Ультразвуковой расходомер

 

Ультразвуковой времяимпульсный расходомер содержит измерительный участок трубопровода с закрепленными на нем двумя пьезоэлектрическими преобразователями, включенными в соответствующие синхрокольца, состоящие из последовательно соединенных коммутатора, усилителя, компаратора, схема ИЛИ и первого одновибратора, выход которого соединен с входом второго одновибратора, а также через две схемы И с входами соответственно первого и второго формирователей зондирующих импульсов (ФЗИ). Пьезоэлектрические преобразователи подключены к выходам соответствующих ФЗИ и соответствующим входам коммутатора, третий вход которого связан с вторыми входами схем И и выходом устройства микропроцессорного управления (ЭВМ). Для адаптации порога срабатывания компаратора к уровню принимаемого сигнала в расходомер введены последовательно соединенные третья схема И, счетчик импульсов, регистр последовательного приближения, вычитающее устройство и ЦАП. Изобретение обеспечивает повышение надежности в работе и точности измерения расхода жидких сред. 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения расходов различных жидких сред.

Известны ультразвуковые расходомеры (1-3), которые содержат измерительный отрезок трубопровода с двумя пьезоэлектрическими преобразователями, включенными в соответствующие синхрокольца, состоящие из последовательно соединенных коммутатора (ключей или переключателя направления излучения), усилителя-формирователя, схем И, ИЛИ и формирователя зондирующих импульсов (генератора импульсов). Известные устройства включают в себя также одновибраторы, триггеры, временной селектор, счетчики-делители, мультиплексор-дешифратор, реверсивные счетчики, вычитающее устройство, регистры, формирователи стробов.

Ультразвуковые расходомеры работают следующим образом. Пьезоэлектрические преобразователи излучают и принимают ультразвуковые импульсы, прошедшие среду по потоку и против него с образованием в одном канале двух синхроколец. Затем квантуют периоды синхрокольца n периодами специального генератора, исключают совпадение во времени импульсов синхроколец и вычисляют по их параметрам скорость потока.

В случае изменения в условиях эксплуатации расходомера физико-химических параметров измеряемой жидкости происходит изменение уровня затухания при прохождении акустическим импульсом измеряемой среды, а также изменяется чувствительность пьезоэлектрических преобразователей. Вследствие этого амплитуда принимаемых импульсов может изменяться в широких пределах. Это может привести к срыву автоциркуляции в синхрокольце при уменьшении амплитуды принимаемого сигнала ниже порогового уровня усилителя-формирователя, который невозможно выбирать достаточно низким, так как это приведет к ложному срабатыванию от помеховых сигналов при большой амплитуде принимаемых сигналов.

Кроме того, изменение амплитуды принимаемых сигналов в широких пределах приводит к случайному не компенсируемому изменению времени задержки в электронных цепях усилителя-формирователя, сравнимому с разностью времени прохождения акустического импульса по потоку и против при малых скоростях потока (несколько наносекунд). Это приводит к увеличению погрешности измерения скорости потока за счет изменения периода следования импульсов автоциркуляции на величину времени задержки импульсов в электрических цепях усилителя-формирователя.

Таким образом, недостатками аналогов является пониженная надежность и повышенная погрешность определения скорости потока измеряемой жидкости.

Наиболее близким аналогом предлагаемого устройства является ультразвуковой расходомер-счетчик УРСВ-010М (4). Известное устройство содержит отрезок трубы и закрепленные на нем два пьезоэлектрических преобразователя, подключенные к коммутатору направления излучения. Синхрокольца расходомера состоят из последовательно соединенных коммутатора направления излучения, усилителя, формирователя импульсов, триггера, формирователя временного окна и формирователя мощных импульсов. Вход схемы принудительного запуска соединен с выходом триггера, а выход связан со вторым входом триггера. Известное устройство содержит также второй и третий триггеры, три счетчика импульсов, регистр управления, генератор образцовой частоты и схему микропроцессорного управления.

