Ультразвуковой частотно-временной расходомер

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ(71) Заявитель Научно-производственное общество Ультрасониксс ограниченной ответственностью Ультрасоникс(57) Ультразвуковой частотно-временной расходомер, содержащий два приемоизлучающих преобразователя,входы/выходы которых через первый коммутатор соединен с усилителем, а через второй коммутатор - с формирователем зондирующего сигнала, распределитель тактов, первый выход которого соединен с входом формирователя зондирующего сигнала, а также временной селектор, вычислительное устройство, делитель частоты, первую и вторую схемы управления,2167 1 первый и второй генераторы, третий, четвертый и пятый коммутаторы, отличающийся тем, что он дополнительно содержит амплитудный селектор, третью и четвертую схемы управления, измеритель разности, регистр знака подстройки, схему совпадения знаков подстройки, распределитель сигнала подстройки,формирователь сигнала величины подстройки и блок регистров сдвига, причем второй выход распределителя тактов соединен с управляющими входами первого, второго и третьего коммутаторов и первым управляющим входом распределителя сигнала подстройки, третий выход - со вторым управляющим входом распределителя сигнала подстройки, управляющими входами четвертого и пятого коммутаторов и первым входом вычислительного устройства, а четвертый выход - с первым входом делителя частоты, второй вход которого соединен с выходом третьего коммутатора и входом распределителя тактов, а выход - со вторым входом временного селектора, выход которого соединен с третьим входом распределителя сигнала подстройки, четвертый вход которого соединен с выходом формирователя сигнала величины подстройки, а первый и второй выходы соединены со входами соответственно первой и второй схем управления, выходы генераторов соединены со входами третьего коммутатора и измерителя разности, выход которого соединен со вторым входом вычислительного устройства, входы третьей и четвертой схем управления соединены соответственно с третьим и четвертым выходами распределителя сигнала подстройки, а их выходы - со входами четвертого и пятого коммутаторов, вторые входы которых соединены с выходами соответственно первой и второй схем управления, а выходы - со входами первого и второго генераторов, кроме того, выход временного селектора соединен со вторым входом схемы совпадения знаков подстройки и первым входом регистра знака подстройки, второй вход которого соединен с выходом формирователя сигнала величины подстройки,при этом, первый вход схемы совпадения знаков подстройки соединен с выходом регистра знака подстройки, а выход - с первым входом блока регистров сдвига, второй вход которого соединен с пятым выходом распределителя тактов, а выход - со вторым входом формирователя сигнала величины подстройки, первый вход которого соединен с шестым выходом распределителя тактов, кроме того, выход усилителя связан с входом амплитудного селектора, выход которого соединен с первым входом временного селектора. Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения расхода жидких и газообразных сред. Известен импульсный одноканальный ультразвуковой расходомер 1, основанный на измерении разности временных интервалов при распространении ультразвука по потоку и против него. Измерение осуществляется с помощью высокостабильного генератора, дискретными импульсами которого заполняются измеряемые временные промежутки. Мерой расхода является подсчитанная счетчиком разность импульсов. Недостатком расходомера является невысокая точность измерений, которая ограничена величиной единицы дискретного отсчета, т.е. периодом колебаний генератора. Известен импульсный одноканальный ультразвуковой расходомер 2, содержащий два управляемых по частоте генератора. Выходы генераторов соединены с входами первого коммутатора. Последовательно включены формирователь зондирующих импульсов, второй коммутатор, приемно-передающие преобразователи акустического канала расходомера, третий коммутатор, усилитель-формирователь и временной селектор. При этом вторые выходы управляемых генераторов связаны с измерителем разности частот. Для устройства характерна недостаточно высокая точность измерений, обусловленная тем, что оно представляет собой автоматическую систему непрерывного регулирования, имеющую значительную зону нечувствительности и невысокую оперативность измерений. Известен импульсный одноканальный ультразвуковой расходомер 3, содержащий два управляемых генератора, выходами подсоединенные к входам измерителя разности частот и первого коммутатора, а также последовательно включенные формирователь зондирующих импульсов, второй