УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ГАЗОВОЗДУШНОГО ПОТОКА
DEVICE FOR MEASUREMENT OF GAS-AIR FLOW SPEED

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в горной промышленности для определения средней по сечению выработки скорости газовоздушного потока.
Известно устройство для измерения скорости потока, содержащее излучающий и приемный акустические преобразователи, генератор, два канала обработки принятых сигналов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных усилителя, фазовращателя, умножителя, интегратора, при этом выходы интеграторов подключены ко входам сумматора, выход которого подключен к блоку управления, сигналы с которого поступают на входы генератора, а также блок синхронизации, синхронизирующий работу генератора и усилителей [1].
Недостатком этого устройства является измерение скорости потока в одном фиксированном сечении.
Известно устройство для измерения скорости потока, содержащее одну или несколько пар акустических преобразователей, установленных в потоке, формирователь импульсов заданной псевдошумовой последовательности, каналы обработки принятых сигналов, каждый из которых включает последовательно соединенные усилитель, аттенюатор и детектор огибающей принятого сигнала, схемы захвата принятого сигнала и слежения за его положением в заданном интервале, а также вычислительный блок [2]. Это устройство взято нами в качестве прототипа.
Данное устройство измерения скорости потока имеет погрешность измерения, вызванную неточностью определения момента прихода принятого импульса.
Задачей изобретения является повышение точности измерения скорости потока за счет точного определения момента прихода принятого импульса и расширение диапазона рабочих расстояний между преобразователями.
Поставленная задача достигается тем, что в устройстве для измерения скорости газовоздушного потока, содержащем формирователь возбуждающих импульсов, пьезокерамические преобразователи, подключенные через коммутаторы к этому формирователю, два канала обработки принятых сигналов, каждый из которых включает последовательно соединенные усилитель, аттенюатор и детектор огибающей принятого сигнала, на выходе которого параллельно подключены схема захвата принятого сигнала и схема слежения за его положением в заданном интервале, а также вычислительный блок, каждая схема захвата принятого сигнала состоит из счетчика делителя частоты с блоком управления счетом, подключенных к генератору тактовых импульсов формирователя возбуждающих импульсов, компаратора и последовательно соединенных детектора захвата импульса, управляемого сигналами с выхода счетчика делителя частоты и компаратора, и детектора знака разности фаз, выходы которых подключены ко входам блока управления счетом, при этом схема слежения за положением принятого сигнала включает последовательно соединенные сдвоенную схему выборки-хранения, ключи управления которой управляются сигналами формирователя импульсов выборки, дифференциальный усилитель и анализатор нулевого уровня, выходы которого подключены к детекторам знака разности фаз и блоку управления счетом, причем сигналы со счетчиков делителей частоты и сигнал с делителя-формирователя сигнала передачи формирователя возбуждающих импульсов поступают в блок измерения интервалов времени. Кроме того, блок измерения интервалов времени состоит из двух каналов - для измерения разности времен прихода принятых сигналов, выполненного в виде последовательно соединенных первого фазового детектора, входы которого подключены к выходам счетчиков делителей частоты, и одного из счетчиков тактовых импульсов, и для измерения интервала времени распространения сигнала от излучающего до приемного преобразователя - второго фазового детектора, соединенного с делителем-формирователем сигнала передачи и счетчиком делителя частоты, и другого счетчика тактовых импульсов, причем счетчики тактовых импульсов подключены к генератору тактовых импульсов.
На фиг.1 представлена блок-схема предложенного устройства.
На фиг.2 изображены временные диаграммы сигналов в ключевых узлах схемы.
Устройство для измерения скорости газовоздушного потока состоит из двух пьезокерамических преобразователей 1, 2, закрепленных на противоположных стенках горной выработки, формирователя возбуждающих импульсов 3, коммутаторов 4 и 5, переключающих преобразователи из режима передачи в режим приема сигнала, двух одинаковых каналов обработки сигналов, принятых от пьезокерамических преобразователей 1, 2, блока измерения интервалов времени 6 - интервала разности времен прихода принятых сигналов и интервала времени распространения сигнала от излучающего до приемного преобразователя, и вычислительного блока 7. Формирователь возбуждающих импульсов состоит из генератора тактовых импульсов 8 и делителя-формирователя сигнала передачи 9. Каждый из каналов включает соответственно последовательно соединенные усилители 10, 11, аттенюаторы 12, 13, детекторы огибающей принятого сигнала 14, 15, на выходе которых параллельно подключены схемы захвата сигнала 16, 17 и схемы слежения 18, 19 за положением его в заданном интервале. При этом каждая схема захвата сигнала состоит соответственно из компараторов 20, 21, счетчиков делителей частоты 22, 23, входы которых подключены к генератору тактовых импульсов 8 и блокам управления счетом 24, 25, а один из выходов счетчиков - к детекторам захвата принятых сигналов 26, 27, другие входы которых соединены с выходами компараторов. При этом выходы детекторов захвата подключены к соответствующим детекторам знака разности фаз 28, 29 принятого сигнала и фронта выходного сигнала каждого счетчика 22, 23 и соответствующим блокам управления 24, 25. Схемы слежения 18, 19 за положением принятых сигналов в пределах длительности сигналов компараторов включают в себя последовательно соединенные сдвоенные схемы выборки-хранения 30, 31, дифференциальные усилители 32, 33 и анализаторы нулевого уровня 34, 35. При этом ключи схем выборок-хранения управляются формирователями импульсов выборки 36, 37, а выходы анализаторов нулевого уровня подключены к детекторам знака разности фаз 28, 29 и блокам управления счетом 24, 25. Блок измерения интервалов времени 6 состоит из двух каналов, один из которых включает последовательно соединенные первый фазовый детектор 38 и один из счетчиков тактовых импульсов 39, а другой канал - второй фазовый детектор 40 и другой счетчик 41. Входы фазового детектора 38 подключены к выходам счетчиков 22, 23, а входы фазового детектора 40 подключены к выходу делителя-формирователя сигнала передачи 9 и выходу счетчика делителя частоты 23. При этом входы счетчиков тактовых импульсов 39, 41 подключены к генератору тактовых импульсов, а их выходы - к вычислительному блоку 7.
