Патент на изобретение №2169906

(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБЪЕМНОГО РАСХОДА ВЕЩЕСТВ С ПОМОЩЬЮ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ СИГНАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

(57) Реферат:

В каждом из 2n (n>1) последовательных тактов измерения формируют излучаемый и опорный сигналы в виде пачек высокочастотных колебаний с прямоугольной огибающей. Преобразуют время распространения ультразвуковых сигналов, излученных по и против потока, в две выходные частоты, период одной из которых кратен временному интервалу между передними фронтами огибающих излучаемой по потоку и опорной пачек. Период другой выходной частоты кратен временному интервалу между передними фронтами огибающих излучаемой против потока и опорной пачек. Осуществляют грубую подстройку выходных частот путем поддержания временного рассогласования между передним фронтом огибающей опорной пачки и центром принятой пачки не более половины периода заполняющих пачки колебаний, а также точную подстройку. По разности выходных частот определяют скорость потока, по которой рассчитывают расход. Устройство для реализации способа содержит 2 пьезоэлемента, коммутатор, генератор ударного возбуждения, фазометр, 4 триггера, 2 цепи, состоящие из последовательно соединенных счетчика, ЦАП и управляемого генератора, блок управления, включающий счетчик тактов измерения, частотомер, стабилизатор уровня входного сигнала, временной дискриминатор, активный фильтр и схему управления счетчиками. Изобретения позволяют повысить помехоустойчивость и точность измерения. 2 с. и 5 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретения относятся к измерительной технике и могут быть использованы для измерения скорости потока и объемного расхода жидкостей и газов с помощью ультразвуковых сигналов.

Известен способ измерения расхода жидкости, включающий излучение и прием ультразвуковых сигналов, представляющих собой пачки высокочастотных колебаний, по потоку и против потока измеряемой среды с преобразованием времени распространения ультразвукового сигнала в частоты заполняющих пачки высокочастотных колебаний. По разности частот заполняющих пачки высокочастотных колебаний определяют величину расхода жидкости, при этом грубая установка разностной частоты производится по частоте следования зондирующих пакетов (авт. св. СССР N 162335, МПК G 01 F 1/66, 1964 г.).

Известное устройство для измерения расхода жидкости, реализующее описанный способ, включает два независимых канала, каждый из которых содержит два установленных на трубопроводе пьезоэлемента, генератор высокочастотных колебаний, модулятор, генератор прямоугольных импульсов, схему синхронизации, управляющее устройство, схему выработки сигнала, соответствующего постоянному отношению времени распространения пачек в потоке к периоду их повторения и фазовый детектор, причем расход жидкости определяется по разности частот генераторов высокочастотных колебаний первого и второго каналов, измеряемой частотомером (см. там же).

Недостатком такого способа измерения расхода жидкости и реализующего его устройства является низкая точность определения скорости потока вследствие неидентичности двух независимых каналов, необходимых для его реализации.

Наиболее близким к заявляемому способу определения объемного расхода веществ является ультразвуковой способ измерения объемного расхода веществ, включающий формирование в каждом такте измерения излучаемого и опорного сигналов, представляющих собой пачки высокочастотных колебаний, преобразование времени распространения излученных по потоку и против потока измеряемой среды ультразвуковых сигналов в две выходные частоты, грубое управление которыми осуществляют путем поддержания временного рассогласования между передними фронтами огибающих принятой и опорной пачек не более одного периода заполняющих пачки высокочастотных колебаний, а точное управление выходными частотами осуществляют путем поддержания нулевой разности фаз между высокочастотными колебаниями, заполняющими принятую и опорную пачки, причем разность выходных частот пропорциональна скорости потока, по которой определяется объемный расход (Хамидулин В.К. “Ультразвуковые контрольно-измерительные устройства и системы”, Л., изд-во Ленинградского университета, 1989 г., с. 141- 146).

Известный автоматический ультразвуковой расходомер, выбранный в качестве прототипа заявляемого устройства, содержит два установленных на трубопроводе пьезоэлемента, коммутатор, генератор ударного возбуждения, временной дискриминатор, фазометр, два триггера, два управляемых генератора, последовательно соединенные счетчик и цифроаналоговый преобразователь, частотомер и блок управления, включающий распределитель импульсов, триггер блока управления и два ключа, входы которых являются входами блока управления, управляющие входы ключей соединены с прямым и инверсным выходами триггера блока управления, которые являются первым и вторым выходами блока управления, а выходы ключей соединены с входом распределителя импульсов, первый, второй, третий и четвертый выходы которого являются соответственно третьим, четвертым, пятым и шестым выходами блока управления, причем пьезоэлементы соединены с входами/выходами коммутатора, сигнальный вход которого соединен с выходом генератора ударного возбуждения, а выход коммутатора соединен с сигнальными входами фазометра и временного дискриминатора, выходы управляемых генераторов соединены с входами частотомера и блока управления, первый и второй выходы которого соединены соответственно с первым и вторым управляющими входами коммутатора, третий выход блока управления соединен с входом генератора ударного возбуждения, а шестой выход блока управления подключен к управляющему входу временного дискриминатора (авт. св. СССР N 1506279, МПК G 01 F 1/66, 1989 г.).

Недостатками известного способа определения объемного расхода веществ и автоматического ультразвукового расходомера являются низкие помехоустойчивость и точность измерения. Низкая помехоустойчивость объясняется тем, что в прототипе грубое управление выходными частотами осуществляют по временному рассогласованию между огибающими переднего фронта принятой и опорной пачек, крутизна переднего фронта огибающей принятой пачки относительно мала и нестабильна из-за фильтрующих свойств конструктивных элементов пьезопреобразователей и меняющихся акустических свойств среды, таким образом момент срабатывания временного дискриминатора в прототипе не стабилен и не может быть стабилизирован. Следовательно возникает неопределенность момента срабатывания временного дискриминатора прототипа величиной в несколько периодов заполняющих пачку высокочастотных колебаний, что значительно снижает помехоустойчивость и увеличивает погрешность измерения. Низкая точность измерения обусловлена как паразитной флюктуацией выходных частот известного автоматического ультразвукового расходомера, так и тем, что в известном способе определения скорости потока измерение разности фаз заполняющих пачки высокочастотных колебаний осуществляют в начале принятой и опорной пачек, где происходит процесс установления амплитуды колебаний и неизбежны фазовые искажения, приводящие к росту погрешности измерения.

