УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПОТОКА С НИЗКИМ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕМ Российский патент 2011 года по МПК G01F1/66 G01P5/24 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу ультразвукового измерения потока, предназначенному для измерения скорости потока текучей среды в трубопроводе, и к ультразвуковому измерителю потока, предназначенному для измерения скорости потока текучей среды в трубопроводе.

Уровень техники

Ультразвуковые измерители потока хорошо известны и обычно разделяются на две категории, а именно ультразвуковые измерители потока, основанные на измерении времени прохождения, и доплеровские ультразвуковые измерители потока.

На фиг.1 показан принцип работы типичного ультразвукового измерителя потока, основанного на измерении времени прохождения, предназначенного для измерения потока текучей среды, протекающей по трубопроводу 10. Направление потока текучей среды показано стрелкой X. В ультразвуковом измерителе потока использована пара ультразвуковых преобразователей 12 и 14, прикрепленных к наружной поверхности 16 трубы 10. Преобразователи 12 и 14 расположены на противоположных сторонах трубы 10 с разнесением на расстояние L, при этом первый преобразователь 12 находится на месте выше по потоку и второй преобразователь 14 находится на месте ниже по потоку.

Чтобы осуществить измерение потока ниже по потоку, ультразвуковой сигнал Y в направлении ниже по потоку излучают от преобразователя 12, расположенного выше по потоку, к преобразователю 14, расположенному ниже по потоку, под углом θ к направлению потока X. Измеряют время t_d прохождения сигнала Y в направлении ниже по потоку, необходимое для достижения им преобразователя 14, расположенного ниже по потоку.

Аналогичным образом, чтобы осуществить измерение потока выше по потоку, ультразвуковой сигнал Z в направлении выше по потоку излучают от преобразователя 14, расположенного ниже по потоку, к преобразователю 12, расположенному выше по потоку, под углом θ к направлению потока X. Измеряют время t_u прохождения сигнала Z в направлении выше по потоку, необходимое для достижения им преобразователя 12, расположенного выше по потоку.

Выражения для времен t_u и t_d прохождения имеют вид:

где c - скорость звука в текучей среде и v - скорость потока. В таком случае выражение для разности Δt времен прохождения имеет вид:

Обычно скорость звука намного больше, чем скорость потока (то есть v<<c). Например, скорость звука в чистой воде при 20°С составляет 1482 м/с, тогда как типичное значение скорости потока составляет от 0,01 до 4 м/с.Поэтому уравнение (4) приближенно выражается как:

откуда

Кроме того, скорость звука может быть вычислена по среднему значению времен t_u и t_d прохождения, измеренных выше по потоку и ниже по потоку:

откуда

Поэтому из подстановки уравнения (7) в уравнение (5) следует, что скорость потока может быть вычислена по измеренным временам прохождения:

Ультразвуковые измерители потока могут быть реализованы многими способами. Наиболее часто они применяются в промышленности в тех случаях, когда альтернативные способы измерений не могут быть использованы или когда требуются высокие характеристики. Однако такие промышленные ультразвуковые измерители потока непригодны для массового производства или потребительского рынка вследствие присущих им физических ограничений, высокого энергопотребления или высокой стоимости изготовления.

Задача этого изобретения заключается в исключении ограничений промышленных ультразвуковых измерителей потока и в создании способа и системы ультразвукового измерения потока, которые могут функционировать при низком энергопотреблении. В частности, желательно разработать систему, которая может работать от батареи до 10 лет и может быть изготовлена при небольших затратах.

Сущность изобретения

Согласно первому объекту настоящего изобретения предложен способ ультразвукового измерения потока, предназначенный для измерения скорости потока текучей среды в трубопроводе, при этом способ содержит этапы, на которых образуют ультразвуковой измеритель потока, содержащий микропроцессор, тактовый генератор импульсов и пару ультразвуковых преобразователей, функционирующих для излучения сигналов через текучую среду и для приема излученных сигналов; переключают ультразвуковой измеритель потока из пассивного состояния в активное состояние на временных интервалах, отмеряемых генератором тактовых импульсов, при этом количество энергии, потребляемой ультразвуковым измерителем потока в пассивном состоянии, меньше, чем количество энергии, потребляемой ультразвуковым измерителем потока в активном состоянии; выполняют цикл ультразвукового измерения потока; и переключают ультразвуковой измеритель потока из активного состояния в пассивное состояние после завершения цикла ультразвукового измерения потока.

Согласно второму объекту настоящего изобретения предложен ультразвуковой измеритель потока, предназначенный для измерения скорости потока текучей среды в трубопроводе, при этом ультразвуковой измеритель потока имеет активное состояние, в котором выполняются циклы ультразвукового измерения потока, и пассивное состояние, содержащий пару ультразвуковых преобразователей, функционирующих для излучения сигналов через текучую среду и для приема излученных сигналов, при этом ультразвуковые преобразователи являются функционирующими в активном состоянии ультразвукового измерителя потока и нефункционирующими в пассивном состоянии; тактовый генератор импульсов, функционирующий в активном и пассивном состояниях ультразвукового измерителя потока; и микропроцессор, функционирующий для переключения ультразвукового измерителя потока из пассивного состояния в активное состояние на временных интервалах, отмеряемых генератором тактовых импульсов, при этом микропроцессор дополнительно является функционирующим для переключения ультразвукового измерителя потока из активного состояния в пассивное состояние после завершения цикла ультразвукового измерения потока; количество энергии, потребляемой ультразвуковым измерителем потока в пассивном состоянии, меньше, чем количество энергии, потребляемой в активном состоянии.

