the computers (20, 21, 22) whose a counter input connected to an output of a pulse frequency generator (23), wherein the auxiliary reset inputs of the counters (20, 21, 22) are coupled to a second reset output of the control circuit (18) whose synchronization output is coupled to the sync input of the processing unit (24), the data inputs of which are connected to the data outputs of the counters (20, 21, 22) and the data outputs of the processing unit (24) connected to the terminal (25) by the flow direction and the clamp (26) ) information about the flow velocity of the medium in the plane, wherein the measurement start terminal (19) is connected to the start input of the control circuit (18). 1 sheet of drawings