Ультразвуковое устройство измерения скорости потока (варианты)

 

Устройство предназначено для измерения скорости потока текучей среды. Устройство содержит пару ультразвуковых преобразователей, установленных вдоль течения среды, передающий блок, блок переключения, приемный блок и блок измерения временного интервала. Устройство также содержит блок синхронизации сигналов и контроллер. Передающий блок осуществляет генерацию ультразвукового сигнала, имеющего частоту, модулированную псевдошумовым (ПШ) кодом полосы расширения спектра. Приемный блок осуществления демодуляцию выходного сигнала блока переключения и определяет момент, когда его собственный сигнал идентичен сигналу передающего блока. В устройстве по второму варианту передающий блок осуществляет выбор одного ПШ кода из множества последовательностей сигналов. Повышается точность определения времени прохождения ультразвука и точность измерения средней скорости потока на искривленной траектории. 3 с. и 3 з.п.ф-лы, 12 ил.

Изобретение относится к устройству для измерения скорости потока текучей среды с использованием ультразвукового луча. Более конкретно, оно относится к ультразвуковому устройству измерения скорости потока, которое генерирует или принимает ультразвуковой луч, частота которого модулируется согласно псевдошумовому (ПШ) коду полосы расширения спектра на передающей стороне, и точно измеряет скорость потока трубопровода или сливного открытого канала.

Предшествующий уровень техники Хорошо известно, что для количественного измерения потока в трубопроводе большого размера или в условиях большой реки применяют ультразвуковой расходомер, использующий ультразвуковой луч.

В известных ультразвуковых расходомерах широко применяется способ измерения скорости потока, использующий разность по времени прохождения ультразвука. Фиг. 1 иллюстрирует пример того, как ультразвуковые преобразователи 1 и 2 устанавливаются отдельно друг от друга в известном ультразвуковом расходомере. Ультразвуковые преобразователи 1 и 2 поочередно генерируют или принимают ультразвуковой луч, и измеряют скорость потока, используя следующее уравнение (1): Здесь t, равное t12 и t21, представляет собой время, за которое ультразвуковой луч передается в текучей среде под углом или в направлении, противоположном направлению скорости потока. L - интервал между двумя ультразвуковыми преобразователями, d равно L cos , и С - скорость звука в текучей среде (которая ниже упоминается вместо скорости прохождения ультразвука).

Способ измерения скорости потока, использующий разность во времени прохождения ультразвука, предварительно вводит заданную константу L2/2d, и вычисляет разность во времени между временем t12 и временем t21, причем время t12 измеряется, когда ультразвуковой луч испускается в направлении скорости потока, а время t21 измеряется, когда ультразвуковой луч испускается в направлении, противоположном направлению скорости потока для времени tl2. Такой способ измерения скорости потока описан в патенте США 5531124 (2 июля, 1996) и в патенте Японии 2676321 (26 июля, 1998).

Однако согласно известному вышеупомянутому способу, если интервал L между ультразвуковыми преобразователями относительно более длинный, или если в потоке текучей среды возникают завихрения или водовороты различных размеров, или если в русле реки изменяются концентрация суспензии текучей среды и температурное распределение, то звуковое давление ультразвукового луча в месте приема ультразвука имеет значительные колебания вследствие отражения или рассеивания ультразвукового луча или изменения коэффициента затухания за счет поглощения.

Кроме того, даже если передается идеальный ультразвуковой луч, имеющий малую длину волны, принимаемый сигнал становится колоколообразным импульсом, потому что более высокочастотная гармоническая составляющая ультразвукового луча испытывает значительное затухание. При этом, обычно в момент проверки того, что ультразвуковой луч принят, может иметь место ошибка приема, соответствующая нескольким периодам ультразвукового луча, и не редок случай сбоя приема.

Чтобы не исказить форму принимаемого импульса при передаче и приеме ультразвукового луча, используют широкополосный усилитель, но при этом усиливаются различные шумы. Особенно это вызывает искажение в измерении времени прохождения ультразвука из-за импульсных шумов.

С учетом вышеупомянутых проблем, в патенте США 6012338, являющемся наиближайшим аналогом заявленного изобретения по пунктам 1-5 формулы изобретения, раскрыт способ, согласно которому измеряется время прохождения ультразвука посредством испускания или приема частотно-модулированного ультразвукового луча для получения скорости потока, как показано на фиг.2.

Согласно фиг.2, частотно-модулированный генератор 3 соединен с блоком 14 переключения преобразователей через выходной усилитель 6. Пара ультразвуковых преобразователей 1 и 2 соединена с блоком 14 переключения преобразователей. Генератор (3) модуляции ультразвука, соединенный с входом выходного усилителя 6, последовательно выдает частоту f колебаний, при отсутствии входного импульса из ждущего мультивибратора 4, а также выдает частоту fo (фиг. 3б), которая модулируется в соответствии с коротким импульсом (фиг.3б), сформированным ждущим мультивибратором 4 посредством длинного импульса (фиг. 3а), сформированного управляющим генератором 5 прямоугольных импульсов с заданным периодом.

Частоты f и fo, сформированные частотно-модулированным генератором 3, проходят через выходной усилитель 6 и подаются в блок 14 переключения преобразователей. Блок 14 переключения преобразователей вводит усиленные частоты f и fo в ультразвуковой передающий преобразователь 1. Ультразвуковой передающий преобразователь 1 последовательно испускает сигнал с частотой f колебаний и частотно-модулированный сигнал на частоте fo, как показано на фиг. 3г. Принимающий ультразвуковой преобразователь 2, установленный ниже по течению относительно передающего ультразвукового преобразователя 1, принимает сигнал на частоте f колебаний и частотно-модулированный сигнал на частоте fo.

