小管徑超聲波流量計的製作方法

2023-06-06 16:38:06 1

專利名稱：小管徑超聲波流量計的製作方法
技術領域：
本項技術屬於流量測量儀器。
由於超聲波流量計可以實現探測裝置與被測流體非接觸式測量。具有使用方便，適應較廣的測量環境的特點，因此自身的技術發展得很快，特別是集成電路出現，鎖相環路設計與使用，使得超聲波流量計成為常用的可靠的流體測量器具。目前，由美國、日本、荷蘭等國家生產定型產品。這些產品所達到的基本功能指標為測速範圍0－±12米／秒，可測最小管徑為1／2吋，最高精度為±0.5％。
儘管超聲波流量計的設計與製造已達到成熟的程度，但也同任何其他事物一樣有它不足的地方。本領域的技術人員都知道，製造適用於大管徑超聲波流量計還比較容易，其工作也比較可靠。但對於小管徑超聲波流量計，問題就比較複雜。所以目前適用於小管徑的超聲波流量計較少。價格也比較昂貴。其原因是小管徑超聲波流量計要解決這種測量儀器和工作環境即小管徑的適應關係。
需要解決的第一個問題是在換能器(探測頭)中超聲波發射器與接收器和管道之安裝關係。在較大管徑中，超聲波發射換能器、接收換能器一般都是分別置於管道兩側，置於同側會產生雜波幹擾；但對小管徑來說，超聲波發射換能器和接收換能器置於管道兩側會由於距離過近滿足不了聲程的要求，只好置於管道同側，這種安裝方式所產生的雜波，管徑越小越嚴重，這就產生一個如何消除雜波幹擾問題，此外，由於管徑小，聲速溫漂的影響會導致測量不準，必須有複雜的修正和補償電路。
當前一些國家較為先進的產品中，在防止雜波幹擾問題上，較多採用的是延時整形電路，但這種電路也只能排除主波到達後的雜波幹擾，不能排除主波前的幹擾，在聲速溫漂補償上，國內LES－01型和國外頻差法超聲波流量計與下面所要敘述的本項技術構思有類似之處，但是它們都還附帶有時間檢測器，兩套控制器和壓控振蕩器。因此國內外超聲波流量計(特別是可適用於小管徑的超聲波流量計)線路異常複雜，價格也就異常昂貴。
為了克服現有的上聲波流量計上述的不足，本項技術構思設計了兩部分電路，一個是時間濾波電路，用以清除雜波幹擾，另一個是利用數字延時電路配合單個相相環消除聲速溫漂的影響，從而達到了在保持測量功能的情況下，減化電路，降低造價，提高工作的可靠性，便於這種流量計的推廣。
其具體電路結構如附圖
，其中u2、u3、u4、u5、為接電源端。時間濾波電路所涉及的元件集成電路IC7(1／24001)集成電路IC8(1／24011)集成電路IC9(1／44061)集成電路IC10(4522)集成電路IC11(4522)集成電路IC12(1／24011)電容器C18、C19電阻R10、R11、R12、R13半導體三極體BG3(1815)半導體二極體D21、D22、(2CK14)其電路工作過程為當接通電源後，鎖相環IC20的「4」端輸出較低頻率的啟始同步脈衝，由於IC17觸發器「S」端平時處於高電平，故啟始同步脈衝可通過與非門使IC17觸發器「R」端加上負脈衝，觸發器輸出高電平。此後，除了「S」端輸入負脈衝，同步脈衝就不能再通過IC17輸出。IC17輸出正脈衝後，一方面此脈衝經發射觸發電路使BG14導通，接著BG15，BG16也導通，高壓電容C22經BG16給發射換能器(設為上遊換能器)加上電壓，該換能器振動發射超聲波，其主波進入液體，經對側管壁反射經時間T後被接收換能器(此時在下遊)收到，轉化為電振蕩由IC13放大，BG18倒相成負脈衝加到IC12觸發器「R」端。另一方面，同步正脈衝經非門後使IC7觸發器輸出端成高電平狀態，此後頻率為fφ′的時鐘脈衝就可以通過IC8進入計數器IC10，IC10、IC11為二級可予置數的減法計數器，設予置數為w，(本構思中一般設w為2－3位數)當有w個時鐘脈衝進入計數器時，原予置數減到零，其輸出端「3」輸出正脈衝並恢復原予置數，同時此脈衝送至IC7「S」端使之置「0」時鐘脈衝就不能再進入計數器了。