Таким образом, решаемой задачей предлагаемого изобретения является повышение точности, быстродействия и помехоустойчивости измерения объемного расхода веществ, расширение динамического диапазона допустимого ослабления ультразвукового сигнала в акустическом тракте устройства для определения объемного расхода веществ с помощью ультразвуковых сигналов.

Техническим результатом от использования изобретения является устранение паразитной флюктуации выходного сигнала, представляющего собой разность частот управляемых генераторов, сохранение соответствия между выходным сигналом расходомера и скоростью потока в любой момент времени, ограничение спектра помех в канале грубой подстройки выходных частот, обеспечение минимальных фазовых искажений и максимального соотношения сигнал/шум, сигнал/помеха в точке измерения разности фаз высокочастотных колебаний, заполняющих принятую и опорную пачки, устранение зависимости выходного сигнала временного дискриминатора и фазометра от амплитуды принятой пачки.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе определения объемного расхода веществ, включающем формирование в каждом такте измерения излучаемого и опорного сигналов, представляющих собой пачки высокочастотных колебаний с прямоугольной огибающей, в которых фаза заполняющих пачки высокочастотных колебаний жестко связана с передним фронтом огибающей, преобразование времени распространения ультразвуковых сигналов, излученных по потоку и против потока измеряемой среды в две выходные частоты, период одной из которых кратен временному интервалу между передними фронтами огибающих излучаемой по потоку и опорной пачек, а период другой выходной частоты кратен временному интервалу между передними фронтами огибающих излучаемой против потока и опорной пачек, грубую подстройку и точную подстройку выходных частот, которую осуществляют путем поддержания нулевой разности фаз между фронтами высокочастотных колебаний, заполняющих принятую и опорную пачки, определение по разности выходных частот скорости потока, по которой определяют объемный расход веществ, согласно изобретению грубую подстройку выходных частот осуществляют путем поддержания величины временного рассогласования между передним фронтом огибающей опорной пачки и центром принятой пачки не более половины периода заполняющих пачки высокочастотных колебаний.

Технический результат достигается также тем, что последовательно проводят n > 1 тактов измерения времени распространения ультразвукового сигнала по потоку измеряемой среды, а затем n последовательных тактов измерения времени распространения ультразвукового сигнала против потока измеряемой среды.

Указанный технический результат достигается также тем, что в известный автоматический ультразвуковой расходомер, содержащий два установленных на трубопроводе пьезоэлемента, коммутатор, генератор ударного возбуждения, временной дискриминатор, фазометр, два триггера, два управляемых генератора, последовательно соединенные первый счетчик и первый цифроаналоговый преобразователь, частотомер, и блок управления, включающий распределитель импульсов, триггер блока управления и два ключа, входы которых являются соответственно первым и вторым входами блока управления, управляющие входы ключей соединены соответственно с прямым и инверсным выходами триггера блока управления, которые являются соответственно первым и вторым выходами блока управления, выходы ключей соединены с входом распределителя импульсов, первый, второй, третий и четвертый выходы которого являются соответственно третьим, четвертым, пятым и шестым выходами блока управления, причем пьезоэлементы соединены с входами/выходами коммутатора, сигнальный вход которого соединен с выходом генератора ударного возбуждения, сигнальный вход фазометра соединен с сигнальным входом временного дискриминатора, выходы управляемых генераторов подключены к входам частотомера и блока управления, первый и второй выходы которого соединены соответственно с первым и вторым управляющими входами коммутатора, третий выход блока управления соединен с входом генератора ударного возбуждения, а шестой выход блока управления подключен к третьему управляющему входу временного дискриминатора, согласно изобретению введены стабилизатор уровня входного сигнала, активный фильтр, два триггера, схема управления счетчиками, второй счетчик и второй цифроаналоговый преобразователь, а в блок управления введен счетчик тактов измерения, вход которого соединен с шестым выходом блока управления, а выход подключен к тактовому входу триггера блока управления, причем опорный вход фазометра соединен с сигнальным входом коммутатора, выход которого соединен с первым сигнальным входом стабилизатора уровня входного сигнала, выход которого соединен с сигнальным входом временного дискриминатора, первый и второй выходы которого подключены соответственно к третьему и второму сигнальным входам стабилизатора уровня входного сигнала, а третий выход соединен с сигнальным входом активного фильтра, выход которого соединен с сигнальными входами первого и второго триггеров, сигнальные входы третьего и четвертого триггеров соединены с выходом фазометра, выходы первого, второго, третьего и четвертого триггеров подключены соответственно к первому, второму, третьему и четвертому сигнальным входам схемы управления счетчиками, первый и третий выходы которой соединены соответственно с тактовыми входами счета на увеличение первого и второго счетчиков, второй и четвертый выходы схемы управления счетчиками соединены соответственно с тактовыми входами счета на уменьшение первого и второго счетчиков, выходы второго счетчика соединены с входами второго цифроаналогового преобразователя, а выходы первого и второго цифроаналоговых преобразователей подключены к входам управляемых генераторов, первый и второй выходы блока управления соединены соответственно с первыми и вторыми управляющими входами схемы управления счетчиками, стабилизатора уровня входного сигнала и активного фильтра, третий и четвертый выходы блока управления соединены соответственно с первым и вторым управляющими входами временного дискриминатора, пятый выход блока управления соединен с третьим управляющим входом стабилизатора уровня входного сигнала и третьим управляющим входом активного фильтра, шестой выход блока управления соединен с управляющими входами первого, второго, третьего и четвертого триггеров.