Выходной сигнал выходного усилителя 6 поступает в частотный дискриминатор 9 через аттенюатор 13 и блок 8 переключения выхода. Частотный дискриминатор 9 генерирует выходное напряжение (фиг.3д) в течение длительности сигнала частоты fo. Выходное напряжение (фиг.3д) преобразуется в прямоугольный импульс посредством блока 10 формирования импульса, как показано на фиг. 3е. Блок 11 измерения временного интервала начинает операцию отсчета с момента приема прямоугольного импульса. После этого, в момент заднего фронта импульса, блок 8 переключения выхода и блок 14 переключения преобразователей переключаются в соответствии с управлением от генератора 5 управляющих прямоугольных импульсов, и выходной сигнал (фиг.3е) приемного усилителя 7 вводится в частотный дискриминатор 9, а выходное напряжение (фиг.3ж) преобразуется в прямоугольный импульс (фиг.3з) с помощью блока 10 формирования импульса и затем передается в блок 11 измерения временного интервала. Блок 11 измерения временного интервала в этот момент останавливает операцию отсчета. Кроме того, устройство измерения временного интервала выдает отсчитанное время t12 прохождения ультразвука в арифметико-логическое устройство 12 обработки скорости потока.

После этого блок 14 переключения преобразователей передает выходной сигнал из выходного усилителя 6 в принимающий ультразвуковой преобразователь 2 при управлении от генератора 5 управляющих прямоугольных импульсов, в результате чего испускается ультразвуковой луч, имеющий модулированную частоту в направлении ультразвукового передающего преобразователя 1. Время t21 прохождения ультразвука измеряют посредством вышеупомянутых шагов. Арифметико-логическое устройство 12 обработки скорости потока принимает, из блока 11 измерения временного интервала, время t21 для противоположного направления относительно времени t12 и вычисляет скорость потока, используя вышеупомянутое уравнение (1).

Согласно патенту США 6012338 измеряют время прохождения ультразвука, фиксируя момент, в который изменяется частота принимаемого сигнала, и таким образом осуществляют измерение даже при условии колебаний звукового давления ультразвукового луча.

Однако ультразвуковой луч, сформированный ультразвуковым передающим преобразователем 1, отражается от поверхности или от дна и поступает в принимающий ультразвуковой преобразователь 2 после задержки, так что трудно точно определить момент времени, соответствующий частотной модуляции. Другими словами, как показано на фиг.4, когда ультразвуковой передающий преобразователь 1 испускает ультразвуковой луч к принимающему ультразвуковому преобразователю 2, ультразвуковой луч поступает в принимающий ультразвуковой преобразователь 2 в виде сигнала многолучевого распространения. Например, ультразвуковой луч, проходящий по путям от первого до третьего P1, P2 и Р3 имеет определенную разность фаз (фиг.5а-5в) в соответствии с разностью длин путей распространения. Поэтому, как показано на фиг.5г, в частотном дискриминаторе 9 формируется множество выходных напряжений Vo1, Vo2 и Vo3. Вследствие этих напряжений Vo1, Vo2 и Vo3 на принимающей стороне трудно точно определить момент, в который сигнал с частотой f колебаний изменяется на частотно-модулированный сигнал на частоте fo, в результате чего возникает погрешность измерения.

Например, при условии, что интервал L между двумя ультразвуковыми преобразователями 1 и 2 очень мал (например, 0,05 м), скорость потока V - очень низка (например, 0,1 м/с), а скорость звука С составляет приблизительно 1500 м/с, если исключить погрешность измерения, то время прохождения ультразвука At должно иметь значение приблизительно 3,1410-9 с. Если время прохождения ультразвука At измеряется с высокой точностью в пределах допустимого диапазона погрешностей 1%, то абсолютная погрешность измеренных разностей во времени прохождения не должна превышать значение 310-11 с. Для выполнения этого условия, относящегося к абсолютной погрешности, устройство измерения времени прохождения должно быть весьма сложным, устройство для определения момента приема ультразвукового модулированного импульса должно иметь высокую стабильность и точность, что приводит к увеличению стоимости изготовления.

Кроме того, скорость потока по искривленной траектории претерпевает значительные колебания скорости потока в различных точках измерения так, что для измерения разности времени прохождения ультразвука, должно быть использовано множество ультразвуковых преобразователей. Но если используется только два преобразователя, подобно тому, как в упомянутых выше известных решениях, то погрешность измерения скорости потока становится более высокой, в результате чего не обеспечивается точное измерение.

Известны ультразвуковые устройства, содержащие несколько пар ультразвуковых преобразователей, расположенных на разных уровнях относительно потока для определения средней скорости (патент US 5228347 и US 5987997), являющиеся наиближайшими аналогами заявленного технического решения согласно п.6 формулы изобретения.

Сущность изобретения Настоящее изобретение направлено на решение вышеупомянутых проблем. Первая задача настоящего изобретения состоит в создании ультразвукового устройства измерения скорости потока, которое измеряет время прохождения при условии, что синхронизация ультразвукового сигнала, имеющего частоту, модулированную ПШ кодом полосы расширения спектра на передающей стороне, захвачена на принимающей стороне, что предотвращает избыточную погрешность измерения, превышающую допустимый диапазон погрешностей.

Вторая задача настоящего изобретения состоит в создании ультразвукового устройства измерения скорости потока, в котором на передающей стороне и на принимающей стороне используется один я тот же ПШ код, и, таким образом, на принимающей стороне принимается ее собственный сигнал модуляции ультразвука, даже если используется несколько пар ультразвуковых преобразователей.

Третья задача настоящего изобретения состоит в создании ультразвукового устройства измерения скорости потока, в котором используется множество ультразвуковых преобразователей, устанавливаемых в соответствующее положение, и обеспечивается точное измерение средней скорости потока на искривленной траектории.

Для решения первой задачи в ультразвуковом устройстве измерения скорости потока, содержащем пару преобразователей, устанавливаемых выше по течению и ниже по течению пути прохождения текучей среды и измеряющем скорость потока в соответствии с разностью во времени прохождения ультразвука между ультразвуковыми преобразователями, ультразвуковое устройство измерения скорости потока в соответствии с изобретением включает в себя передающий блок для формирования ультразвукового сигнала, имеющего частоту, модулированную ПШ кодом полосы расширения спектра; блок переключения преобразователей для поочередной подачи ультразвукового сигнала из передающего блока на пару ультразвуковых преобразователей и для переключения состояния соединения пары ультразвуковых преобразователей для осуществления передачи или приема; приемный блок для демодуляции выходного сигнала блока переключения преобразователей и для определения момента, когда его собственный сигнал идентичен сигналу передающего блока; блок синхронизации сигналов для захвата синхронизации принимаемого сигнала, когда приемный блок принимает сигнал; блок измерения временного интервала для измерения времени прохождения ультразвука при условии захвата синхронизации принимаемого сигнала в блоке синхронизации сигналов, и контроллер для управления переключением блока переключения преобразователей и для вычисления скорости потока в соответствии с временем прохождения ультразвука в направлении, противоположном скорости потока, измеренным блоком измерения временного интервала.