所以IC11輸出正脈衝比同步正脈衝要延時t延＝W 1/(fφ′) 這延時正脈衝經非門後加到IC12「S」端使其置零。選擇w值使t延略小於T，則接收主波的超聲振蕩脈衝到達IC12「R」端，其第一個正脈衝就可使IC12輸出正脈衝，經微分後加至IC15或非門輸入端「a」，轉化成負脈衝加到IC17的「S」端，因此又可讓另一同步正脈衝通過IC17再次發生上述過程，如此反覆形成聲循環。從上述分析可見，在主波之前，超聲波接收換能器收到一個雜波，如果它是在t延之前，由於IC12處於「1」狀態，這個雜波不能使IC12觸發，因此雜波不能形成幹擾聲循環。如果管徑不同，聲循環周期T也就不同，可予置不同的w值，以達到上述要求。如此就可以達到消除雜波幹擾的效果。
設計消除聲速溫漂的影響的思路是在理想的頻差法超聲波流量計中，流量計的流量只與頻差成正比，而與聲速無關，但由於信號在傳播時存在著附加延遲時間，致使流量計的流量還受到聲速的影響，其關係式為Q＝ (πD3)/(4NKSinzQ3) (1＋ (τoCCOεQ3)/(D) )2ΔF其中Q為流量，D為管道內徑，N為鎖相環分數，K為流量修正係數，θ3為超聲波由管壁進入液體的折射角，τ0為聲波在聲楔和管壁中傳播時間及脈衝在電路中傳播的電路延遲時間。對於大管徑流量計，由於 (τoCCOSQ3)/(D) 遠小於1，此項可以略去。對於小管徑，其值增大，則必須將其影響考慮進去予以修正。本項技術構思的修正辦法是在分頻電路後引入一個延遲時間與上式τ0相等的延遲電路，用以抵消上式中含聲速的項，以此來補償聲速溫漂的影響，其組成原件為集成電路IC24(1／2 4001)集成電路IC25(4011)集成電路IC26(4001)集成電路IC27(4522)集成電路IC28(4522)電阻R34。其電路工作過程是聲速溫漂補償電路接在分頻電路和鎖相環中鑑相器比較端「3」之間當IC20輸出頻率為F的脈衝加到分頻電路輸入端「6」，分頻電路也是由可予置數減法計數器構成，予設其予置數N，則經時間 (N)/(F) 後，IC22才能輸出正脈衝，一路加到IC21禁止端「4」，阻止同步脈衝繼續進入分頻電路，另一路使IC25開通，φ′時鐘脈衝就可以通過IC27、IC28。予設IC27IC28予置數為M，使 (M)/(φ′) ＝τ0，則又需經歷時間才能有正脈衝從IC28輸出，一路加到IC20鑑相器比較端「3」去，於是鎖相環鎖定就有下列關係正程 (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與聲速無關的結果，從而消除了聲速溫漂對流量的影響。
本項技術構思的實施例為按附圖所示的電路圖，原件選擇如下表，(圖上已標明的除外)
選擇適應的底盤與機殼組裝起來，用汕頭超聲波原件廠生產的矩形，短前，斜探頭(鋯酸鉛)2.5p9×9K3換能器。計數器選用中規模集成塊。ICM7271A加減法計數器，並具有存貯，解碼、驅動，與微機配合等功能，數字顯示可用微機或數碼管，採用本技術構思所製成的超聲波流量計適用管徑為20～250毫米，流量為1000－15000升／時，精度不低於1.5％，達到了使用可靠減化電路的目的。