Технический результат достигается также тем, что стабилизатор уровня входного сигнала содержит усилитель, сумматор, четыре ключа, два интегратора, усилитель сигнала ошибки, два элемента “И”, причем второй и третий сигнальные входы стабилизатора уровня входного сигнала являются входами сумматора, выход которого подключен к входам первого и второго ключей, выходы которых соединены соответственно с входами первого и второго интеграторов, выходы которых подключены соответственно к входам третьего и четвертого ключей, управляющие входы которых являются соответственно первым и вторым управляющими входами стабилизатора уровня входного сигнала, которые соответственно соединены с первыми входами элементов “И”, вторые входы которых являются третьим управляющим входом стабилизатора уровня входного сигнала, а выходы первого и второго элементов “И” соединены соответственно с управляющими входами первого и второго ключей, выходы третьего и четвертого ключей соединены с входом усилителя сигнала ошибки, выход которого соединен с входом управления усилением усилителя, вход и выход которого являются соответственно первым сигнальным входом и выходом стабилизатора уровня входного сигнала.

Технический результат достигается также тем, что временной дискриминатор содержит двухполупериодный выпрямитель, вход которого является сигнальным входом временного дискриминатора, а выход соединен с входами двух цепей, состоящих из последовательно соединенных ключа, интегратора и пикового детектора, выходы которых являются первым и вторым выходами временного дискриминатора, которые подключены соответственно к неинвертирующему и инвертирующему входам дифференциального усилителя, выход которого является третьим выходом временного дискриминатора, первый управляющий вход которого является входом инвертора, выход которого соединен с тактовым входом триггера, выход которого соединен с управляющим входом ключа первой цепи, управляющий вход ключа второй цепи соединен с асинхронным входом “сброса” триггера и является вторым управляющим входом временного дискриминатора, третий управляющий вход которого соединен со входом “сброса” интеграторов и пиковых детекторов.

Технический результат достигается также тем, что активный фильтр содержит усилитель-ограничитель, дифференциальный усилитель, устройство выборки-хранения, управляющий вход которого является третьим управляющим входом активного фильтра, а выход подключен к входам двух цепей, каждая из которых содержит последовательно соединенные первый ключ, интегратор и второй ключ, выходы которых являются выходом активного фильтра, который подключен к входу усилителя-ограничителя, выход которого соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя, неинвертирующий вход которого является сигнальным входом активного фильтра, причем выход дифференциального усилителя подключен к сигнальному входу устройства выборки-хранения, а первый и второй управляющие входы активного фильтра соединены соответственно с управляющими входами ключей, входящих в состав первой и второй цепей.

Технический результат достигается также тем, что схема управления счетчиками содержит пять элементов “ИЛИ”, девять элементов “И”, инвертор, одновибратор и генератор пачки из m цифровых импульсов, причем первый сигнальный вход схемы управления счетчиками является вторым входом первого и первым входом третьего элементов “ИЛИ”, второй сигнальный вход схемы управления счетчиками является вторым входом второго и третьего элементов “ИЛИ”, третий сигнальный вход схемы управления счетчиками является первым входом четвертого элемента “ИЛИ” и первым входом первого элемента “И”, четвертый сигнальный вход схемы управления счетчиками является первым входом второго элемента “И” и вторым входом четвертого элемента “ИЛИ”, выход которого подключен к входу одновибратора, выходы первого и второго элементов “И” соединены соответственно с первыми входами первого и второго элементов “ИЛИ”, выход третьего элемента “ИЛИ” соединен с входами генератора пачки из m цифровых импульсов и инвертора, выход которого подключен к вторым входам первого, второго и третьего элементов “И”, первый вход третьего элемента “И” соединен с выходом одновибратора, а выход третьего элемента “И” соединен с первым входом пятого элемента “ИЛИ”, второй вход которого соединен с выходом генератора пачки из m цифровых импульсов, а выход пятого элемента “ИЛИ” соединен с вторыми входами четвертого и пятого элементов “И”, первые входы которых соединены соответственно с выходами первого и второго элементов “ИЛИ”, выход четвертого элемента “И” соединен с первыми входами шестого и восьмого элементов “И”, выход пятого элемента “И” соединен с первыми входами седьмого и девятого элементов “И”, вторые входы шестого и седьмого элементов “И” являются первым управляющим входом схемы управления счетчиками, первый и второй выходы которой являются соответственно выходами шестого и седьмого элементов “И”, второй управляющий вход схемы управления счетчиками соединен с вторыми входами восьмого и девятого элементов “И”, выходы которых являются соответственно третьим и четвертым выходами схемы управления счетчиками.

Паразитная флюктуация выходного сигнала расходомера, представляющего собой разность частот управляемых генераторов устранена благодаря тому, что входы управляемых генераторов постоянно соединены с выходами цифроаналоговых преобразователей, причем во время подстройки частоты одного управляемого генератора управляющее напряжение на входе другого управляемого генератора сохраняет свое предыдущее значение. Такой алгоритм подстройки частот управляемых генераторов обеспечивается схемой управления счетчиками, которая изменяет выходной код счетчиков за один такт измерения на 1 либо на m дискрет, таким образом величина изменения выходных частот за один такт измерения, в отличие от ближайшего аналога, не пропорциональна временному рассогласованию принятой и опорной пачек, следовательно возрастает помехоустойчивость расходомера по отношению к помехам, искажающим форму огибающей принятой пачки.

Обработка сигнала во временном дискриминаторе и активном фильтре включает его интегрирование, таким образом возрастает ослабление высокочастотных помех в тракте грубой подстройки выходных частот, кроме того активный фильтр эффективно подавляет низкочастотные помехи, амплитуда которых не превышает порога срабатывания первого и второго триггеров.

Фиксация амплитуды принятой пачки на сигнальных входах фазометра и временного дискриминатора за счет наличия стабилизатора уровня входного сигнала позволяет сохранить высокую точность измерения расхода при изменении величины ослабления ультразвукового сигнала, а наличие раздельных каналов управления усилением позволяет исключить влияние на точность измерения расхода разницы коэффициентов передачи коммутатора при измерении времени распространения ультразвукового сигнала по и против потока измеряемой среды.

