ПЕРЕДАЮЩАЯ И ПРИЕМНАЯ СХЕМА ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО РАСХОДОМЕРА Российский патент 2003 года по МПК G01F1/66 

Изобретение относится к передающей и приемной схеме для ультразвукового расходомера, описанной в ограничительной части п.1 формулы изобретения.

Известно, что для измерения очень малой разности между временем передачи ультразвука в направлении потока и временем передачи ультразвука против направления потока требуется очень высокая степень симметричности электронных схем, которые используются для приема и передачи ультразвуковых сигналов через измерительный преобразователь, т.е. необходимо, чтобы групповое время задержки сигналов в самой электронной схеме было одинаковым при передаче сигнала в направлении потока и против него. Известно также, что полные сопротивления, на которые нагружен каждый измерительный преобразователь, должны оставаться постоянными от момента передачи до момента приема, чтобы выполнялось условие обратимости для датчика. Благодаря этому в покоящейся среде время передачи датчика в направлении потока и против направления потока будет одинаковым.

В WO 94/17371 рассматривается проблема, связанная с использованием двух идентичных передающих и приемных схем, по одной для каждого измерительного преобразователя. Эти схемы содержат усилитель, имеющий первый вход для соединения с ультразвуковым измерительным преобразователем, второй вход для соединения с источником сигнала, выход для соединения со средством детектирования и цепь обратной связи между выходом и первым входом. Каждая схема может работать как передающая схема и как приемная схема, и для обеспечения излучения ультразвуковых сигналов в обоих направлениях их функции переключаются с помощью переключающего устройства или путем переключения обеих схем между функциями передачи и приема.

Однако различия в параметрах элементов схемы, обусловленные их допусками, различные температурные коэффициенты и т.п. в двух таких схемах всегда являются причиной как постоянного, так и зависящего от температуры различия в групповом времени задержки сигналов в электронных схемах.

Исходя из уровня техники, целью настоящего изобретения является создание передающей и приемной схемы для ультразвукового расходомера указанного выше типа, которая позволяет решить проблему различия параметров двух таких схем, вызванного допусками элементов, различными температурными коэффициентами и т.п., а также упрощение схемы.

Эта цель достигается с помощью одной схемы рассмотренного выше типа, которая согласно изобретению включает в себя также средства, указанные в отличительной части п. 1 формулы изобретения. Благодаря такому выполнению достигается передача ультразвуковых сигналов в двух направлениях с помощью лишь одной передающей и приемной схемы указанного типа, благодаря тому что переключающие средства функционально соединяют ультразвуковые измерительные преобразователи поочередно с первым входом усилителя. Значения параметров элементов схемы в пределах их допусков, температурные коэффициенты и т.п. при таком выполнении будут одинаковы для передачи ультразвука в обоих направлениях, так что групповое время задержки в самой электронной схеме при передаче ультразвука в двух противоположных направлениях будет одинаковым. Это справедливо как для постоянного различия в групповом времени задержки, обусловленного преимущественно допусками схемных элементов, так и для переменного различия в групповом времени задержки, обусловленном параметрами, зависящими от температуры. Если постоянное различие группового времени задержки уменьшается до нуля, то отпадает необходимость калибровки нулевого значения, вследствие чего исключается возможность ошибок и экономится время. Зависящее от температуры различие группового времени задержки должно удерживаться в установленных границах с учетом, например, ведомственных допусков. При передаче ультразвуковых сигналов в первом направлении схема при помощи средств переключения соединяется с первым ультразвуковым измерительным преобразователем на время передачи сигнала к измерительному преобразователю и его преобразования в ультразвуковой сигнал. После этого схема переключается для соединения со вторым ультразвуковым измерительным преобразователем с целью приема сигнала, формируемого вторым измерительным преобразователем, который принимает ультразвуковой сигнал, пришедший от первого измерительного преобразователя. При передаче ультразвукового сигнала в обратном направлении схема сначала соединяется со вторым измерительным преобразователем с целью передачи, а затем с первым измерительным преобразователем с целью приема.

Предпочтительные варианты выполнения предлагаемой схемы приведены в зависимых пунктах формулы изобретения, причем различные варианты включения ультразвуковых измерительных преобразователей и переключающих средств указаны в пунктах 2-5 формулы, предпочтительный частотный диапазон ультразвуковых измерительных преобразователей указан в пункте 6, а возможность использования более чем двух ультразвуковых измерительных преобразователей указана в пункте 7.

