УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ФАЗОВЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА СРЕДЫ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2004 года по МПК G01F1/66 

Изобретение относится к расходомерной технике на основе ультразвуковых преобразователей и может найти применение для контроля расхода текучих сред - жидкостей, газов и др.

Известны ультразвуковые фазовые способы измерения расхода сред, заключающиеся в излучении обратимыми электроакустическими преобразователями (ЭАП) по и против потока одновременно и встречно друг другу ультразвуковых колебаний, преобразовании принятых сигналов, определении сдвига фаз между принятыми сигналами излучений по и против потока и вычислении на основе сдвига фаз величины расхода (см., например, [1, 2]).

Одним из недостатков данных способов является измерение расхода при однонаправленном течении среды. Кроме того, способ, предложенный в [2], весьма сложен из-за необходимости работы с двухчастотным излучением.

Наиболее близким к заявленному изобретению являются одночастотный способ измерения расхода и устройство на его основе [3], являющиеся прототипом заявляемых способов и устройства. Способ-прототип заключается в излучении первым и вторым обратимыми электроакустическими преобразователями по и против потока одновременно и встречно друг к другу одночастотных ультразвуковых колебаний в виде зондирующих импульсов, приеме этих колебаний электроакустическими преобразователями, ограничении по амплитуде и фазовом детектировании импульсов, интегрировании площади импульсов, установке нулевого значения расхода по значению площади импульсов при отсутствии расхода, определении при однонаправленном расходе сдвига фаз между принятыми колебаниями по и против потока, измерении температуры среды, по которой определяют величину скорости ультразвука в данной среде, и вычислении по величинам сдвига фаз и скорости ультразвука значений расхода. Данный способ также ограничен возможностью измерения расхода при течении среды только в одном направлении. Другим недостатком способа является косвенное измерение скорости ультразвука по измерению температуры, что приводит к недостаточной точности, а также инерционности способа. Еще одним недостатком способа является дополнительная погрешность измерений расхода.

Ультразвуковой фазовый расходомер, выполненный по указанному способу [3] и являющийся прототипом заявляемого устройства, содержит первый и второй ЭАП, встраиваемые в трубопровод встречно друг к другу, излучающие и принимающие ультразвуковые колебания по и против потока одновременно, формирователь зондирующих импульсов, входом соединенный с первым запускающим входом микропроцессора, а выходом через первый и второй управляемые входные вентили соединен с входными выводами первого и второго ЭАП, управляющие входы упомянутых вентилей соединены с первым запускающим входом микропроцессора, выходные выводы ЭАП подключены к входу фазового детектора, выход которого подключен к входу интегратора, выход которого соединен с первым входом микропроцессора, второй запускающий выход которого соединен с входом фазового детектора, термодатчик и измеритель температуры текучей среды, выход которого соединен с вторым входом микропроцессора.

Устройство-прототип, кроме указанных недостатков реализуемого в нем способа, обладает недостатком, характерным для устройства: его калибровка производится в поверочном режиме при отключении рабочей измерительной части схемы, что снижает производительность измерений и затрудняет эксплуатацию.

В настоящей заявке заявляется два независимых фазовых способа измерения расхода. Задачей одного из них является возможность измерения расхода при любом направлении течения среды - прямом и обратном; задачей другого способа является прямое измерение скорости ультразвука в среде при одновременном измерении сдвига фаз и обеспечении температурной стабильности измерений.

Заявляется также устройство, позволяющее проводить измерение расхода при двунаправленном течении среды и обеспечивающее прямое безынерционное измерение скорости ультразвука, а также температурную стабильность измерения расхода и автоматическую калибровку устройства перед каждым измерением в рабочем режиме измерений.

Первый заявляемый способ представляет собой ультразвуковой фазовый способ измерения расхода текучих сред, суть которого в излучении первым и вторым обратимыми электроакустическими преобразователями по и против потока одновременно и встречно друг другу одночастотных ультразвуковых колебаний в виде зондирующих импульсов, приеме упомянутых встречных колебаний электроакустическими преобразователями, ограничении по амплитуде и фазовом детектировании принятых импульсов, интегрировании площади импульсов, установки нулевого значения расхода по соответствующему значению площади импульсов при отсутствии расхода, определении текущего расхода по измерению сдвига фаз между принятыми колебаниями по и против потока и измерению скорости распространения ультразвука в данной среде, при этом ультразвуковые колебания, возбуждаемые в первом и втором электроакустических преобразователях, предварительно сдвигают относительно друг друга по фазе на величину, определяемую выражением:

где

θ - сдвиг фаз между колебаниями,

К - безразмерный коэффициент,

l₁, l₂ - длины шкал значений расхода для направлений, принятых соответственно за положительное или отрицательное.