Устройство работает следующим образом. После подачи запускающего импульса START от схемы микропроцессорного управления производится сброс второго и третьего триггеров, а также происходит принудительный запуск формирователя временного окна, чем обеспечивается формирование первого зондирующего импульса с помощью формирователя мощных импульсов. Зондирующий импульс через коммутатор направления излучения подается на один из пьезоэлектрических преобразователей. После прохождения через измеряемую жидкость на выходе другого пьезоэлектрического преобразователя сигнал имеет форму радиоимпульса. После усиления в усилителе формирователь импульсов преобразует его в пачку импульсов, которые устанавливают первый триггер в "1" состояние. По этому сигналу формирователь временного окна вырабатывает очередной запускающий импульс. Таким образом происходит регенерация запускающих импульсов в каждом такте излучения сигнала по или против потока жидкости. Под действием этих импульсов происходит заполнение первого счетчика импульсов и в момент его переполнения заканчивается цикл измерения по данному направлению T_n1(T_n2). Значение T_n1(T_n2) пропорционально времени распространения сигнала в электроакустическом тракте T_n1(T_n2): T_n1= N·T₁ где N - коэффициент накопления первого счетчика. Коды, пропорциональные длительности по потоку и против T_n1 и T_n2, формируются во втором и третьем счетчиках. Полученные коды считываются схемой микропроцессорного управления, которая осуществляет обработку результатов измерения и вычисление измеряемого расхода жидкости: Q=S_nn·(T_n1-T_n2), м³/ч, где S_nn- коэффициент преобразования расходомера.

Недостатком прототипа, так же, как и аналогов, является низкая надежность и повышенная погрешность определения скорости потока измеряемой жидкости из-за наличия фиксированного порога срабатывания формирователя импульсов. При фиксированном пороге срабатывания происходят срывы автоциркуляции импульсов, а время задержки в электронных цепях формирователя импульсов изменяется при изменении амплитуды принимаемых импульсов в широких пределах, что увеличивает погрешность измерения.

Задача настоящего изобретения - создание ультразвукового расходомера, в котором путем адаптации порога срабатывания компаратора к уровню принимаемого сигнала повышается надежность работы и точность измерения расхода жидкости.

Задача решается тем, что в ультразвуковой расходомер, содержащий измерительный участок трубопровода с калиброванным сечением и закрепленными на нем двумя обратимыми сопряженными пьезоэлектрическими преобразователями, включенными в соответствующие синхрокольца, состоящие из последовательно соединенных коммутатора, усилителя, компаратора, схемы ИЛИ и первого одновибратора, выход которого соединен со входом второго одновибратора, а также через две схемы И с входами соответственно первого и второго формирователей зондирующих импульсов, а пьезоэлектрические преобразователи подключены к выходам соответствующих формирователей зондирующих импульсов и соответствующим входам коммутатора, третий вход которого связан с вторыми входами схем И и выходом устройства микропроцессорного управления, второй выход которого соединен с вторым входом схемы ИЛИ, а вход подключен к выходу второго одновибратора и второму входу компаратора, введены последовательно соединенные третья схема И, счетчик импульсов, регистр последовательного приближения, вычитающее устройство и цифроаналоговый преобразователь, выход которого соединен с третьим входом компаратора, причем вход третьей схемы И связан с выходом счетчика импульсов, второй вход схемы И соединен с выходом второго одновибратора, а второй вход счетчика связан с вторым входом регистра последовательного приближения и вторым выходом устройства микропроцессорного управления, третий выход которого соединен с третьим входом регистра последовательного приближения, второй выход которого подключен к второму входу устройства микропроцессорного управления, четвертые выходы которого подсоединены к вторым входам вычитающего устройства.

На чертеже представлены: фиг.1 - блок-схема предлагаемого расходомера; фиг. 2 - временные диаграммы сигналов в точках схемы расходомера.

