RU1831655C - Ультразвуковой расходомер - Google Patents

Abstract

Использование: в ультразвуковой технике дл  измерени  расхода жидких и газообразных сред. Сущность изобретени , устройство содержит два обратимых ультразвуковых преобразовател , коммутатор, ключ, три делител , задающий генератор, дешифратор, триггеры, три элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, усилитель-органичи- тель, формирователь опорных сигналов, четыре элемента совпадени , формирователь задержки, кварцевый генератор. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

Description

Изобретение относитс  к ультразвуковой технике и может быть использовано в различных отрасл х техники дл  измерени  жидких и газообразных веществ.

В основу насто щего изобретени  была положена задача создани  ультразвукового расходомера, позвол ющего уменьшить погрешность измерени .обусловленную наложением на сигналы приема паразитных сигналов многократных отражений от стенок трубопровода, а также добитьс  более полного использовани  информации сигнала посылки.

Целью изобретени   вл етс  повышение точности.

Такое выполнение за вл емого устройства позвол ет добитьс  поставленной задачи , а именно, уменьшить погрешность измерени , обусловленную наложением на сигналы приема паразитных сигналов многократных отражений от стенок трубопровода , а также добитьс  более полного использовани  информации сигнала посылки , что ведет к повышению точности измерени .

Далее изобретение по сн етс  описанием конкретного примера его осуществлени  и прилагаемыми чертежами на которых: структурна  схема ультразвукового расходомера приведена на фиг. 1; эпюры напр жени , по сн ющие принцип работы расходомера, приведены на фиг. 2; принцип формировани  фазовой характеристики фазометра приведен на фиг. 3; структурные схемы формировател  опорных сигналов с первым делителем частоты приведены на фиг. 4; второго делител  частоты с дешифратором - на фиг. 5; вычислительного блока на фиг. 6; на фиг. 7 - блок-схема алгоритма работы вычислительного блока.

Предлагаемое устройство ультразвукового расходомера (фиг, 1) содержит двз обратимыхэлектроакустических преобразовател  1 и 2, подключенных через коммутатор 3 к первому (сигнальному) входу фазометра 4 и выходу ключа 5, первый вход

ioo

|Сл

01

ел

i

СО

которого через первый элемент ИСКЛЮЧА- . ЮЩЕЕ ИЛИ 6 и первый делитель 7 частоты соединен с задающим генератором 8, второй делитель 9 частоты через дешифратор

10подключен к второму входу ключа 5 и входу установки управл емого триггера 11Г входу управлени  коммутатора 3, а также второму входу первого элемента 6 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и четвертому входу (управлени ) вычислительного блока 12, св занному входами 1 и 2 (данных) со счетчиком 13 интервала задержки и вторым выходом фазометра 4, первый элемент 14 совпадени , выход которого подключен к входу счетчика 13 интервала задержки,.первый вход - к выходу управл емого триггера

11и третьему входу (пуска) фазометра 4, а второй вход - к четвертому выходу (квантовани ) фазометра 4, вход сброса управл емого триггера 11 подключен к первому (сигнальному) выходу фазометра 4.

4 Фазометр 4 содержит усилитель-ограничитель 15, вход которого  вл етс  первым (сигнальным) входом фазометра 4, а выход - первым (сигнальным) выходом фазометра 4, второй 16 и третий 17 элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, первые входы которых подключены к выходу усилител -ограничител  15, вторые входы - к формирователю 18 опорных сигналов, а выходы - к первым входам второго 19 и третьего 20 элементов совпадени , выходы которых подключены ко входам второго 21 и третьего 22 счетчиков , выходы которых  вл ютс  выходами данных фазометра 4, квантующий генератор 23, выход которого  вл етс  выходом квантовани  фазометра 4 и подключен ко второму входу четвертого элемента 24 совпадени , выход которого подключен ко вторым входам второго и третьего элементов 19,20 совпадени  и входу третьего делител  25 частоты, выход которого подключен ко входу сброса второго управл емого триггера 26, вход установки которого через формирователь 27 задержки подключен ко входу пуска фазометра 4, выход второго управл емого триггера 26 подключен к первому входу четвертого элемента 24 совпадени  и  вл етс  выходом времени измерени  фазометра 4, вторым сигнальным входом которого  вл етс  вход формировател  18 опорных сигналов.

