Ультразвуковой частотно-временной расходомер

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ(57) Ультразвуковой частотно-временной расходомер, содержащий два приемоизлучающих преобразователя,первый коммутатор, соединенный с усилителем, второй коммутатор, связанный 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 управляемые генераторы, третий коммутатор, отличающийся тем, что он дополнительно содержит амплитудный селектор, третью и четвертую схемы управления, четвертый и пятый коммутаторы, измеритель разности, регистр знака подстройки, схему совпадения знаков подстройки,2166 1 распределитель сигнала подстройки, формирователь сигнала величины подстройки и блок регистров сдвига, а также устройство переключения каналов, причем второй выход распределителя тактов связан с управляющими входами первого, второго, третьего коммутаторов и первым управляющим входом распределителя сигнала подстройки, третий выход - со вторым управляющим входом распределителя сигнала подстройки, управляющим входом устройства переключения каналов, первыми управляющими входами четвертого и пятого коммутаторов и первым входом вычислительного устройства, четвертый выход - с первым входом формирователя сигнала величины подстройки, а пятый выход - с первым входом делителя частоты, второй вход которого соединен с выходом третьего коммутатора и первым входом распределителя тактов, а выход - со вторым входом временного селектора, выход которого связан с третьим входом распределителя сигнала подстройки, четвертый вход которого связан с выходом формирователя сигнала величины подстройки, а первый и второй выходы соединены со входами соответственно первой и второй схем управления, выходы первого и второго управляемых генераторов связаны со входами третьего коммутатора и измерителя разности, выход которого соединен со вторым входом вычислительного устройства, входы третьей и четвертой схем управления связаны соответственно с третьим и четвертым выходами распределителя сигнала подстройки, а выходы - с третьим и четвертым информационными входами четвертого и пятого коммутаторов, первый и второй информационные входы которых соединены со входами первой и второй схем управления, а выходы - со входами первого и второго управляемых генераторов, кроме того, выход усилителя связан с входом амплитудного селектора, выход которого соединен с первым входом временного селектора, выход которого связан с первым входом схемы совпадения знаков подстройки и входом регистра знака подстройки, второй вход которого соединен с выходом формирователя сигнала величины подстройки, а выход связан со вторым входом схемы совпадения знака подстройки, выход которой соединен с первым входом блока регистров сдвига, второй вход которого связан с шестым выходом распределителя тактов, а выход соединен со вторым входом формирователя сигнала величины подстройки, 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 со вторыми управляющими входами четвертого и пятого коммутаторов и вторым входом распределителя тактов. 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. Подсчитанная счетчиком разность импульсов является мерой расхода. Недостатком указанного расходомера является невысокая точность измерений, которая ограничивается величиной единицы дискретного отсчета, т.е. периодом колебаний генератора. Известен импульсный одноканальный ультразвуковой расходомер 2, содержащий два управляемых по частоте генератора, выходами подсоединенных к входам первого коммутатора, а также последовательно включенные 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. Однако для указанного устройства характерна недостаточно высокая точность измерений, обусловленная тем, что известное устройство представляет собой по существу автоматическую систему непрерывного регулирования, имеющую значительную зону нечувствительности, а также невысокую оперативность измерений. Известен ультразвуковой расходомер 3, содержащий преобразователь расхода с несколькими парами приемоизлучающих головок, подключенных через первый и второй переключатели к формирователю возбуждающих импульсов и усилителю принятых сигналов, выход которого через третий переключатель подключен к входу формирователя возбуждающих импульсов, импульсные генераторы управляемой частоты, выходы которых подключены к измерительной схеме и к входам формирователя возбуждающих импульсов и дискриминатора времени, второй вход которого подключен к третьему переключателю, а выход подключен к входам импульсных генераторов управляемой частоты. 2166 1 Недостатком известного расходомера является нестабильность временной задержки в электронных блоках в разных направлениях излучения, вызываемая изменением внешних влияющих факторов, что приводит к увеличению погрешности измерения. Для многоканальных приборов значение этой погрешности выше,чем для одноканальных, поскольку она определяется суммой нестабильности всех каналов. Известен также расходомер 4, 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. Наиболее близким из известных является расходомер 5, реализующий частотно-временной принцип измерения,в котором имеются 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 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. В основу решаемой заявленным изобретением задачи заложено повышение точности измерений расхода жидких и газообразных сред в широком диапазоне измеряемых