В приведенном ниже подробном описании изобретение поясняется на примере вариантов выполнения предлагаемой передающей и приемной схемы для ультразвукового расходомера со ссылками на чертежи, на которых:
фиг. 1 упрощенно изображает передающую и приемную схему для ультразвукового расходомера согласно изобретению, в которой каждый из двух ультразвуковых измерительных преобразователей имеет первый вывод, соединенный с источником опорного напряжения, и второй вывод для соединения с первым входом усилителя через соответствующее переключающее средство,
фиг. 2 - второй вариант выполнения изобретения, в котором ультразвуковые измерительные преобразователи, соединенные последовательно с соответствующими переключающими средствами, подключены к усилителю параллельно с цепью обратной связи,
фиг. 3 - третий вариант выполнения изобретения, в основном аналогичный варианту согласно фиг.2, но в котором переключающие средства включены параллельно с соответствующими измерительными преобразователями с целью короткого замыкания неиспользуемого измерительного преобразователя, а измерительные преобразователи соединены между собой последовательно и включены между выходом усилителя и его первым входом, и
фиг.4 - четвертый вариант выполнения изобретения, в основном аналогичный варианту согласно фиг.1, но в котором переключающие средства включены параллельно с соответствующими измерительными преобразователями с целью короткого замыкания неиспользуемого измерительного преобразователя, а измерительные преобразователи соединены между собой последовательно и включены между источником опорного напряжения и первым входом усилителя.

Согласно фиг.1, передающая и приемная схема содержит усилитель 1, имеющий первый, инвертирующий вход для соединения с ультразвуковым измерительным преобразователем TR1, TR2 через полное сопротивление Z1 и переключающие средства S1, S2. Второй, неинвертирующий вход усилителя соединен с источником сигнала (показан только на фиг.1), который осуществляет управляемую генерацию электрических сигналов для подачи на ультразвуковые измерительные преобразователи TR1, TR2. Обратная связь между выходом усилителя и его инвертирующим входом осуществляется через полное сопротивление Z2. Выход усилителя 1 соединен также со средствами детектирования (не показаны) для получения замеров времени передачи, используемых для расчета расхода, который нужно измерить.

Рассмотренная схема работает следующим образом.

Если производится передача от TR1 к TR2, то S1 замыкается, и от источника сигнала подается соответствующий электрический сигнал, который через усилитель 1, полные сопротивления Z1 и Z2 и переключающее средство S1 поступает на измерительный преобразователь TR1. Через определенное время после подачи ультразвукового сигнала от TR1, прежде чем он достигнет TR2, переключающее средство S1 размыкается, a S2 замыкается с целью приема сигнала ультразвуковым измерительным преобразователем TR2. Принятый измерительным преобразователем TR2 сигнал через переключающее средство S2, и полные сопротивления Z1, Z2 подается на усилитель 1, выходной сигнал которого поступает на средства детектирования. Если происходит передача от TR2 к TR1, то замыкается S2 и через определенное время после подачи ультразвукового сигнала, прежде чем он достигнет TR1, размыкается S2 и замыкается S1 для приема ультразвукового сигнала измерительным преобразователем TR1. Таким образом, положение переключающих средств S1 и S2 всегда одинаковое, независимо от того, передает или принимает сигнал данный измерительный преобразователь, причем измерительный преобразователь в обоих случаях имеет постоянное полное сопротивление, которое в основном соответствует полному сопротивлению замкнутого переключающего средства S1, S2 и полному сопротивлению Z1.

Различие группового времени задержки в усилителях исключается благодаря тому, что для обоих измерительных преобразователей используется один и тот же усилительный элемент. Различие группового времени задержки в переключающих средствах S1, S2 также исключаются, так как оба они являются частью пути сигнала, независимо от направления передачи.

