УЛЬТРАЗВУКОВОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ПОТОКА Российский патент 2002 года по МПК G01P5/24 G01F1/66 

Область техники
Изобретение относится к технике для измерения скорости потока жидкости с использованием ультразвукового пучка и в частности к ультразвуковому измерительному устройству для измерения скорости течения большой реки или канала открытого шлюза.

Известный уровень техники
Обычный измеритель скорости потока способен измерить скорость потока на линии поперечного сечения более широкой калибровочной трубки с использованием ультразвукового пучка на линии поперечного сечения более широкой калибровочной трубки или открытого канала, по которому течет жидкость. В настоящее время скорость потока измеряется ультразвуковым дифференциальным способом следующим образом
(1)
где Δt = t₁₂ и t₂₁ равно времени, в течение которого ультразвуковой пучок передается под углом ϕ или наоборот в направлении движения жидкости, L обозначает интервал между двумя ультразвуковыми преобразователями, d равно L_cosϕ и С обозначает скорость звука в жидкости (ниже вместо этого она называется скоростью передачи ультразвука).

Способ измерения скорости потока с использованием разности во времени прохождения ультразвука хорошо известен и он используется в большинстве ультразвуковых измерителей скорости потока. Другими словами, чтобы измерить времена прохождения ультразвука t₁₂ и t₂₁, измеряется время от момента передачи ультразвука до момента его приема. Если расстояние L между ультразвуковыми преобразователями сравнительно больше или в потоке жидкости возникают различного размера водовороты или завихрения, или концентрация взвесей в жидкости изменяется в реальной реке, звуковое давление ультразвукового пучка в точке приема сильно колеблется, так как ультразвуковой пучок отражается или диффундирует, или изменяется коэффициент затухания за счет поглощения.

Из описания к а.с. 769337, 07.10.1980, известен ультразвуковой измеритель скорости потока, содержащий два преобразователя, расположенных под определенным углом к направлению потока и предназначенных для передачи и приема ультразвукового сигнала, коммутатор, соединенный с преобразователями, генераторы управляющих импульсов, частотные дискриминаторы. В измерителе из а.с. разностный частотно-импульсный сигнал, несущий информацию о расходе или количестве измеряемой среды, поступает на вход индикаторного прибора только при наличии разрешающих логических уровней с частотных дискриминаторов. Но и в этом случае принятый сигнал может стать импульсом в форме колокола, потому что более высокого порядка синусоидальная составляющая ультразвукового пучка сильно поглощается. Для этой составляющей ошибка при приеме, доходящая до нескольких периодов ультразвукового пучка, обычно возникает при контроле момента приема ультразвукового пучка и не совсем редок случай не установления момента приема.

Чтобы не исказить форму принятого импульса при передаче и приеме ультразвукового пучка, используется широкополосный усилитель, но при этом усиливаются различные шумы. Особенно это вызывает затруднения при измерении времени передачи ультразвука из-за импульсных шумов.

Как упомянуто выше, из-за этих факторов в более широкой калибровочной трубке, в более широкой реке или канале открытого шлюза, было много случаев, когда время передачи ультразвука t₁₂ и t₂₁ не было точно измерено в точке приема. Также измеритель скорости потока для трубки сравнительно малого внутреннего диаметра может вызвать у датчика ультразвука ударное возбуждение. В это время эффективность преобразования электричества в ультразвуковые волны в значительной степени ухудшается.

В результате эти проблемы затрудняют измерение скорости потока ультразвуковым дифференциальным способом таким образом, чтобы ультразвуковой пучок передавался и принимался в канале открытого шлюза, имеющем большую ширину, и в реке. Использование такого ультразвукового измерителя скорости потока ограничено.

Чтобы решить эти проблемы и обеспечить преимущества, в основу изобретения положена задача создания устройства для измерения скорости потока ультразвуковым дифференциальным способом, в котором вместо ультразвуковых импульсов передаются и принимаются непрерывные ультразвуковые волны (синусоидальная волна) и измеряется их время прохождения.