Устранение паразитной флюктуации выходного сигнала устройства для определения объемного расхода веществ с помощью ультразвуковых сигналов позволяет проводить подряд несколько тактов измерения в одном направлении без ухудшения точности измерения, причем за счет сокращения длительности коммутационных процессов в расчете на один такт измерения повышается быстродействие предлагаемого устройства. Рост точности измерения обусловлен устранением паразитной флюктуации выходного сигнала, снижением динамической погрешности измерения за счет повышения быстродействия расходомера и ослаблением влияния свойств акустического тракта на точность измерения. Погрешность измерения снижена также за счет переноса рабочей точки фазометра в окрестность энергетического центра принятой пачки, где амплитуда заполняющих высокочастотных колебаний установилась и имеет наибольшее значение, а следовательно минимальны фазовые искажения и максимально отношение сигнал/шум, сигнал/помеха.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для определения объемного расхода веществ с помощью ультразвуковых сигналов, реализующего предлагаемый способ; на фиг. 2 представлен вариант схемного решения стабилизатора уровня входного сигнала; на фиг. 3 представлен вариант схемного решения временного дискриминатора; на фиг. 4 представлен вариант построения активного фильтра; на фиг. 5 представлен вариант построения схемы управления счетчиками; на фиг. 6 представлен вариант реализации триггера; на фиг. 7 представлены временные диаграммы напряжений в отдельных точках схемы, поясняющие работу устройства; на фиг. 8 представлены временные диаграммы напряжений на электроакустических преобразователях, статические характеристики фазового детектора и временного дискриминатора до и после преобразования в цифровую форму.

На фиг. 1 – 6 введены следующие обозначения C, 1C, 2C, 3C – сигнальные входы, У, 1У, 2У, 3У – управляющие входы, Е – вход разрешения, З – вход запуска по переднему фронту, Т – тактовый вход, Р – асинхронный вход “сброса”.

На фиг. 7, 8 введены следующие обозначения U3 – напряжение на выходе коммутатора, U4 – напряжение на выходе генератора ударного возбуждения, U6₁, U6₂, U6₃, U6₄ – выходные напряжения триггеров Шмидта, входящих в состав соответственно первого, второго, третьего и четвертого триггеров 6, U9₁, U9₂ – напряжения на выходах первого и второго управляемых генераторов соответственно, U10₁, U10₂ – напряжения на первом и втором выходах блока управления соответственно, U13₁, U13₂, U13₃ – напряжения на первом, втором и третьем выходах временного дискриминатора соответственно.

Устройство для определения объемного расхода веществ с помощью ультразвуковых сигналов (фиг. 1) содержит два пьезоэлемента 1 и 2, установленные на измерительном участке трубопровода, коммутатор 3, генератор ударного возбуждения 4, фазометр 5, четыре триггера 6, две цепи, состоящие из последовательно соединенных счетчика 7, цифроаналогового преобразователя 8 и управляемого генератора 9, блок управления 10, частотомер 11, стабилизатор уровня входного сигнала 12, временной дискриминатор 13, активный фильтр 14, схему управления счетчиками 15, а блок управления 10 включает распределитель импульсов 16, счетчик тактов измерения 17, триггер блока управления 6 и два ключа 18/1 и 18/2, входы которых являются входами блока управления 10, а их управляющие входы соединены соответственно с прямым и инверсным выходами триггера блока управления 6 и являются соответственно первым и вторым выходами блока управления 10, выходы ключей 18 соединены с входом распределителя импульсов 16, первый, второй, третий и четвертый выходы которого являются соответственно третьим, четвертым, пятым и шестым выходами блока управления 10, кроме того четвертый выход распределителя импульсов 16 подключен к входу счетчика тактов измерения 17, выход которого соединен с тактовым входом триггера блока управления 6.

Выходы пьезоэлементов 1 и 2 соединены с входами/выходами коммутатора 3, сигнальный вход которого соединен с выходом генератора ударного возбуждения 4 и опорным входом фазометра 5, а выход коммутатора 3 подключен к первому сигнальному входу стабилизатора уровня входного сигнала 12, выход которого соединен с сигнальными входами фазометра 5 и временного дискриминатора 13, первый и второй сигнальные выходы которого подключены соответственно к третьему и второму сигнальным входам стабилизатора уровня входного сигнала 12, а третий выход временного дискриминатора соединен с сигнальным входом активного фильтра 14, выход которого соединен с сигнальными входами первого триггера 6/1 и второго триггера 6/2, сигнальные входы третьего триггера 6/3 и четвертого триггера 6/4 подключены к выходу фазометра 5, выходы первого триггера 6/1, второго триггера 6/2, третьего триггера 6/3 и четвертого триггера 6/4 соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым сигнальными входами схемы управления счетчиками 15, первый и третий выходы которой подключены соответственно к тактовым входам счета на увеличение первого счетчика 7/1 и второго счетчика 7/2, а второй и четвертый выходы схемы управления счетчиками 15 соединены соответственно с тактовыми входами счета на уменьшение первого счетчика 7/1 и второго счетчика 7/2, выходы управляемых генераторов 9/1 и 9/2 подключены к входам блока управления 10 и частотомера 11, первый и второй выходы блока управления 10 соединены соответственно с первыми и вторыми управляющими входами коммутатора 3, стабилизатора уровня входного сигнала 12, активного фильтра 14 и схемы управления счетчиками 15, третий выход блока управления 10 подключен к входу генератора ударного возбуждения 4 и к первому управляющему входу временного дискриминатора 13, второй управляющий вход которого соединен с четвертым выходом блока управления 10, пятый выход которого подключен к третьим управляющим входам стабилизатора уровня входного сигнала 12 и активного фильтра 14, а шестой выход блока управления 10 соединен с управляющими входами триггеров 6/1 – 6/4 и третьим управляющим входом временного дискриминатора 13.