Передающий блок состоит из передающего генератора ПШ кода, частотного модулятора и выходного усилителя. Передающий генератор ПШ кода включает в себя генератор тактового сигнала с заданным периодом и генерирует ПШ код, который определяется шириной импульса высокого уровня и шириной импульса низкого уровня в соответствии с тактовым сигналом генератора тактового сигнала.

Приемный блок состоит из приемного усилителя, частотного демодулятора и блока захвата сигнала. Блок захвата сигнала определяет момент, когда демодулированная последовательность сигналов идентична последовательности сигналов ПШ кода, сформированной передающим генератором ПШ кода.

Блок синхронизации сигналов состоит из первого и второго синтезаторов, первого и второго фильтров нижних частот (ФНЧ), дифференциального усилителя, фильтра в цепи обратной связи, генератора, управляемого напряжением (ГУН), и приемного генератора ПШ кода. Приемный генератор ПШ кода генерирует тот же самый ПШ код. что и код последовательности выходных сигналов передающего генератора ПШ кода согласно входной частоте ГУН, после приема сигнала запуска из блока захвата сигнала. Затем приемный генератор ПШ кода генерирует ПШ код, фаза которого опережает на заданный период фазу первого синтезатора, и генерирует псевдослучайный шумовой код, фаза которого запаздывает на заданный период второго синтезатора.

Для решения второй задачи в ультразвуковом устройстве измерения скорости потока, содержащем пару преобразователей. устанавливаемых выше по течению и ниже по течению пути прохождения текучей среды, и измеряющем скорость потока в соответствии с разностью во времени прохождения ультразвука между ультразвуковыми преобразователями, ультразвуковое устройство измерения скорости потока в соответствии с изобретением включает в себя передающий блок для выбора одного ПШ кода из множества последовательностей сигналов ПШ кода согласно сигналу выбора сигнала, и для генерации ультразвукового сигнала, имеющего частоту, модулированную согласно выбранному ПШ коду; блок переключения преобразователей для поочередной подачи ультразвукового сигнала из передающего блока на пару ультразвуковых преобразователей и для переключения состояния соединения пары ультразвуковых преобразователей для передачи или приема; приемный блок для демодуляции выходного сигнала блока переключения преобразователей, и для определения момента, когда его собственный сигнал идентичен сигналу передающего блока; блок синхронизации сигналов для захвата синхронизации принимаемого сигнала, когда приемный блок принимает сигнал; блок измерения временного интервала для измерения времени прохождения ультразвука при условии захвата синхронизации принимаемого сигнала в блоке синхронизации сигналов, и контроллер, который генерирует сигнал выбора сигнала для выбора одного ПШ кода из множества последовательностей сигналов ПШ кода в передающем блоке и вычисляет скорость потока согласно времени прохождения ультразвука в направлении, противоположном скорости потока, измеренной блоком измерения временного интервала.

Для решения третьей задачи ультразвуковое устройство измерения скорости потока включает в себя множество приборных модулей, которые испускают или принимают ультразвуковой луч, имеющий частоту, модулированную согласно отличающемуся ПШ коду, и измеряют время прохождения ультразвука; и контроллер, который накапливает значения времени прохождения ультразвука, измеренные множеством приборных модулей, и вычисляет среднюю скорость потока.

Приборный модуль включает в себя множество ультразвуковых преобразователей, которые обращены друг к другу и расположены на различной высоте выше по течению и ниже по течению пути прохождения текучей среды; передающий блок для формирования ультразвукового сигнала, имеющего частоту, модулированную согласно заданному ПШ коду; блок переключения преобразователей для поочередной подачи ультразвукового сигнала из передающего блока на пару ультразвуковых преобразователей и для переключения состояния соединения пары ультразвуковых преобразователей для передачи или приема; приемный блок для демодуляции выходного сигнала блока переключения преобразователей, и для определения момента, когда его собственный сигнал идентичен сигналу передающего блока; блок синхронизации сигналов для захвата синхронизации принимаемого сигнала, когда приемный блок принимает сигнал; и блок измерения временного интервала для измерения времени прохождения ультразвука при условии захвата синхронизации принимаемого сигнала в блоке синхронизации сигналов.

Краткое описание чертежей Изобретение поясняется описанием конкретных вариантов его осуществления со ссылками на чертежи, на которых представлено следующее: фиг.1 - пример, в котором ультразвуковые преобразователи устанавливаются отдельно друг от друга в известном ультразвуковом расходомере, фиг.2 - блок-схема ультразвукового устройства измерения скорости потока, известная из предшествующего уровня техники, фиг.3 - формы импульсов с каждого из блоков на фиг.2, фиг. 4 - путь передачи ультразвука между ультразвуковыми преобразователями по фиг.2,
фиг.5 - выходное напряжение частотного дискриминатора по фиг.2,
фиг. 6 - блок-схема ультразвукового устройства измерения скорости потока согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения,
фиг.7 - формы импульсов с каждого из блоков на фиг.6,
фиг. 8 - формы импульсов для пояснения работы блока синхронизации сигналов по фиг.6,
фиг. 9 - блок-схема ультразвукового устройства измерения скорости потока согласно второму предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения,
фиг.10 - средняя скорость потока в искривленном пути прохождения текучей среды,
фиг.11 - блок-схема ультразвукового устройства измерения скорости потока согласно третьему предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения, и
фиг.12 - пример установки ультразвуковых преобразователей на фиг.11.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
Ниже подробно описаны предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения со ссылками на чертежи.

На фиг. 6 представлена блок-схема ультразвукового устройства измерения скорости потока согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения.