расходов. Задача решается таким образом, что ультразвуковой частотно-временной расходомер, содержащий два приемоизлучающих преобразователя, первый коммутатор, соединенный с усилителем, второй коммутатор, связанный 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 управляемые генераторы, третий коммутатор, согласно изобретению расходомер также дополнительно содержит амплитудный селектор, третью и четвертую схемы управления,четвертый и пятый коммутаторы, измеритель разности, регистр знака подстройки, схему совпадения знаков подстройки, распределитель сигнала подстройки, формирователь сигнала величины подстройки и блок регистров сдвига,а также устройство переключения каналов, причем второй выход распределителя тактов связан с управляющими входами первого, второго, третьего коммутаторов и первым управляющим входом распределителя сигнала подстройки,третий выход - со вторым управляющим входом распределителя сигнала подстройки, управляющим входом устройства переключения каналов, первыми управляющими входами четвертого и пятого коммутаторов и первым входом вычислительного устройства, четвертый выход - с первым входом формирователя сигнала величины подстройки, а пятый выход - с первым входом делителя частоты, второй вход которого соединен с выходом третьего коммутатора и первым входом распределителя тактов, а выход - со вторым входом временного селектора, выход которого связан с третьим входом распределителя сигнала подстройки, четвертый вход которого связан с выходом формирователя сигнала величины подстройки, а первый и второй выходы соединены с входами соответственно первой и второй схем управления, выходы первого и второго управляемых генераторов связаны с входами третьего коммутатора и измерителя разности, выход которого соединен со вторым входом вычислительного устройства, входы третьей и четвертой схем управления связаны соответственно с третьим и четвертым выходами распределителя сигнала подстройки, а выходы - с третьим и четвертым информационными входами четвертого и пятого коммутаторов, первый и второй информационные входы которых соединены с входами первой и второй схем управления, а выходы - с входами первого и второго управляемых генераторов, кроме того, выход усилителя связан с входом амплитудного селектора, выход которого соединен с первым входом временного селектора, выход которого связан с первым входом схемы совпадения знаков подстройки и входом регистра знака подстройки, второй вход которого соединен о выходом формирователя сигнала величины подстройки, а выход связан со вторым входом схемы совпадения знака подстройки, выход которой соединен с первым входом блока регистров сдвига, второй вход которого связан 3 2166 1 с шестым выходом распределителя тактов, а выход соединен со вторым входом формирователя сигнала величины подстройки, 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 со вторыми управляющими входами четвертого и пятого коммутаторов и вторым входом распределителя тактов. Сравнительный анализ известных и заявленного устройств показывает, что заявленный ультразвуковой частотно-временной расходомер обеспечивает работу с реверсивными потоками, причем при измерении малых расходов исключается явление захвата частот. Кроме того, имеется возможность вычисления суммарной частоты, что позволяет выполнять периодическую поверку и калибровку расходомера в автоматическом режиме при изменении параметров измеряемой среды, что приводит к подавлению их влияния, а, следовательно, и повышению точности 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. Введение дополнительной коммутации каналов приводит к тому, что устраняется смещение нуля характеристики, т.к. в этом случае разность частот не зависит от разности времен распространения сигнала в каналах обработки. Работа ультразвукового частотно-временного расходомера основана на измерении разности времен распространения ультразвукового сигнала по и против потока измеряемой среды. При зондировании по потоку время распространения сигнала в измеряемой среде равно 1/,а против потока 2/( -),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. В первом цикле при зондировании по потоку работает первый управляемый генератор, который формирует частоту 1, обратно пропорциональную времени распространения ультразвукового сигнала, а схема формирования временных интервалов делит эту частоту с коэффициентом(1/1). При зондировании против потока работает второй управляемый генератор, который формирует частоту 2 при коэффициенте деления - так, что Т 2(-)/2 Коэффициентвыбирается из условияТо , где То - время распространения ультразвука между датчиками в неподвижной среде для средней скорости ультразвука,- средняя частота управляемых генераторов. Во втором цикле измерения при зондировании по потоку работает первый управляемый генератор, частота которого равна 3, коэффициент деления (-), а против потока - второй генератор с частотой 4 при коэффициенте деления , т.