Преимуществом представленной схемы является то, что виртуальная точка корпуса на инвертирующем входе усилителя при идеальном усилителе имеет полное сопротивление 0 Ом, независимо от того, передает или принимает подключенный измерительный преобразователь, что означает, что измерительный преобразователь имеет постоянное полное сопротивление, соответствующее сумме Z1 и полного сопротивления соответствующего переключающего средства S1, S2. В случае неидеального усилителя полное сопротивление в фактической точке корпуса будет иметь конечное значение, которое зависит от выходного полного сопротивления усилителя с разомкнутым контуром обратной связи, полных сопротивлений Z1, Z2, полного сопротивления измерительного преобразователя и от усиления усилителя с разомкнутым контуром обратной связи в частотном диапазоне, в котором работает измерительный преобразователь. Нагрузка измерительного преобразователя обычно будет различной, но обратимость будет сохраняться, так как нагрузка от момента передачи до момента приема является постоянной. Типичный частотный диапазон измерительного преобразователя лежит в пределах примерно от 40 кГц до нескольких МГц.

Показанные на фиг.2, 3 и 4 альтернативные варианты схемы имеют по сравнению с представленным на фиг.1 вариантом тот недостаток, что измерительные преобразователи должны быть отделены от опорного напряжения. Работа схемы согласно фиг. 2 в точности соответствует работе схемы, показанной на фиг.1, так как требования к переключающим средствам S1, S2 одинаковы для обеих схем, а именно умеренное сопротивление при замкнутом переключающем средстве и большое демпфирование при разомкнутом переключающем средстве. Другие альтернативные варианты, показанные на фиг.3 и 4, трудно реализовать на практике, так как в них сопротивление переключающего средства в замкнутом положении должно быть существенно ниже полного сопротивления измерительного преобразователя, чтобы избежать перекрестных помех. Так как полные сопротивления измерительных преобразователей лежат обычно в области ниже нескольких сотен ом, указанное условие может представлять собой проблему, которую пытаются решить путем введения последовательных сопротивлений в цепь каждого измерительного преобразователя.

Хотя измерительные преобразователи на чертежах показаны в виде одних кристаллов, следует иметь в виду, что они содержат пассивные последовательные и параллельные полные сопротивления и, возможно, трансформаторы сигналов для гальванической развязки. Кроме того, показанные на чертежах схемы имеют только два измерительных преобразователя, в то время как их количество может быть от 2 до N для измерений в многоканальных измерительных трубах.

Изобретение относится к передающей и приемной схеме для ультразвукового расходомера. Схема содержит ультразвуковые измерительные преобразователи, источник сигналов, средства детектирования, усилитель и переключающие средства. Технический результат выражается в устранении разностей во времени передачи сигналов через усилители и повышении точности измерения расхода. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Передающая и приемная схема для ультразвукового расходомера, содержащая по меньшей мере два ультразвуковых измерительных преобразователя (TR1, TR2), установленных для передачи и приема ультразвуковых сигналов в противоположных направлениях на измерительном участке, источник сигналов для управляемой генерации электрических сигналов для передачи на ультразвуковые измерительные преобразователи (TR1, TR2), средства детектирования для получения замеров времени передачи, необходимых для расчета расхода, который нужно измерить, и усилитель (1), имеющий первый инвертирующий вход для соединения с одним ультразвуковым измерительным преобразователем (TR1, TR2), второй неинвертирующий вход для соединения с источником сигнала, выход для соединения со средствами детектирования и цепь обратной связи (Z2) между выходом и первым входом, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит переключающие средства (S1, S2) для поочередного функционального соединения одного из ультразвуковых измерительных преобразователей (TR1, TR2) с первым входом усилителя. 2. Схема по п. 1, отличающаяся тем, что измерительный преобразователь (TR1, TR2), функционально соединенный с первым входом усилителя, включен между первым входом усилителя (1) и источником опорного напряжения. 3. Схема по п. 1, отличающаяся тем, что измерительный преобразователь (TR1, TR2), функционально соединенный с первым входом усилителя, включен между первым входом и выходом усилителя (1). 4. Схема по одному из пп. 1-3, отличающаяся тем, что каждый измерительный преобразователь (TR1, TR2) соединен последовательно с одним переключающим средством (S1, S2), причем эти соединенные последовательно измерительный преобразователь и переключающее средство (TR1, S1; TR2, S2) включены параллельно. 5. Схема по одному из пп. 1-3, отличающаяся тем, что каждый измерительный преобразователь (TR1, TR2) соединен параллельно с одним переключающим средством (S1, S2), причем эти соединенные параллельно измерительный преобразователь и переключающее средство (TR1, S1; TR2, S2) включены последовательно. 6. Схема по одному из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что используется ультразвук с частотой 500 кГц - 2 МГц. 7. Схема по одному из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что используется измерительная труба с N измерительными преобразователями, где N < или = 2.