专利名称：小管径超声波流量计的制作方法
技术领域：
本项技术属于流量测量仪器。
由于超声波流量计可以实现探测装置与被测流体非接触式测量。具有使用方便，适应较广的测量环境的特点，因此自身的技术发展得很快，特别是集成电路出现，锁相环路设计与使用，使得超声波流量计成为常用的可靠的流体测量器具。目前，由美国、日本、荷兰等国家生产定型产品。这些产品所达到的基本功能指标为测速范围0－±12米／秒，可测最小管径为1／2吋，最高精度为±0.5％。
尽管超声波流量计的设计与制造已达到成熟的程度，但也同任何其他事物一样有它不足的地方。本领域的技术人员都知道，制造适用于大管径超声波流量计还比较容易，其工作也比较可靠。但对于小管径超声波流量计，问题就比较复杂。所以目前适用于小管径的超声波流量计较少。价格也比较昂贵。其原因是小管径超声波流量计要解决这种测量仪器和工作环境即小管径的适应关系。
需要解决的第一个问题是在换能器(探测头)中超声波发射器与接收器和管道之安装关系。在较大管径中，超声波发射换能器、接收换能器一般都是分别置于管道两侧，置于同侧会产生杂波干扰；但对小管径来说，超声波发射换能器和接收换能器置于管道两侧会由于距离过近满足不了声程的要求，只好置于管道同侧，这种安装方式所产生的杂波，管径越小越严重，这就产生一个如何消除杂波干扰问题，此外，由于管径小，声速温漂的影响会导致测量不准，必须有复杂的修正和补偿电路。
当前一些国家较为先进的产品中，在防止杂波干扰问题上，较多采用的是延时整形电路，但这种电路也只能排除主波到达后的杂波干扰，不能排除主波前的干扰，在声速温漂补偿上，国内LES－01型和国外频差法超声波流量计与下面所要叙述的本项技术构思有类似之处，但是它们都还附带有时间检测器，两套控制器和压控振荡器。因此国内外超声波流量计(特别是可适用于小管径的超声波流量计)线路异常复杂，价格也就异常昂贵。
为了克服现有的上声波流量计上述的不足，本项技术构思设计了两部分电路，一个是时间滤波电路，用以清除杂波干扰，另一个是利用数字延时电路配合单个相相环消除声速温漂的影响，从而达到了在保持测量功能的情况下，减化电路，降低造价，提高工作的可靠性，便于这种流量计的推广。
其具体电路结构如附图
，其中u2、u3、u4、u5、为接电源端。时间滤波电路所涉及的元件集成电路IC7(1／24001)集成电路IC8(1／24011)集成电路IC9(1／44061)集成电路IC10(4522)集成电路IC11(4522)集成电路IC12(1／24011)电容器C18、C19电阻R10、R11、R12、R13半导体三极管BG3(1815)半导体二极管D21、D22、(2CK14)其电路工作过程为当接通电源后，锁相环IC20的“4”端输出较低频率的启始同步脉冲，由于IC17触发器“S”端平时处于高电平，故启始同步脉冲可通过与非门使IC17触发器“R”端加上负脉冲，触发器输出高电平。此后，除了“S”端输入负脉冲，同步脉冲就不能再通过IC17输出。IC17输出正脉冲后，一方面此脉冲经发射触发电路使BG14导通，接着BG15，BG16也导通，高压电容C22经BG16给发射换能器(设为上游换能器)加上电压，该换能器振动发射超声波，其主波进入液体，经对侧管壁反射经时间T后被接收换能器(此时在下游)收到，转化为电振荡由IC13放大，BG18倒相成负脉冲加到IC12触发器“R”端。另一方面，同步正脉冲经非门后使IC7触发器输出端成高电平状态，此后频率为fφ′的时钟脉冲就可以通过IC8进入计数器IC10，IC10、IC11为二级可予置数的减法计数器，设予置数为w，(本构思中一般设w为2－3位数)当有w个时钟脉冲进入计数器时，原予置数减到零，其输出端“3”输出正脉冲并恢复原予置数，同时此脉冲送至IC7“S”端使之置“0”时钟脉冲就不能再进入计数器了。所以IC11输出正脉冲比同步正脉冲要延时t延＝W 1/(fφ′) 这延时正脉冲经非门后加到IC12“S”端使其置零。选择w值使t延略小于T，则接收主波的超声振荡脉冲到达IC12“R”端，其第一个正脉冲就可使IC12输出正脉冲，经微分后加至IC15或非门输入端“a”，转化成负脉冲加到IC17的“S”端，因此又可让另一同步正脉冲通过IC17再次发生上述过程，如此反复形成声循环。从上述分析可见，在主波之前，超声波接收换能器收到一个杂波，如果它是在t延之前，由于IC12处于“1”状态，这个杂波不能使IC12触发，因此杂波不能形成干扰声循环。如果管径不同，声循环周期T也就不同，可予置不同的w值，以达到上述要求。如此就可以达到消除杂波干扰的效果。
设计消除声速温漂的影响的思路是在理想的频差法超声波流量计中，流量计的流量只与频差成正比，而与声速无关，但由于信号在传播时存在着附加延迟时间，致使流量计的流量还受到声速的影响，其关系式为Q＝ (πD3)/(4NKSinzQ3) (1＋ (τoCCOεQ3)/(D) )2ΔF其中Q为流量，D为管道内径，N为锁相环分数，K为流量修正系数，θ3为超声波由管壁进入液体的折射角，τ0为声波在声楔和管壁中传播时间及脉冲在电路中传播的电路延迟时间。对于大管径流量计，由于 (τoCCOSQ3)/(D) 远小于1，此项可以略去。对于小管径，其值增大，则必须将其影响考虑进去予以修正。本项技术构思的修正办法是在分频电路后引入一个延迟时间与上式τ0相等的延迟电路，用以抵消上式中含声速的项，以此来补偿声速温漂的影响，其组成原件为集成电路IC24(1／2 4001)集成电路IC25(4011)集成电路IC26(4001)集成电路IC27(4522)集成电路IC28(4522)电阻R34。