Один из вариантов данного способа состоит в том, что выбирают длины шкал значений расхода, принятых за положительное и отрицательное, равными между собой, а сдвиг фаз, соответствующий нулевому значению расхода, устанавливают равным π.

Второй заявляемый способ представляет собой ультразвуковой фазовый способ измерения расхода текучих сред, состоящий в излучении первым и вторым обратимыми электроакустическими преобразователями по и против потока одновременно и встречно друг другу одночастотных ультразвуковых колебаний в виде зондирующих импульсов, приеме упомянутых колебаний электроакустическими преобразователями, ограничении по амплитуде и фазовом детектировании принятых импульсов, интегрировании площади импульсов, установке нулевого значения расхода по соответствующему значению площади импульсов при отсутствии расхода, определении текущего расхода по измерению сдвига фаз между принятыми колебаниями по и против потока и измерению скорости распространения ультразвука в данной среде, при этом определение скорости ультразвука для вычисления расхода среды производят времяимпульсным способом путем использования излучений обратимых электроакустических преобразователей, применяемых для фазового способа измерений, при этом определяют время распространения зондирующих импульсов от излучения до приема при одновременном измерении сдвига фаз между излучениями электроакустических преобразователей.

Один из вариантов данного способа состоит в том, что вычисляемое время распространения зондирующих импульсов от излучения до приема используют для снижения температурной нестабильности измерения расхода, например, вводят временной диапазон фазового детектирования импульсов и регулируют упомянутый диапазон в соответствии с изменением величины упомянутого времени распространения зондирующих импульсов.

Суть первого заявляемого способа поясняется с помощью блок-схемы расходомера на фиг.1 и временной диаграммы на фиг.2. Суть второго заявляемого способа - с помощью блок-схем расходомеров на фиг.3 и 4.

Блок-схема устройства, выполненного на основе первого и второго способов, представлена на фиг.5.

Первый ультразвуковой фазовый способ измерения текучих сред (см. фиг.1) включает излучение первым 1 и вторым 2 обратимыми ЭАП по и против потока одновременно и встречно друг другу одночастотных ультразвуковых колебаний в виде пачек зондирующих импульсов, поступающих из формирователя зондирующих импульсов 3, запускаемого микропроцессором 4, прием этих колебаний ЭАП 1 и 2, ограничение по амплитуде и фазовое детектирование импульсов с помощью фазового детектора 5, интегрирование площади импульсов в пачке интегратором 6 и преобразование данных интегратора в цифровое значение в микропроцессоре 4. Установку нулевого значения расхода производят по значению данных интегрирования при отсутствии расхода. Текущий расход определяют при фазовом методе измерений по сдвигу фаз между принятыми колебаниями по и против потока и значению скорости распространения ультразвука в среде [1]. Значение сдвига фаз определяют по данным интегратора, а скорость ультразвука одним из известных способов, в том числе, использованным в способе-прототипе: измерении температуры среды, однозначно определяющей скорость ультразвука [2].

В отличие от способа-прототипа в данном случае излучение зондирующих импульсов ЭАП 2 сдвигают по фазе с помощью формирователя сдвига фаз 8 и дополнительного формирователя зондирующих импульсов 7.

В результате фазовый сдвиг между принимаемыми сигналами будет находиться в разнополярных пределах: -ϕ₁<Δϕ<+ϕ₂ (в прототипе в пределах 0<Δϕ<2π). Это позволяет отсчитывать сдвиг фазы при любом направлении расхода как при направлении, принятом за положительное, так и направлении, принятом условно за отрицательное. Тогда, устанавливая шкалу отсчета в нулевое положение при отсутствии расхода, можно определить требуемый сдвиг фаз выражением (1).

На фиг.2 при симметричных отсчетах расхода в обоих направлениях l₁=l₂ и θ=π.

Второй ультразвуковой фазовый способ измерения расхода текучих сред (см. фиг, 3 и 4) включает излучение первым 1 и вторым 2 обратимыми ЭАП по и против потока одновременно и встречно друг другу одночастотных ультразвуковых колебаний в виде зондирующих импульсов в виде пачек импульсов, поступающих из формирователя зондирующих импульсов 3, запускаемого микропроцессором 4, прием упомянутых колебаний ЭАП 1 и 2, ограничение по амплитуде и фазовом детектировании импульсов с помощью фазового детектора 5, интегрирование площади импульсов в зондирующей пачке интегратором 6. Микропроцессор 5 преобразует данные интегратора 6 в цифровое значение. Установка нулевого значения расхода производится по значению площади импульсов при отсутствии расхода. Определение текущего расхода производят по измерению сдвига фаз между принятыми колебаниями по и против потока и измерению скорости распространения ультразвука в среде. Однако в отличие от способа-прототипа определение скорости ультразвука для вычисления расхода среды производят времяимпульсным способом, для этого с выходов ЭАП 1 и 2 принятые сигналы поступают в измеритель времени прохождения импульсов 9, где регистрируются времена от излучения до приема для каждого ЭАП и вычисляется среднее значение t_cp, поступающее с выхода 9 в микропроцессор 4. В микропроцессоре 4 на основе поступающих значений суммарной площади импульсов, соответствующей сдвигу фазы, и времени t_cp, соответствующего скорости ультразвука в среде при данной температуре, вычисляется истинное значение расхода.