Таким образом, настоящим изобретением предоставляются способ и устройство для ультразвукового измерения потока при низком энергопотреблении, которые позволяют пользователю определять скорость потока и направление текучей среды в трубопроводе и определять периоды присутствия газового потока измерителем потока жидкости или периоды присутствия влаги измерителем газового потока. Кроме того, настоящее изобретение позволяет осуществлять статистический анализ для повышения точности и характеристик и обеспечивает непрерывный ввод поправок на изменения вязкости и температуры текучей среды. Более того, настоящим изобретением обеспечивается автоматическое самотестирование ультразвукового измерителя потока, а также автоматическая калибровка, самоконтроль и ввод поправок на отклонение параметров схемных компонентов.

Другие предпочтительные признаки настоящего изобретения изложены в прилагаемой формуле изобретения.

Краткое описание чертежей

Теперь осуществление настоящего изобретения будет описано только для примера со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

Фиг.1 - иллюстрация работы типичного ультразвукового измерителя потока, основанного на измерении времени прохождения, предназначенного для измерения потока текучей среды через трубопровод;

Фиг.2 - схематическое представление ультразвукового измерителя потока согласно осуществлению настоящего изобретения;

Фиг.3 - временные соотношения для части цикла ультразвукового измерения потока; и

Фиг.4а и 4b - иллюстрации излученного и принятого сигналов, а также выходного сигнала фазового компаратора.

Подробное описание вариантов предпочтительного осуществления

На фиг.2 дано схематическое представление ультразвукового измерителя 20 потока согласно осуществлению настоящего изобретения. Ультразвуковой измеритель 20 потока может быть использован для измерения скорости потока текучей среды в трубопроводе.

Ультразвуковой измеритель потока 20 содержит микропроцессор 22 с низким энергопотреблением, который имеет встроенный генератор 24 тактовых импульсов. Чтобы гарантировать стабильность в зависимости от времени и температуры, для схемы встроенного генератора тактовых импульсов используется внешний низкочастотный кварцевый генератор, обычно используется часовой кварцевый генератор на 32 кГц. Согласно альтернативным осуществлениям нет необходимости в том, чтобы генератор 24 тактовых импульсов был встроен в микропроцессор. Ультразвуковой измеритель потока также содержит быстродействующий генератор 26 тактовых импульсов, делитель 28 тактовых импульсов, фазосдвигающую схему 30, группу 32 ультразвуковых преобразователей, стробирующую схему 34, усилитель 36, компаратор 37, счетчик 38, фазовый компаратор 40, источник 42 тока, конденсатор 44 и считывающее устройство 46. Микропроцессор 22 является основным компонентом системы и управляет согласованием во времени всех разнообразных этапов в процессе ультразвукового измерения. Поэтому микропроцессор 22 непосредственно или опосредованно соединен со всеми компонентами ультразвукового измерителя потока, упомянутыми выше.

Как и в предшествующем уровне техники, группа 32 ультразвуковых преобразователей скомпонована так, что преобразователи в группе 32 могут излучать сигналы через текучую среду и принимать излученные сигналы. Группа 32 содержит по меньшей мере одну пару ультразвуковых преобразователей, при этом каждая пара совместно образует соответствующую пару излучатель-приемник. Предпочтительно, чтобы каждый преобразователь в паре мог принимать и излучать ультразвуковые сигналы. Однако также предполагается, что отдельные преобразователи могут быть предусмотрены для выполнения функций излучения и приема. Как и в предшествующем уровне техники, пара преобразователей может быть закреплена на противоположных сторонах наружной поверхности трубы, при этом один преобразователь находится на месте выше по потоку и один преобразователь находится на месте ниже по потоку. Поэтому парой измерений времени прохождения в направлении выше по потоку и в направлении ниже по потоку будет обеспечиваться возможность вычисления скорости потока текучей среды в трубопроводе. Группа 32 ультразвуковых преобразователей может быть соединена с микропроцессором 22 через мультиплексор, что обеспечит возможность включения любого преобразователя в схему излучения или приема в любой момент времени, в любом сочетании.

При использовании ультразвуковой измеритель 20 потока имеет два рабочих состояния: активное состояние, в котором выполняются циклы ультразвукового измерения потока, и пассивное состояние. Ультразвуковой измеритель потока потребляет очень небольшую энергию в пассивном состоянии, так что количество энергии, потребляемой ультразвуковым измерителем потока в пассивном состоянии, меньше, чем количество энергии, потребляемой в активном состоянии. Предпочтительно, чтобы количество энергии, потребляемой ультразвуковым измерителем потока в пассивном состоянии, было по меньшей мере на один порядок величины меньше, чем количество энергии, потребляемой в активном состоянии. Более предпочтительно, чтобы количество энергии, потребляемой ультразвуковым измерителем потока в пассивном состоянии, было по меньшей мере на два порядка величины меньше, чем количество энергии, потребляемой в активном состоянии. Более предпочтительно, чтобы количество энергии, потребляемой ультразвуковым измерителем потока в пассивном состоянии, было по меньшей мере на три порядка величины меньше, чем количество энергии, потребляемой в активном состоянии.