е. 3(-)/3, 4/4. Разность частот, получаемая в первом цикле, равна 11 - 2/1 - (-)/2 Аналогичная разность частот, получаемая во втором цикле, равна 24 - 3/4 - (-)/3 Без переключения каналов имеем Т 31, Т 4 Т 2, тогда, введя еще одну операцию вычитания, в результате получаем(2-)(1/1-1/2) С учетом выражений для 1 и 2 получим 2(2-)/(2 - )2/(2 с ) где 12, 2 - 1 Как видно из полученного выражения, при наличии разности времен распространения в каналах обработки появляется слагаемое, зависящее от этой разности и скорости распространения ультразвука. Изменение разности задержек, равно как и изменение скорости ультразвука, например, в зависимости от температуры, 4 2166 1 приводит к смещению нуля характеристики и, следовательно, к появлению дополнительной систематической погрешности. Введение дополнительной коммутации каналов приводит к тому, что во втором цикле измерения по потоку время распространения сигнала равно Т 312, а против потока - Т 421. В результате после преобразований результирующая разность частот будет иметь вид 22(1 /) -/(2),т.е. разность частот не зависит от разности времен распространения сигнала в каналах обработки. Наличие разных коэффициентов деления для управляемых генераторов приводит к смещению их рабочих частот друг относительно друга на величину/, где- частота генераторов при нулевом потоке, что исключает явление захвата частот при измерении малых расходов. Однако при этом ограничивается величина максимальной измеряемой скорости потока, которая определяется смещением частот генераторов . Вместе с тем для больших расходов (больших скоростей потока) частоты генераторов отличаются на значительную величину и поэтому не требуется дополнительное смещение. Для расширения диапазона измерений в область больших расходов вводится дополнительное управление четвертого и пятого коммутаторов с вычислительного устройства, которое в зависимости от величины измеряемого параметра коммутирует схемы управления из режима со смещением частот в режим без смещения и обратно. Расход вычисляется по формуле 2/4(1) Где- диаметр мерного участка,3,14159265 Изобретение поясняется чертежом, на котором приведена блок-схема ультразвукового частотновременного расходомера. Ультразвуковой частотно-временной расходомер содержит два приемоизлучающих преобразователя 1 и 2, первый коммутатор 3, соединенный с усилителем 4, второй коммутатор 5, связанный 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 управляемые генераторы, третий коммутатор 15. Он также дополнительно содержит амплитудный селектор 16, третью 17 и четвертую 18 схемы управления, четвертый 19 и пятый 20 коммутаторы,измеритель разности 21, регистр 22 знака подстройки, схему 23 совпадения знаков подстройки, распределитель 24 сигнала подстройки, формирователь 25 сигнала величины подстройки и блок 26 регистров сдвига, а также устройство 27 переключения каналов, причем второй выход распределителя 7 тактов связан с управляющими входами первого 3, второго 5, третьего 15 коммутаторов и первым управляющим входом распределителя 24 сигнала подстройки, третий выход - со вторым управляющим входом распределителя 24 сигнала подстройки, управляющим входом устройства 27 переключения каналов, первыми управляющими входами четвертого 19 и пятого 20 коммутаторов и первым входом вычислительного устройства 9, четвертый выход - с первым входом формирователя 25 сигнала величины подстройки, а пятый выход - с первым входом делителя 10 частоты, второй вход которого соединен с выходом третьего 15 коммутатора и первым входом распределителя 7 тактов, а выход - со вторым входом временного 8 селектора, выход которого связан с третьим входом распределителя 24 сигнала подстройки, четвертый вход которого связан с выходом формирователя 25 сигнала величины подстройки, а первый и второй выходы соединены со входами соответственно первой 11 и второй 12 схем управления, выходы первого 13 и второго 14 управляемых генераторов связаны со входами третьего 15 коммутатора и измерителя 21 разности, выход которого соединен со вторым входом вычислительного устройства 9, входы третьей 17 и четвертой 18 схем управления связаны соответственно с третьим и четвертым выходами распределителя 24 сигнала подстройки, а выходы - с третьим и четвертым информационными входами четвертого 19 и пятого 20 коммутаторов, первый и второй информационные входы которых соединены со входами первой 11 и второй 12 схем управления, а выходы - со входами первого 13 и 14 второго управляемых генераторов, кроме того, выход усилителя 4 связан с входом амплитудного селектора 16, выход которого соединен с первым входом временного селектора 8, выход которого связан с первым входом схемы 23 совпадения знаков подстройки и входом регистра 22 знака подстройки, второй вход которого соединен с выходом формирователя 25 сигнала величины подстройки, а выход связан со вторым входом схемы 23 совпадения знака подстройки, выход которой соединен с первым входом блока 26 регистров сдвига, второй вход которого связан с шестым выходом распределителя 7 тактов, а выход соединен со вторым входом формирователя 25 сигнала величины подстройки, при этом первый и второй информационные входы/выходы устройства 27 переключения каналов подключены к приемоизлучающим преобразователям 1 и 2, третий и четвертый информационные входы/выходы подключены к входам первого 3 и второго 5 коммутаторов, кроме того, выход вычислительного устройства 9 связан со вторыми управляющими входами четвертого 19 и пятого 20 коммутаторов и вторым входом распределителя тактов 7. Расходомер работает следующим образом. Цикл измерения содержит четыре такта - два такта измерения по потоку и два такта измерения против потока. В первом такте первый 3 и второй 5 коммутаторы переведены в режим измерения, например, по потоку, при этом зондирующий сигнал с выхода формирователя