коммутатор, два приемнопередающих преобразователя, третий коммутатор, усилитель-формирователь и временной селектор, в который дополнительно введены схема временного сравнения, два реверсивных счетчика, два цифро-аналоговых преобразователя, а также последовательно включенные счетчик импульсов, синхронизатор и четвертый коммутатор, причем схема временного сравнения входами соединена с выходом временного селектора и с синхронизатором, а выходом - через четвертый коммутатор соединена с реверсивными счетчиками, которые через цифроаналоговые преобразователи подключены к входам управляемых генераторов. Вход счетчика импульсов связан с выходом первого коммутатора, а выходы синхронизатора подсоединены к временному селектору, к схеме временного сравнения, к каждому из четырех коммутаторов и формирователю зондирующих импульсов. 2 2167 1 Однако точность измерений и этого устройства обусловлена тем, что автоматическая система непрерывного регулирования имеет низкую оперативность измерений и значительную зону нечувствительности. Наиболее близким из известных является расходомер 4, реализующий частотно-временной принцип измерения. В нем есть два управляемых генератора, каждый из которых управляется своим каналом (по потоку и против), включающим схему установки коэффициента внутреннего умножения, временной селектор, реверсивный счетчик, схему управления частотой генератора. В каждом из каналов (по и против потока) устанавливается свой коэффициент внутреннего умножения. Сигналы с генераторов поступают на четырехвходовое измерительное устройство, которое вычисляет величину расхода по определенному алгоритму. На вход устройства поступают коды коэффициентов внутреннего умножения. Переключение блоков расходомера на работу по и против потока осуществляет через коммутатор тактовый распределитель, подающий сигналы на ключи. Расходомер позволяет за счет установления различных коэффициентов внутреннего умножения в каналах по и против потока устранить явление захвата при измерении малых расходов. Сдвиг частот осуществляется за счет выбора разных коэффициентов деления частоты управляемых генераторов 1 и 2. Для учета сдвига требуется дополнительная операция вычитания разностной частоты. Кроме того, перестройка осуществляется путем изменения кода реверсивного счетчика на единицу, что обеспечивает постоянную скорость перестройки при изменении скорости потока и не позволяет учесть динамику изменения потока. В основу решаемой заявленным изобретением задачи заложено повышение точности измерений расхода жидких и газообразных сред. Задача решается таким образом, что ультразвуковой частотно-временной расходомер содержит два приемоизлучающих преобразователя, входы/выходы которых через первый коммутатор соединены с усилителем, а через второй коммутатор - с формирователем зондирующего сигнала, распределитель тактов, первый выход которого соединен с входом формирователя зондирующего сигнала, а также временной селектор, вычислительное устройство, делитель частоты, первую и вторую схемы управления, первый и второй генераторы, третий, четвертый и пятый коммутаторы,согласно изобретения расходомер также дополнительно содержит амплитудный селектор, третью и четвертую схемы управления, измеритель разности, регистр знака подстройки, схему совпадения знаков подстройки, распределитель сигнала подстройки, формирователь сигнала величины подстройки и блок регистров сдвига, причем второй выход распределителя тактов соединен с управляющими входами первого, второго и третьего коммутаторов и первым управляющим входом распределителя сигнала подстройки, третий выход - со вторым управляющим входом распределителя сигнала подстройки, управляющими входами четвертого и пятого коммутаторов и первым входом вычислительного устройства, а четвертый выход - с первым входом делителя частоты, второй вход которого соединен с выходом третьего коммутатора и входом распределителя тактов, а выход - со вторым входом временного селектора,выход которого соединен с третьим входом распределителя сигнала подстройки, четвертый вход которого соединен с выходом формирователя сигнала величины подстройки, а первый и второй выходы соединены с входами соответственно первой и второй схем управления, выходы генераторов соединены с входами третьего коммутатора и измерителя разности, выход которого соединен со вторым входом вычислительного устройства, входы третьей и четвертой схем управления соединены соответственно с третьим и четвертым выходами распределителя сигнала подстройки, а их выходы - с входами четвертого и пятого коммутаторов, вторые входы которых соединены с выходами соответственно первой и второй схем управления, а