Краткое описание изобретения
Ультразвуковое устройство для измерения скорости потока включает в себя два преобразователя, расположенные под определенным углом один к другому в направлении движения потока на участке, предназначенном для измерения скорости потока. Два преобразователя соединены через преобразовательный коммутационный участок с выходным усилителем. Усилитель соединен с генератором для модуляции частоты и генерации непрерывной волны определенной модулированной частоты. Генератор с частотной модуляцией соединен с одновибратором для генерации заданного частотного импульса, обеспечивающего работу генератора с частотной модуляцией. Одновибратор соединен с участком, генерирующим управляющие прямоугольные импульсы, обеспечивающие работу одновибратора в заданный период, а также управление выходным коммутационным участком, в котором выходной усилитель усиливает выходной сигнал от генератора с частотной модуляцией для подачи его в свою очередь на передающие преобразователи, при этом участок для генерации управляющих прямоугольных импульсов соединен одним входным выводом с принимающим усилителем, а другим своим входным выводом с аттенюатором для подавления выходного напряжения выходного усилителя, своим выходным выводом с частотным дискриминатором для определения момента частотной модуляции. Частотный дискриминатор соединен с участком для формирования импульса и придания своему выходу формы прямоугольного импульса. Участок для формирования импульса соединен с участком измерения временного интервала для замера временной разности между двумя импульсами от участка для формирования импульсов. Участок измерения временного интервала соединен с арифметико-логическим процессорным устройством для вычисления скорости потока.

Краткое описание чертежей
Изобретение теперь будет описано подробно со ссылкой на приложенные чертежи, в которых:
фиг. 1 изображает блок-схему, иллюстрирующую ультразвуковое устройство для измерения скорости потока в соответствии с изобретением;
фиг. 2 - диаграмму, иллюстрирующую работу ультразвукового устройства для измерения скорости потока в соответствии с изобретением; и
фиг. 3А и 3В - виды, иллюстрирующие частотную модуляцию ультразвукового пучка.

Подробное описание изобретения
Как показано на фиг.1 и 2, ультразвуковой передающий преобразователь 1 и ультразвуковой приемный преобразователь 2 расположены один против другого и электрически соединены с блоком 14 коммутации преобразователей, который связан с выходным усилителем 6 и приемным усилителем 7. Таким образом, чтобы привести в действие ультразвуковой передающий преобразователь 1, выходной усилитель 6 соединяют с генератором 3 с частотной модуляцией для генерации непрерывной волны определенной модулирующей частоты. Генератор 3 с частотной модуляцией соединен с одновибратором 4 для генерации импульса заданной частоты и для подачи его на генератор 3. Одновибратор 4 соединен с блоком 5 генерации управляющих прямоугольных импульсов, обеспечивающих работу одновибратора 4 в заданный период и одновременно управление блоком 8 выходной коммутации. Выходной усилитель 6 усиливает выходной сигнал от генератора 3 с частотной модуляцией для подачи его на передающий преобразователь 1. Аттенюатор 13 подсоединен между выходным усилителем 6 и блоком 8 выходной коммутации для подавления выходного напряжения усилителя 6. Приемный усилитель 7 подает усиленный принятый сигнал через блок 8 выходной коммутации на частотный дискриминатор 9. Блок 10 формирования импульса принимает выходное напряжение от блока 8 выходной коммутации для формирования его в виде прямоугольного импульса. Блок 11 для измерения временного интервала измеряет разность времени между двумя импульсами от блока 10 формирования импульсов. Арифметико-логическое процессорное устройство 12 вычисляет скорость потока с использованием ультразвукового дифференциального способа. Аттенюатор 13 соединен с блоком 8 выходной коммутации.

Ультразвуковое устройство для измерения скорости потока работает следующим образом.