Ультразвуковой расходомер содержит измерительный участок трубопровода 1 с калиброванным сечением и закрепленными на нем двумя обратимыми сопряженными пьезоэлектрическими преобразователями 2 и 3, включенными в соответствующие синхрокольца, состоящие из последовательно соединенных коммутатора 4, усилителя 5, компаратора 6, схемы ИЛИ 7 и первого одновибратора 8. Выход первого одновибратора 8 соединен со входом второго одновибратора 9, а также с входами двух схем И 10 и 11, выходы которых подключены к входам соответственно первого 12 и второго 13 формирователей зондирующих импульсов. Пьезоэлектрические преобразователи 2 и 3 подключены к выходам соответствующих формирователей зондирующих импульсов 12 и 13 и соответствующим входам коммутатора 4, третий вход которого связан с вторыми входами схем И 10 и 11, а также выходом устройства микропроцессорного управления 14. Второй выход устройства микропроцессорного управления 14 соединен с вторым входом схемы ИЛИ 7, а вход устройства 14 подключен к выходу второго одновибратора 9 и второму входу компаратора 6.

Для адаптации порога срабатывания компаратора 6 к уровню принимаемого сигнала расходомер содержит последовательно соединенные третью схему И 15, счетчик импульсов 16, регистр последовательного приближения 17, вычитающее устройство 18 и цифроаналоговый преобразователь 19, выход которого соединен с третьим входом компаратора 6. Вход третьей схемы И 15 связан с выходом счетчика импульсов 16, а второй вход схемы И 15 соединен с выходом второго одновибратора 9. Второй вход счетчика импульсов 16 связан с вторым входом регистра последовательного приближения 17 и вторым выходом устройства микропроцессорного управления 14, третий выход которого соединен с третьим входом регистра последовательного приближения 17. Второй выход регистра последовательного приближения 17 подключен к второму входу устройства микропроцессорного управления 14, четвертые выходы которого подсоединены к вторым входам вычитающего устройства 18.

Коммутатор 4 представляет собой мультиплексор аналоговых сигналов с цифровым входом управления и предназначен для подключения приемного пьезоэлектрического преобразователя 2 или 3 в зависимости от направления излучения зондирующего импульса к входу усилителя 5.

Усилитель 5 представляет собой логарифмический усилитель и предназначен для уменьшения динамического диапазона принимаемого сигнала на входе компаратора 6.

Формирователи зондирующих импульсов 12 и 13 представляют собой ключевые усилители и предназначены для усиления зондирующих импульсов и согласования со входом пьезоэлектрических преобразователей 2 и 3.

Устройство микропроцессорного управления 14 представляет собой однокристальную ЭВМ и предназначено для управления режимами работы расходомера и вычисления параметров измеряемой жидкости.

Вычитающее устройство 18 содержит в себе, например, схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и сумматоры и предназначено для вычитания из выходного кода регистра последовательного приближения 17 кода, поступающего с четвертого выхода устройства микропроцессорного управления 14.

Остальные элементы схемы общеизвестны и не имеют особенностей.

По принципу работы расходомер относится к времяимпульсным ультразвуковым расходомерам, его работа основана на измерении разности времен прохождения коротких зондирующих импульсов ультразвуковых колебаний по направлению движения потока жидкости в трубопроводе и против него. Возбуждение зондирующих импульсов производится первичными пьезоэлектрическими преобразователями, установленными на трубопровод с измеряемым расходом.

По способу организации зондирования потока жидкости ультразвуковыми импульсами расходомер относится к автоциркуляционным расходомерам с попеременной коммутацией. Особенностью расходомера является попеременное функционирование двух синхроколец. Синхрокольца образованы приемно-усилительным трактом, охваченным запаздывающей обратной связью через электроакустический тракт (пьезоэлектрический преобразователь 2 - жидкость - пьезоэлектрический преобразователь 3).

Движение жидкости в трубопроводе приводит к изменению полного времени распространения ультразвуковых сигналов между пьезоэлектрическими преобразователями: по потоку жидкости время распространения уменьшается, а против потока - возрастает. Расходомер посредством попеременного излучения в движущуюся жидкость ультразвуковых колебаний и их приема осуществляет измерение времен распространения зондирующих импульсов по потоку и против потока жидкости: где T₁, T₂ - полное время распространения зондирующих импульсов, соответственно против потока и по потоку жидкости; L - расстояние между излучателями; C - скорость распространения ультразвуковых колебаний в неподвижной жидкости; V - скорость жидкости, усредненная вдоль ультразвукового луча;
ΔL/C время прохождения зондирующих импульсов не измерительных участков синхроколец, включающее и время задержки в электронных цепях расходомера.