В течение большей части времени ультразвуковой измеритель 20 потока находится в пассивном состоянии, в котором различные компоненты (включая быстродействующий генератор 26 тактовых импульсов, усилитель 36 и считывающее устройство 46) переводятся в неактивное состояние блокирующим сигналом с микропроцессора 22. Предпочтительно выбирать эти различные компоненты так, чтобы они потребляли очень небольшой ток, когда находятся в неактивном состоянии. Встроенный генератор 24 тактовых импульсов работает в режиме предельно низкого энергопотребления в активном и пассивном состояниях ультразвукового измерителя 20 потока.

На временном интервале Т1 встроенный генератор 24 тактовых импульсов посылает сигнал прерывания на микропроцессор 22. После приема сигнала прерывания в момент t₁ времени микропроцессор 22 переключает ультразвуковой измеритель 20 потока из пассивного состояния в активное состояние для выполнения цикла ультразвукового измерения потока.

Как показано на фиг.3, в начале цикла ультразвукового измерения потока микропроцессор 22 посылает в момент t₁ времени разрешающий сигнал S1 на быстродействующий генератор 26 тактовых импульсов. После приема в момент t₁ времени разрешающего сигнала S1 быстродействующий генератор 26 тактовых импульсов начинает работу с выдачей быстрого тактового сигнала S2, имеющего частоту и период быстродействующего генератора 26 тактовых импульсов. Частота быстродействующего генератора 26 тактовых импульсов выше, чем резонансная частота преобразователей в группе 32.

Кроме того, для обеспечения стабилизации микропроцессора 22 и быстродействующего генератора 26 тактовых импульсов имеется стабилизирующее время Т2 задержки. Предпочтительно, чтобы микропроцессор 22 и быстродействующий генератор 26 тактовых импульсов включались в работу менее чем за 10 мкс, что значительно меньше, чем типичный пусковой период кварцевого генератора, составляющий от 100 мс до 10 с. По прошествии стабилизирующего времени Т2 задержки микропроцессор 22 посылает сигнал S3 сброса, синхронизируемый быстродействующим генератором 26 тактовых импульсов. В момент t₂ времени сигнал S3 сброса оказывает несколько действий.

Во-первых, в момент времени t₂ микропроцессорным сигналом S3 сброса возвращается в исходное состояние и активизируется делитель 28 тактовых импульсов. Поэтому делитель 28 тактовых импульсов начинает работу, получая входной сигнал S2 с высокой тактовой частотой от быстродействующего генератора 26 тактовых импульсов. Делитель 28 тактовых импульсов осуществляет деление входного сигнала так, что начинает формироваться цифровой выходной сигнал S4 на (более низкой) резонансной частоте преобразователей в группе 32.

Во-вторых, микропроцессорным сигналом S3 сброса в момент t₂ времени возвращается в исходное состояние и активизируется фазосдвигающая схема 30. В частности, фазовый сдвиг фазосдвигающей схемы 30 устанавливают равным нулю, и выходной сигнал S4 делителя 28 тактовых импульсов проходит через фазосдвигающую схему 30 на группу 32 преобразователей. Поскольку фазовый сдвиг равен нулю, то должно быть понятно, что на этой стадии фазосдвигающая схема 30 является всего лишь необязательной. Взамен нее в момент t₂ времени выходной сигнал S4 делителя 28 тактовых импульсов может быть пропущен непосредственно на группу 32 преобразователей.

В-третьих, в момент t₂ времени микропроцессор 22 разрешает излучающему преобразователю в группе 32 излучать сигнал S4, получаемый от фазосдвигающей схемы 30 на соответствующем, принимающем его преобразователе. Сигнал S4 излучается на частоте преобразователя. В зависимости от применения при желании могут быть использованы несколько пар преобразователей. Поэтому при некоторых применениях излучаемый сигнал S4 может излучаться одновременно более чем одним излучающим преобразователем.

Наконец, в момент t₂ времени микропроцессорным сигналом S3 сброса возвращается в исходное состояние и начинает работу счетчик 38. Счетные импульсы S5 счетчика тактируются быстродействующим генератором 26 тактовых импульсов.

В момент t₃ времени микропроцессор 22 посылает сигнал на группу 32 преобразователей для окончания излучения сигнала S4 излучающим преобразователем. Поэтому излученный сигнал S4 имеет конечную длительность Т3, определяемую как T3=t₃-t₂. Конечная длительность Т3 рассчитывается микропроцессором так, чтобы она была меньше минимального ожидаемого времени прохождения сигнала от излучающего преобразователя до приемного преобразователя.

С учетом ожидаемой наиболее быстрой скорости звука в текучей среде непосредственно перед приходом излученного сигнала S4 на приемный преобразователь микропроцессор 22 посылает сигнал S6 на группу 32 преобразователей для активизации приемного преобразователя. Сигнал S6 с микропроцессора 22 одновременно посылается на усилитель 36, чтобы в этом момент времени активизировать усилитель 36.