Вся схема за исключением усилителей может быть реализована на однокристальной ЭВМ средствами цифровой обработки сигналов. В качестве усилителей могут быть использованы стандартные схемы.
Устройство для измерения скорости газовоздушного потока работает следующим образом.
Формирователь возбуждающих импульсов 3 вырабатывает пачки прямоугольных импульсов длительностью 250 мкс, состоящие из 10 периодов частоты 40 кГц, следующие с интервалом 40 мс (фиг.2а), которые через коммутаторы 4, 5 поступают на пьезокерамические преобразователи 1, 2, одновременно излучающие акустические сигналы в газовоздушный поток с последующим переключением этих преобразователей в режим приема акустических сигналов. Далее осуществляют параллельную обработку принятых сигналов в двух каналах обработки. В связи с тем, что процессы обработки в этих каналах одинаковы, то в дальнейшем целесообразно будет рассмотреть обработку сигнала на примере одного канала. Принятый с преобразователя 1 сигнал усиливают посредством усилителя 10, нормируют его амплитуду при помощи аттенюатора 12 и выделяют огибающую этого сигнала детектором 14 (фиг.2б). Детектированный сигнал поступает на входы схем захвата и точного слежения за принятым сигналом. Компаратором 20 из детектированного сигнала формируется прямоугольный импульс (фиг.2в). Полученный импульс и выходной сигнал счетчика делителя частоты 22 поступает на детектор захвата 26. При этом выходной сигнал счетчика 22 может находиться в одном из двух состояний: опережения (фиг.2г) и отставания (фиг.2д). В случаях опережения и отставания выходного сигнала счетчика необходима корректировка фазы этого сигнала с целью его захвата в пределы длительности прямоугольного импульса, сформированного компаратором 20. При нахождении выходного сигнала счетчика за пределами длительности импульса детектор захвата 26 передает данный импульс на детектор знака 28 с целью определения знака разности фаз. Полученная информация используется блоком управления счетом 24 для пошаговой корректировки фазы выходного сигнала счетчика 22. Описанный процесс повторяется до введения выходного сигнала счетчика в пределы длительности импульса, сформированного компаратором 20 (фиг.2е). По окончании процесса захвата детектированного сигнала в пределы длительности импульса компаратора начинается процесс точной корректировки фазы выходного сигнала счетчика 22, осуществляемый схемой слежения. С этой целью формирователь импульсов выборки 36 генерирует два импульса, имеющих длительность 20 мкс и отстоящих друг от друга на 100 мкс, причем первый импульс формируется синхронно с фронтом выходного сигнала счетчика 22 (фиг.2ж, з), которые управляют сдвоенной схемой выборки-хранения 30, запоминающей напряжения U1 и U2 (фиг.2и). Далее разность напряжений U1, U2 усиливается дифференциальным усилителем 32 и поступает на анализатор нулевого уровня 34. При выходе анализируемого напряжения за пределы зоны нечувствительности анализатора 34 сигнал с него попадает на детектор знака разности фаз 28 и блок управления счетом 24, которые корректируют фазу выходного сигнала счетчика 22. В результате этого формирователь импульсов выборки 36 формирует импульсы (фиг.2к, л) синхронно с новым положением фронта выходного сигнала счетчика 22. Процесс повторяется до тех пор, пока анализируемое напряжение не окажется в зоне нечувствительности, при этом напряжения U1 и U2 станут одинаковыми, а импульсы управления выборкой сигнала расположатся симметрично по склонам детектированного сигнала (фиг.2м). Для дальнейших измерений временных параметров используется выходной сигнал счетчика 22 (фиг.2н) и аналогичный выходной сигнал счетчика 23. Выходные сигналы счетчиков делителей частоты 22, 23 (фиг.2н, о) подают на фазовый детектор 38, который выделяет временной интервал прихода принятых сигналов по разности фаз фронтов выходных сигналов счетчиков 22, 23 (фиг.2п). Этот интервал затем измеряют счетчиком тактовых импульсов 39. На фазовый детектор 40 подают сигнал с делителя-формирователя сигнала передачи 9 (фиг.2р) и выходной сигнал счетчика делителя частоты 23 (фиг.2о). Выходной сигнал с этого фазового детектора соответствует интервалу времени распространения сигнала от излучающего до приемного преобразователя (фиг.2с). Этот интервал затем измеряют счетчиком тактовых импульсов 41. Полученные данные используются для определения скорости потока по известным зависимостям посредством вычислительного блока 7.
Источники информации
1. Авт. свидетельство №693257, кл.G01P 3/50, БИ №39 от 30.10.79.
2. Патент РФ №2189602, кл. G01P 5/24, приоритет 2000.04.24, страна приоритета KR (прототип).