權利要求一種包括超聲波換能器，鎖相環電路和流量顯示裝置的超聲波流量計，其特徵在於1、由集成電路IC7(1/24001)，集成電路IC8(1/24001)，集成電路IC9(1/44，011)，集成電路IC10(4522)集成電路IC11(4522)，集成電路IC12(1/24011)，電阻R10、R11、R12、R13；電容器C18、C19；半導體二極體D21、D22；半導體三極體BG3構成的時間濾波電路，其連接關係為IC7構成RS觸發器，它的「R」端(「13」)經IC16接同步脈衝電路，其「S」端(「9」)接IC11輸出端「3」，IC7輸出端「10」接IC8時間門控制端「12」，時間門另一輸入端「13」接時鐘脈衝φ′，時間門輸出端「11」經一非門接延時電路IC10輸入端「6」，IC10、IC11為由兩級可予置數減法計數器構成的延時電路，它們的「4」、「10」端都接地，前一級「1」接後一級輸入端「6」，前一級「13」接後一級「12」，前一級「12」與「1」通後一級「3」、「13」接電源正，兩級予置端「5」、「11」、「14」、「2」都接到8×10K的集成電阻上，並可選擇予置數w，使 (W)/(fφ′) 略小於T(T為從發射到接收到主波經歷的時間)，IC11輸出端「3」經IC9(4001)控制IC12RS觸發器「S」端(「13)，其輸出端「10」經C19(與R13、D22構成微分電路)接於R12、BG3構成的射極輸出器基極，其射極輸出信號一路接鎖相環IC20鑑相器輸入端「14」，另一路經電容C18(與R13、D22構成第二級微分電路)加到IC15(4001)或非門「a」端，控制IC15輸負脈衝到IC17「S」端以形成聲循環，BG3的發射極經兩級非門IC14接到鎖相環的鑑相器「14」端，而接收放大電路經倒相器BG18的集電極把接收放大信號引到IC12的「R」端；2、由集成電路IC24(1／2 4001)、集成電路IC25(4011)、集成電路IC26(4001)、集成電路IC27(4522)、集成電路IC28(4522)和電阻R34構成的聲速溫漂補償電路，其連接關係為鎖相環IC20輸出端「4」經IC17－與非門後接到分頻電路IC21輸入端「6」IC21與IC22除IC21禁止端「4」不接地而接到IC24輸出端「10」以外，其餘接法與時間濾波電路中IC10、IC11接法相同，其予置端「5」、「11」、「14」、「2」用以予置分頻數N，IC22輸出端「3」接IC24觸發器「R」(「13」)端，IC24輸出端「10」接時間門IC25(4011)控制端「12」，時間門另一輸入端「13」接時鐘脈衝φ1，時間門輸出端「11」經非門IC26(4001)接IC27「6」，IC27、IC28(CD4522)也是由可予置數減法計數器構成的延時電路，它們中間的連接關係完全與IC10、IC11相同，其予置端用以選擇予置數M，使得 (M)/(φ1) ＝τ。IC28輸出端「3」一路接IC20中鑑相器比較端「3」，第二路接IC24「S」端以控制時間門的關閉，第三路接IC15與非門輸入端「5」，以便剛接通電源時，由IC28「3」可輸出正脈衝經IC15輸負脈衝給IC17「S」端去觸發超聲波觸發電路發射超聲波引起聲循環，IC20鎖定後，IC20「1」成高電平，經D26整流，C27濾波得高電平穩定電壓，加到IC15「6」，使該或非門關閉。
專利摘要一種小管徑超聲波流量計。它是在現有的頻差法超聲波流量計的基礎上，增加了由集成電路構成一個時間濾波電路，可以克服超聲波流量計在用於小管徑時產生的影響測量的雜波幹擾，又增加一個由集成電路構成的數字延時電路並配合單個鎖相環電路，得到測量時流量與聲速無關的效果，從而排除聲速溫漂對流量的影響。
文檔編號G01F1/66GK2047781SQ88220240

公開日1989年11月15日 申請日期1988年11月21日 優先權日1988年11月21日
發明者張瀚, 梁青陽, 桂德東, 閻銳, 富強 申請人:中國人民解放軍空軍第二航空技術專科學校