Затем расходомер вычисляет разность и расход,

где Q - измеряемый расход жидкости;
K₁ - гидродинамический коэффициент;

D - внутренний диаметр трубопровода.

Ультразвуковой расходомер работает следующим образом.

Устройство работает в двух режимах: "Калибровка" и "Измерение". В режиме "Калибровка" происходит адаптация порога чувствительности компаратора 6 к уровню принимаемого сигнала. После этого следует режим "Измерение", при котором происходит измерение суммарного времени распространения N импульсов в электроакустическом тракте.

В режиме "Калибровка" устройство микропроцессорного управления 14 на своем первом выходе формирует команду направления излучения, например, лог. "0", которая поступает на третий вход коммутатора 4 и вторые входы схем И 10 и 11, подготавливается расходомер для излучения и приема зондирующих импульсов против потока. При этом одновибратор 8 через схему И 11 подключается к входу формирователя зондирующих импульсов 13, а пьезоэлектрический преобразователь 2 через коммутатор 4 подключается к входу усилителя 5.

Временные диаграммы работы расходомера в режиме "Калибровка" представлены на фиг. 2, а-г.

После этого устройство микропроцессорного управления 14 на своих втором и третьем выходах формирует соответственно сигналы запуска (фиг. 2,б) и калибровки (фиг. 2,а), причем сигнал запуска поступает на вход сброса счетчика импульсов 16, тактовый вход регистра последовательного приближения 17 и второй вход схемы ИЛИ 7, а сигнал калибровки поступает на стартовый вход регистра последовательного приближения 17. По этим сигналам обнуляется счетчик импульсов 16 и начинается цикл преобразования регистра последовательного приближения 17, при этом на выходе старшего разряда Q_n появляется напряжение низкого уровня, на всех остальных - высокого уровня. На четвертом выходе устройство микропроцессорного управления 14 формирует нулевой код, который поступает на второй вход вычитающего устройства 18. Таким образом, выходной код регистра последовательного приближения 17 через вычитающее устройство 18 без изменений поступает на вход цифроаналогового преобразователя 19, который формирует соответствующее аналоговое напряжение, поступающее на пороговый вход компаратора 6. Это напряжение на первом такте преобразования равно половине диапазона изменения сигнала на выходе усилителя 5.

Как указывалось выше, импульс запуска с второго выхода устройства микропроцессорного управления 14 через схему ИЛИ 7 поступает на вход одновибратора 8, который формирует короткий импульс, поступающий через схему И 11 на вход формирователя зондирующих импульсов 13. Последний формирует мощный импульс, поступающий на вход пьезоэлектрического преобразователя 3, который преобразует электрический сигнал в акустический и излучает его в измеряемую жидкость. Пьезоэлектрический преобразователь 2 принимает акустический сигнал, преобразует его в электрический, который через коммутатор 4 поступает на вход усилителя 5. Принятый сигнал имеет форму радиоимпульса. Усиленный сигнал поступает на вход компаратора 6, где сравнивается с пороговым уровнем, задаваемым цифроаналоговым преобразователем 19. В случае превышения амплитуды сигнала порогового уровня на выходе компаратора 6 появляется импульс, который через схему ИЛИ 7 поступает на вход одновибратора 8, формирующего короткий импульс, который снова через схему И 11 поступает на вход формирователя зондирующих импульсов 13 и процесс автоциркуляции в синхрокольце продолжается.

Одновременно короткий импульс с выхода одновибратора 8 поступает на вход одновибратора 9, который формирует сигнал строба длительностью, не превышающей время распространения сигнала в измеряемой жидкости (фиг. 2,в). Этот сигнал поступает на вход запрета компаратора 6 и запрещает его работу после прохождения первой полуволны входного радиоимпульса, что необходимо для защиты от помех.

Сигнал строба с выхода одновибратора 9 через схему И 15 поступает также на тактовый вход счетчика импульсов 16. Под действием этих импульсов происходит заполнение счетчика 16 и в момент его переполнения формируется выходной сигнал - лог "1", который поступает на вход последовательных данных регистра 17 и первый вход схемы И 15, запрещая дальнейшее прохождение импульсов строба на вход счетчика 16.

