Многоканальный ультразвуковой расходомер

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Романов Анатолий Филиппович(72) Авторы Пранович Владимир Ильич Романов Анатолий Филиппович Шестаков Леонид Владимирович(73) Патентообладатель Романов Анатолий Филиппович(57) 1. Многоканальный ультразвуковой расходомер, содержащий измерительные участки с двумя приемоизлучающими электроакустическими преобразователями каждый, входы/выходы которых через входные коммутаторы соединены с выходом формирователя зондирующего сигнала и входом усилителя с автоматической регулировкой усиления, выход и второй вход которого соединен с амплитудно-временным селектором, вход формирователя зондирующего сигнала соединен с выходом формирователя временных интервалов, второй выход которого соединен с входом вычислителя, а вход соединен с тактовым генератором, третий выход формирователя временных интервалов соединен с четвертыми входами входных коммутаторов, а выход вычислителя является выходом устройства, отличающийся тем, что он дополнительно содержит счетчик грубого отсчета,схему интерполяции и блок динамического усреднения, причем первый вход счетчика грубого отсчета соединен с первым выходом формирователя временных интервалов и входом формирователя зондирующего сигнала, второй вход - с выходом тактового генератора, третий вход - с выходом схемы интерполяции, а выход соединен с общим входом 52662009.06.30 вычислителем, первый вход схемы интерполяции соединен со вторым выходом амплитудно-временного селектора, второй вход с четвертым выходом формирователя временных интервалов, третий вход с выходом тактового генератора, а второй выход соединен с входом блока динамического усреднения, выход которого соединен с общим входом вычислителя. 2. Многоканальный ультразвуковой расходомер по п. 1, отличающийся тем, что он содержит от 2 доизмерительных участков.(56) 1. А.с. СССР 1026015, МПК 01 1/66, 1983. 2. А.с. СССР 1656329, МПК 01 1/66, 1991. 3. Патент РБ 2166, МПК 01 1/66, 1999 (прототип). Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для измерения расхода жидких и газообразных сред. Известен расходомер 1, в котором имеется преобразователь расхода с акустическими каналами на пьезопреобразователях, подключенных через переключатели к выходу формирователя возбуждающих импульсов и к входу усилителя принятых сигналов, выход которого через третий переключатель подключен к входу формирователя возбуждающих импульсов и дискриминатора времени, выход которого через четвертый переключатель соединен с импульсными генераторами управляемой частоты. Выходы этих генераторов соединены с формирователем и дискриминатором времени, а также с измерительным устройством. Счетчик импульсов также подключен к выходам генераторов. К его выходу подключен формирователь импульсов управления коммутатором, выход которого соединен с коммутатором. Такая конфигурация позволяет компенсировать задержки электронных схем, связанные только с управляемыми генераторами. Существенная составляющая электронной задержки на переключающих элементах не компенсируется, поскольку эти переключатели жестко связаны с соответствующими датчиками. Известен расходомер 2, реализующий частотно-временной принцип измерения, в котором имеются два управляемых генератора, каждый из которых управляется своим каналом по потоку и против потока, включающим схему установки коэффициента внутреннего умножения, временной селектор, реверсивный счетчик, схему управления частотой генератора. В каждом из двух 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 и на вход которого поступают коды коэффициентов внутреннего умножения. Переключение блоков расходомера на работу по и против потока осуществляется тактовым распределителем через коммутатор, который подает 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. Наиболее близким техническим решением является ультразвуковой частотновременной расходомер 3, содержащий два приемоизлучающих преобразователя, устройство переключения каналов, первый коммутатор, соединенный с усилителем, и второй 2 52662009.06.30 коммутатор, соединенный с формирователем зондирующего сигнала, амплитудный и временной селектор, распределитель тактов, вычислительное устройство, причем первый выход распределителя тактов связан с управляющими входами коммутаторов, второй выход- с первым входом вычислительного устройства, а третий выход - с входом формирователя зондирующего сигнала, выход усилителя связан через амплитудный селектор со вторым входом временного селектора, при этом