RU2180432C2

RU2180432C2 - Ultrasonic digital flowmeter

Info

Publication number: RU2180432C2
Application number: RU2000101924A
Authority: RU
Inventors: Ю.П. Михеев; А.П. Наумчук
Original assignee: Михеев Юрий Петрович; Наумчук Анатолий Петрович
Priority date: 2000-01-25
Filing date: 2000-01-25
Publication date: 2002-03-10

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: flowmeter has n single-channel metering sections with two piezoelectric transducers, probing pulse switch, receive signal switch, amplifier, phase-locked loop, controlled self-excited oscillator, probing pulse shaper, T_meas-long pulse shaper, crystal oscillator, AND circuit. Control unit connected to frequency divider, number code generator, and computer is coupled with switches. Same circuit components are used in each of a number of acoustic channels wherein inflow and counter-flow sync rings are organized. EFFECT: enhanced measuring accuracy. 3 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения скорости потока и расхода веществ в различных отраслях промышленности. The invention relates to measuring technique and can be used to measure the flow rate and flow rate of substances in various industries.

Известен одноканальный ультразвуковой расходомер (см. Авторское свидетельство СССР, МПК G 01 F 1/66, 802791), содержащий синхрокольцо. A known single-channel ultrasonic flow meter (see USSR Author's Certificate, IPC G 01 F 1/66, 802791) containing a synchro ring.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является ультразвуковой расходомер (см. Громов Г. В. Ультразвуковой накладной расходомер для гомогенных сред. "Приборы и системы управления", М., Машиностроение, 1997, 11, с.17-18), содержащий пьезоэлектрические преобразователи, усилитель, управляемый автогенератор, делитель частоты, формирователь зондирующих импульсов, коммутаторы, блок управления, соединенный с коммутатором, вычислительное устройство и кварцевый генератор. Closest to the technical nature of the proposed device is an ultrasonic flow meter (see Gromov GV Ultrasonic overhead flowmeter for homogeneous environments. "Devices and control systems", M., Engineering, 1997, 11, p.17-18), containing piezoelectric transducers, an amplifier, a controlled oscillator, a frequency divider, a probe pulse shaper, switches, a control unit connected to the switch, a computing device and a crystal oscillator.

Недостатком известного устройства является, во-первых, зависимость измерений от скорости ультразвука в стенках трубопровода, которая зависит как от материала трубопровода, так и от его температуры, а во-вторых, известный расходомер может работать только с одной трубой. A disadvantage of the known device is, firstly, the dependence of the measurements on the speed of ultrasound in the walls of the pipeline, which depends both on the material of the pipeline and its temperature, and secondly, the known flowmeter can work with only one pipe.

Основной задачей, на решение которой направлено заявленное устройство, является повышение точности измерения и расширение функциональных возможностей расходомера. The main task, the solution of which the claimed device is directed, is to increase the measurement accuracy and expand the functionality of the flow meter.

Указанный технический результат достигается тем, что он снабжен схемой фазовой автоподстройки частоты, формирователем кода числа с выходом, связанным с формирователем импульсов длительностью Т_изм, другой вход которого связан с управляемым автогенератором, а выход - с первым входом схемы И, соединенной своим вторым входом с кварцевым генератором, а выходом с вычислительным устройством, при этом входы схемы фазовой автоподстройки частоты соединены с усилителем и делителем частоты, выход - с управляемым автогенератором, а блок управления связан с делителем частоты, формирователем кода числа и вычислительным устройством.The indicated technical result is achieved by the fact that it is equipped with a phase locked loop, a number code generator with an output connected to a pulse generator of duration T _ISM , the other input of which is connected to a controlled oscillator, and the output is connected to the first input of circuit I connected to its second input by a crystal oscillator, and an output with a computing device, while the inputs of the phase-locked loop are connected to an amplifier and a frequency divider, the output is connected to a controlled oscillator, and the control unit connected to a frequency divider, a number code generator and a computing device.

На чертеже представлены: а) - блок-схема предлагаемого расходомера, б) - n одноканальных измерительных участков, в) - вариант схемы формирователя импульсов длительностью Т_изм.The drawing shows: a) is a block diagram of the proposed flow meter, b) is n single-channel measuring sections, c) is a variant of the pulse shaper circuit with a duration of T _meas .