Принятый сигнал S7 состоит из начальной части, содержащей паразитные сигналы S8, и последующей части, содержащей принятую версию S9 излученного сигнала S4 на частоте преобразователя. Принятый сигнал S7 передается на усилитель 36. Усилитель 36 включает в себя фильтр (непоказанный), который обеспечивает пропускание сигналов только на частоте преобразователя. Затем этот отфильтрованный сигнал усиливается усилителем 36 с получением усиленного сигнала. Усилитель 36 рассчитан на работу в широком диапазоне уровней сигнала с сохранением точных значений фазы и частоты поступающего сигнала S9.

Паразитные сигналы S8 обусловлены включением электропитания приемной цепи. Поэтому для удаления паразитных сигналов S8 принятый сигнал после прохождения через усилитель 36 пропускается через стробирующую схему 34. Стробирующая схема 34 действует как ключ с использованием простой функции стробирования для предотвращения инициирования измерения сигналами, преждевременными в цикле приема. Поэтому под управлением микропроцессора 22 стробирующая схема 34 задерживает начальную часть принятого сигнала S7, и сигнал, выводимый стробирующей схемой 34, является просто усиленной версией сигнала S9 (принятой версией излученного сигнала S4).

Далее усиленный стробированный сигнал S10 проходит через компаратор 37 для получения цифровой версии S11 усиленного сигнала S10. Цифровой сигнал S11 используется несколькими способами, описанными ниже.

Во-первых, цифровой сигнал S11 используется для остановки счетчика 38. В частности, первым перепадом (нарастающим или спадающим) цифрового сигнала S11 счетчик 38 останавливается в момент t₄ времени. Поэтому счетчик 38 обеспечивает измерение времени прохождения излученного сигнала S4 между излучающим и приемным преобразователями. Поскольку счетчик 38 тактируется быстродействующим генератором 26 тактовых импульсов, то счетчик 38 измеряет время прохождения по отношению к ближайшему периоду быстрых тактовых импульсов. Измеряемое время Т4 прохождения имеет вид T4=t₄-t₂.

Кроме того, цифровой сигнал S11 используется как один из входных сигналов для фазового компаратора 40. Другим входным сигналом для фазового компаратора 40 является бесконечная эталонная версия цифрового излученного сигнала S4. Как показано на фигуре 4, фазовый компаратор 40 служит для сравнения фаз двух входных сигналов S4 и S11 с тем, чтобы получать импульсный выходной сигнал S12.

Обратимся к фиг.4, где разность фаз между излученным и принятым сигналами является относительно небольшой на фиг.4а и является более значительной на фиг.4b. Импульсный выходной сигнал S12 возрастает на нарастающем или спадающем перепаде цифрового излученного сигнала S4 и спадает на нарастающем или спадающем перепаде цифрового (принятого) сигнала S11. Длительность w импульсного выходного сигнала S12 изменяется в зависимости от разности фаз между цифровым излученным сигналом S4 и цифровым (принятым) сигналом S11. Поэтому длительность w импульса меньше на фиг.4а и больше на фиг.4b.

Согласно предпочтительному осуществлению (не показанному на фигуре 4) импульсный сигнал S12 для первого ультразвукового измерения потока образуется на основании нарастающих перепадов сигналов S4 и S11, и в таком случае для следующего ультразвукового измерения потока импульсный сигнал S12 образуется на основании спадающих перепадов сигналов S4 и S11. Поскольку существует возможность возникновения погрешности смещения в случае, если используется только один перепад, такой способ использования чередующихся нарастающих и спадающих перепадов позволяет исключать эффекты, обусловленные любыми небольшими изменениями формы, качества или частоты принятого сигнала S9.

Импульсный сигнал S12 используется для стробирования источника 42 тока, который обеспечивает постоянный ток, которым заряжается конденсатор 44. По мере заряда конденсатора 44 напряжение S13 на конденсаторе 44 нарастает.Напряжение S13 является зависимым от разности фаз между двумя сигналами S4 и S11.

В момент t₅ времени микропроцессор 22 деактивизирует преобразователи в группе 32. Аналогичным образом в этот момент времени микропроцессором 22 деактивизируются все другие компоненты (за исключением встроенного генератора 24 тактовых импульсов, конденсатора 44 и считывающего устройства 46).

После окончания заряда конденсатора 44 микропроцессор выдает команду считывающему устройству 46 на считывание напряжения. Считывающее устройство 46 может быть аналого-цифровым преобразователем (АЦП), таким как 16-разрядный аналого-цифровой преобразователь. Он обеспечивает очень высокое разрешение результата измерения напряжения, которое является зависимым от разности фаз.

Для дальнейшего улучшения способа измерения фазового сдвига, описанного выше, может быть введен дополнительный фазовый сдвиг путем регулирования фазы излученного сигнала S4. Этот дополнительный фазовый сдвиг вводится с помощью фазосдвигающей схемы (непоказанной) до подачи излученного сигнала S4 на фазовый компаратор 40. Идея этого дополнительного фазового сдвига заключается в грубой регулировке фазового сдвига таким образом, чтобы существовал фазовый сдвиг приблизительно 180° при нулевом потоке, когда разность фаз равна нулю. Это означает, что при нулевом потоке измеряемое напряжение находится примерно в центре диапазона напряжения, который может быть получен при заряде конденсатора. По мере того как поток возрастает, напряжение, получаемое при одном направлении потока, будет увеличиваться, а напряжение, получаемое при другом направлении потока, будет уменьшаться приблизительно в той же самой степени. Для исключения проблем циклического перехода систему рассчитывают с учетом ожидаемых скоростей потока так, чтобы результаты измерений разности фаз находились в отдалении от 0° и 360°.