Первый делитель 7 частоты выполнен в виде последовательно соединенных счетных триггеров 28, 29, а формирователь 18 опорных сигналов реализован двум  D- триггерами 30, 31, синхровходы которых подключены ко входу счетного триггера 28, D-вход триггера 30 - к выходу счетного триггера 29, D-вход триггера 31 - к выходу Dтриггера 30,  вл ющемус  как и вход Т-триг- гера 31 выходами формировател  18 опорных сигналов (фиг. 4).

Второй делитель 9 частоты представл ет собой N-разр дный двоичный делитель частоты, два старших разр да которого подключены к 5 элементу 32 совпадени  дешифратора 10, выход п того элемента 32 совпадени   вл етс  третьим выходом дешифратора 10, шестой элемент 33 совпадени  подключен к последующим младшим разр дам второго делител  9 частоты, выход шестого элемента 33 совпадени   вл етс  первым выходом дешифратора 10 (фиг. 5).

Вычислительный блок 12 содержит микропроцессорный модуль 34, св занный по шинам адреса и данных с оперативным запоминающим устройством 35, посто нным запоминающим устройством 36, первым и

вторым интерфейсами 37, 38, вторым дешифратором 39 и контроллер 40 прерываний (фиг. 6).

Расходомер работает следующим образом .

Принцип действи  ультразвукового расходомера основан на измерении разности времен прохождени  радиоимпульсов через движущуюс  жидкость в двух противоположных направлени х. С целью

повышени  чувствительности расходомер использует фазовый принцип измерени , в котором измер етс  разность фаз между сигналами приема, а величина расхода вычисл етс  по формуле

„-I.L,

40

где

П + Г2 Г2

TI , Г2 , - величины задержек посылок

радиоимпульсов по течению и против течени  движущейс  жидкости в трубопроводе; К - коэффициент, учитывающий параметры трубопровода, скорость и угол распространени  ультразвука.

Формирование импульсов посылок осуществл етс  ключом 5. На первый вход ключа 5 поступают сигналы заполнени  с частотой F, формируемой от задающего генератора 8, имеющего частоту f 4F, первым делителем 7 частоты и первым элементом 6 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. На второй вход ключа 4 с первого выхода дешифратора 10, подключенного ко второму делителю 9 частоты, поступают видеоимпульсы посылок, определ ющие длительность радиоимпульсов и период их следовани  (фиг. 2э).

Схема реализации дешифратора 10 и его подключение к второму делителю 9 частоты показаны на фиг. 5. Дешифратор 10 содержит два элемента совпадени : п тый элемент 32 совпадени  и шестой элемент 33 совпадени .

Коммутатор 3 служит дл  поочередной подачи импульсов посылок на обратимые электроакустические преобазователи 1. 2. Дл  этого на вход управлени  коммутатора 3 подаютс  сигналы со второго выхода дешифратора 10 (фиг.2, б) . Сигнал стретьего выхода дешифратора 10 подаетс  на второй вход первого элемента б ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и служит дл  управлени  фазой сигнала заполнени  радиоимпульсов (фиг. 2в). При воздействии этого сигнала первый эле- ментб ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ в каждом четвертом импульсе посылки измен ет фазу сигнала заполнени  на 180°. Это приводит к тому, что два соседних отсчета фазы будут иметь равные по модулю значени  погрешностей, обусловленных наложением сигнала приема и паразитных сигналов отражени , но противоположные по знаку. А поскольку результирующий отсчет сдвига фаз беретс  за два такта изменени , то указанна  погрешность будет скомпенсирована. На фиг. 2г, д показаны эпюры напр жений сигналов с обратимых ультразвуковых преобразователей 1, 2.