Стабилизатор уровня входного сигнала 12 (фиг. 2) содержит усилитель 19, сумматор 20, две цепи, состоящие из последовательно соединенных первого ключа 18, интегратора 21 и второго ключа 18, два элемента “И” 22, усилитель сигнала ошибки 23, причем второй и третий сигнальные входы стабилизатора уровня входного сигнала 12 являются входами сумматора 20, выход которого подключен к входам двух цепей, выходы которых соединены с входом усилителя сигнала ошибки 23, выход которого подключен к входу управления усилением усилителя 19, вход и выход которого являются соответственно первым сигнальным входом и выходом стабилизатора уровня входного сигнала 12, первый управляющий вход которого подключен к управляющему входу второго ключа 18/3 первой цепи и к первому входу первого элемента “И” 22/1, выход которого соединен с управляющим входом первого ключа 18/1 первой цепи, а второй вход первого элемента “И” 22/1 является третьим управляющим входом стабилизатора уровня входного сигнала 12 и соединен с вторым входом второго элемента “И” 22/2, выход которого соединен с управляющим входом первого ключа 18/2 второй цепи, а управляющий вход второго ключа 18/4 второй цепи соединен с первым входом второго элемента “И” 22/2 и является вторым управляющим входом стабилизатора уровня входного сигнала 12.

Временной дискриминатор 13 (фиг. 3) содержит двухполупериодный выпрямитель 24, вход которого является сигнальным входом временного дискриминатора 13, а выход соединен с входами двух цепей, состоящих из последовательно соединенных ключа 18, интегратора 21 и пикового детектора 25, выходы которых являются первым и вторым выходами временного дискриминатора 13, которые подключены соответственно к неинвертирующему и инвертирующему входам дифференциального усилителя 26, выход которого является третьим выходом временного дискриминатора 13, первый управляющий вход которого является входом инвертора 27, выход которого подключен к тактовому входу триггера 6, выход которого соединен с управляющим входом ключа 18/1 первой цепи, а управляющий вход ключа 18/2 второй цепи соединен с асинхронным входом “сброса” триггера 6 и является вторым управляющим входом временного дискриминатора 13, третий управляющий вход которого соединен со входом “сброса” интеграторов 21/1 и 21/2 и пиковых детекторов 25/1 и 25/2.

Активный фильтр 14 (фиг. 4) содержит устройство выборки-хранения 28, управляющий вход которого является третьим управляющим входом активного фильтра 14, а выход подключен к входам двух цепей, состоящих из последовательно соединенных первого ключа 18, интегратора 21 и второго ключа 18, выходы цепей являются выходом активного фильтра 14, который подключен к входу усилителя-ограничителя 29, выход которого соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя 26, неинвертирующий вход которого является сигнальным входом активного фильтра 14, а выход дифференциального усилителя 26 подключен к сигнальному входу устройства выборки-хранения 28, первый и второй управляющие входы активного фильтра 14 соединены соответственно с управляющими входами ключей 18/1 – 18/4, входящих в состав первой и второй цепей.

Схема управления счетчиками 15 (фиг. 5) содержит одновибратор 30, генератор пачки из m цифровых импульсов 31, пять элементов “ИЛИ” 32, девять элементов “И” 22 и инвертор 27, причем первый сигнальный вход схемы управления счетчиками 15 является вторым входом первого 32/1 и первым входом третьего 32/3 элементов “ИЛИ”, второй сигнальный вход схемы управления счетчиками 15 соединен с вторыми входами второго 32/2 и третьего 32/3 элементов “ИЛИ”, третий сигнальный вход схемы управления счетчиками 15 является первым входом четвертого элемента “ИЛИ” 32/4 и первым входом первого элемента “И” 22/1, четвертый сигнальный вход схемы управления счетчиками 15 является первым входом второго элемента “И” 22/2 и вторым входом четвертого элемента “ИЛИ” 32/4, выход которого подключен к входу одновибратора 30, выходы первого 22/1 и второго 22/2 элементов “И” соединены соответственно с первыми входами первого 32/1 и второго 32/2 элементов “ИЛИ”, выход третьего элемента “ИЛИ” 32/3 соединен с входами генератора пачки из m цифровых импульсов 31 и инвертора 27, выход которого подключен к вторым входам первого 22/1 и второго 22/2 элементов “И” и к второму входу третьего элемента “И” 22/3, первый вход которого соединен с выходом одновибратора 30, а выход третьего элемента “И” 22/3 соединен с первым входом пятого элемента “ИЛИ” 32/5, второй вход которого соединен с выходом генератора пачки из m цифровых импульсов 31, а выход пятого элемента “ИЛИ” 32/5 соединен с вторыми входами четвертого 22/4 и пятого 22/5 элементов “И”, первые входы которых соединены соответственно с выходами первого 32/1 и второго 32/2 элементов “ИЛИ”, выход четвертого элемента “И” 22/4 соединен с первыми входами шестого 22/6 и восьмого 22/8 элементов “И”, выход пятого элемента “И” 22/5 соединен с первыми входами седьмого 22/7 и девятого 22/9 элементов “И”, вторые входы шестого 22/6 и седьмого 22/7 элементов “И” являются первым управляющим входом схемы управления счетчиками 15, первый и второй выходы которой являются соответственно выходами шестого 22/6 и седьмого 22/7 элементов “И”, второй управляющий вход схемы управления счетчиками 15 соединен с вторыми входами восьмого 22/8 и девятого 22/9 элементов “И”, выходы которых являются соответственно третьим и четвертым выходами схемы управления счетчиками 15.

Представленный на фиг. 6 вариант построения триггера 6 включает триггер Шмидта, вход которого является сигнальным входом триггера 6, а выход соединен с входом разрешения одновибратора, вход запуска по переднему фронту и выход которого является соответственно управляющим входом и выходом триггера 6.

Блок-схема коммутатора 3 приведена в авт. св. СССР N 777438, МПК G 01 F 1/66, 1980 г.