Как показано на фиг. 6, ультразвуковое устройство измерения скорости потока включает в себя:
передающий блок 10 для генерации ультразвукового сигнала, имеющего частоту, модулированную согласно ПШ коду полосы расширения спектра;
блок 20 переключения преобразователей для поочередной подачи выходного сигнала передающего блока на пару ультразвуковых преобразователей 21 и 22 и для выдачи принятых сигналов ультразвуковых преобразователей 21 и 22;
приемный блок 30 для демодуляции выходного сигнала блока 20 переключения преобразователей и для его выделения;
блок 40 синхронизации сигналов для соединения с выходом приемного блока 30 и для захвата синхронизации принятого выделенного сигнала;
блок 50 измерения временного интервала для отсчета времени прохождения ультразвука при захвате синхронизации принятого сигнала в блоке 40 синхронизации сигналов и для преобразования вычисленного значения в данные; и
контроллер 60 для управления операцией переключения блока 20 переключения преобразователей так, чтобы ультразвуковые преобразователи 21 и 22 поочередно испускали или принимали ультразвуковой модулированный сигнал, для приема выходных данных блока 50 измерения временного интервала и для вычисления скорости потока.

Контроллер 60 соединен с блоком 70 ввода и блоком 80 вывода. Блок 70 ввода предусматривает определение пользователем начального значения для вычисления скорости потока и обычно содержит клавиатуру. Блок 80 вывода отображает вычисленную скорость потока посредством контроллера 60 и содержит устройство отображения типа семисегментного индикатора или жидкокристаллического дисплея (ЖКД).

Ультразвуковые преобразователи 21 и 22 устанавливаются отдельно в трубопроводе или открытом сливном канале.

Ультразвуковой преобразователь 21 устанавливают выше по течению текучей среды. Ультразвуковой преобразователь 22 устанавливают ниже по течению текучей среды.

Предающий блок 10 состоит из передающего генератора 11 ПШ кода, частотного модулятора 12 и выходного усилителя 13. Передающий генератор 11 ПШ кода включает в себя генератор тактового сигнала с заданным периодом и последовательно выдает ПШ код с расширенным спектром в соответствии с тактовым сигналом генератора одновременно с периодической выдачей сигнала запуска СТАРТ в блок 50 измерения временного интервала. ПШ код представляет собой последовательность импульсов, в которой одна сигнальная последовательность, определяемая шириной импульса высокого уровня и шириной импульса низкого уровня, повторяется с заданным периодом. Частотный модулятор 12 выдает первую частоту f1 на интервале, в котором поддерживается высокий уровень ПШ кода, а также выдает вторую частоту (f2 = f1+f) на интервале, при котором поддерживается низкий уровень ПШ шумового кода.

Выходной усилитель 13 усиливает модулированные первую и вторую частоты f1 и f2 с заданным уровнем, и выдает их в блок 20 переключения преобразователей.

Посредством блока 20 переключения преобразователей установленный выше по течению ультразвуковой преобразователь 21 передает модулированные первую и вторую частоты f1 и f2 к установленному ниже по течению ультразвуковому преобразователю 22. И наоборот, установленный ниже по течению ультразвуковой преобразователь 22 передает модулированные первую и вторую частоты f1 и f2 к установленному выше по течению ультразвуковому преобразователю 21. Переключение блока 20 переключения преобразователей достигается посредством сигнала управления переключением вверх/вниз контроллера 60.

Приемный блок 30 состоит из приемного усилителя 31, частотного демодулятора 32 и блока 33 выделения сигнала. Приемный усилитель 31 получает слабый сигнал, принятый соответственно одним из ультразвуковых преобразователей 21 и 22, через блок 20 переключения преобразователей, и усиливает слабый входной сигнал с заданным уровнем усиления. Частотный демодулятор 32 демодулирует принятый сигнал, усиленный с заданным уровнем, и выдает демодулированный сигнал. Блок 33 выделения сигнала определяет момент, в который демодулированная последовательность сигнала идентична последовательности сигнала ПШ кода, сформированной передающим генератором 11 ПШ кода. В этот момент, блок 33 выделения сигнала одновременно выдает в блок 40 синхронизации сигналов разрешающий сигнал РАЗРЕШЕНИЕ и последовательность сигнала ПШ кода.

Блок 40 синхронизации сигналов состоит из первого и второго синтезаторов 41 и 42, первого и второго ФНЧ 43 и 44, дифференциального усилителя 45, фильтра 46 в цепи обратной связи, ГУН 47 и приемного генератора 48 ПШ кода. Первый и второй синтезаторы 41 и 42 соответственно соединены с выходом блока 33 выделения сигнала и с выходом приемного генератора 48 ПШ кода. Первый синтезатор 41 синтезирует выходной сигнал блока 33 выделения сигнала с той же последовательностью ПШ кода (фаза которого опережает на заданный период), сформированного приемным генератором 48 ПШ кода, и генерирует синтезированный сигнал. Второй синтезатор 42 синтезирует выходной сигнал блока 33 выделения сигнала с той же последовательностью ПШ кода (фаза которого запаздывает на заданный период), и генерирует синтезированный сигнал. Первый и второй ФНЧ 43 и 44 соединены с выходами первого и второго синтезаторов 41 и 42, и удаляют ненужную высокочастотную составляющую, являющуюся побочным продуктом операции синтезирования. Дифференциальный усилитель 45 выполняет дифференциальное усиление пропорционально разности сигналов между сигналом постоянной составляющей напряжения Vdcl, отфильтрованным первым ФНЧ 43, и сигналом постоянной составляющей напряжения Vdc2, отфильтрованным вторым ФНЧ 44, и генерирует управляющее напряжение Vc для управления ГУН 47. Фильтр 46 в цепи обратной связи устраняет шумы, смешанные с дифференциально-усиленным управляющим напряжением Vc из дифференциального усилителя 45. ГУН 47 изменяет опорную частоту fr в соответствии с управляющим напряжением Vc', не содержащим шума. После приема разрешающего сигнала РАЗРЕШЕНИЕ из блока 33 выделения сигнала приемный генератор 48 ПШ кода генерирует такую же последовательность ПШ кода, что и последовательность выходного сигнала передающего генератора 11 ПШ кода, в соответствии с входной частотой ГУН 47. После этого приемный генератор 48 ПШ кода генерирует ПШ код, фаза которого опережает на заданный период относительно фазы сигнала первого синтезатора, и генерирует ПШ код, фаза которого запаздывает на заданный период относительно фазы сигнала второго синтезатора.