После того как напряжение считано, конденсатор 44 разряжается в момент t₆ времени. Кроме того, в этот момент времени считывающее устройство 46 прекращает работу. Все другие компоненты (за исключением микропроцессора 22 и встроенного генератора 24 тактовых импульсов) прекращают работу раньше. Микропроцессор продолжает работать в течение короткого периода времени для выполнения математических действий с использованием измеренных значений. В частности, на следующем шаге результат измерения напряжения и результат измерения счетчиком времени прохождения объединяются для получения более точного результата измерения времени прохождения сигнала.

Этим завершается одно измерение. Однако, как описано в разделе, относящемся к уровню техники, для определения скорости потока необходима по меньшей мере пара измерений (измерение выше по потоку и измерение ниже по потоку). На фиг.3 из пары измерений показано только первое измерение. Однако должно быть понятно, что второе измерение может быть выполнено, по существу, тем же самым способом при взаимной перемене мест расположения приемного и излучающего преобразователей.

Кроме того, маловероятно, что единственная пара измерений сама по себе даст точный результат.В большинстве случаев небольшое время выборки и присутствие частиц и/или пузырьков воздуха в жидкости означает, что для фильтрации, ввода поправки и сглаживания результатов необходима статистическая предыстория предшествующих измерений, чтобы получать точные и приемлемые выходные данные. Обычно для сглаживания изменений результат измерения усредняется вместе с предшествующими результатами измерений. Кроме того, результат измерения, который существенно отличается от средних результатов измерений, должен отбрасываться, поскольку является результатом измерения, когда принятый сигнал отличается по временным соотношениям или амплитуде от средних сигналов. На практике это приводит к очень стабильному среднему даже в случае, когда входные условия не является идеальными.

После осуществления необходимых считываний и выполнения микропроцессором требуемых математических действий цикл ультразвукового измерения потока завершается. Поэтому микропроцессор 20 переключает ультразвуковой измеритель 20 потока из активного состояния в пассивное состояние с низким энергопотреблением.

Предпочтительно, чтобы период Т6 времени, используемый для осуществления цикла ультразвукового измерения потока, был меньше, чем половина временного интервала Т1. Вследствие этого ультразвуковой измеритель потока будет находиться в активном состоянии меньше половины времени и, следовательно, будет потреблять меньше энергии.

Предпочтительно, чтобы интервал Т1 был меньше, чем ожидаемая шкала времени в случае значительного изменения скорости потока. При этом ультразвуковой измеритель 20 потока работает будто бы в непрерывном режиме.

Предпочтительно, чтобы период Т6 времени, используемый для выполнения цикла ультразвукового измерения потока, находился в пределах от около 20 мкм до около 200 мкс, а временной интервал Т1 находился в пределах от около 1 мс до около 100 мс.

Согласно предпочтительным осуществлениям временной интервал Т1 составляет 2,5; 7,5; 15 или 30 мс. Однако в зависимости от заданного среднего потребления электроэнергии ультразвуковым измерителем 20 потока могут быть использованы альтернативные значения.

Временные соотношения, описанные для этого осуществления, являются типичными для системы с использованием преобразователей на 2 МГц поперек толщи воды, составляющей 50 мм. Однако должно быть понятно, что это осуществление является чисто иллюстративным, и временные соотношения и цифровые логические функции могут быть легко скорректированы для любой частоты или размера трубы и требуемого вида текучей среды.

Предпочтительно, чтобы количество энергии, потребляемой ультразвуковым измерителем потока в пассивном состоянии, было по меньшей мере в сто раз меньше, чем количество энергии, потребляемой в активном состоянии. Более предпочтительно, чтобы количество энергии, потребляемой ультразвуковым измерителем потока в пассивном состоянии, было меньше, чем около 100 мкВт, и количество энергии, потребляемой в активном состоянии, находилось в пределах от около 10 мВт до около 100 мВт.

Согласно предпочтительному осуществлению ультразвукового измерителя 20 потока возможно среднее потребление тока 60 мкА или меньше, чем обеспечиваются 10 лет работы от типичной литиевой батареи С типа. Например, для ультразвукового измерителя 20 потока, имеющего интервал Т1, составляющий 30 мс, и период Т6 измерения, составляющий 65 мкс, при токе покоя 12 мкА или меньшем во время пассивного состояния ультразвукового измерителя 20 потока и рабочем токе 20 мА по время активного состояния ультразвукового измерителя 20 потока средний рабочий ток равен 55 мкА. Типичный измеритель будет работать с точностью ±2% в диапазоне температур от 0°С до 85°С.