первый и второй информационные входы/выходы устройства переключения каналов подключены к приемоизлучающим преобразователям, третий и четвертый информационные входы/выходы подключены к входам первого и второго коммутаторов, кроме того, выход вычислительного устройства связан с входом распределителя тактов. В основу решаемой задачи заложено повышение точности измерений расхода жидких и газообразных сред в широком диапазоне быстроизменяющихся потоков. Для решения поставленной задачи предложен многоканальный ультразвуковой расходомер, содержащий измерительные участки ( участков, где 2) с двумя приемоизлучающими электроакустическими преобразователями каждый, входы/выходы которых через входные коммутаторы соединены с выходом формирователя зондирующего сигнала и входом усилителя с автоматической регулировкой усиления, выход и второй вход которого соединен с амплитудно-временным селектором, вход формирователя зондирующего сигнала соединен с выходом формирователя временных интервалов, второй выход которого соединен с входом вычислителя, а вход соединен с тактовым генератором, третий выход формирователя временных интервалов соединен с четвертыми входами входных коммутаторов, а выход вычислителя является выходом устройства. В соответствии с предложенным решением расходомер дополнительно содержит счетчик грубого отсчета,схему интерполяции и блок динамического усреднения, причем первый вход счетчика грубого отсчета соединен с первым выходом формирователя временных интервалов и входом формирователя зондирующего сигнала, второй вход - с выходом тактового генератора, третий вход - с выходом схемы интерполяции, а выход соединен с общим входом вычислителем, первый вход схемы интерполяции соединен со вторым выходом амплитудно-временного селектора, второй вход с четвертым выходом формирователя временных интервалов, третий вход с выходом тактового генератора, а второй выход соединен с входом блока динамического усреднения, выход которого соединен с общим входом вычислителя. Задача решается введением в ультразвуковой расходомер счетчика грубого отсчета,схемы интерполяции и блока динамического усреднения. Сравнительный анализ известных и заявленного устройств показывает, что заявленный многоканальный ультразвуковой расходомер обеспечивает работу с реверсивными потоками, имеет возможность вычисления как разности, так и суммы времен распространения зондирующего сигнала при излучении по и против потока. Расходомер также обеспечивает постоянную калибровку в автоматическом режиме, что позволяет учитывать изменение как характеристик измеряемой среды, так параметров самого устройства, обеспечивая подавление их влияния, и, следовательно, повышение точности измерений. Кроме того, введение блока динамического усреднения позволяет контролировать степень изменения измеряемых параметров и регулировать постоянную усреднения параметров в зависимости от скорости их изменения, что увеличивает точность измерения быстро меняющихся потоков. Сущность предлагаемого устройства проиллюстрирована блок-схемой ультразвукового расходомера. Многоканальный ультразвуковой расходомер содержит формирователь 1 временных интервалов, измерительный участок с комплектом электроакустических преобразователей(далее ЭАП) 2 (все преобразователи для удобства и простоты изложения обозначены цифрой 2 с дополнительными индексами 2.1, 2.2,2., где дополнительный индекс соответ 3 52662009.06.30 ствует номеру канала, все каналы конструктивно одинаковы), 2-х канальный входной коммутатор 3 (применен тот же принцип обозначения 3.1, 3.2,3.), формирователь 4 зондирующего сигнала, усилитель 5 с автоматической регулировкой усиления (АРУ), амплитудно-временной селектор 6, тактовый генератор 7 и вычислитель 8. Дополнительно расходомер содержит счетчик 9 грубого отсчета, схему 10 интерполяции, блок 11 динамического усреднения, причем первый вход счетчика грубого отсчета соединен с первым выходом формирователя временных интервалов и входом формирователя зондирующего сигнала, второй вход - с выходом тактового генератора, третий вход - с выходом схемы интерполяции, а выход соединен с общим входом вычислителя, первый вход схемы интерполяции соединен со вторым выходом амплитудно-временного селектора, второй вход с четвертым выходом формирователя временных интервалов, третий вход с выходом тактового генератора, а второй выход соединен с входом блока динамического усреднения,выход которого соединен с общим входом вычислителя. Работа ультразвукового расходомера по каждому измерительному