ПШ код, передаваемый к первому синтезатору 41 от приемного генератора 48 ПШ кода, вводится раньше, чем ПШ код принимаемой последовательности сигналов, передаваемый к первому синтезатору 41 из блока 33 выделения сигнала, на заданное время. В то же время ПШ код, вводимый из приемного генератора 43 ПШ кода so второй синтезатор 42, отстает на заданное время по сравнению с ПШ кодом принимаемого сигнала, вводимого во второй синтезатор из блока 33 выделения сигнала. После захвата синхронизации приемный генератор 48 ПШ кода выдает в блок 50 измерения временного интервала сигнал завершения СТОП.

При условии что обеспечина синхронизация сигналов блок 30 измерения временного интервала отсчитывает время прохождения ультразвука от момента приема сигнала запуска СТАРТ из передающего генератора 11 ПШ кода до момента приема сигнала завершения СТОП из приемного генератора 48 ПШ кода.

Блок 50 измерения временного интервала преобразует вычисленное значение в данные и выдает данные в контроллер 60.

Контроллер 60 предварительно принимает начальные значения, такие как прямое расстояние L и интервал d между двумя ультразвуковыми преобразователями 21 и 22, запоминает начальные значения и вычисляет скорость потока V, используя выходные данные (т.е. время прохождения ультразвука) блока 50 измерения временного интервала в уравнении (2)
V=(L2/2d)([(tba-tab)/(tbatab)]---Eg.(2)
Здесь tab - измеренное время прохождения ультразвука, когда ультразвуковой преобразователь 21 передает ультразвуковой луч к ультразвуковому преобразователю 22, a tba - измеренное время прохождения ультразвука, когда ультразвуковой преобразователь 22 передает ультразвуковой луч к ультразвуковому преобразователю 21.

Контроллер 60 выдает результат вычисления в блок 80 вывода. Соответственно, блок 80 вывода отображает скорость потока V в устройстве отображения, с использованием числа или символа.

Ниже описана работа ультразвукового устройства измерения скорости потока.

Когда пользователь подает команду запуска, используя блок 70 ввода, на каждый блок, входящий в состав устройства, подается электрическое питание. Соответственно, контроллер 60 выдает первый сигнал переключения ВВЕРХ в блок 20 переключения преобразователей. Блок 20 переключения преобразователей, принимающий первый сигнал переключения ВВЕРХ, подключает ультразвуковой преобразователь 21 к выходу передающего блока 10, одновременно подключая ультразвуковой преобразователь 22 к входу приемного блока 30.

Передающий генератор 11 ПШ кода выдает ПШ код (фиг.7а) последовательности сигналов, состоящей как из сигналов высокого уровня, так и из сигналов низкого уровня, в соответствии с тактовым сигналом с заданным периодом Тc. Тактовый сигнал генерируется внутренним генератором, входящим в состав генератора 11 ПШ кода и подается на частотный модулятор 12 и на блок 33 выделения сигнала. Одновременно с этим передающий генератор 11 ПШ кода генерирует сигнал запуска (фиг.76) с заданным периодом Та. Частотный модулятор 12 генерирует заданную первую частоту f1 на длительности интервала высокого уровня ПШ кода, и генерирует заданную вторую частоту f2 = f1+f (фиг.7в) на длительности интервала низкого уровня ПШ кода. Выходной усилитель 13 усиливает ультразвуковой сигнал, имеющий модулированную частоту, с заданным уровнем усиления, а затем выдает усиленный ультразвуковой сигнал. Ультразвуковой модулированный сигнал подается на ультразвуковой преобразователь 21 через блок 20 переключения преобразователей, и затем ультразвуковой преобразователь 21 передает модулированный ультразвуковой сигнал к ультразвуковому преобразователю 22.

Сигнал, принятый ультразвуковым преобразователем 22, вводится в приемный усилитель 31 через блок 20 переключения преобразователей. Приемный усилитель 31 усиливает принятый слабый ультразвуковой модулированный сигнал с заданным уровнем, и выдает усиленный сигнал (фиг.7г) в частотный демодулятор 32. Частотный демодулятор 32 демодулирует усиленный принятый сигнал и выдает демодулированный сигнал (фиг.7д) в блок 33 выделения сигнала. Блок 33 выделения сигнала определяет момент, когда последовательность демодулированных сигналов идентична последовательности сигналов ПШ кода, сформированной передающим генератором 11 ПШ кода. В начальном переходном состоянии обе последовательности сигналов не идентичны друг другу. По прошествии заданного времени (t) обе последовательности сигналов оказываются идентичными друг другу. В этот момент блок 33 выделения сигнала выдает как разрешающий сигнал РАЗРЕШЕНИЕ, который изменяется на сигнал высокого уровня, так и выходной ПШ код (фиг. 7е) передающего генератора 11 ПШ кода, в блок 40 синхронизации сигналов.

Приемный генератор 48 ПШ кода принимает разрешающий сигнал РАЗРЕШЕНИЕ, вводит в первый синтезатор 41 ПШ код, имеющий отличающуюся фазу, соответствующую опорной частоте fr, генерируемой посредством ГУН 47 одновременно с вводом, причем ПШ код, с отличающейся фазой, имеет опережающую фазу по сравнению с ПШ кодом по фиг.7е. В то же время, приемный генератор 48 ПШ кода вводит во второй синтезатор 42 другой ПШ код, имеющий запаздывающую фазу по сравнению с ПШ кодом по фиг.7е.

