Акустичний вимірювач швидкості течії

Союз Советских Социалистических Республик (II) К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22)3аявлено 31.08.81 — ( 2 1 ) 3334446/18—10 с присоединением заявки J6 (51 )М. Кл. G 01 Р 5/08 Государ ст8£нкый комитет (2.і)Приоритет СССР по делан изобретений — Опубликовано 07.02.83. бюллетень № 5 и открытий П7 (Y) R3 Дата опубликования описании (72) Авторы изобретения и '-и*'оа (53)УДКб21.317. .39-531.7 (08S 8) В. М. Кушнир и Ю. Н. Колтаков (71) Заявитель Морской гидрофизический институт АН Украинской ССР (54) АКУСТИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ СКОРОСТИ ТЕЧЕНИЯ 1 Изобретение относится к технике измерения скорости текучих сред и может быть использовано для измерения скорости течения в океане, в том числе, для прямых измерений вертикальной скорости при проведении океанографических исследований. Известен ультразвуковой датчик скорости течения, который содержит два передатчика, два приемника, генератор ультразвуковых сигналов, два усилителя, два детектора и измеритель интервалов времени f 1J. Недостатком устройства является небольточность измерения скорости течения. Известен также акустический измеритель скорости течения, который содержит первый акустический преобразователь, выход которого соединен через первый приемник с первым входом второй схемы И, а через первый передатчик - с выходом пеовой схемы ИЛИ, с входом первого счетчика и с С-входом первого D-триггера, выход которого подключен к второму входу третьей схемы И, Первый вход которой соединен с вторым входом четвертой шая схемы И,с выходом генератора опорной частоты, а выход — с входом второго счетчика, t второй акустический преобразователь, выход которого подключен через второй приемник к второму входу первой схемы И, а через второй передатчик — с выходом второй схемы ИЛИ и с С-входом второго D-триггера, выход которого соединен с первым входом четвертой схемы И, выход которой подключен к входу третьего счетчика , при этом выход 10 первой схемы И соединен с вторым входом первой схемы ИЛИ, первый вход которой подключен к входу элемента задержки, выход которого соединен с вторым вводом второй , • с схемы ИЛИ, первый вход которой подключен к выходу второй схемы И [21. В схеме измерителя осуществляется строго определенное число циклов встречного излучения акустических сигналов, причем в первом цикле излучение акустического сигнала вторым преобразователем относительно первого преобразователя производится с задержкой Т о , равной половине времени прохождения акустичес З , 994995 ким сигналом измерительной базы длиной L, т. є. Т о = L/ 2 С, где С — скорость звука. При последующих циклах разница по времени между моментами излучения сиі налов первым и вторым акустическими преобразователями 5 будет уменьшаться на величину А= (1 представляющего собой усилитель формирователь cm налов, и выход первої о передатчика 4, который представляет собой генератор коротких импульсов, срабатывающий при поступлении на его вход запускающего сигнала. С вторым преобразователем 2 соответственно соединены вход второго приемника 5 и выход второго передатчика 6, аналогичных указанным. Схема измерителя содержит также первую и вторую схемы ИЛИ 7 и 8, первую и втогде V — скорость течения ,С — скорость звука рую схемы И 9 и 10, элемент 11 задержки, Во избежание одновременного срабатывапервый и второй D-триггеры 12 и 13, первый ния приемника и передатчика соединенных счегчик 14, выход которого совместно с выс одним из акустических преобразователей, ходами первого и второго временных селекточисло цикло п всі речною излучения ограниче- , ров 15 и 3 6 подключены к входам третьей 2 2 но следующим соотношением (при С > > V ) схемы ИЛИ 17. а входы временных селекторов 15 и 16 подключены к раздельным вы2nVL f I ходам RS-тригтера 18. Выход первого D-триггера 12 через первый вход третьей схемы с 4S гс ' И 19 подключен к входу второго счетчика 20. откуда 20 а выход второго D-триггера ІЗ через первый с n (3) m o i x *• л вход четвертой схемы И 21 соединен с входом rncix третьего счетчика 22, причем вторые входы ЭТО предельное число циклов определяет схемы И 19 и 21 совместно подключены к для заданного диапазона измеряемых скоросгенератору 23 опорной частоты. тей течения чувствительность измерителя или 25 Измеритель имеет запускающий вход а, его цену-единицы его наименьшего разряда. три цифровых выхода подключены к первому, Недостатком известного акустического извіорому и третьему счетчикам, 14, 20 и 22 мерителя является то , что его чувствительсоответственно. ность является фиксированной заранее и не 10 зависит от фактической измеряемой скорости зо течения. Этоприводит к тому, что при малых скоростях течения данные