СТРУЙНЫЙ АВТОГЕНЕРАТОРНЫЙ РАСХОДОМЕР-СЧЕТЧИК Российский патент 2011 года по МПК G01F1/20 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах контроля расхода жидкостей и газов, построенных на основе струйных расходомеров-счетчиков.

Принцип работы струйных расходомеров-счетчиков основан на использовании струйного автогенераторного преобразователя, создающего пульсации давления с частотой, прямо пропорциональной объемному расходу. Задачей устройств для преобразования сигналов струйного расходомера-счетчика является измерение частоты данных пульсаций давления.

Известен струйный автогенераторный преобразователь расхода по авторскому свидетельству СССР №1732160, G01F 1/20, содержащий струйный дискретный элемент с соплом питания, рабочей камерой, разделителем и двумя каналами обратной связи, в середину каждого из которых установлены датчики пульсации давления, подключенные к входам дифференциального усилителя, соединенного выходом через первый фильтр нижних частот с входом формирователя импульсов, последовательно соединенные формирующий усилитель, входами подключенный к датчикам пульсации давления, второй фильтр нижних частот и компаратор, а также схему совпадения и двухполупериодный выпрямитель, включенный между вторым входом компараторов и входом формирователя импульсов, соединенного выходом с вторым входом схемы совпадения.

Недостатком данного устройства является его высокая чувствительность к помехам в виде пульсаций давления в измеряемом трубопроводе. Это особенно сказывается в области малых расходов, когда амплитуда полезного сигнала с датчиков пульсации давления уменьшается и становится сравнимой с амплитудой сигнала вызванного помехой. Следствием этого является сужение динамического диапазона измерений и снижение точности измерений.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является струйный автогенераторный расходомер-счетчик по патенту РФ №2129256. Данный расходомер-счетчик состоит из струйного автогенератора с каналами обратной связи, в каждом из которых установлены датчики пульсации давления, подключенные к входам первого дифференциального усилителя, в канале питания установлен третий датчик пульсации давления, подключенный ко входу второго дифференциального усилителя, второй вход которого соединен с выходом первого дифференциального усилителя, а выход - со схемой формирования сигнала.

Недостатком прототипа является усложнение конструкции расходомера-счетчика, связанное с необходимостью использования дополнительного третьего датчика пульсаций давления. Кроме того, предложенная в прототипе схема преобразования сигнала с использованием сигнала третьего датчика пульсаций не обеспечивает необходимого ослабления помехи из-за неидентичности как характеристик самих датчиков пульсаций давления, так и неидентичности условий их работы. При больших пульсациях давления в трубопроводе и малых пульсациях давления в каналах обратной связи струйного автогенератора составляющая сигнала помехи становится сравнимой с амплитудой полезного сигнала, особенно, при малых значениях расхода. Это приводит к ошибкам измерения частоты в устройстве преобразования сигнала и, как следствие, к погрешности измерения расхода.

Технической задачей изобретения является упрощение конструкции струйного расходомера-счетчика и повышение помехозащищенности расходомера-счетчика путем минимизации влияния сигналов, вызванных пульсациями давления внутри питающего трубопровода.

Поставленная задача решена заявляемым изобретением.

Заявляется струйный автогенераторный расходомер-счетчик, содержащий струйный автогенератор с каналами обратной связи, в каждом из которых установлены датчики пульсации давления, подключенные к входам дифференциального усилителя. В отличие от прототипа выходы датчиков пульсаций давления подключены также к входам суммирующего усилителя; выходы дифференциального усилителя и суммирующего усилителя подключены через соответствующие аналого-цифровые преобразователи и устройства вычисления амплитудно-частотных спектров к входам устройства вычитания спектров, выход устройства вычитания спектров подключен к входу устройства поиска максимума в спектре, частотный выход устройства поиска максимума в спектре подключен к информационному входу ключа, управляющий вход которого подключен к выходу компаратора, первый вход компаратора подключен к амплитудному выходу устройства поиска максимума в спектре, и второй вход компаратора подключен к выходу источника опорного сигнала.

Сущность изобретения поясняется функциональной схемой предлагаемого устройства, показанной на фигуре 1. На фигуре 2 показаны сигналы в различных точках устройства.