зондирующего сигнала 6 через второй коммутатор 5 и устройство пе 5 2166 1 реключения каналов 27 поступает на вход первого приемоизлучающего преобразователя 1, а прошедший через измеряемую среду сигнал принимается вторым приемоизлучающим преобразователем 2 и, пройдя через устройство переключения каналов 27 и второй вход первого коммутатора 3, усилитель 4 и амплитудный селектор 16, 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 на выходе временного селектора 8 формируется сигнал знака подстройки, который через формирователь сигнала величины подстройки 25, распределитель сигнала подстройки 24 поступает на первую схему управления 11, которая через четвертый коммутатор 19 изменяет частоту управляемого генератора 13 в ту или другую сторону в зависимости от знака подстройки. Во втором такте первый и второй коммутаторы переводятся в режим измерения против потока, при котором зондирующий сигнал поступает на вход второго преобразователя 2, а прошедший через среду сигнал принимается первым преобразователем 1, проходит через устройство переключения каналов 27, первый вход первого коммутатора 3,усилитель 4, амплитудный селектор 16 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 сигнала подстройки 24 от формирователя сигнала величины подстройки 25 в зависимости от знака подстройки, поступающего с временного селектора 8. В третьем такте измерения проводятся по потоку аналогично измерениям первого такта за исключением того,что сигнал, принятый приемоизлучающим преобразователем 2 поступает на первый вход коммутатора 3, первый управляемый генератор 13 управляется третьей схемой управления 17 через четвертый коммутатор 19, а делитель частоты 10 делит эту частоту с коэффициентом -. В четвертом такте измерения проводятся против потока аналогично измерениям второго такта, за исключением того, что принятый сигнал с преобразователя 1 поступает на второй вход коммутатора 3, при этом второй управляемый генератор 14 управляется четвертой схемой управления 18 через пятый коммутатор 20, а делитель частоты 10 делит частоту с коэффициентом . На выходе измерителя разности 21 получается вторая разностная частота 2, подаваемая на вычислительное устройство 9. Вычислительным устройством 9 производится вычисление расходапо определенному алгоритму по величине разности двух разностных частот 1 - 2 в зависимости от коэффициентов делителя частотыи . Расходвычисляется по формуле (1). Переключение каналов в третьем и четвертом тактах измерения позволяет компенсировать разность задержек в электрических цепях расходомера, обеспечивая таким образом автоматическую компенсацию смещения нуля, и, следовательно, повышение точности измерения, особенно при малых расходах. Наличие разных коэффициентов деления для управляемых генераторов приводит к смещению их рабочих частот друг относительно друга на величину/, где- частота генераторов при нулевом потоке, что исключает 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 и может быть использована для начальной поверки и калибровки расходомера, а также его периодической поверки, и для корректировки коэффициента преобразования в процессе работы в зависимости от изменения внешних факторов, что приводит к существенному подавлению их влияния, а, следовательно, и повышению точности измерения. Введение дополнительных схем управления и коммутаторов и дополнительных циклов измерения обеспечивает автоматическое вычитание сдвига частот, позволяет определять направление потока, и дает информацию об изменении параметров среды, влияющих на точность измерения расхода. Для повышения точности измерения расхода для изменяющихся потоков служит схема динамической подстройки, включающая регистр знака подстройки 22, схему совпадения 23 знака подстройки и блок регистров сдвига 26. На 4-х разрядном регистре знака подстройки 22 по концу сигнала подстройки с формирователя сигнала величины подстройки 25 происходит запоминание знака прошедшей подстройки для данного такта измерения. В каждом текущем такте измерения проводится сравнение знака текущей и предыдущей подстройки схемой совпадения 23 знака подстройки. 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 6 2166 1 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. Вычислительное устройство 9 анализирует измеряемую разность частот, поступающую с измерителя разности 21. При превышении этой разностью заданного значения, вычислительное устройство 9 формирует на выходе управляющий сигнал, поступающий на вторые управляющие входы четвертого 19 и пятого 20 коммутаторов. При этом изменяется порядок прохождения сигналов управления со схем управления 11, 12,17 и 18 на управляемые генераторы 13 и 14. В первом цикле измерения устройство работает с коэффициентом деления , т.е. формируются частоты 1 и 4, а во втором цикле измерения устройство работает с коэффициентом деления- , т.е. формируются частоты 2 и 3. При этом и в первом и во втором циклах измерения получается разность частот без смещения, т.е. прямо зависящая от скорости потока среды, и используется вычислительным устройством для получения значения расхода. Такой переход позволяет существенно расширить диапазон измеряемых расходов в сторону больших расходов, сохранив при этом высокое разрешение в области малых расходов, что обеспечивает динамический диапазон измерений (т.е. /) не менее 1000. 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. 7