каналу состоит из 2 тактов, которые соответствуют двум направлениям ультразвукового зондирования (по потоку измеряемой среды и против потока)канального ультразвукового расходомера. Скорость потокаопределяется по разности времен распространения сигнала по потоку 1 и против потока Т 2 в соответствии с выражением 22,(1)где- расстояние, проходимое ультразвуком в измеряемой среде, - косинус угла между направлением потока и направлением излучения,ТрТ 2-Т 1 Тс 1 Т 2. Объемный расходвычисляется по формуле(2)2/4,где- диаметр расходомерного участка. Общее время распространения сигнала в канале измерения определяется выражением( - Кии / Кэг)Тэг, мкс(3) где- длительность временного интервала,Тэг - период частоты эталонного генератора,Кэг - измеренное усредненное значение периода эталонного генератора,Кии - измеренное усредненное значение интерполяционного интервала в пределах периода, - число периодов, подсчитанное счетчиком грубого отсчета. Для выполнения всех необходимых измерений и получения результата каждый такт измерения делится на пять временных интервалов Интервал зондирования 1. Интервал измерения 2 задержки принятого сигнала и грубого кодирования (в периодах эталонной частоты). Интервал интерполяции 3 - кодирования задержки сигнала в пределах периода эталонной частоты (интерполяционная задержка). Интервал калибровки 4 интерполяционной задержки по длительности периода эталонной частоты. Интервал вычислений 5 формирования значения измеряемого временного интервала и вычисления расхода. В зависимости от номерацикла измерения сигналы управления с первого выхода формирователя 1 временных интервалов поступают на соответствующий входной коммутатор 3. каналов, которые обеспечивают передачу/прием сигналов на/с ЭАП (2.) соответствующего расходомерного участка. В каждом такте выполняются следующие процедуры. 4 52662009.06.30 В начале первого интервала (Интервал зондирования 1) на схему 4 формирователя зондирующего сигнала с первого выхода формирователя 1 временных интервалов поступает сигнал запуска зондирования , который управляет накоплением энергии для формирования зондирующего сигнала, а на один из входных коммутаторов (3.) со второго выхода формирователя 1 временных интервалов поступает сигнал разрешения зондирования. Номеркоммутатора определяется номером выбранного канала, а коммутируемый ключ - номером рабочего такта в цикле измерения. Сигналом разрешения зондирования выход схемы формирователя 4 через открытый ключ выбранного входного коммутатора 3. подключается к электроакустическому преобразователю ЭАП 1 расходомерного участка 2 Второй ЭАП 2 этого же расходомерного участка тем же сигналом разрешения шунтируется для уменьшения взаимного влияния каналов. По концу сигнала запуска зондирования энергия, накопленная в индуктивности формирователя 4 зондирующего сигнала, заряжает емкость электроакустического преобразователя, формируя на нем зондирующий сигнал. По концу импульсаразрешается работа счетчика 9 грубого отсчета. После прохождения сигнала зондирования сигнал разрешения снимается. На втором интервале (интервал измерения 2) ЭАП 2 этого же расходомерного участка через входной коммутатор каналов измерения 3. по сигналу разрешения приема, поступающему с первого выхода формирователя 1 временных интервалов, подключается к входу усилителя 5 с АРУ. Прошедший через измеряемую среду и усиленный усилителем 5 с АРУ сигнал зондирования поступает на амплитудно-временной селектор 6, который содержит компараторы контроля уровня сигнала и схему управления усилением сигнала для нормирования его амплитуды. При превышении амплитуды колебания в принятом сигнале заданного порогового уровня это колебание селектируется как рабочий импульс сигнала. При переходе его отрицательного фронта через ноль начинается преобразование временного интервала в напряжение. Интервал преобразования завершается по фронту импульса эталонной частоты с тактового генератора 7. Количество эталонных импульсов от фронта импульсадо конца преобразования временного интервала в напряжение фиксируется счетчиком 9 грубого отсчета как код грубого отсчета временного интервала. На третьем временном интервале (интервал интерполяции 3) с помощью схемы 10 интерполяции производится преобразование временного интервала, интерполированного в пределах периода частоты эталонного тактового генератора и сформированного амплитудно-временным селектором 6 в код. С выхода схемы 10 интерполяции значения кодов поступают на блок 11 динамического усреднения. В начале четвертого