выходы - с входами первого и второго генераторов, кроме того, выход временного селектора соединен со вторым входом схемы совпадения знаков подстройки и первым входом регистра знака подстройки, второй вход которого соединен с выходом формирователя сигнала величины подстройки,при этом, первый вход схемы совпадения знаков подстройки соединен с выходом регистра знака подстройки, а выход- с первым входом блока регистров сдвига, второй вход которого соединен с пятым выходом распределителя тактов, а выход - со вторым входом формирователя сигнала величины подстройки, первый вход которого соединен с шестым выходом распределителя тактов, кроме того, выход усилителя связан с входом амплитудного селектора, выход которого соединен с первым входом временного селектора. Сравнительный анализ известных и заявленного устройств показал, что предложенный ультразвуковой частотновременной расходомер обеспечивает работу с реверсивными потоками, причем при измерении малых расходов исключается явление захвата частот Кроме того, возможность вычисления суммарной частоты позволяет периодически поверять и калибровать расходомер в автоматическом режиме. Это позволило подавить влияние изменений параметров измеряемой среды и повысило точность измерений. Введение дополнительных возможностей, таких, как самокалибровка, работа с реверсивными потоками и устранение явления захвата частот, реализованное с помощью работы двух управляемых генераторов в режиме формирования четырех частот с постоянным смещением частот, а также выполнение подстройки с переменным шагом приводит к улучшению динамических характеристик расходомера и повышению точности измерений для изменяющихся потоков. Работа ультразвукового частотно-временного расходомера основана на измерении разности времен распространения ультразвукового сигнала по потоку измеряемой среды и против потока. При зондировании по потоку время распространения сигнала в измеряемой среде равно 1/, а против потока 2/( -),3 2167 1 где- расстояние, проходимое ультразвуком в измеряемой среде,с - скорость ультразвука в измеряемой среде, - скорость движения измеряемой среды, - косинус угла между направлением излучения ультразвукового сигнала и направлением потока среды. Общее время распространения зондирующего сигнала равно Т 111, Т 222,где 1 и 2 - времена распространения сигнала в измеряемой среде,1 и 2 - времена распространения сигнала в элементах конструкции и электрических цепях. Процесс измерения скорости потока, а, следовательно, расхода измеряемой среды, разбивается на два цикла. Цикл 1 - зондирование по потоку. Управляемый генератор 1 формирует частоту 1, обратно пропорциональную времени распространения ультразвукового сигнала, а схема формирования временных интервалов делит эту частоту с коэффициентомтак, что (1/1)- зондирование против потока. Управляемый генератор 2 формирует частоту 2 при коэффициенте деления - так, что 2(-)/2. Коэффициентвыбирается из условия,где То - время распространения ультразвука между датчиками в неподвижной среде для средней скорости ультразвука, а - средняя частота управляемых генераторов. Цикл 2 - зондирование по потоку. Управляемый генератор 3, частота которого равна 3, а коэффициент деления (-)- зондирование против потока. Управляемый генератор 4 с частотой 4 при коэффициенте деления , т.е. 1(-)/3, 2/4. Разность частот, получаемая в первом цикле, равна 11 - 2 /1 - (-)/2 Аналогичная разность частот, получаемая во втором цикле, равна 24 - 3/2 - (-)/1. Вводя операцию вычитания, в результате получим(2-)(1/1 -1/2) С учетом выражений для 1 и Т 2 получим 2(2-)/( (12. Сумма разностных частот зависит от геометрических размеров мерного участка и скорости звука в среде и равна 2 с /((12)с). Выражение для суммы разностных частот может быть использовано для оценки скорости звука и учета ее влияния для повышения точности, т.е. с/(2-),122(2 - )/,где поправкана изменение скорости звука в среде равна 1-/2. В результате в каждом цикле работы мы имеем разнесение частот генераторов на величину, равную /,и результирующую разность частот, зависящую только от скорости движения среды и геометрических параметров акустического тракта (мерного участка расходомера). Расход вычисляется по формуле 2/4,(1),где- диаметр мерного участка, а 3,14,/2(2-)(2). Изобретение поясняется чертежом, где приведена блок-схема ультразвукового частотно-временного расходомера. Ультразвуковой частотно-временной расходомер содержит два приемоизлучающих преобразователя 1 и 2, входы/выходы которых через первый коммутатор 3 соединены с усилителем 4, а через второй коммутатор 5 - с формирователем 6 зондирующего сигнала, распределитель 7 тактов, первый выход которого