Расходомер содержит коммутатор 1 приемных сигналов, коммутатор 2 зондирующих импульсов, усилитель 3, формирователь зондирующих импульсов 4, схему фазовой автоподстройки частоты 5, управляемый автогенератор 6, формирователь 7 импульсов длительностью Т_изм, делитель частоты 8, формирователь кода числа 9, схему И 10, кварцевый генератор 11, вычислительное устройство 12, блок управления 13, одноканальные измерительные участки 14, пьезоэлектрические преобразователи 15, счетчик импульсов 16, схему совпадения 17.The flow meter contains a switch 1 of the receiving signals, a switch 2 of the probe pulses, an amplifier 3, a driver of the probe pulses 4, a phase locked loop 5, a controlled oscillator 6, a driver of 7 pulses of duration T _ISM , a frequency divider 8, a code generator of the number 9, circuit I 10, crystal oscillator 11, computing device 12, control unit 13, single-channel measuring sections 14, piezoelectric transducers 15, pulse counter 16, matching circuit 17.

Цифровой ультразвуковой расходомер работает следующим образом. В первом такте с управляемого автогенератора 6 импульсы непрерывно поступают на делитель частоты 8, а с него - на формирователь зондирующих импульсов 4. Зондирующий импульс через коммутатор 2 поступает на пьезоэлектрический преобразователь 15, допустим, на вход 1 первого одноканального измерительного участка ИУ1 14 на фиг.б. При этом возбудится пьезоэлектрический преобразователь 15 по входу 1, и в измерительной среде начнет распространяться ультразвуковой сигнал в сторону противоположного пьезоэлектрического преобразователя 15 этого же измерительного участка. В момент достижения ультразвуковым сигналом противоположного пьезоэлектрического преобразователя на выходе последнего (выход 1) появится электрический импульс, который через коммутатор 1 (вход 1) поступит на усилитель 3, а с него - на схему фазовой автоподстройки частоты 5. В этот же момент со второго выхода делителя частоты 8 на схему фазовой автоподстройки частоты 5 также должен поступить электрический импульс. В противном случае на выходе фазовой автоподстройки частоты 5 изменится сигнал, который изменит частоту автогенератора 6 таким образом, чтобы сигналы на оба входа схемы фазовой автоподстройки частоты 5 поступали одновременно. С выхода автогенератора 6 частота f_r1 будет поступать на формирователь 7 импульсов длительностью Т_изм. При этом формирователь 7 представляет собой счетчик импульсов 16 (см. фиг.в), связанный со схемой совпадения 17 по одним входам, а на другие входы схемы совпадения 17 поданы выходы формирователя кода числа 9, представляющего собой регистр, в который записывается код числа с блока управления 13.Digital ultrasonic flowmeter operates as follows. In the first cycle, from the controlled oscillator 6, the pulses are continuously fed to the frequency divider 8, and from it to the probe pulse shaper 4. The probe pulse through the switch 2 is fed to the piezoelectric transducer 15, for example, to the input 1 of the first single-channel measuring section IU1 14 in FIG. b. In this case, the piezoelectric transducer 15 is excited at the input 1, and an ultrasonic signal begins to propagate in the measuring medium towards the opposite piezoelectric transducer 15 of the same measuring section. When the ultrasonic signal reaches the opposite piezoelectric transducer, an electric pulse will appear at the output of the latter (output 1), which will pass through amplifier 1 (input 1) to amplifier 3, and from it to the phase-locked loop 5. At the same time, from the second output frequency divider 8 to the phase-locked loop frequency 5 must also receive an electrical impulse. Otherwise, the signal that changes the frequency of the oscillator 6 in such a way that the signals at both inputs of the phase-locked loop of frequency 5 arrives simultaneously at the output of the phase-locked loop of frequency 5 will change. From the output of the oscillator 6, the frequency f _r1 will be supplied to the shaper 7 pulses of duration T _ISM . In this case, the shaper 7 is a pulse counter 16 (see Fig. C), connected with the coincidence circuit 17 for one input, and the outputs of the code shaper number 9, which is a register into which the code of the number s control unit 13.