Если первоначально установленный на выходе цифроаналогового преобразователя 19 порог превышает амплитуду сигнала на входе компаратора 6, то процесс автоциркуляции в синхрокольце не происходит и, следовательно, импульсы строба на выходе одновибратора 9 не формируются, счетчик 16 остается незаполненным и его выходной сигнал также не формируется.

Через время, необходимое для полного заполнения счетчика 16, устройство микропроцессорного управления 14 формирует на своем втором выходе следующий сигнал запуска. По этому сигналу обнуляется счетчик 16, а по входу последовательных данных регистра 17 записывается в старший разряд выходной сигнал счетчика 16 в зависимости от того был ли заполнен счетчик 16 или нет. Кроме того, на выходе последующего старшего разряда Q_n-1 регистра 17 появляется напряжение низкого уровня, а на всех последующих младших разрядах остается напряжение высокого уровня. Таким образом, пороговое напряжение на входе компаратора 6 изменяется.

Импульс запуска через схему ИЛИ 7 поступает также и на одновибратор 8 и процесс автоциркуляции импульсов в синхрокольце возобновляется, но уже при новом значении порогового напряжения на входе компаратора 6. Далее расходомер работает вышеописанным способом и в результате в регистре 17 устанавливается значение кода в разряде Q_n-1.

Аналогичным образом по известному принципу работы регистра последовательного приближения устанавливаются значения кода во всех остальных младших разрядах регистра 17, причем общее число тактов импульсов запуска равно количеству разрядов регистра 17. По окончании цикла преобразования на втором выходе регистра 17 формируется отрицательный перепад напряжения (фиг. 2,г), поступающий на второй вход устройства микропроцессорного управления 14. По этому сигналу устройство микропроцессорного управления 14 на четвертом выходе формирует код, поступающий на второй вход вычитающего устройства 18, который вычитается из выходного кода регистра 17. Выходной код вычитающего устройства 18 преобразуется в цифроаналоговом преобразователе 19 в аналоговое напряжение и поступает на пороговый вход компаратора 6.

Таким образом, в регистре последовательного приближения 17 формируется код, соответствующий амплитуде сигнала на входе компаратора 6, а пороговое напряжение, формируемое цифроаналоговым преобразователем 19, заведомо меньше амплитуды сигнала при реально существующих в данный момент условиях эксплуатации на величину помехозащищенности, т.е. пороговый уровень адаптирован к реально существующей амплитуде входного сигнала. Это приводит к невозможности срыва процесса автоциркуляции при изменении в условиях эксплуатации расходомера физико-химических параметров измеряемой жидкости и, следовательно, изменении уровня принимаемого сигнала, что повышает надежность работы устройства. Кроме того, подстройка порога срабатывания к амплитуде принимаемого сигнала позволяет сделать время задержки в электронных цепях компаратора постоянной величиной, не зависящей от амплитуды принимаемого сигнала, что повышает точность измерения расходомера.

После этого следует режим "Измерение", при котором происходит измерение суммарного времени распространения N импульсов в электроакустическом тракте при излучении импульсов в том же направлении, при котором происходит режим "Калибровка".

Временные диаграммы работы расходомера в режиме "Измерение" представлены на фиг. 2, д-и.

В этом режиме устройство микропроцессорного управления 14 на втором выходе формирует сигнал запуска, поступающий через схему ИЛИ 7 на вход одновибратора 8, который вырабатывает короткие импульсы заданной длительности (фиг. 2, з). Импульсы с выхода одновибратора 8 через схему И 11 подаются на формирователь зондирующих импульсов 13, вырабатывающий мощный импульс заданной формы (фиг. 2, д), который поступает на передающий преобразователь 3. Принятый пьезоэлектрическим преобразователем 2 входной сигнал через коммутатор 4 и усилитель 5 поступает на вход компаратора 6 (фиг. 2,е), где сравнивается с раннее установленным в режиме "Калибровка" пороговым уровнем. На выходе компаратора 6 формируются импульсы превышения амплитуды входного сигнала над пороговым значением (фиг. 2,ж), которые через схему ИЛИ 7 поступают на вход одновибратора 8 и начинается процесс автоциркуляции импульсов в синхрокольце.