其电路工作过程是声速温漂补偿电路接在分频电路和锁相环中鉴相器比较端“3”之间当IC20输出频率为F的脉冲加到分频电路输入端“6”，分频电路也是由可予置数减法计数器构成，予设其予置数N，则经时间 (N)/(F) 后，IC22才能输出正脉冲，一路加到IC21禁止端“4”，阻止同步脉冲继续进入分频电路，另一路使IC25开通，φ′时钟脉冲就可以通过IC27、IC28。予设IC27IC28予置数为M，使 (M)/(φ′) ＝τ0，则又需经历时间才能有正脉冲从IC28输出，一路加到IC20鉴相器比较端“3”去，于是锁相环锁定就有下列关系正程 (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与声速无关的结果，从而消除了声速温漂对流量的影响。
本项技术构思的实施例为按附图所示的电路图，原件选择如下表，(图上已标明的除外)
选择适应的底盘与机壳组装起来，用汕头超声波原件厂生产的矩形，短前，斜探头(锆酸铅)2.5p9×9K3换能器。计数器选用中规模集成块。ICM7271A加减法计数器，并具有存贮，译码、驱动，与微机配合等功能，数字显示可用微机或数码管，采用本技术构思所制成的超声波流量计适用管径为20～250毫米，流量为1000－15000升／时，精度不低于1.5％，达到了使用可靠减化电路的目的。
权利要求一种包括超声波换能器，锁相环电路和流量显示装置的超声波流量计，其特征在于1、由集成电路IC7(1/24001)，集成电路IC8(1/24001)，集成电路IC9(1/44，011)，集成电路IC10(4522)集成电路IC11(4522)，集成电路IC12(1/24011)，电阻R10、R11、R12、R13；电容器C18、C19；半导体二极管D21、D22；半导体三极管BG3构成的时间滤波电路，其连接关系为IC7构成RS触发器，它的“R”端(“13”)经IC16接同步脉冲电路，其“S”端(“9”)接IC11输出端“3”，IC7输出端“10”接IC8时间门控制端“12”，时间门另一输入端“13”接时钟脉冲φ′，时间门输出端“11”经一非门接延时电路IC10输入端“6”，IC10、IC11为由两级可予置数减法计数器构成的延时电路，它们的“4”、“10”端都接地，前一级“1”接后一级输入端“6”，前一级“13”接后一级“12”，前一级“12”与“1”通后一级“3”、“13”接电源正，两级予置端“5”、“11”、“14”、“2”都接到8×10K的集成电阻上，并可选择予置数w，使 (W)/(fφ′) 略小于T(T为从发射到接收到主波经历的时间)，IC11输出端“3”经IC9(4001)控制IC12RS触发器“S”端(“13)，其输出端“10”经C19(与R13、D22构成微分电路)接于R12、BG3构成的射极输出器基极，其射极输出信号一路接锁相环IC20鉴相器输入端“14”，另一路经电容C18(与R13、D22构成第二级微分电路)加到IC15(4001)或非门“a”端，控制IC15输负脉冲到IC17“S”端以形成声循环，BG3的发射极经两级非门IC14接到锁相环的鉴相器“14”端，而接收放大电路经倒相器BG18的集电极把接收放大信号引到IC12的“R”端；2、由集成电路IC24(1／2 4001)、集成电路IC25(4011)、集成电路IC26(4001)、集成电路IC27(4522)、集成电路IC28(4522)和电阻R34构成的声速温漂补偿电路，其连接关系为锁相环IC20输出端“4”经IC17－与非门后接到分频电路IC21输入端“6”IC21与IC22除IC21禁止端“4”不接地而接到IC24输出端“10”以外，其余接法与时间滤波电路中IC10、IC11接法相同，其予置端“5”、“11”、“14”、“2”用以予置分频数N，IC22输出端“3”接IC24触发器“R”(“13”)端，IC24输出端“10”接时间门IC25(4011)控制端“12”，时间门另一输入端“13”接时钟脉冲φ1，时间门输出端“11”经非门IC26(4001)接IC27“6”，IC27、IC28(CD4522)也是由可予置数减法计数器构成的延时电路，它们中间的连接关系完全与IC10、IC11相同，其予置端用以选择予置数M，使得 (M)/(φ1) ＝τ。IC28输出端“3”一路接IC20中鉴相器比较端“3”，第二路接IC24“S”端以控制时间门的关闭，第三路接IC15与非门输入端“5”，以便刚接通电源时，由IC28“3”可输出正脉冲经IC15输负脉冲给IC17“S”端去触发超声波触发电路发射超声波引起声循环，IC20锁定后，IC20“1”成高电平，经D26整流，C27滤波得高电平稳定电压，加到IC15“6”，使该或非门关闭。
专利摘要一种小管径超声波流量计。它是在现有的频差法超声波流量计的基础上，增加了由集成电路构成一个时间滤波电路，可以克服超声波流量计在用于小管径时产生的影响测量的杂波干扰，又增加一个由集成电路构成的数字延时电路并配合单个锁相环电路，得到测量时流量与声速无关的效果，从而排除声速温漂对流量的影响。
文档编号G01F1/66GK2047781SQ88220240
公开日1989年11月15日 申请日期1988年11月21日 优先权日1988年11月21日
发明者张瀚, 梁青阳, 桂德东, 阎锐, 富强 申请人:中国人民解放军空军第二航空技术专科学校