Таким образом, на выходе формирователя 7 будут появляться импульсы с длительностью T_изм.1=N_фк/f_r1, где N_фк - код числа, задаваемый формирователем кода числа 9 по команде блока управления 13. В этом случае при помощи схемы И 10 на вычислительное устройство 12 за время Т_изм.1 от кварцевого генератора 11 поступит число импульсов, равное

где f_кв - частота кварцевого генератора 11.Thus, pulses with a duration T _rev. 1 = N _fk / f _r1 will appear at the output of the shaper 7, where N _fk is the code of the number specified by the shaper of the code of number 9 at the command of the control unit 13. In this case, using the AND 10 circuit computing device 12 during the time T _{rev. 1} from the quartz oscillator 11 will receive the number of pulses equal to

where f _square - the frequency of the crystal oscillator 11.

Во втором такте по команде блока управления 13 зондирующий импульс от формирователя зондирующих импульсов 4 через коммутатор 2 поступит на пьезоэлектрический преобразователь 15 (вход 2) этого же измерительного участка ИУ1, и ультразвуковые колебания начнут распространяться по измерительной среде в противоположном направлении, а с приемного пьезоэлектрического преобразователя 15 (выход 2) сигнал поступит на вход 2 коммутатора 1. Аналогично, как и в первом такте, произойдет подстройка автогенератора 6, и в вычислительное устройство 12 будет записано число

Таким образом, в два такта в вычислительное устройство 12 поступит два числа (N₁ и N₂), которые пропорциональны временам распространения ультразвуковых сигналов в одном измерительном участке ИУ1 по потоку (Т⁺) и против потока (Т^-). Затем вычислительное устройство определяет расход (Q₁) контролируемой среды в данном измерительном участке по известному алгоритму:

,
где K₁ - коэффициент пропорциональности, определяемый конструкцией данного измерительного участка и параметрами измеряемой среды.In the second step, at the command of the control unit 13, the probe pulse from the probe pulse shaper 4 through the switch 2 will go to the piezoelectric transducer 15 (input 2) of the same measuring section ИУ1, and ultrasonic vibrations will begin to propagate in the opposite direction along the measuring medium, and from the receiving piezoelectric transducer 15 (output 2), the signal will be fed to input 2 of switch 1. Similarly, as in the first step, the oscillator 6 will be tuned, and the computing device 12 will be written sano number

Thus, in two clock cycles, the computing device 12 will receive two numbers (N ₁ and N ₂ ), which are proportional to the propagation times of ultrasonic signals in one measuring section of ИУ1 along the flow (Т ⁺ ) and against the flow (Т ^- ). Then the computing device determines the flow rate (Q ₁ ) of the controlled medium in this measuring section according to the known algorithm:

,
where K ₁ is the proportionality coefficient determined by the design of the given measuring section and the parameters of the medium being measured.

Таким же способом по сигналам блока управления 13 определяются T⁺ и Т^- в каждом из n измерительном участке, а затем вычисляются значения расходов (Q) в них. При этом в зависимости от конструкций измерительных участков (например, диаметров труб) по командам блока управления 13 могут меняться как числа в формирователе кода числа 9, так и коэффициенты деления в делителе частоты 8.In the same way, according to the signals of the control unit 13, T ⁺ and T ^{- are} determined in each of the n measuring sections, and then the flow rates (Q) in them are calculated. Moreover, depending on the design of the measuring sections (for example, pipe diameters), the numbers in the code generator of number 9 and the division coefficients in the frequency divider 8 can change according to the commands of the control unit 13.

Таким образом, с помощью одних и тех же элементов схемы производятся измерения расходов в нескольких измерительных участках, что позволяет повысить точность измерения расхода и расширить функциональные возможности расходомера. Thus, using the same circuit elements, flow measurements are made in several measuring sections, which allows to increase the accuracy of flow measurement and expand the functionality of the flow meter.

Claims

A digital ultrasonic flow meter containing piezoelectric transducers, an amplifier, a controlled oscillator, a frequency divider, a probe pulse generator, switches, a control unit connected to the switches, a computing device and a crystal oscillator, characterized in that it is equipped with a phase-locked loop, a code generator with a number an output connected with a pulse shaper of duration T _ISM , the other input of which is connected to a controlled oscillator, and the output is connected to the first input with I circuits connected to a quartz oscillator by its second input and to a computing device by the output, while the inputs of the phase-locked loop are connected to an amplifier and a frequency divider, the output is connected to a controlled oscillator, and the control unit is connected to a frequency divider, a number code generator, and computing device.