Ультразвуковой измеритель потока согласно осуществлению настоящего изобретения может быть использован в качестве основы ультразвуковой системы измерения потока, которая при модификации параметров программного обеспечения может быть использована в широком диапазоне температур, в широком диапазоне скоростей потока независимо от размера трубопровода, в широком диапазоне размеров трубы независимо от скорости потока и в поперечном направлении любого количества проводящих ультразвук текучих сред.

Чтобы гарантировать постоянную точность ультразвукового измерителя потока, необходимо рассмотреть несколько ограничений применения, с которыми, вероятно, придется столкнуться при некоторых применениях.

Первое из этих ограничений применения заключается в возможности введения поправок на изменения в технологической текучей среде, изменения температуры или вязкости. На практике благодаря использованному способу, основанному на времени прохождения, физическое влияние на измеряемое время прохождения обусловлено только изменениями скорости звука в текучей среде (на которую может оказывать влияние любое из ранее упомянутых физических изменений). Поэтому скорость звука в текучей среде может быть вычислена с учетом среднего из по меньшей мере одной пары результатов измерений временных соотношений выше по потоку и ниже по потоку, как в уравнении (7), для исключения эффекта, обусловленного потоком. Вследствие этого скорость потока, вычисленная в соответствии с уравнением (8), не зависит от изменений в технологической текучей среде, изменений температуры и вязкости.

Другое ограничение применения связано с использованием конденсатора 44 при определении разности фаз. Аналоговые компоненты, такие как конденсатор 44, могут быть особенно чувствительными к допуску на компонент, температурному дрейфу и старению. Для исключения такого воздействия на результат измерения предпочтительно, чтобы ультразвуковой измеритель 20 потока мог работать в тестовом режиме. В этом тестовом режиме фазосдвигающая схема 30 используется для формирования двух сигналов: опорного излученного сигнала и сдвинутой по фазе версии этого опорного сигнала. Затем эти два сигнала используются в качестве входных сигналов для фазового компаратора 40. Иначе говоря, сдвинутая по фазе версия опорного излученного сигнала используется в качестве приемного сигнала. Далее фазовый компаратор 40, источник 42 тока, конденсатор 44 и считывающее устройство 46 используются для измерения напряжения на конденсаторе 44, на основании которого можно вычислить измеренную разность фаз. Затем эту измеренную разность фаз можно сравнить с фактической известной разностью фаз, задаваемой фазосдвигающей схемой 30. После этого любая разность измеренного и фактического значений разности фаз может быть использована для ввода поправки на изменения в аналоговую схему.

Ультразвуковой измеритель 20 потока может работать в режиме полного самоконтроля при направлении излучаемого сигнала непосредственно на приемный преобразователь. Такое направление может быть сделано, например, путем использования мультиплексора. При использовании способа тестирования аналоговых компонентов, описанного выше, ультразвуковой измеритель 20 потока способен определять свои собственные характеристики без использования протекающей текучей среды. В случае отклонений от ожидаемых результатов может быть введен поправочный коэффициент. Предпочтительно, чтобы в случае отклонений, превышающих заданный допустимый уровень, ультразвуковой измеритель 20 потока мог информировать пользователя и прекращать работу для исключения неточных измерений.

Дальнейшее ограничение применения связано с проблемой газа в жидкостной трубе (или жидкости в газовой трубе). В таком случае ультразвуковой сигнал может ослабляться при прохождении от излучающего преобразователя к приемному преобразователю. Для уменьшения значимости этой проблемы ультразвуковой измеритель потока может быть функционирующим для измерения амплитуды принятого сигнала, и, если измеренная амплитуда ниже заданного порогового значения для заданного числа измерений, то протяженность временного интервала может быть повышена. Это дает в результате экономию энергии в случае продолжительных периодов ослабленного сигнала.

Еще одно ограничение применения связано с быстродействующим генератором 26 тактовых импульсов. Для гарантии постоянной точности в схеме быстродействующего генератора тактовых импульсов использован быстрозапускающийся, обладающий температурной и временной стабильностью кварцевый генератор. Периодически характеристики этого генератора могут тестироваться на этапе тестирования быстродействующего тактового генератора, на котором счетчик 38 используется для измерения числа периодов быстродействующего генератора тактовых импульсов, подсчитываемых за заданное число тактирующих периодов встроенного генератора 24 тактовых импульсов. Как упоминалось ранее, в схеме встроенного генератора тактовых импульсов используется внешний низкочастотный кварцевый генератор, например часовой кварцевый генератор на 32 кГц, для гарантии временной и температурной стабильности. Затем могут быть введены поправки на отклонения от калиброванного состояния.

Для повышения точности могут быть предусмотрены дополнительные пары ультразвуковых преобразователей, способных работать на излучение сигналов через текучую среду и на прием излученных сигналов. Согласно такому осуществлению результаты измерений несколькими парами преобразователей могут быть обработаны и оценены для получения более качественной информации о потоке, или несколько пар преобразователей могут работать на различных частотах для получения улучшенных характеристик при небольших потоках или для улучшенного прохождения ультразвука. Типичным примером этого будет ультразвуковой измеритель потока, предназначенный для измерения потока в крупной водяной скважине, из которой, вероятно, потребление в дневное время будет более высоким, но менее постоянным, и более низкий рабочий диапазон необходим для потребления в ночное время, когда поток является более стабильным, но весьма небольшим. В этом случае должен использоваться набор преобразователей для измерения потока в пределах 10-100% проектного диапазона вместе со вторым набором для получения большей чувствительности, когда поток составляет меньше 10% ожидаемого диапазона.