В качестве счетчиков 7 может быть использована микросхема реверсивного счетчика К555ИЕ7, счетчик тактов измерения 17 может быть реализован на микросхеме К561ИЕ10, в качестве управляемых генераторов 9 могут быть применены микросхемы К564ГГ1 или К531ГГ1, в качестве одновибратора, входящего в состав триггера 6 и схемы управления счетчиками 15 – микросхема К155АГ3, которую можно также использовать для построения генератора пачки из m цифровых импульсов схемы управления счетчиками 15 вместе с микросхемой счетчика (например К555ИЕ7), генератор ударного возбуждения может быть реализован на микросхеме К155ЛА3, распределитель импульсов может быть реализован на микросхеме К561ИЕ8 (счетчик-дешифратор), при необходимости для формирования выходных сигналов распределителя импульсов из выходных сигналов микросхемы К561ИЕ8 можно использовать логические элементы “ИЛИ” (например К561ЛЕ5), для реализации триггера 6, входящего в состав блока управления 10 и временного дискриминатора 15 удобно использовать микросхему D – триггера (например К561ТМ2), причем триггер 6 блока управления 10 включают в “счетный” режим. Принципиальные схемы и(или) схемы включения указанных микросхем приведены в справочнике Шило Л.В. “Популярные цифровые микросхемы”, М., “Радио и Связь”, 1987 г., 352 с.

В качестве цифроаналогового преобразователя 8 может быть использована микросхема К572ПА2А в “прозрачном” режиме, когда входной код поступает со входа непосредственно в регистр преобразования, в качестве ключей 18 могут быть использованы микросхемы серии 590 (например КР590КН5), в качестве необходимого для реализации активного фильтра 14 устройства выборки-хранения 28 может быть использована микросхема 1100СК2, функциональные схемы и(или) схемы включения указанных микросхем приведены в справочнике Новаченко И.В., Петухов В.М., Блудов И.П., Юровский А.В. “Микросхемы для бытовой радиоаппаратуры”, М.: “КУбК-а”, 1995 г. Необходимое для работы микросхемы К572ПА2А опорное напряжение формируется в источнике питания.

Вариант реализации фазометра 5 на основе триггера с раздельными входами приведен в Хамидулин В.К. “Ультразвуковые контрольно-измерительные устройства и системы”, Л., изд-во Ленинградского университета, 1989 г., 246 с.

В качестве усилителя 19 с регулируемым коэффициентом усиления, входящего в состав стабилизатора уровня входного сигнала 12, может быть использована микросхема 157ХА2, схема включения которой приведена в Д.И. Атаев, В.А. Болотников “Аналоговые интегральные микросхемы для бытовой радиоаппаратуры”, М. , изд-во МЭИ, 1991 г.

Различные варианты реализации триггера Шмидта, сумматора 20, интегратора 21, усилителя сигнала ошибки 23, пикового детектора 25, дифференциального усилителя 26, усилителя-ограничителя 29 на операционных усилителях приведены в П. Хоровиц, У.Хилл “Искусство схемотехники” в 3-х томах, М., “Мир”, 1993 г.

Устройство, реализующее предлагаемый способ определения объемного расхода веществ с помощью ультразвуковых сигналов работает следующим образом.

При измерении скорости потока, по которой определяется объемный расход веществ, происходит увеличение скорости распространения ультразвукового сигнала при излучении его по потоку и уменьшение скорости распространения ультразвукового сигнала при излучении его против потока. Измерение расхода предлагаемым устройством происходит в 2n тактов, где n – коэффициент деления счетчика тактов измерения 17 (n > 1). Допустим, что n = 2.

За первые n последовательных тактов происходит измерение и преобразование в частоту следования импульсов первого управляемого генератора 9/1 времени распространения ультразвукового сигнала по потоку, а в оставшиеся n последовательных тактов – измерение и преобразование в частоту следования импульсов второго управляемого генератора 9/2 времени распространения ультразвукового сигнала против потока. Разность указанных частот позволяет определить скорость потока, по которой можно вычислить объемный расход путем умножения усредненной по поперечному сечению трубопровода скорости потока на площадь поперечного сечения трубопровода.

Пусть триггер блока управления 6 находится в таком состоянии, что на первом выходе блока управления 10 (см. фиг. 7 з) установлено напряжение высокого уровня, а на втором выходе блока управления 10 (см. фиг. 7 и) соответственно напряжение низкого уровня, при этом коммутатор 3 находится в состоянии, когда выход генератора ударного возбуждения 4 соединен с входом пьезоэлемента 1, а выход пьезоэлемента 2 соединен с сигнальным входом стабилизатора уровня входного сигнала 12, кроме того третий и четвертый выходы схемы управления счетчиками 15 блокированы сигналом низкого уровня со второго выхода блока управления 10. Вход распределителя импульсов 16 блока управления 10 подключен к выходу первого управляемого генератора 9/1. Таким образом система подготовлена к измерению времени распространения ультразвукового сигнала по потоку. Импульсы U9₁ первого управляемого генератора 9/1 (см. фиг 7 а), осуществляющие коммутацию выходов блока управления 10, поступают на вход распределителя импульсов 16. Количество импульсов в каждом такте измерения постоянно и равно k. Минимально необходимое количество импульсов равно двум, так как время распространения ультразвукового сигнала в потоке преобразуется в период следования импульсов управляемого генератора. Однако наличие не нулевых времен установления коммутатора, временного дискриминатора и фазометра, а так же необходимость выполнения операций по подготовке расходомера к измерению и снятия результатов измерения требуют увеличить необходимое для проведения одного такта измерения количество импульсов. Допустим, что k = 5.

При подаче на вход распределителя импульсов 16 второго импульса управляемого генератора 9/1, на третьем выходе блока управления 10 возникает импульс, возбуждающий генератор ударного возбуждения 4, на выходе которого формируется импульс напряжения U4 (см. фиг. 7 в), заполненный высокочастотными колебаниями с прямоугольной огибающей, фаза которых жестко связана с передним фронтом запускающего импульса. Через коммутатор 3 сформированная генератором ударного возбуждения 4 пачка с высокочастотным заполнением поступает на пьезоэлемент 1, который излучает в среду ультразвуковой сигнал, проходящий через поток. Сигнал принимается пьезоэлементом 2 и поступает через коммутатор 3 на первый сигнальный вход стабилизатора уровня входного сигнала 12 в виде пачки высокочастотных колебаний U3 (см. фиг. 7 г). Третьим импульсом первого управляемого генератора 9/1 формируется импульс на четвертом выходе блока управления 10, при этом одновременно по сигналу с третьего выхода блока управления 10 генератор ударного возбуждения 4 формирует опорную пачку высокочастотных колебаний U4 (см. фиг 7 в), фаза колебаний которого жестко связана с передним фронтом третьего импульса управляемого генератора 9/1 (см. фиг. 7 а). Пачка высокочастотных колебаний U4 поступает на опорный вход фазометра 5.