измерений оказываются затрубленными , Целью изобреіения является повышение чувствительности при измерении малых ско35 ростей течения. Поставленная цель достигаемся тем, что в акустический измеритель введены трехзходовая схема ИЛИ, RS-тригтер и два временных селектора, входы которых соединены с выхода40 ми RS-тригтера, а выходы — соответственно с вторым и третьим входами третьей схемы ИЛИ, первый ІЇХОД которой подключен к выходу первого счетчика, а выход — к D-входу первого D-триггсра, выход которого соединен с 45 первым входом первой схемы И и с D-BXOдом второго D-триггера, выход которого подключен к второму входу второй схемы И, причем выход первой схемы ИЛИ соединен с S-входом, а выход второй схемы ИЛИ — с 50 R-входом RS-тригтера. На фиг. 1 показана схема предлагаемого акустического измерителя скорости течения; на фиг. 2 — временная диаграмма импульсов в отдельных точках схемы. Акустический измеритель содержит два уста 5 5 повленных на измерительной базе акустических преобразователя I и 2. С первым преобразователем 1 соединены вход первого приемника 3, Акустический измеритель скорости течения работает следующим образом. В начальный момент времени на запускающий вход а поступает импульсный сигнал, который через схему ИЛИ 7 запускает передатчик 4, формирующий импульс возбуждения акустического преобразователя 1. Одновременно от импульсного сигнала, запускающего вход а, срабатывает элемент 11 задержки, который через интервал времени Т о формирует импульс, запускающий через схему ИЛИ 8 передатчик 6 и формирующий импульс, излучаемый акустическим преобразователем 2. Сформированные акустические сигналы от преобразователей 1 и 2 распространяются со сдвигом по времени Т о навстречу друг другу, причем один из них движется по течению а в юрой — против течения. Когда акустические сигналы достигают преобразователей 1 и 2, они преобразуются в электрические импульсы, усиливаются, формируются приемниками 3, 5 и подаются на первые входы второй и первой схем И 10 и 9 соответственно. На вторые входы этих логических схем И поступают сигналы с выходов D-триггеров 13 и 12 соответственно, причем полярность этих сигналов такова, что сигналы с выходов приемников 3 и 5 проходят через логические схемы И 10 и 9. логические схемы ИЛИ 8 и 7, поступают на входы 994995 передатчиков 6 и 4, формирующих сиінальї возбуждения акустических преобразователей 2 и 1 соответственно Этот цикл повторяется. Импульсные сигналы, поступающие на входы передатчиков 4 и 6 (г и в на фиг. 2), 5 подаются также на С-входы первого и второго D-триггеров 12 и 13, счетный вход счетчика 14 и раздельные RS-входы триггера 18. При этом первый импульс, совпадающий по to времени с импульсом запуска, переводит D-триггер 12 в состояние, разрешающее прохождение импульсов через схемы И 9 и 19, а импульс, совпадающий по времени с выходными импульсом элемента 11 задержки, пере15 водит D-триггер ІЗ в состояние, разрешающее прохождение импульсов через схемы И 10 и 21, Это приводит к тому, что в моменты излучения акустических импульсов преобразователями 1 и 2 начинает поступать частота опорного генератора 23 через логичес- 20 кие схемы И 19 и 21 на входы второго и третьего счетчиков 20 и 22, а также обеспечивается возможность многократного повторения циклов излучения и приема акустических сигналов за счет "разрешения" прохождения 25 через схемы и 10 и 9 импульсов с выходов приемников 3 и 5 к входам передатчиков 6 и 4 соответственно. ' Импульсный сигнал с входа передатчика 4 заполняет первый счетчик 14 до половины 30 его емкости, после чего триггер последнего разряда изменяет свое сосгоямие, что приводит" к тому, что на D-входе D-триггера 12 изменяется полярность сигнала, что при поступлении импульса на С-вход приводит к on„ рокидьгоанию триггера и формированию потенциалов запрета прохождения частоты опорного генератора 23 на вход счетчика 20 и сигналов с выхода приемника 5 на вход генератора 4. С выхода первого D-триггера 12 сигнал 40 поступает на D-вход второго D-триггера 13 и переводит его в состояние, при котором первый же импульс с выхода приемника 6 опрокидывает триггер и тем самым останавливает счет импульсов опорной частоты в третьем счетчике 22 и прохождение импульсов с выхода приемника 3 к передатчику 6. При этом цикл встречного излучения акустических сигналов прерывается, а в счетчиках 20 и 22 фиксируются коды пропорциональные времени п циклов прохождения акустических сигналов 50 во встречных направлениях, причем п равно половине емкости первого счетчика 14. Вторая цепь остановки счета и прерывания излучения акустических сигналов работает от импульсов в и г (фиг. 2), снимаемых с входов передатчиков 4 и 6. Эти- импульсы, поступая на раздельные