Данный способ может быть использован для компенсации температурной нестабильности измерений (см. фиг.4). Так как величина t_cp однозначно соответствует температуре среды, то значение t_cp может быть использовано для компенсации воздействия среды на процесс измерения либо на характеристики используемых блоков в устройстве. Одним из наиболее зависимых от температуры факторов является температурная зависимость времени прихода колебаний на вход фазового детектора. Для обеспечения температурной стабильности необходимо обеспечить постоянство длительности процесса приема колебаний при измерении. Данную длительность принято называть “окном” измерений. Задний фронт “окна” определяется конечным числом отсчитываемых импульсов колебаний, число которых задано. Передний фронт “окна” должен обеспечивать надежный прием всего пакета импульсов и одновременно ограничивать прием помех, возникающих до начала полезных сигналов. Изменение температуры требует регулировать время переднего фронта “окна”. Для этого изменяют положение “окна” с помощью формирователя диапазона фазового детектирования 10, включенного на входе фазового детектора 4, при этом формирователем 10 управляют с помощью сигнала, выдаваемого с микропроцессора 4 и пропорционального величине t_cp, поступающей с выхода измерителя 9.

Второй заявляемый способ может являться общим для любых возможных способов фазовых измерений как при наличии сдвига фаз между входными сигналами ЭАП (фиг.3), так и при отсутствии этого сдвига (фиг.4).

Ультразвуковой фазовый расходомер содержит первый и второй обратимые ЭАП 1 и 2 (фиг.5), формирователь зондирующих импульсов 3, входом соединенный с первым запускающим выходом з₁ микропроцессора 4, первый 12 и второй 13 управляемые входные вентили, подключенные выходами соответственно к выводам первого и второго ЭАП, фазовый детектор 5, подключенный выходом к входу интегратора импульсов 6, выходом соединенным с первым входом микропроцессора 4, дополнительный формирователь зондирующих импульсов 7, формирователь сдвига фазы 8, формирователь эталонных импульсов 11, измеритель времени прохождения импульсов 9, формирователь диапазона фазового детектирования 10, выполненный в виде первого и второго управляемых выходных вентилей 14 и 15, при этом первый запускающий выход микропроцессора 4 соединен через формирователь сдвига фаз 8 с входом дополнительного формирователя зондирующих импульсов 7, выход формирователя зондирующих импульсов 3 соединен с входом первого управляемого входного вентиля 12, дополнительный формирователь зондирующих импульсов 7 соединен выходом с входом второго управляемого входного вентиля 13, управляющие входы вентилей 12 и 13 соединены с первым управляющим входом y₁ микропроцессора 4, второй запускающий выход з₂ микропроцессора соединен с первым входом формирователя эталонных импульсов 11, второй вход которого соединен с выходом формирователя сдвига фаз 8, а выход соединен с контрольным входом фазового детектора 5, входы вентилей 14 и 15 соединены с выходами соответственно первого и второго ЭАП, а выходы подключены к входам фазового детектора 5, управляющие входы вентилей 14 и 15 соединены с вторым управляющим выходом y₂ микропроцессора 4, при этом измеритель времени прохождения импульсов 9 соединен первым и вторым входами соответственно с выходами вентилей 14 и 15, а выходом соединен с вторым входом микропроцессора 4. Микропроцессор 4 выполнен так, что временной интервал открытого состояния управляемых выходных вентилей смещается во времени пропорционально сигналу на выходе измерителя времени прохождения зондирующих импульсов 9.

Устройство работает следующим образом. Перед измерением расхода с выхода з₂ микропроцессор 4 включает формирователь эталонных импульсов 11, выходные импульсы которого интегрируются интегратором 6 и по ним определяется на выходе 4 значение, соответствующее нулевой отметке шкалы расхода. Далее при измерении расхода по сигналу y₁ открываются вентили 12 и 13, затем по сигналу з₁ запускается формирователь 3 и с установленным сдвигом фазы в формирователе 8 запускается дополнительный формирователь зондирующих импульсов 7. Зондирующие импульсы возбуждают электроакустические колебания последовательно в ЭАП 1 и 2, которые проходят встречно через среду и принимаются последовательно ЭАП 2 и 1.