Усиленная до заданной амплитуды принятая пачка с выхода стабилизатора уровня входного сигнала 12 поступает на сигнальные входы фазометра 5 и временного дискриминатора 13, в котором принятая пачка детектируется двухполупериодным выпрямителем 24 и через ключи 18/1 и 18/2 поступает на входы интеграторов 21/1 и 21/2, причем первый ключ 18/1 открывается сигналом с выхода триггера 6 на время от заднего фронта второго импульса управляемого генератора 9/1, поступающего с третьего выхода блока управления 10 через инвертор 27 на тактовый вход триггера 6, до переднего фронта третьего импульса управляемого генератора 9/1, поступающего с четвертого выхода блока управления 10 на асинхронный вход “сброса” триггера 6 и на управляющий вход второго ключа 18/2, который открывается высоким уровнем напряжения на управляющем входе, следовательно второй ключ 18/2 открывается по переднему, а закрывается по заднему фронту третьего импульса управляемого генератора 9/1. Таким образом выходное напряжение первого интегратора 21/1 оказывается пропорциональным энергии принятой пачки за время от заднего фронта второго до переднего фронта третьего импульса управляемого генератора 9/1, а выходное напряжение второго интегратора 21/2 пропорционально энергии принятой пачки за время от переднего до заднего фронта третьего импульса управляемого генератора 9/1. Пиковые детекторы 25 обеспечивают запоминание максимальных значений выходных напряжений интеграторов 21 (см. фиг. 7 д, е), что необходимо для устранения утечки интеграторов. Выходные напряжения пиковых детекторов 25/1 и 25/2 поступают на входы дифференциального усилителя 26, на выходе которого формируется напряжение U13₃ (см. фиг. 7 ж), пропорциональное временному рассогласованию между передним фронтом третьего импульса управляемого генератора 9/1 и центром принятой пачки. Кроме того выходные напряжения пиковых детекторов 25 с первого и второго выходов временного дискриминатора 13 поступают на второй и третий сигнальные входы стабилизатора уровня входного сигнала 12, являющиеся входами сумматора 20, выходное напряжение которого пропорционально энергии принятой пачки. Оно через ключи 18/1 и 18/2 поступает на входы интеграторов 21, причем первый ключ 18/1 открывается во время каждого четвертого импульса первого управляемого генератора 9/1 в первом и втором тактах измерения, а второй ключ 18/2 открывается во время каждого четвертого импульса второго управляемого генератора 9/2 в третьем и четвертом тактах измерения. Таким образом выходное напряжение первого интегратора 21/1 оказывается пропорциональным энергии принятых пачек, которые были излучены по потоку измеряемой среды, а выходное напряжение второго интегратора 21/2 пропорционально энергии принятых пачек, которые излучались против потока измеряемой среды. Выходное напряжение первого интегратора 21/1 через ключ 18/3 поступает на вход усилителя сигнала ошибки 23 во время первого и второго тактов измерения, а выходное напряжение второго интегратора 21/2 через ключ 18/4 поступает на вход усилителя сигнала ошибки 23 во время третьего и четвертого тактов измерения за счет того, что управляющие входы этих ключей соединены соответственно с первым и вторым выходами блока управления 10. Выходной сигнал усилителя сигнала ошибки 23 регулирует усиление усилителя 19 так, чтобы амплитуда принятой пачки на выходе стабилизатора уровня входного сигнала 12 поддерживалась равной заданному значению. В результате допустимый динамический диапазон ослабления сигнала в акустическом тракте значительно расширяется. Наличие в стабилизаторе уровня входного сигнала 12 раздельных цепей управления усилением для принятых по и против потока измеряемой среды ультразвуковых сигналов позволяет компенсировать разницу коэффициентов передачи коммутатора 3 в зависимости от направления излучения, следовательно снижается погрешность измерения расхода.

Напряжение с третьего выхода временного дискриминатора 13 поступает на сигнальный вход активного фильтра 14, предназначенного для подавления сигналов, амплитуда которых не превышает выходного напряжения временного дискриминатора 13 при рассогласовании между центром принятой пачки и началом опорной пачки, равном четверти периода заполняющих пачки высокочастотных колебаний U13_п (см. фиг. 8 б). Для этого уровень ограничения по выходу усилителя-ограничителя 29 выбирается равным U13_п. Значение выходного напряжения дифференциального усилителя 26 запоминается устройством выборки-хранения 28 во время каждого четвертого импульса управляемых генераторов 9 и поступает на входы интеграторов 21/1 и 21/2 через ключи 18/1 и 18/2, при этом вход первого интегратора 21/1 соединяется с выходом устройства выборки-хранения 28 на время первого и второго тактов измерения, а вход второго интегратора 21/2 подключается к выходу устройства выборки-хранения 28 на время третьего и четвертого тактов измерения за счет того, что управляющие входы ключей 18/1 и 18/2 соединены с первым и вторым выходами блока управления 10. Ограниченное на уровне U13_п выходное напряжение интеграторов 21 вычитается из входного сигнала активного фильтра 14, таким образом обеспечивается значительное ослабление низкочастотных помех, которые не фильтруются интеграторами 21, а следовательно повышается помехоустойчивость измерения. Выходное напряжение активного фильтра 14 поступает на сигнальные входы первого триггера 6/1 и второго триггера 6/2, причем порог срабатывания триггера Шмидта первого триггера 6/1 выбирается равным +U13_п, а порог срабатывания триггера Шмидта второго триггера 6/2 выбирается равным -U13_п. Фазометр 5 осуществляет преобразование временного сдвига dt (см. фиг. 8 а) между передними фронтами высокочастотных колебаний, заполняющих принятую и опорную пачки, в напряжение U5 в соответствии со статической характеристикой фазометра U5 = f(dt), приведенной на фиг. 8 б. С выхода фазометра 5 напряжение U5 поступает на входы третьего триггера 6/3 и четвертого триггера 6/4, причем порог срабатывания триггера Шмидта третьего триггера 6/3 равен -0, а порог срабатывания триггера Шмидта четвертого триггера 6/4 равен +0, таким образом, если U5 отрицательно, то на выходе триггера Шмидта, входящего в третий триггер 6/3, формируется напряжение высокого уровня, а если U5 положительно, то на выходе триггера Шмидта, входящего в четвертый триггер 6/4, формируется напряжение высокого уровня.