Хотя было описано предпочтительное осуществление изобретения, должно быть понятно, что оно представляет собой только пример и что могут предполагаться различные модификации.

Изобретение предназначено для измерения скорости потока текучей среды в трубопроводе. Измеритель потока, содержащий пару ультразвуковых преобразователей, переключают из пассивного состояния в активное на временных интервалах, отмеряемых генератором тактовых импульсов. В активном режиме излучают и принимают по меньшей мере одну пару ультразвуковых сигналов. Измеряют время прохождения каждого ультразвукового сигнала посредством счетчика, тактируемого быстродействующим генератором тактовых импульсов. Сравнивают фазы излученного и принятого сигналов. Используя фазовый компаратор, получают импульсный сигнал с длительностью, которая изменяется в зависимости от результата сравнения фаз. Посредством импульсного сигнала заряжают конденсатор. Считывающим устройством измеряют напряжение на конденсаторе. С помощью микропроцессора вычисляют скорость потока, основанную на измеренных времени прохождения и напряжении, и переключают ультразвуковой измеритель потока из активного состояния в пассивное после завершения вычисления. Ультразвуковые преобразователи, быстродействующий генератор тактовых импульсов, счетчик, фазовый компаратор и считывающее устройство, входящие в ультразвуковой измеритель, функционируют только в активном состоянии. Изобретение может работать от батареи до 10 лет, обеспечивает автоматическую калибровку и ввод поправок на отклонение параметров схемных компонентов. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ ультразвукового измерения потока, предназначенный для измерения скорости потока текучей среды в трубопроводе, содержащий этапы, на которых:
(a) образуют ультразвуковой измеритель потока, содержащий микропроцессор, генератор тактовых импульсов, быстродействующий генератор тактовых импульсов и пару ультразвуковых преобразователей, функционирующих для излучения ультразвуковых сигналов через текучую среду под иным углом, чем 90°, к преобладающему направлению потока, и для приема излученных сигналов;
(b) переключают ультразвуковой измеритель потока из пассивного состояния в активное состояние на временных интервалах, отмеряемых генератором тактовых импульсов, при этом количество энергии, потребляемой ультразвуковым измерителем потока в пассивном состоянии, меньше, чем количество энергии, потребляемой ультразвуковым измерителем потока в активном состоянии;
(c) излучают и принимают, по меньшей мере, одну пару ультразвуковых сигналов в активном режиме, причем каждый ультразвуковой сигнал имеет соответствующее время прохождения сигнала от указанного одного ультразвукового преобразователя до указанного другого;
(d) измеряют время прохождения каждого ультразвукового сигнала посредством счетчика, тактируемого быстродействующим генератором тактовых импульсов;
(e) сравнивают фазы излученного и принятого сигналов;
(f) обеспечивают импульсный сигнал, имеющий длительность импульсов, которая изменяется в зависимости от результата этапа сравнения фаз;
(g) заряжают конденсатор, используя импульсный сигнал;
(h) измеряют напряжение на конденсаторе;
(i) вычисляют скорость потока, основанную по меньшей мере отчасти на измеренном времени прохождения и по меньшей мере отчасти на измеренном напряжении; и
(j) переключают ультразвуковой измеритель потока из активного состояния в пассивное состояние после завершения вычисления скорости потока.

2. Способ по п.1, дополнительно содержащий этап, на котором усиливают по меньшей мере часть принятого сигнала до этапа сравнения фаз, при этом фаза усиленного сигнала является такой же, как и фаза принятого сигнала.

3. Способ по п.1, в котором фазу излученного сигнала регулируют до этапа сравнения фаз, так что результатом этапа сравнения фаз является фазовый сдвиг приблизительно 180° при нулевом потоке.

4. Способ по п.1, дополнительно содержащий этап, на котором разряжают конденсатор.

5. Способ по п.1, в котором, по меньшей мере, одна пара ультразвуковых сигналов содержит ультразвуковой сигнал выше по потоку и ультразвуковой сигнал ниже по потоку, причем способ дополнительно заключается в том, что:
вычисляют скорость звука в текучей среде, основанную по меньшей мере отчасти на среднем из результатов измеренного времени прохождения для ультразвукового сигнала выше по потоку и ультразвукового сигнала ниже по потоку, и
вычисляют скорость потока, основанную по меньшей мере отчасти на вычисленной скорости звука.

6. Способ по п.1, в котором по меньшей мере одна пара ультразвуковых измерений потока содержит множество пар ультразвуковых сигналов, включающих в себя множество ультразвуковых сигналов выше по потоку и множество ультразвуковых сигналов ниже по потоку, и причем способ дополнительно заключается в том, что
усредняют результаты времени прохождения множества ультразвуковых сигналов выше по потоку для получения среднего результата времени прохождения выше по потоку; и
усредняют результаты времени прохождения множества ультразвуковых сигналов ниже по потоку для получения среднего результата времени прохождения ниже по потоку.