По сигналу y₂ открываются и закрываются выходные вентили 14 и 15, формируя “окно” для принимаемых с ЭАП 1 и 2 сигналов. Далее, как оказывалось выше при описании способа, происходит фазовое детектирование детектором 5, интегрирование площади импульсов интегратором 6 и преобразование значения интеграла в цифровое выражение в микропроцессоре 4, соответствующее значению текущего расхода при любом его направлении. Заранее установленное в 8 значение сдвига фаз обеспечивает требуемый сдвиг “нуля” при отсутствии расхода. Время прохождения импульсов через среду регистрируется измерителем 9, по его значению микропроцессор 4 оценивает температуру среды и сигналом y₂ регулирует “окно” формирователя диапазона фазового детектирования 10.

Таким образом, данный расходомер обеспечивает в процессе измерения калибровку и компенсацию температурной зависимости.

Экспериментально заявляемый расходомер был выполнен следующим образом:

микропроцессор 4 - Atmega 163-8AI;

интегратор 6 выполнен по стандартной схеме на микросхемах СА3096АМ, TLC271AID.

Остальные функциональные узлы выполнены по стандартным цифровым схемам и синтезированы в программируемом логическом устройстве (PLD) EPM7064STC44-10.

Фазовый детектор 5 и интегратор 6 функционируют аналогично прототипу [3].

Границы “окна” по переднему фронту формируются процессором 4 и узлами 14, 15, а по заднему фронту - счетчиком импульсов на выходе фазового детектора.

В формирователе зондирующих импульсов 3 и в дополнительном формирователе зондирующих импульсов 7 в качестве выходного каскада использовались микросхемы NC7W16P6;

Заявляемые способы измерения расхода и устройства на их основе найдут широкое применение в расходомерной технике.

Источники информации

1. Кремлевский П.П. “Расходомеры и счетчики”. Издание 4-е. Ленинград, 1989 г., с. 453-455.

2. Патент РФ № 2190834, МПК G 01 F 1/66, заявленный 10.24.2000, опубликованный 10.10.2002.

3. Патент Польши № 172698, МПК G 01 F 1/66, заявленный 24.08.1993, опубликованный 03.03.1994 WO 94/04890.

Изобретение относится к расходомерной технике на основе ультразвуковых преобразователей и может найти применение для контроля расхода текучих сред. Предложены два независимых фазовых способа измерения расхода. Первый заявляемый способ представляет собой ультразвуковой фазовый способ измерения расхода текучих сред, суть которого в излучении первым и вторым обратимыми электроакустическими преобразователями по и против потока одновременно и встречно друг другу одночастотных ультразвуковых колебаний в виде зондирующих импульсов, приеме упомянутых встречных колебаний электроакустическими преобразователями, ограничении по амплитуде и фазовом детектировании принятых импульсов, интегрировании площади импульсов. Нулевое значение расхода устанавливают по соответствующему значению площади импульсов при отсутствии расхода. Текущий расход определяют по измерению сдвига фаз между принятыми колебаниями по и против потока и измерению скорости распространения ультразвука в данной среде, при этом ультразвуковые колебания, возбуждаемые в первом и втором электроакустических преобразователях, предварительно сдвигают относительно друг друга по фазе. Второй заявляемый способ предусматривает определение скорости ультразвука для вычисления расхода среды времяимпульсным способом путем использования излучений обратимых электроакустических преобразователей, применяемых для фазового способа измерений, при этом определяют время распространения зондирующих импульсов от излучения до приема при одновременном измерении сдвига фаз между излучениями электроакустических преобразователей. Технический результат: обеспечение возможности измерения расхода при любом направлении течения среды, а также прямое измерение скорости ультразвука в среде при одновременном измерении сдвига фаз и обеспечение температурной стабильности измерений. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Ультразвуковой фазовый способ измерения расхода текучих сред, состоящий в излучении первым и вторым обратимыми электроакустическими преобразователями по и против потока одновременно и встречно друг другу одночастотных ультразвуковых колебаний в виде зондирующих импульсов, приеме упомянутых колебаний электроакустическими преобразователями, ограничении по амплитуде и фазовом детектировании принятых импульсов, интегрировании площади импульсов, установки нулевого значения расхода по соответствующему значению площади импульсов при отсутствии расхода, определении текущего расхода по измерению сдвига фаз между принятыми колебаниями по и против потока и измерению скорости распространения ультразвука в данной среде, отличающийся тем, что ультразвуковые колебания, возбуждаемые в первом и втором электроакустических преобразователях, предварительно сдвигают относительно друг друга по фазе на величину, определяемую выражением

где

θ - сдвиг фаз между колебаниями;

К - безразмерный коэффициент;

l₁, l₂ - длины шкал значений расхода для направлений, принятых соответственно за положительное и отрицательное.