соединен с входом формирователя 6 зондирующего сигнала, а также временной селектор 8, вычислительное устройство 9, делитель частоты 10, первую 11 и вторую 12 схемы управления, первый 13 и второй 14 генераторы, третий 15, четвертый 16 и пятый 17 коммутаторы. Он также дополнительно содержит амплитудный селектор 18, третью 19 и четвертую 20 схемы управления, измеритель 21 разности, регистр 22 знака подстройки, схему 23 совпадения знаков подстройки, распределитель 24 сигнала подстройки, формирователь 25 сигнала величины подстройки и блок 26 регистров сдвига. Второй выход распределителя 7 тактов соединен с управляющими входами первого 3, второго 5 и третьего 15 коммутаторов и первым управляющим входом распределителя 24 сигнала подстройки. Третий выход - со вторым управляющим входом распределителя 24 сигнала подстройки, управляющими входами четвертого 16 и пятого 17 коммутаторов и пер 4 2167 1 вым входом вычислительного 9 устройства. Четвертый выход - с первым входом делителя 10 частоты, второй вход которого соединен с выходом третьего 15 коммутатора и входом распределителя 7 тактов, а выход - со вторым входом временного селектора 8. Выход селектора соединен с третьим входом распределителя 24 сигнала подстройки,четвертый вход которого соединен с выходом формирователя 25 сигнала величины подстройки, а первый и второй выходы соединены с входами соответственно первой 11 и второй 12 схем управления. Выходы генераторов 13 и 14 соединены с входами третьего 15 коммутатора и измерителя 21 разности, выход которого соединен со вторым входом вычислительного устройства 9. Входы третьей 19 и четвертой 20 схем управления соединены соответственно с третьим и четвертым выходами распределителя 24 сигнала подстройки, а их выходы - с входами четвертого 16 и пятого 17 коммутаторов. Вторые входы коммутаторов соединены с выходами соответственно первой 11 и второй 12 схем управления, а выходы - с входами первого 13 и второго 14 генераторов. Кроме того, выход временного селектора 8 соединен со вторым входом схемы 23 совпадения знаков подстройки и первым входом регистра 22 знака подстройки,второй вход которого соединен с выходом формирователя 25 сигнала величины подстройки. Первый вход схемы 23 совпадения знаков подстройки соединен с выходом регистра 22 знака подстройки, а выход - с первым входом блока 26 регистров сдвига, второй вход которого соединен с пятым выходом распределителя 7 тактов, а выход - со вторым входом формирователя 25 сигнала величины подстройки, первый вход которого соединен с шестым выходом распределителя 7 тактов, кроме того, выход усилителя 4 связан с входом амплитудного селектора 18, выход которого соединен с первым входом временного селектора 8. Расходомер работает следующим образом цикл измерения содержит четыре такта измерения два такта по потоку и два такта измерения против потока. В первом такте первый и второй коммутаторы 3 и 5 переведены в режим измерения, например, по потоку. Зондирующий сигнал с выхода формирователя 6 зондирующего сигнала через второй коммутатор 5 поступает на вход первого приемоизлучающего преобразователя 1. Прошедший через измеряемую среду сигнал принимается вторым приемоизлучающим преобразователем 2 и, пройдя через первый коммутатор 3, усилитель 4 и амплитудный селектор 18, поступает на временной селектор 8. На второй вход временного селектора 8 поступает сигнал с первого управляемого генератора 13, прошедший через третий коммутатор 15 и поделенный делителем частоты 10 с коэффициентом деления , задаваемым распределителем тактов 7. В зависимости от временного расположения этих двух сигналов временной селектор 8 формирует на выходе сигнал знака подстройки, который через формирователь 25 сигнала величины подстройки и распределитель сигнала подстройки 24 поступает на первую 11 схему управления. Схема через четвертый коммутатор 16 изменяет частоту управляемого генератора 13 в ту или другую сторону в зависимости от знака подстройки. Формирование сигнала знака подстройки происходит следующим образом. На временной селектор 8 с амплитудного селектора 18 поступает перепад напряжения, соответствующий переходу выделенного принятого импульса через 0, и импульсы с делителя частоты 10. Знак подстройки определяется знаком разности времен прихода выделенного импульса с блока 18 и ближайшего фронта деленного импульса с блока 10. Для каждой схемы управления (11, 12, 19,20) в регистре знака подстройки 22 выделена ячейка хранения предыдущего значения знака, а в блоке регистров сдвига - свой регистр. Если знаки подстройки текущего и предыдущего тактов измерения одинаковы, то схема совпадения знаков подстройки 23 через блок регистров сдвига 