интервала (интервал калибровки 4) со второго выхода формирователя 1 временных интервалов на схему 10 интерполяции для определения кода калибровки поступает сигнал калибровки с длительностью, равной периоду эталонного такта. Код калибровки через блок 11 динамического усреднения поступает на вычислитель 8 для получения значения измеренного временного интервала. На пятом интервале (интервал вычислений 5) вычислитель 8 проводит формирование результирующего значения временного интервала и вычисление характеристик потока. Коды с выхода блока 11 динамического усреднения и счетчика 9 грубого измерения поступают на вычислитель 8, который формирует общее время распространения сигнала в канале измерения в соответствии с выражением (3). Расчет характеристик потока производится в соответствии с выражениями (1) и (2). Работа вычислителя 8 синхронизируется сигналами с выхода формирователя 1 временных интервалов. Работой расходомера управляет формирователь 1 временных интервалов. Формирователь 1 временных интервалов по входным эталонным тактовым импульсам формирует номер временного интервала и номера такта в цикле измерения, а также сигналы управления и код числа усреднений. Двухканальный входной коммутатор 3 содержит по три ключа на каждый канал ключ разрешения зондирования, ключ разрешения приема и ключ шунтирования. 52662009.06.30 Формирователь 4 зондирующего сигнала служит для накопления энергии, необходимой для формирования регулируемых по амплитуде зондирующих импульсов. Для формирования амплитуды импульса, превышающего напряжение питания схемы,используется накопление энергии в индуктивности при протекании через нее постоянного тока. Формирователь 4 зондирующего сигнала содержит дроссельнакопления энергии,схему удвоения напряжения и ключ зарядного тока. При подаче сигнала запуска зондирования дроссель накопления энергии через замкнутый ключ зарядного тока подключается к схеме удвоения напряжения. При размыкании ключа, через который пропускался ток, ток дросселя формирует импульс зондирования. Длительность импульса определяется частотой резонансного контура, образованного индуктивностью дросселя и емкостью ЭАП, а его амплитуда - длительностью протекания тока через индуктивность. Частота резонанса контура выбирается равной частоте механического резонанса ЭАП. Схема удвоения напряжения служит для повышения эффективности схемы и возможности формирования зондирующих сигналов большой амплитуды (более 100 В) при питании от батареи (напряжение 33,6 В). Амплитудно-временной селектор 6 включает несколько компараторов уровня компаратор минимального значения, компаратор максимального значения, компаратор порога сигнала и компаратор принятого сигнала. Первые два компаратора служат для управления АРУ блока 5 для поддержания уровня принимаемого сигнала в заданных пределах. Два других компаратора обеспечивают выделение рабочего колебания из принимаемого сигнала и фиксацию его временного положения для управления схемой 10 интерполяции. Схема 8 интерполяции служит для определения точного значения времени распространения сигнала путем измерения части от периода тактовой частоты. Начало интервала измерения задается компаратором фиксации приема амплитудно-временного селектора 6 по переходу через ноль заднего фронта рабочего импульса, а конец интервала - рабочим фронтом тактового импульса. Значение временного интервала преобразуется в значение напряжения с помощью преобразователя время-напряжение, а затем в код аналогоцифровым преобразователем. Для обеспечения независимости измерений от характеристики преобразования время-код схема интерполяции на интервале калибровки преобразует в код период тактового импульса. Блок 9 динамического усреднения представляет собой экспоненциальный накопитель с переменной постоянной накопления. Постоянная накопления задается формирователем 1 временных интервалов в зависимости от установленного режима и корректируется по сигналам компаратора блока 11 динамического усреднения. Вычислитель приращений постоянно вычисляет разность между текущим значением кода интерполяционной задержки и его усредненным значением. Опытные образцы расходомера прошли испытания на предприятиях Минскводоканала. Полученные результаты показали, что заложенные принципы обеспечивают достижение результата. Разработана конструкторская документация и изготовлены опытнопромышленные образцы. Расходомер прошел Государственные приемочные испытания для запуска в промышленное производство. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.