Первый и второй синтезаторы, 41 и 42, синтезируют соответственно два входных ПШ кода и выдают синтезированные сигналы (фиг.8(к1) и 8(л1)) в первый и второй ФНЧ 43 и 44. Первый и второй ФНЧ 43 и 44 устраняют ненужную высокочастотную составляющую и выдают в дифференциальный усилитель 45 сигналы постоянной составляющей напряжения Vdc1 и Vdc2. Дифференциальный усилитель 45 выдает в фильтр 46 в цепи обратной связи управляющее напряжение Vc, пропорциональное разности напряжения между двумя сигналами напряжения Vdcl и Vdc2. Фильтр 46 в цепи обратной связи подает на ГУН 47 управляющее напряжение Vc', удаляя шум, обусловленный смешиванием сигналов. ГУН 47 выдает опорную частоту fr, изменяемую согласно входному управляющему напряжению Vc' из фильтра 46 в цепи обратной связи, и подает измененную частоту в приемный генератор 48 ПШ кода. Соответственно, приемный генератор 48 ПШ кода изменяет фазу ПШ кода, вводимого в первый и второй синтезаторы 41 и 42.

Если фаза ПШ кода, вводимого в первый синтезатор 41, является опережающей (фиг.7ж) на заданный период Тс/2 по сравнению с выходным ПШ кодом (фиг. 7е) блока 33 выделения сигнала, а фаза ПШ кода, вводимого во второй синтезатор 42, является запаздывающей (фиг.7з) на заданный период Тс/2 по сравнению с выходным ПШ кодом (фиг.7е) блока 33 выделения сигнала, то есть, если ПШ код по фиг.7е находится в центрированном положении центра, то блок 40 синхронизации сигналов захватывает синхронизацию сигнала и затем отслеживает принимаемый сигнал. Если один период протекает в состоянии захвата синхронизации сигнала, то приемный генератор 48 ПШ кода выдает в блок 50 измерения временного интервала сигнал завершения СТОП. В состоянии захвата синхронизации блок 50 измерения временного интервала отсчитывает время tab прохождения ультразвука от момента приема сигнала запуска СТАРТ (от передающего генератора 11 ПШ кода) до момента приема сигнала завершения СТОП (от приемного генератора 48 ПШ кода).

Затем контроллер 60 выдает в блок 20 переключения преобразователей второй сигнал переключения ВНИЗ. При этом блок 20 переключения преобразователей подключает ультразвуковой преобразователь 22 к выходу передающего блока 10 и подключает ультразвуковой преобразователь 21 к входу приемного блока 30. После этого ультразвуковой сигнал, имеющий модулированную частоту согласно ПШ коду с расширенным спектром, передается к ультразвуковому преобразователю 21 через ультразвуковой преобразователь 22. Сигнал, принятый ультразвуковым преобразователем 21, демодулируется и выделяется в приемном блоке 30. Блок 50 измерения временного интервала отсчитывает время tba прохождения ультразвука от момента приема сигнала запуска СТАРТ (от передающего генератора 11 ПШ кода) до момента приема сигнала завершения СТОП (от приемного генератора 48 ПШ кода).

Если ПШ коды (фиг.7ж и 7з), вводимые в первый и второй синтезаторы 41 и 42, отклоняются от заданного периода Тс/2, (то есть, начальное переходное состояние), то выходная опорная частота fr ГУН 47 изменяется согласно управляющему напряжению Vc, усиленному дифференциальным усилителем 45, на разность напряжения между выходными напряжениями первого и второго ФНЧ 43 и 44. В результате приемный генератор 48 ПШ кода изменяет фазу ПШ кодов, вводимых в первый и второй синтезаторы 41 и 42. Имеется два вида варьируемых фаз псевдослучайных шумовых кодов, то есть сигнал второго типа (фиг.8II), который является опережающим на заданный период Тс/4 по сравнению с сигналом первого типа (фиг. 8I), и сигнал третьего типа (фиг.8III), являющийся запаздывающим на заданный период Тс/4 по сравнению с сигналом первого типа (фиг.8I) в состоянии захвата синхронизации сигнала. Если опорная фаза отклоняется как в сигналах второго и третьего типа, то опорная частота fr ГУН 47 изменяется посредством управляющего напряжения Vc с выхода дифференциального усилителя 45. В результате приемный генератор 48 ПШ кода изменяет фазу ПШ кода, вводимого в первый и второй синтезаторы 41 и 42, благодаря чему, фаза первого и второго синтезаторов 41 и 42 изменяется до значения фазы сигнала первого типа I.

Передающий генератор 11 ПШ кода и приемный генератор 48 ПШ кода используют одинаковые ПШ коды последовательности сигналов. Период Та такого ПШ кода должным образом устанавливают в соответствии с расстоянием между ультразвуковыми преобразователями 21 и 22. Если положения установки ультразвуковых преобразователей 21 и 22 изменяются, то период Та должен быть короче по сравнению с временем прохождения ультразвука, таким образом выбирается и используется один ПШ код из многих ПШ кодов последовательности сигналов, имеющих различный период. Этот случай описан ниже со ссылками на фиг.9.

На фиг. 9 представлена блок-схема ультразвукового устройства измерения скорости потока согласно второму предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения. Элементы схемы, идентичные показанным на фиг.6, ниже не описываются.

Как показано на фиг.9, передающий генератор 11 ПШ кода и приемный генератор 48 ПШ кода имеют другую последовательность сигналов с другим периодом (3+n битов) в дополнение к последовательности сигналов заданного периода (Та : 3 бит), показанной на фиг.8, и могут быть реализованы с использованием множества генераторов и триггеров.

Если пользователь вводит команду установки последовательности сигналов для измерения последовательности сигналов ПШ кода, используя блок 70 ввода, то контроллер 60 выдает сигналы Sа и Sb выбора последовательности сигналов в передающий генератор 11 ПШ кода и в приемный генератор 48 ПШ кода, согласно выбранной пользователем команде.

Передающий генератор 11 ПШ кода выдает ПШ код последовательности сигналов, выбранной посредством сигнала Sа выбора последовательности сигналов из контроллера 11 (60). Приемный генератор 48 ПШ кода выдает ПШ код последовательности сигналов, выбранной посредством сигнала Sа выбора последовательности сигналов из контроллера 11 (60). Ясно, что последовательность выходных сигналов передающего генератора 11 ПШ кода должна быть идентична соответствующей последовательности приемного генератора 48 ПШ кода.