26 увеличивает длительность сигнала подстройки с блока 25. В противном случае - длительность сигнала подстройки уменьшается. Во втором такте первый 3 и второй 5 коммутаторы переводятся в режим измерения против потока. При этом зондирующий сигнал поступает на вход второго преобразователя 2. А прошедший через среду сигнал принимается первым преобразователем 1, проходит через первый коммутатор 3, усилитель 4 и амплитудный селектор 18 на временной селектор 8. На второй вход временного селектора 8 поступает сигнал с управляемого генератора 14 через коммутатор 15 и делитель частоты 10 с коэффициентом деления -. На измерителе разности 21 формируется значение первой разностной частоты 1, которое поступает на вычислительное устройство 9. Подстройка в данном такте измерения проводится второй схемой управления 12, управляемой распределителем 24 сигнала подстройки от формирователя 25 сигнала величины подстройки в зависимости от знака подстройки, поступающего с временного селектора 8. В третьем такте измерения по потоку проводятся аналогично, как в первом такте за исключением того, что первый управляемый генератор 13 управляется третьей схемой управления 19 через четвертый коммутатор 16, а делитель частоты делит эту частоту с коэффициентом -. В четвертом такте проводятся измерения против потока аналогично второму такту. При этом второй управляемый генератор 14 управляется четвертой схемой управления 20 через пятый коммутатор 17, а делитель частоты 10 делит частоту с коэффициентом . На выходе измерителя разности 21 получаем вторую разностную частоту 2. Она подается на вычислительное устройство 9, которое по определенному алгоритму (разность двух разностных частот 1 2) вычисляет расходв зависимости от коэффициентов делителя частотыи . Расходвычисляется по формуле(1), гдеопределяется из формулы (2). Для повышения точности измерения расхода изменяющихся потоков служит схема динамической подстройки, включающая регистр знака подстройки 22, схему совпадения 23 и блок регистров сдвига 26. 2167 1 На 4-х разрядном регистре знака подстройки 22 по концу сигнала подстройки с формирователя 25 сигнала величины подстройки происходит запоминание знака прошедшей подстройки для данного такта измерения. В каждом текущем такте измерения проводится сравнение знака текущей и предыдущей подстройки схемой совпадения 23. При совпадении знаков подстройки для данного такта измерения соответствующий регистр блока регистров сдвига 26 увеличивает код величины подстройки вдвое, а при несовпадении знаков уменьшает вдвое, изменяясь от максимального к минимальному значению, что приводит к ускорению процесса перестройки управляемых генераторов при изменении скорости потока и, в то же время, обеспечивает малые величины изменения частоты при установившемся потоке. Это уменьшает случайную составляющую погрешности и увеличивает точность слежения за переменными потоками. Разрядность регистров сдвига определяет соотношение между величиной минимального и максимального значения подстройки и при 8-ми разрядном регистре это соотношение равно 128. Различие коэффициентов деления для управляемых генераторов приводит к смещению рабочих частот друг относительно друга на величину/, где- частота генераторов при нулевом потоке. Исключается явление захвата частот при измерении малых расходов. Введение еще двух тактов работы обеспечивает работу с реверсивными потоками, причем изменение направления потока приводит к перемене знака разности частот и соответственно величины текущего расхода. Кроме того, введение дополнительных тактов работы позволяет вычислять суммарную частоту 12,которая характеризует размер акустической базы расходомера и параметры измеряемой среды. Она может быть использована для начальной поверки и калибровки расходомера, для его периодической поверки,для корректировки коэффициента преобразования в процессе работы в зависимости от изменения внешних факторов. Это приводит к существенному подавлению их влияния, а, следовательно, к повышению точности измерения. Введение дополнительных схем управления и коммутаторов, а также дополнительных циклов измерения обеспечивает автоматическое вычитание сдвига частот. Это позволяет определять направление потока и дает информацию об изменении параметров среды, влияющих на точность измерения расхода. Динамическая подстройка увеличивает точность для изменяющихся потоков. Схемы управления - это интеграторы на операционных усилителях. Распределитель сигнала подстройки - четырехканальный коммутатор с кодовым управлением. Схема формирования величины подстройки - преобразователь кода в длительность импульса. Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66. 6