Блок 5 для генерации управляющих прямоугольных импульсов генерирует длинный импульс T₁ прямоугольной формы, имеющий заданный период, как показано на фиг. 2А. Одновибратор 4 работает у переднего фронта длинного прямоугольного импульса T₁ для генерации прямоугольного импульса, имеющего период Т₂, как показано на фиг.2 В. Генератор 3 с частотной модуляцией генерирует сигнал периодически изменяющейся частоты или синусоидальной частоты f, в котором частота колебаний f изменяется на частоту колебаний f_о (равную f+Δf)) для периода Т₂ прямоугольного импульса и затем возвращается к синусоидальной частоте f у заднего фронта прямоугольного импульса с периодом Т₂, как показано на фиг. 2С, в котором частота f_о является резонансной частотой преобразователей 1 и 2, а Δf является девиацией частоты. Затем частотно-модулированный генератор 3 подает свой выход на выходной усилитель 6, выходной усилитель 6 усиливает частотно-модулированный сигнал для подачи его через блок 14 коммутации преобразователей на передающий преобразователь 1. Передающий преобразователь 1 вводит ультразвуковой пучок в жидкость, как показано на фиг.2D. В то же самое время сигнал от выходного усилителя 6 вводится через аттенюатор 13 и блок 8 выходной коммутации в частотный дискриминатор 9. Таким образом частотный дискриминатор 9 генерирует выходное напряжение для частотно-модулированного периода Δf, показанного на фиг.2Е. Напряжение сигнала вводится в блок 10 формирования импульса для генерации импульса, как показано на фиг.2F.

Затем в момент, когда прямоугольный длинный импульс с периодом T₁ достигает заднего фронта, блок 8 выходной коммутации и блок 14 коммутации преобразователей переключаются для ввода выходного сигнала от приемного усилителя 7 в частотный дискриминатор 9. Другими словами ультразвуковой пучок от передающего преобразователя 1 передается через жидкость в приемный преобразователь 2. Приемный преобразователь 2 срабатывает при приеме сигнала от передающего преобразователя 1, когда его выходной сигнал подается на приемный усилитель 7. Приемный усилитель 7 усиливает принятый сигнал, как показано на фиг. 2G для подачи его на частотный дискриминатор 9. Частотный дискриминатор генерирует сигнал, как показано на фиг.2Н, задействующий блок 10 формирования импульса. Блок 10 формирования импульса генерирует короткий импульс, как показано на фиг.2I, в котором выходные сигналы (фиг.2Е и Н) частотного дискриминатора 9 равны один другому и их время задержки τ, основанное на неустановившихся явлениях, становится одинаково.

Блок 11 для измерения временного интервала принимает короткие импульсы, как показано на фиг.2F и I, для измерения интервала времени t₁₂ между ними и форма коротких импульсов определяется блоком 10 формирования импульсов, когда на него подается выходной сигнал частотного дискриминатора 9. Блок 11 для измерения временного интервала вводит сигнал временного интервала в арифметико-логическое процессорное устройство 12 для хранения его в ЗУ этого устройства 12. Следует заметить, что t₁₂ является временем, в течение которого ультразвуковой пучок вынужден пройти от передающего преобразователя 1 до приемного преобразователя 2.

Когда заканчивается измерение времени прохождения ультразвука от передающего преобразователя 1 до приемного преобразователя 2, блок 14 коммутации преобразователей задействуется при заднем фронте импульсного сигнала от блока 5 для генерации управляющих прямоугольных импульсов, чтобы обеспечить передачу ультразвукового пучка от приемного преобразователя 2 до передающего преобразователя 1. Аналогичным образом измеряется время передачи ультразвука t₂₁, чтобы ввести его в арифметико-логическое процессорное устройство 12.

Арифметико-логическое процессорное устройство 12 запоминает расстояние между двумя преобразователями L и расстояние d (равное L_cosϕ), ранее введенное в ЗУ, и вычисляет скорость потока V по формуле (1) с использованием результатов по времени передачи ультразвука t₁₂ и t₂₁. Если намечено рассчитать скорость потока, расчетная скорость потока может быть введена в устройство для вычисления скорости потока.