Вместе с тем, в зависимости от высоты, при прохождении текучей среды по искривленному пути в стоке имеет место значительное отклонение в скорости потока текучей среды. Например, поскольку поток текучей среды является постоянным на прямом пути прохождения текучей среды, скорость потока ниже по течению текучей среды и скорость потока выше по течению текучей среды относительно равномерны, как показано на фиг.10(VI). Но, на искривленном пути прохождения текучей среды скорость потока ниже по течению текучей среды и скорость потока выше по течению текучей среды изменяются по-разному, как показано на фиг.10(V2 и V3). Соответственно, на сторонах потока выше по течению и ниже по течению устанавливают, в соответствии с высотой пути прохождения текучей среды, множество ультразвуковых преобразователей, в каждом положении потока измеряют время прохождения ультразвука, вычисляют среднее время прохождения ультразвука относительно полученных значений времени прохождения ультразвука, таким образом измеряя скорость потока. Это описано ниже со ссылками на фиг.11.

На фиг. 11 представлена блок-схема ультразвукового устройства измерения скорости потока согласно третьему предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения. Скорость потока в каждом положении установки может быть измерена, в соответствии с фиг.11. Элементы схемы, соответствующие аналогичным элементам на фиг.6, ниже не описываются.

Как показано на фиг.11, каждый из приборных модулей с первого приборного модуля S1 до n-ого приборного модуля Sn имеет множество ультразвуковых преобразователей [(t11, t21)...(t1n, t2n)], которые устанавливаются а различные положения на сторонах выше по течению и ниже по течению. Кроме того, приборные модули с первого приборного модуля 31 до n-ого приборного модуля Sn имеют передающий блок 10, блок 20 переключения преобразователей, приемный блок 30, а также блок 40 синхронизации сигналов и блок 50 измерения временного интервала. Приборные модули с первого приборного модуля S1 до n-ого приборного модуля Sn измеряют время прохождения, используя ультразвуковой луч, имеющий частоту модулированную согласно ПШ кодам, имеющим различные последовательности сигналов. Поэтому каждый из множества преобразователей [(t11, t21). ..(t1n, t2n)] использует собственный ПШ код последовательности сигналов, присвоенный каждому преобразователю, измеряя таким образом время прохождения в состоянии захвата синхронизации принимаемого сигнала.

Контроллер 90 соединен с выходами приборных модулей с первого приборного модуля S1 до n-ого приборного модуля Sn. Контроллер 90 принимает выходные данные блока 50 измерения временного интервала приборных модулей с первого приборного модуля 31 до n-ого приборного модуля Sn, вычисляет скорость потока в различных положениях, вычисляет среднее значение из вычисленных значений скорости потока и получает среднюю скорость потока текучей среды. Выходные данные блока 50 измерения временного интервала имеют значение времени прохождения ультразвука от положения выше по течению до положения ниже по течению и имеют значение времени прохождения ультразвука от положения ниже по течению до положения выше по течению. Например, как показано на фиг.12, пять пар ультразвуковых преобразователей (t11, t21) (t12, t22) (t13, t23) (t14, t24) (t15, t25) устанавливаются на сторонах выше по течению и ниже по течению в соответствии с различными высотами путей текучей среды. При управлении от контроллера 90, множество ультразвуковых преобразователей излучают или принимают частотно-модулированные ультразвуковые лучи одновременно, вычисляется время прохождения ультразвука, для получения среднего времени прохождения ультразвука, и таким образом в различных положениях установки может быть измерена скорость потока.

Как описано выше, в ультразвуковом устройстве измерения скорости потока согласно настоящему изобретению одна пара ультразвуковых преобразователей передающего блока поочередно излучает или принимает ультразвуковой луч, имеющий частоту, модулированную согласно ПШ коду, причем разница во времени прохождения ультразвука вычисляется в состоянии захвата синхронизации сигналов, таким образом измеряя скорость потока. Поэтому ультразвуковое устройство измерения скорости потока точно измеряет время прохождения ультразвука в пределах допустимого диапазона погрешностей.

Если положения установки ультразвуковых преобразователей сторон потока выше по течению и ниже по течению изменяются, то время прохождения ультразвука может быть точно измерено посредством использования различных ПШ кодов последовательности сигналов без изменения электронных компонентов и программы.

Если множество ультразвуковых преобразователей установлены ориентированными навстречу друг к другу в соответствии с расстоянием от дна пути прохождения текучей среды, и ПШ коды, имеющие различные последовательности сигналов, устанавливаются для передающего и приемного блоков, соединенных с ультразвуковыми преобразователями, настоящее изобретение обеспечивает измерение скорости потока в каждом положении путем излучения и приема ультразвукового луча одновременно, и измерения средней скорости потока. В результате, настоящее изобретение обеспечивает точное измерение средних значений скорости потока, изменяющейся в соответствии с высотой искривленного пути прохождения текучей среды.

Хотя настоящее изобретение описано на примере предпочтительных вариантов осуществления, ясно, что изобретение не ограничивается раскрытыми вариантами осуществления, а охватывает различные модификации и эквивалентные конфигурации, соответствующие сущности и объему формулы изобретения.


Формула изобретения

1. Ультразвуковое устройство измерения скорости потока по разности времени прохождения ультразвукового сигнала между ультразвуковыми преобразователями, содержащее пару ультразвуковых преобразователей по пути прохождения текучей среды, выше по течению и ниже по течению, передающий блок для генерации ультразвукового сигнала, блок переключения преобразователей для поочередной подачи ультразвукового сигнала из передающего блока на пару ультразвуковых преобразователей и для переключения соединения пары ультразвуковых преобразователей для осуществления операции передачи и приема, приемный блок и блок измерения временного интервала, отличающееся тем, что в него введены блок синхронизации сигналов для осуществления синхронизации принимаемого сигнала, когда приемный блок выделяет сигнал, и контроллер для управления операцией переключения блока переключения преобразователей и для вычисления скорости потока по времени прохождения ультразвука в направлении, противоположном скорости потока, измеренному блоком измерения временного интервала, при этом передающий блок осуществляет генерацию ультразвукового сигнала, имеющего частоту, модулированную псевдошумовым (ПШ) кодом полосы расширения спектра, приемный блок осуществляет демодуляцию выходного сигнала блока переключения преобразователей и определяет момент, когда его собственный сигнал идентичен сигналу передающего блока, а блок измерения временного интервала осуществляет измерение времени прохождения ультразвукового сигнала при условии осуществления синхронизации принимаемого сигнала в блоке синхронизации сигналов.