Одновременно короткий импульс с выхода одновибратора 8 поступает на вход одновибратора 9, который формирует сигнал строба (фиг. 2,и), поступающий на вход запрета компаратора 6 и запрещает его работу после прохождения первой полуволны входного радиоимпульса, что повышает помехозащищенность расходомера. Сигнал с выхода одновибратора 9 поступает также на первый вход устройства микропроцессорного управления 14, которое измеряет время распространения пачки из N зондирующих импульсов против потока: T_n1=N·T₁.

После этого расходомер переходит в режим "Калибровка", а затем режим "Измерение" при излучении зондирующих импульсов по потоку измеряемой жидкости. Для этого устройство микропроцессорного управления 14 формирует на первом выходе команду направления излучения по потоку (лог. "1"), которая в этом случае подключает одновибратор 8 через схему И 10 к входу формирователя зондирующих импульсов 12, а пьезоэлектрический преобразователь 3 через коммутатор 4 подключается к входу усилителя 5, подготавливая расходомер для излучения и приема зондирующих импульсов по потоку измеряемой жидкости. Затем расходомер в режимах "Калибровка" и "Измерение" работает аналогично вышеописанному при излучении зондирующих импульсов против потока.

В результате устройство микропроцессорного управления 14 измеряет время распространения пачки из N зондирующих импульсов по потоку измеряемой жидкости: T_n2 = N·T₂
После измерения времени распространения против потока T_n1 и по потоку T_n2 устройство микропроцессорного управления 14 осуществляет обработку результатов измерения и вычисление по измеренным значениям интервалов времени по обоим направлениям расхода жидкости по вышеприведенной формуле. Затем процесс калибровки и измерения времени распространения зондирующих импульсов по обоим направлениям повторяется и т.д.

Таким образом, ультразвуковой расходомер обеспечивает высокую надежность работы и измерения расхода жидкости с малой погрешностью в случае изменения в условиях эксплуатации физико-химических параметров измеряемой жидкости и чувствительности пьезоэлектрических преобразователей.

ЛИТЕРАТУРА
1. Авт. св. СССР N 1364882, G 01 F 1/66, опубл. 1988 г.

2. Патент РФ N 2018089, G 01 F 1/66, опубл. 1994 г.

3. Патент РФ N 2085858, G 01 F 1/66, опубл. 1997 г.

4. Расходомер-счетчик ультразвуковой УРСВ-010М "Взлет РС" B 35.30-00.00м

Формула изобретения

Ультразвуковой расходомер, содержащий измерительный участок трубопровода с калиброванным сечением и закрепленным на нем двумя обратимыми сопряженными пьезоэлектрическими преобразователями, включенными в соответствующие синхрокольца, состоящие из последовательно соединенных коммутатора, усилителя, компаратора, схемы ИЛИ и первого одновибратора, выход которого соединен с входом второго одновибратора, а также через две схемы И с входами соответственно первого и второго формирователей зондирующих импульсов, а пьезоэлектрические преобразователи подключены к выходам соответствующих формирователей зондирующих импульсов и соответствующим входам коммутатора, третий вход которого связан с вторыми входами схем И и выходом устройства микропроцессорного управления, второй выход которого соединен с вторым входом схемы ИЛИ, а вход подключен к выходу второго одновибратора и второму входу компаратора, отличающийся тем, что в него введены последовательно соединенные третья схема И, счетчик импульсов, регистр последовательного приближения, вычитающее устройство и цифроаналоговый преобразователь, выход которого соединен с третьим входом компаратора, причем вход третьей схемы И связан с выходом счетчика импульсов, второй вход схемы И - с выходом второго одновибратора, а второй вход счетчика импульсов - с вторым входом регистра последовательного приближения и вторым выходом устройства микропроцессорного управления, третий выход которого соединен с третьим входом регистра последовательного приближения, второй выход которого подключен к второму входу устройства микропроцессорного управления, четвертые выходы которого подсоединены к вторым входам вычитающего устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2