7. Способ по п.1, в котором по меньшей мере одна пара ультразвуковых сигналов содержит множество пар ультразвуковых сигналов, включающих в себя множество ультразвуковых сигналов выше по потоку и множество ультразвуковых сигналов ниже по потоку, и причем способ дополнительно заключается в том, что
вычисляют множество скоростей потока, при этом каждая вычисляемая скорость потока основана по меньшей мере отчасти на соответствующей паре ультразвуковых сигналов выше и ниже по потоку; и усредняют множество вычисленных скоростей потока для получения средней скорости потока.

8. Способ по п.1, дополнительно содержащий этап тестового измерения, на котором сдвинутую по фазе версию излученного сигнала используют в качестве принятого сигнала.

9. Способ по п.1, дополнительно содержащий этап тестирования быстродействующего генератора тактовых импульсов.

10. Способ по п.1, дополнительно содержащий этапы, на которых: измеряют амплитуду принятого сигнала; и
увеличивают продолжительность указанного временного интервала, если измеренная амплитуда ниже заданного порогового значения для заданного числа измерений.

11. Способ по п.1, в котором дополнительно образуют дополнительные пары ультразвуковых преобразователей, функционирующих для излучения сигналов через текучую среду и для приема излученных сигналов.

12. Способ по п.1, в котором период времени для переключения ультразвукового расходомера из пассивного состояния в активное состояние находится в пределах от около 1 мс до около 100 мс, и временной интервал, принятый для выполнения этапов от (с) до (i), находится в пределах от около 20 мкс до около 200 мкс.

13. Способ по п.1, в котором указанный интервал меньше, чем ожидаемые временные рамки для значительного изменения скорости потока, так что ультразвуковой измеритель потока работает явно в непрерывном режиме.

14. Способ по п.1, в котором количество энергии, потребляемой ультразвуковым измерителем потока в пассивном состоянии, по меньшей мере в сто раз меньше, чем количество энергии, потребляемой в активном состоянии.

15. Способ по п.14, в котором количество энергии, потребляемой ультразвуковым измерителем потока в пассивном состоянии, меньше, чем около 100 мкВт, и количество энергии, потребляемой в активном состоянии, находится в пределах от около 10 мВт до около 100 мВт.

16. Ультразвуковой измеритель потока, предназначенный для измерения скорости потока текучей среды в трубопроводе, при этом ультразвуковой измеритель потока имеет активное состояние, в котором выполняются циклы ультразвукового измерения потока, и пассивное состояние, причем количество энергии, потребляемой ультразвуковым измерителем потока в пассивном состоянии, меньше, чем количество энергии, потребляемой в активном состоянии, содержащий:
пару ультразвуковых преобразователей, функционирующих для излучения сигналов через текучую среду под иным углом, чем 90°, к преобладающему направлению потока, и для приема излученных сигналов, причем каждый ультразвуковой сигнал имеет соответствующее время прохождения сигнала от указанного одного ультразвукового преобразователя до указанного другого;
генератор тактовых импульсов, функционирующий как в активном, так и пассивном состояниях ультразвукового измерителя потока; и
микропроцессор, функционирующий для переключения ультразвукового измерителя потока из пассивного состояния в активное состояние на временных интервалах, отмеряемых генератором тактовых импульсов, при этом микропроцессор дополнительно является функционирующим для переключения ультразвукового измерителя потока из активного состояния в пассивное состояние после завершения вычисления скорости потока;
быстродействующий генератор тактовых импульсов, соединенный с микропроцессором;
счетчик, тактируемый быстродействующим генератором тактовых импульсов и функционирующий для измерения времени прохождения каждого ультразвукового сигнала;
фазовый компаратор, функционирующий для получения импульсного сигнала, имеющего длительность импульсов, которая изменяется в зависимости от разности фаз между излученным сигналом и принятым сигналом;
конденсатор, выполненный с возможностью заряжаться от импульсного сигнала;
считывающее устройство, выполненное с возможностью считывания напряжения на конденсаторе;
причем микропроцессор выполнен с возможностью вычисления скорости потока, основанной по меньшей мере отчасти на измеренном времени прохождения и по меньшей мере отчасти на измеренном напряжении; и
причем ультразвуковые преобразователи, быстродействующий генератор тактовых импульсов, счетчик, фазовый компаратор и считывающее устройство функционируют в активном состоянии и не функционируют в пассивном состоянии.

17. Ультразвуковой измеритель потока по п.16, в котором микропроцессор является функционирующим для управления временными соотношениями и длительностью излучаемого сигнала так, что указанная длительность меньше, чем указанное время прохождения.

18. Ультразвуковой измеритель потока по п.16, дополнительно содержащий усилитель, функционирующий для усиления по меньшей мере части сигнала, принятого указанным другим преобразователем, при этом фаза усиленного сигнала является такой же, как и фаза принятого сигнала, усилитель является функционирующим в активном состоянии ультразвукового измерителя потока и нефункционирующим в пассивном состоянии.

19. Ультразвуковой измеритель потока по п.16, дополнительно содержащий фазосдвигающую схему для регулирования фазы излученного сигнала до того, как излученный сигнал вводится в фазовый компаратор, при этом фазосдвигающая схема является функционирующей в активном состоянии ультразвукового измерителя потока и нефункционирующей в пассивном состоянии.