В каждом канале обратной связи струйного автогенератора 1, аналогичного используемому в прототипе, установлены датчики 2 и 3 пульсаций давления, подключенные к входам дифференциального усилителя 4 и к входам суммирующего усилителя 5 (фигура 1). Для оцифровки сигналов усилителей 4 и 5 и их требуемой обработки выходы усилителей 4 и 5 подключены через соответствующие последовательно включенные аналого-цифровые преобразователи 6 и 7 и устройства вычисления амплитудно-частотных спектров 8 и 9 к входам устройства вычитания спектров 10. Спектр выходного сигнала дифференциального усилителя 4 (полезный сигнал) поступает на прямой вход устройства вычитания спектров 10, а спектр выходного сигнала суммирующего усилителя 5 (сигнал помехи) поступает на инвертирующий вход устройства вычитания спектров 10. Выход устройства вычитания спектров 10 подключен к входу устройства 11 поиска максимума в спектре. Частотный выход устройства 11 соединен с информационным входом ключа 12, управляющий вход которого соединен с выходом компаратора 13, к входам которого подключен амплитудный выход устройства 11 поиска максимума в спектре и выход источника опорного сигнала 14.

Входными сигналами предлагаемого устройства являются сигналы U1, U2 с датчиков пульсаций давления 2, 3, установленных в каждом из каналов обратной связи струйного автогенератора 1 (фигура 2). В каналах обратной связи струйного автогенератора поочередно формируются периодические пульсации давления. В результате при отсутствии помех выходные сигналы U1 и U2 с датчиков 2 и 3 будут представлять собой периодические противофазные сигналы. Однако в реальных условиях эксплуатации всегда присутствуют помехи в виде пульсаций давления внутри трубопровода, на котором установлен расходомер-счетчик. Данные пульсации поступают в струйный автогенератор 1 и передаются на датчики 2 и 3. В связи с тем, что данные пульсации поступают на оба датчика одновременно, сигналы, вызванные помехой, будут синфазными. Таким образом, сигналы U1 и U2 содержат как полезную составляющую, изменяющуюся противофазно, так и составляющие помехи, изменяющиеся синфазно в обоих сигналах.

Сигналы U1 и U2 с датчиков 2 и 3 поступают на входы дифференциального усилителя 4, где происходит вычитание одного сигнала из другого. Если характеристики датчиков 2 и 3 абсолютно идентичны, то при дифференциальном усилении амплитуда полезной (противофазной) составляющей в выходном сигнале U3 будет удваиваться, а амплитуда синфазной составляющей помехи будет равна нулю. Но так как датчики пульсаций давления 2, 3 не являются строго идентичными, то полной компенсации сигнала помехи на выходе дифференциального усилителя 4 не происходит.

С целью повышения помехозащищенности струйного автогенераторного расходомера-счетчика сигналы с датчиков 2 и 3 также поступают на вход суммирующего усилителя 5, в котором происходит сложение сигналов U1 и U2. При этом за счет синфазного сложения составляющая помехи усиливается значительно сильнее, чем полезная (противофазная) составляющая. Таким образом, выходной сигнал U4 суммирующего усилителя 5 будет представлять в основном сигнал помехи.

Сигналы U3, U4 с выходов усилителей 4 и 5 преобразовывают в цифровую форму при помощи аналого-цифровых преобразователей 6 и 7. После этого при помощи устройств 8 и 9 вычисляются амплитудно-частотные спектры U5, U6 сигналов U3, U4. При этом в обоих спектрах присутствуют спектральные составляющие как полезного сигнала 15, так и помехи 16. Однако в спектре U6 сигнала с выхода суммирующего усилителя 5 спектральные составляющие помехи 16 значительно превышают по амплитуде спектральные составляющие полезного сигнала. В то же время в спектре U5 сигнала с выхода дифференциального усилителя спектральные составляющие полезного сигнала 15 значительно превышают по амплитуде спектральные составляющие помехи 16.

Оба спектра U5, U6 поступают на входы устройства вычитания спектров 10. На этом шаге преобразования сигнала осуществляют вычитание из амплитуд спектральных составляющих спектра U5 амплитуд спектральных составляющих, соответствующих им по частоте, спектра U6. В результирующем выходном спектре U7 (фигура 2,д) спектральные составляющие сигнала помехи 16 будут иметь отрицательную амплитуду, а амплитуда спектральных составляющих полезного сигнала 15 уменьшится незначительно.

Далее для удаления помехи из сигналов U1 и U2 спектральный сигнал U7 подают на вход устройства 11 поиска максимума в спектре, посредством которого определяется частота и амплитуда спектральной составляющей, имеющей в спектре U7 максимальную амплитуду.