В усилителе-ограничителе 15 фазометра 4 импульсы приема селектируютс  и уси- ливаютс . Длительность импульсов, формируемого управл емым триггером 11, соответствует измер емой задержке п и Г2(фиг. 2е). В элементе 14 совпадени  эти временные интервалы квантуютс  импульсами высокой частоты, поступающими с квантующего генератора 23 фазометра 4. а счетные импульсы подсчитываютс  счетчиком 13 интервала задержки. По истечении некоторого интервала времени, определ емого формирователем 27 задержки, переключаетс  второй управл емый триггер 26, формирующий врем измерительный строб Т дл  измерени  фазовых сдвигов (фиг. 2ж). Указанна  задержка при измерении фазовых сдвигов необходима дл  исключени  первых периодов сигнала приема, которые могут внести дополнительную погрешность измерени , обусловленную переходными процессами в тактах ультразвуковых преобразователей 1. 2. Длительность врем изме- рительного строба задаетс  третьим делителем 25 частоты, на который через открытый четвертый элемент 24 совпадени  поступают импульсы с квантующего генератора 23. В течение длительности врем из- мерительного строба осуществл етс  5 квантование фазовых интервалов, поступающих от второго и третьего элементов 16. 17 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ на второй и третий элементы 19 и 20 совпадени , а счетные импульсы подсчитываютс  вторым и греть0 им счетчиками 21, 22. Второй и третий 16, 17 элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ реализуют преобразователи фаза-интервал времени с перекрытием. На первые входы этих элементов поступают измер емые стналы 5 приема с усилител -ограничител  15. а на другие - сигналы с формировател  18 опорных сигналов, содержащем два D-трипера 30, 31, подключенные к счетным триггерам 28, 29 первого делител  7 частоты (фиг. 4).

0 Эти сигналы представл ют собой две импульсные последовательности типа меандр с частотой F и сдвинутые друг относительно друга на 90°. В результате этого фазовые характеристики р Us f uc фазовых преоб5 разователей на второй и третьем элементах 16, 17 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ смещены на этот угол. Фазова  характеристика преобразовател  на базе элемента ИСКЛЮЧА- ЮЩЕЕ ИЛИ представл ет собой

0 периодическую (с периодом 360°) треугольную функцию с вершиной, соответствующей 180°. Указанна  функци  отО до 180° линей но возрастает, а от 180 до 360° - линейно убывает. Это приводит к неоднозначности

5 отсчета в диапазоне 0-360°, либо ± 180°. Кроме этого, при отсутствии симметри;.-; ограничени  сигналов в усилителе-ограничителе , что имеет место практически в большинстве случаев, фазова  характери0 стикз преобразовател  имеет зоны нэчувст- вительности в районе О и 180 - так называемые мертвые зоны. Дл  исключени  указанных недостатков с помощью алгоритмическойобработкив

5 вычислительном блоке 12 формируетс  результирующа  характеристика (например, в диапазоне ± 180°, использу  четыре,указанных на фиг. 36, участка характеристик р us и р uc . которые наход тс  вне Мер0 твой зоны. Вычисление фазового сдвига на каждом участке производитс  в соответствии с анализом кодов, поступающих с измерительных счетчиков. Первый участок результирующей характеристики (при

5 ф us 0,25) соответствует - f,s - 0,25. второй (при 0,75) соответстпует - 0,25, третий (при 0.25) соответствует (f, y,s - 0,25), четвертый

(при 0,75) соответствует рц + + 0,25).

На фиг. б приведена структурна  схема вычислительного блока. Съем измерительной информации вычислительным блоком 12 осуществл етс  по концу врем измери- тельного строба, который приходит на кон- троллер прерываний 40. При этом поочередно, по команде с дешифратора 39 информационные входы о временной задержке и фазе поступают через первый и второй интерфейс 37, 38 в оперативное запоминающее устройство 35. Программа обработки кодов хранитс  в посто нном запоминающем устройстве 36. Блок- схема алгоритма работы вычислительного блока 12 приведена на фиг. 7. Выдача результирующего отсчета о расходе синхронизируетс  сигналом с третьего выхода дешифратора 10.