входы триггера 18, формируют на его выходах последовательности прямо угольных импульсов, ширина которых изменяется за каждый цикл встречного излучения из—за того, что при скорости течения V, скорости звука С и длине измерительной базы L время прохождения акустического сигнала по течению будет меньше времени прохождения акустического сигнала против течения на величину 2 2 Д Т = 2 L V/C -V ) Поэтому, в зависимости от направления течения, на одном из выходов д или л триггера 18 ширина положительных импульсов будет уменьшаться с каждым циклом на указанную величину, а при достижении некоторого заданного минимального значения Т^\ сработает один из двух временных селекторов 15 или 16, настроенных на этот минимальный интервал. Через схему ИЛИ 17 сигнал срабатывания одного из временных селекторов 15 или 16 поступает на D-вход первого D-триггера 12, что при поступлении первого же импульса на его С-вход приводит к опрокидыванию триг гера и в дальнейшем к остановке счета в счетчиках 20 и 22, а также к прерыванию циклов встречного излучения акустических сигналов в рассмотренной выше последователь ности аналогично случаю заполнения половины первого счетчика 14. Полученные двоичные коды на первом, втором и третьем счетчиках 14, 20 и 22 поступают на регистрацию и обработку. Двоичные коды N ^ и N ~ сформированные на счетчиках 20 и 22, равны c-v 1 где п — код, записанный в счетчике 14; f 0 — частота генератора опорной частоты 23. При заданном времени Т м срабатывания временных селекторов J5 и 16 код п определяется из следующего соотношения: Т = Т 'м 'О ^ г> Л'Ґ паї. =— 2Q 2Ц УП „2 2 rc\ ^ Величины скорости течения и скорости звука определяются через полученные значения кодов 1М/,, N 2 , n следующими выражениями тг Ш Используя соотношения (5) и (6), определяется чувствительность измерителя' или цена единицы его наименьшего разряда при условии С » V я . С2 4VC *' ,_ 8 7 994995 вым входом четвертой схемы И, выход котоКак видно , цена единицы наименьшего рой подключен к входу третьего счетчика, разряда измерителя пропординальна измеряепри этом выход первой схемы И соединен с мой скорости течения. Это означает, что при вторым входом первой схемы ИЛИ, первый измерении больших скоростей происходит вход которой подключен к входу элемента автоматическое эагрубление чувствительности^ 5 задержки, выход которого соединен с вторым а при малых скоростях течения чувствительвходом второй схемы ИЛИ, первый вход коность автоматически увеличивается таким обторой подключен к выходу второй схемы И, разом, что отношение c/V / V сохраняо т л и ч а ю щ и й с я тем, что , с цеется постоянным. лью повышения чувствительности при измереПрименительно к измерению океанических to нии малых скоростей течения, в него введены течений это открывает возможность прямых трехвходовая схема ИЛИ, RS-триггер и два измерений вертикальных составляющих скоросвременных селектора, входы которых соединены ти в глубинных слоях. с выходами RS-триггера, а выходы - соответФормула и з о б р е т е н и я ственно с вторым и третьим входами трехАкустический измеритель скорости течения, is входовой схемы ИЛИ, первый вход которой содержащий первый акустический преобразоваподключен к выходу первого счетчика, а вытель, выход которого соединен через первый ход - к D-входу первого О-триггера, выход приемник с первым входом второй »схемы И, которого соединен с первым входом первой а через первый передатчик с выходом первой схемы И и с D-входом второго О-триггера, схемы ИЛИ, с входом первого счетчика и с выход которого подключен к второму входу 2 0 С-входом первого П-триггера, выход которо'второй схемы И, причем выход первой схемы го подключен к второму входу ^третьей ИЛИ соединен с S входом, а выход второй схемы И, первый вход которой соединен с схемы ИЛИ - с R-вхояом RS-триггера вторым входом четвертой схемы И и с выИсточники иН(Ьормауц*и, ходом генератора опорной частоты; а выход - 25 принятые во внимание при экспертизе с входом второго счетчика, второй акустичес1, Агейкин Д. И Датчики контроля и рекий преобразователь, выход которого подклюгулирования М, "Машиностроение", 1965, чен через второй приемник к второму входу с 747 первой схемы И, а через второй передатчик 2.Авторское свидетельство СССР № 690392, к выходу второй схемы ИЛИ и С-входу второ э о го D-триггера, выход которого соединен с перкл G 01 Р 5/08, 1977 (прототип) У Фиг Г 994995 "1 з I I I ' 1 г _JLJC_ д інішпііпін ж И Редактор А. Шандор Заказ 631/29 Составитель М. Хаустов Техред М.Надь Тираж 871 ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретеїїий и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., .д. 4/5 Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 Корректор Е- Рошко Подписное