Процедура поиска максимума реализуется путем последовательного сравнения амплитуд спектральных составляющих со значением амплитуды, принятым за максимум. В начале процедуры значение максимума приравнивается нулю. Если очередная спектральная составляющая имеет амплитуду, большую чем текущее значение максимума, то в качестве максимума запоминается значение ее амплитуды, а также номер данной спектральной составляющей (частота). Если же очередная спектральная составляющая имеет амплитуду, меньшую чем текущее значение максимума, то значение максимума не изменяется. В результате такой процедуры последовательного сравнения всех спектральных составляющих устройство поиска максимума будет хранить в своей памяти значения амплитуды и частоты спектральной составляющей, имеющей максимальную амплитуду в спектре сигнала.

После вычитания спектров спектральные составляющие помехи оказываются значительно меньше по амплитуде, чем спектральные составляющие полезного сигнала. В результате в спектре U7 максимальную амплитуду будет иметь спектральная составляющая, соответствующая частоте полезного сигнала. Значение частоты спектральной составляющей, имеющей максимальную амплитуду в спектре U7, поступает в виде сигнала U8 с частотного выхода устройства 11 поиска максимума в спектре на вход ключа 12. Ключ управляется сигналом с выхода компаратора 13. На первый вход компаратора поступает сигнал U9, соответствующий амплитуде максимальной спектральной составляющей в спектре U7. На второй вход компаратора поступает сигнал, соответствующий пороговому уровню. В качестве порогового уровня 17 (на фигуре 2,д) выбирается амплитуда спектральных составляющих в спектре U7 при нулевом расходе. Если значение U9 оказывается ниже порогового уровня 17, то сигнал открывания ключа 12 не подается и выходной сигнал U10 заявляемого струйного расходомера-счетчика будет равен нулю. Это соответствует отсутствию потока через расходомер-счетчик. В том случае, если значение сигнала U9 оказывается выше порогового уровня, то компаратор 13 подает сигнал открывания ключа 12 и выходной сигнал U10 становится равным значению сигнала U8, соответствующему частоте полезного сигнала струйного автогенератора.

В предложенном расходомере не только возросла помехозащищенность, но и упростилась конструкция за счет отказа от дополнительного датчика пульсации давления в канале питания, а надежность измерения достигнута обработкой сигналов двух датчиков программными средствами.

Большинство используемых в заявляемом струйном автогенераторном расходомере-счетчике преобразований сигналов может быть реализовано с использованием микроконтроллера. В изготовленном образце функциональные элементы 6…14 реализованы аппаратно-программными средствами микроконтроллера AT91SAM7X256 (обведены на фигуре 1 пунктирной линией).

Расходомер-счетчик содержит струйный автогенератор (1) с каналами обратной связи, в которых установлены датчики (2, 3) пульсации давления, дифференциальный усилитель (4), суммирующий усилитель (5), аналого-цифровые преобразователи (6, 7), устройства вычисления амплитудно-частотных спектров (8, 9), устройство вычитания спектров (10), устройство поиска максимума в спектре (11). Частотный выход устройства (11) подключен ко входу ключа (12), амплитудный выход устройства (11) подключен к первому входу компаратора (13), ко второму входу которого подключен источник опорного сигнала (14). Выход компаратора подключен к управляющему входу ключа. Блоки (6-14) реализуются аппаратно-программными средствами микроконтроллера. Изобретение имеет высокую помехозащищенность за счет минимизации влияния сигналов помехи, вызванных пульсациями давления в трубопроводе, а также повышает надежность измерения благодаря обработке сигналов датчиков программными средствами. 2 ил.

Струйный автогенераторный расходомер-счетчик, содержащий струйный автогенератор с каналами обратной связи, в каждом из которых установлены датчики пульсации давления, подключенные ко входам дифференциального усилителя, отличающийся тем, что выходы датчиков пульсаций давления подключены также ко входам суммирующего усилителя, выход дифференциального усилителя подключен ко входу первого аналого-цифрового преобразователя, выход суммирующего усилителя подключен ко входу второго аналого-цифрового преобразователя, выходы первого и второго аналого-цифровых преобразователей подключены ко входам первого и второго устройства вычисления амплитудно-частотного спектра соответственно, выход первого устройства вычисления амплитудно-частотного спектра подключен к прямому входу устройства вычитания спектров, выход второго устройства вычисления амплитудно-частотного спектра подключен к инвертирующему входу устройства вычитания спектров, выход устройства вычитания спектров подключен ко входу устройства поиска максимума в спектре, частотный выход устройства поиска максимума в спектре подключен ко входу ключа, амплитудный выход устройства поиска максимума в спектре подключен к первому входу компаратора, выход источника опорного сигнала подключен ко второму входу компаратора, а выход компаратора подключен к управляющему входу ключа.