Здесь следует заметить, что эффективность передающего преобразователя повышается от трех до пяти раз в случае использования ультразвукового импульса, потому что ультразвуковой импульс не передается и используется частотно-модулированная ультразвуковая синусоидальная волна. Интенсивность ультразвукового пучка также повышается. Что более важно, это поймать момент, когда изменяется частота принятого сигнала, а не факт регистрации амплитуды принятого сигнала для измерения времени передачи ультразвука. И исключается ошибка, вызванная определением времени задержки, потому что один частотный дискриминатор детектирует принимаемый и передаваемый сигналы.

Поэтому, даже если амплитуда принимаемого сигнала сильно меняется, принимаемый сигнал усиливается в достаточной степени. Например, принимаемый сигнал усиливается до состояния насыщения (которое достигает уровня входного допустимого напряжения частотного дискриминатора), чтобы его можно было ввести в частотный дискриминатор. Легко удалить шумы посредством полосового фильтра частотой f_о~f, потому что синусоидальная волна передается и принимается непрерывно. Это также устраняет путаницу, возникающую при измерении времени передачи ультразвука в связи с тем, что используется широкополосный усилитель для исключения искажения волновой формы, если используется ультразвуковой пучок.

На фиг. 3 показана волновая форма выходного сигнала от приемного преобразователя. Разность между амплитудой а₂ принятого сигнала на резонансной частоте f_о и амплитудой a₁ принятого сигнала на частоте f (равна f₀+Δf или f₀-Δf)) становится гораздо больше по мере того, как повышается девиация частоты. Но, если частота Δf/f₀ приблизительно равна 0,1, разность между амплитудами a₁ и а₂ не становится значительно больше.

Устройство предназначено для измерения скорости большой реки или канала открытого шлюза. Два преобразователя расположены под углом к направлению потока и предназначены для передачи и приема ультразвукового сигнала. Блок коммутации соединен с преобразователями и связан с приемным и выходным усилителями. Генератор с частотной модуляцией соединен с выходным усилителем и с одновибратором. Одновибратор соединен с блоком генерации управляющих прямоугольных импульсов, который управляет одновременно и выходным коммутационным блоком. Между выходным усилителем и выходным коммутационным блоком подсоединен аттенюатор. Приемный усилитель передает принятый сигнал на частотный дискриминатор через выходной коммутационный блок. Частотный дискриминатор соединен через блок формирования импульса с блоком для измерения временного интервала. Обеспечивается повышение точности измерения. 3 ил.

Ультразвуковое устройство для измерения скорости потока, включающее два преобразователя, расположенных под углом к направлению потока и предназначенных для передачи и приема ультразвукового сигнала, блок коммутации преобразователей, соединенный с преобразователями, блок генерации управляющих импульсов, частотный дискриминатор, отличающееся тем, что блок коммутации преобразователя связан с приемным усилителем и выходным усилителем, который соединяется с генератором с частотной модуляцией, с возможностью генерации непрерывной волны определенной модулирующей частоты, при этом генератор с частотной модуляцией соединен с одновибратором для генерации импульса заданной частоты и с возможностью подачи его на генератор с частотной модуляцией, причем одновибратор соединяется с блоком генерации управляющих прямоугольных импульсов, который выполнен с возможностью обеспечения работы одновибратора в заданный период и одновременного управления выходным коммутационным блоком, при этом выходной усилитель выполнен с возможностью усиления выходного сигнала от генератора с частотной модуляцией для подачи его на передающий преобразователь, а между выходным усилителем и выходным коммутационным блоком подсоединяется аттенюатор с возможностью подавления выходного напряжения выходного усилителя, при этом приемный усилитель выполнен с возможностью усиления принятого сигнала для подачи его через выходной коммутационный блок на частотный дискриминатор, который соединен с блоком формирования импульса с возможностью формирования выходного импульса прямоугольной формы, причем блок формирования импульса подсоединяется к блоку для измерения временного интервала, выполненного с возможностью измерения разности времени между двумя импульсами, и блок для измерения временного интервала подсоединяется к арифметико-логическому процессорному устройству вычисления скорости потока.