2. Ультразвуковое устройство измерения скорости потока по п. 1, отличающееся тем, что передающий блок содержит передающий генератор ПШ кода, модулятор частоты и выходной усилитель, при этом передающий генератор ПШ кода содержит генератор трактового сигнала с заданным периодом и генерирует ПШ код, который определяется шириной импульса высокого уровня и шириной импульса низкого уровня в соответствии с тактовым сигналом, генерируемым генератором тактового сигнала.

3. Ультразвуковое устройство измерения скорости потока по п. 1, отличающееся тем, что приемный блок содержит приемный усилитель, частотный демодулятор и блок выделения сигнала, при этом блок выделения сигнала определяет момент, когда демодулированная последовательность сигналов идентична последовательности сигналов ПШ кода, сформированной передающим генератором ПШ кода.

4. Ультразвуковое устройство измерения скорости потока по п. 1, отличающееся тем, что блок синхронизации сигналов содержит первый и второй синтезаторы, первый и второй фильтры нижних частот, дифференциальный усилитель, фильтр в цепи обратной связи, управляемый напряжением генератор и приемный генератор ПШ кода, при этом приемный генератор ПШ кода генерирует такой же ПШ код, что и последовательность выходных сигналов передающего генератора ПШ кода, в соответствии с выходной частотой управляемого напряжением генератора, после приема разрешающего сигнала из блока выделения сигнала, затем приемный генератор ПШ кода генерирует ПШ код, фаза которого опережает на заданный интервал фазу сигнала первого синтезатора, и генерирует ПШ код, фаза которого запаздывает на заданный интервал относительно фазы сигнала второго синтезатора.

5. Ультразвуковое устройство измерения скорости потока по разности времени прохождения ультразвукового сигнала между ультразвуковыми преобразователями, содержащее пару ультразвуковых преобразователей на пути прохождения текучей среды, выше по течению и ниже по течению, передающий блок для генерации ультразвукового сигнала, блок переключения преобразователей для поочередной подачи ультразвукового сигнала из передающего блока на пару ультразвуковых преобразователей и для переключения соединения пары ультразвуковых преобразователей для осуществления операции передачи и приема, приемный блок и блок измерения временного интервала, отличающееся тем, что в него введены блок синхронизации сигналов для осуществления синхронизации принимаемого сигнала, когда приемный блок выделяет сигнал, и контроллер для управления операцией переключения блока переключения преобразователей и для вычисления скорости потока по времени прохождения ультразвука в направлении, противоположном скорости потока, измеренному блоком измерения временного интервала, при этом передающий блок осуществляет выбор одного ПШ кода из множества последовательностей сигналов ПШ кода, в соответствии с сигналом выбора, и для формирования ультразвукового сигнала, имеющего частоту, модулированную выбранным ПШ кодом, приемный блок осуществляет демодуляцию выходного сигнала блока переключения преобразователей и определяет момент, когда его собственный сигнал идентичен сигналу передающего блока, а блок измерения временного интервала осуществляет измерение времени прохождения ультразвукового сигнала при условии осуществления синхронизации принимаемого сигнала в блоке синхронизации сигналов.

6. Ультразвуковое устройство измерения скорости потока, содержащее множество приборных модулей, . которые излучают или принимают ультразвуковой луч, имеющий частоту, модулированную в соответствии с различными ПШ кодами, и измеряют время прохождения ультразвука, и контроллер, который накапливает значения времени прохождения ультразвука, измеренные множеством приборных модулей, и вычисляют среднюю скорость потока, причем приборный модуль включает в себя, пару ультразвуковых преобразователей, ориентированных навстречу друг другу и размещенных на эффективной равной высоте по пути текучей среды и указанная пара ультразвуковых преобразователей для каждого приборного модуля устанавливается на различных высотах пути текучей среды, передающий блок для формирования ультразвукового сигнала, имеющего частоту, модулированную согласно заданному ПШ коду, блок переключения преобразователей для поочередной подачи ультразвукового сигнала из передающего блока на пару ультразвуковых преобразователей и для переключения состояния соединения пары ультразвуковых преобразователей для осуществления операции передачи или приема, приемный блок для демодуляции выходного сигнала блока переключения преобразователей и для определения момента, когда его собственный сигнал идентичен сигналу передающего блока, блок синхронизации сигналов для захвата синхронизации принимаемого сигнала, когда приемный блок выделяет сигнал, и блок измерения временного интервала для измерения времени прохождения ультразвука при условии захвата синхронизации принимаемого сигнала в блоке синхронизации сигналов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области высокоточных методов измерения расхода (объема или количества жидкости или газа, протекающего в единицу времени по каналу транспортировки) прокачиваемых через трубопроводы жидкостей или газов

Изобретение относится к области методов измерения профиля скорости жидкости или газа, прокачиваемых через каналы транспортировки (трубопроводы)

Изобретение относится к области проектирования гидроакустических допплеровских лагов и может быть использовано для измерения скорости корабля относительно дна моря

Изобретение относится к акустической измерительной технике и может быть использовано для измерения скорости потока воды на поверхности закрытых или открытых водоемов

Изобретение относится к области гидрофизических измерений

Изобретение относится к измерительной технике и позволяет снизить погрешность в определении профиля скорости течения водного бассейна

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах контроля процессов перекачки газа в газопроводе

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано при калибровке абсолютных и относительных лагов

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения параметров дрейфа морских судов под действием морских течений

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения скорости и направления потока жидкости или газа

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в горной промышленности для определения средней по сечению выработки скорости газовоздушного потока

Изобретение относится к области измерительной техники и преимущественно предназначено для использования в системах контроля и измерения скорости и расхода жидких и газообразных продуктов, транспортируемых по трубопроводам

Изобретение относится к устройству для измерения скорости потока текучей среды с использованием ультразвукового луча

Наверх