Таким образом, использование предло- ценного устройства позвол ет уменьшить погрешность измерени , обусловленную наложением на сигналы приема паразитных сигналов многократных отражений от стенок трубопровода, Кроме этого, использованный в ультразвуковом расходомере, фазометр повышает точность измерени  за счет более полного использовани  информации сигнала посылки.

Устройство может быть использовано в различных отрасл х техники дл  измерени  жидких и газообразных веществ.

Claims (2)

1. Формула изобретени  1. Ультразвуковой расходомер, содержащий два обратимых электроакустических преобразовател , подключенных через коммутатор к первому входу фазометра, ключ, выход которого подключен к коммутатору, задающий генераторе подключенным к нему первым делителем частоты, от л и чающийс  тем, что. с целью повышени  точности, в него введены последовательно соединенные первый элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, второй делитель частоты, дешифратор , управл емый триггер, первый элемент совпадени , счетчик интервала задержки и вычислительный блок, вторым и третьим входами св занный с соответствующими выходами фазометра, а четвертым

   входом - с третьим выходом дешифратора и вторым входом первого элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ,.первым входом св занного через первый делитель частоты с задающим

   генератором, а выходом с первым входом ключа, второй вход которого св зан с первым выходом дешифратора, вход сброса управл емого триггера подключен к первому выходу фазометра, а выход - к третьему

   входу фазометра, второй вход первого элемента совпадени  подключен к четвертому выходу фазометра, второй вход которого подключен к выходам первого делител  частоты , при этом второй выход дешифратора

   подключен к входу управлени  коммутатора .
2. 2. Расходомер по п. 1,отличающий- с   тем, что фазометр состоит из усилител - ограничител , второго и третьего элементов

   ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, второго, третьего и четвертого элементов совпадени , второго и третьего счетчиков, формировател  опорных сигналов, квантующего генератора, третьего делител  частоты, формировател 

   задержки и второго управл емого триггера, выход которого  вл етс  третьим выходом фазометра, и подключен к первому входу четвертого элемента совпадени , второй вход которого подключен к выходу квантующего генератора,  вл ющемус  четвертым выходом фазометра, а выход - к вторым входам второго и третьего элементов совпадени  и входу третьего делител  частоты, выход которого подключен к входу сброса

   второго управл ющего триггера, вход установки которого через формирователь задержки подключен к третьему входу фазометра, вход усилител -ограничител   вл етс  первым входом фазометра, а выход - первым

   выходом фазометра, который подключен к первым входам второго и третьего элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выходы которых подключены к первым входам второго и третьего элементов совпадени , выходы которых подключены к входам второго и третьего счетчиков, выходы которых  вл ютс  вторым выходом фазометра. , второй вход фазометра подключен к формирователю опорных сигналов, выходы которого подключены к вторым входам второго и третьего элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ.

   Фиг. I

   Фиг. 3

   сригЛ

   A A

   b,Z6 10

   Фие.6

   С

   Начало

   )

   Ожидание ЗПр от иш

   ЗПр от ДШ

   Ожидание ЗПр от (разом.

   ЗПр о/г сразим

   Чтение Гл/- СгЗ

   дычисление ft ВО°

   Ожидание ЗЛр от фазы

   ЗЛр от (разам.

   Чтение Crf СгЗ

   Вычисление

   Редактор

   Составитель Ei.Чернышев

   Техред М.МоргенталКорректор Т.Вашкович

   Ожидание jnp от фазам.

   J/7/) о/г разом

   Утем/е Crt- СгЗ

   Вычисление VJ

   Ожидание 3/7р о/ азазам

   ЗЛр от (разом

   Чтение Crf- СгЗ

   Вычисление Р4

   вычисление расхода

   Фиг.7