Выходные напряжения триггеров Шмидта, U6₁, U6₂, U6₃, U6₄, входящих в состав соответственно первого, второго, третьего и четвертого триггеров 6/1 – 6/4 в зависимости от величины временного рассогласования dt приведены на фиг 8 в-е.

Стыковка статических характеристик фазометра 5 и временного дискриминатора 13 осуществляется за счет того, что порог срабатывания триггеров Шмидта первого триггера 6/1 и второго триггера 6/2 выбран соответственно равным +U13_п и -U13_п, а число импульсов m, формируемых входящим в состав схемы управления счетчиками 15 генератором пачки из m цифровых импульсов 31 выбрано так, чтобы изменение периода следования импульсов управляемого генератора 9t, возникающее при изменении на m дискрет выходного кода реверсивного счетчика 7, составляло около половины периода заполняющих излученную пачку высокочастотных колебаний. При поступлении на вход распределителя импульсов 16 пятого импульса управляемого генератора 9/1 на шестом выходе блока управления 10 формируется импульс, по переднему фронту которого формируются короткие импульсы на выходах тех триггеров 6/1 – 6/4, в которых на выходе триггера Шмидта сформирован высокий уровень напряжения. Для обеспечения надежной работы схемы управления счетчиками 15 длительность импульса одновибраторов, входящих в состав первого триггера 6/1 и второго триггера 6/2 выбирается большей, чем длительность импульсов одновибраторов третьего триггера 6/3 и четвертого триггера 6/4. Наличие высокого уровня напряжения на первом или втором сигнальных входах схемы управления счетчиками 15 запускает генератор пачки из m цифровых импульсов 31, выходной сигнал которого поступает на один из счетных входов первого реверсивного счетчика 7/1, при этом, если высокий уровень напряжения поступил на первый сигнальный вход схемы управления счетчиками 15, то последовательность m импульсов появится на первом выходе схемы управления счетчиками 15, а если высокий уровень напряжения поступил на второй вход схемы управления счетчиками 15, то последовательность m импульсов появится на втором ее выходе. Наличие на первом или втором сигнальных входах схемы управления счетчиками 15 высокого уровня напряжения блокирует обработку сигналов с выходов третьего триггера 6/3 и четвертого триггера 6/4, представляющих собой преобразованный в цифровую форму выходной сигнал фазометра 5. В случае, когда выходные напряжения первого триггера 6/1 и второго триггера 6/2 равны нулю, сигналы с выходов третьего триггера 6/3 и четвертого триггера 6/4 вызывают формирование одиночного импульса на выходе схемы управления счетчиками 15, причем если высокий уровень напряжения присутствовал на ее третьем входе, то одиночный импульс формируется на первом выходе схемы управления счетчиками 15, а если высокий уровень напряжения присутствовал на ее четвертом входе, то одиночный импульс формируется на втором ее выходе. Поступая на соответствующий вход первого реверсивного счетчика 7/1 выходной сигнал схемы управления счетчиками 15 приводит к изменению его выходного кода на 1 либо m в соответствии с тем, каково было временное рассогласование dt между принятой и опорной пачками, причем значение выходного кода может изменяться только на две фиксированные величины за один такт измерения и никогда не “сбрасывается”.

Разрядность r реверсивного счетчика 7 и цифроаналогового преобразователя 8 соответственно выбирается так, чтобы изменение кода реверсивного счетчика 7 (а значит и выходного напряжения цифроаналогового преобразователя 8 и периода следования импульсов управляемого генератора 9) за один такт измерения было много меньше максимального значения выходного кода реверсивного счетчика 7, что позволяет обеспечить высокую разрешающую способность измерения расхода и является необходимым для получения высокой точности измерения. С другой стороны слишком высокая разрядность цифроаналогового преобразователя 8 трудно реализуема и приводит к слишком медленной подстройке частоты управляемого генератора 9 при работе автоматической следящей системы по выходному сигналу фазометра. Исходя из вышеизложенного оптимальная разрядность цифроаналогового преобразователя 8 r = 12…16 двоичных разрядов. При этом величина изменения периода следования импульсов управляемого генератора 9 в каждом такте измерения мала по сравнению с его полным диапазоном перестройки, а длительность такта измерения существенно меньше времени, за которое возможно изменение скорости потока, превышающее погрешность измерения предлагаемого устройства, таким образом разность частот управляемых генераторов 9 в любой момент времени соответствует текущему значению скорости потока, что позволяет увеличить точность снятия измерений.

Выходной код реверсивного счетчика 7/1 определяет выходное напряжение цифроаналогового преобразователя 8/1, поступающее на вход управляемого генератора 9/1, причем выходной сигнал схемы управления счетчиками 15 изменяет выходной код счетчика 7/1, а следовательно, выходное напряжение цифроаналогового преобразователя 8/1 и период следования импульсов управляемого генератора 9/1 так, чтобы выходной сигнал активного фильтра 14 уменьшился до порога срабатывания первого триггера 6/1 и второго триггера 6/2, а затем схема управления счетчиками 15 производит точную подстройку периода следования импульсов управляемого генератора 9/1 так, чтобы уменьшить выходной сигнал фазометра 5 до нуля Таким образом достигается совпадение переднего фронта огибающей опорной пачки с центром принятой пачки и совпадение фронтов, заполняющих пачки высокочастотных колебаний. Кроме того по сигналам с выходов третьего триггера 6/3 и четвертого триггера 6/4 схема управления счетчиками 15 может изменять выходной код реверсивного счетчика 7/1 от нуля до максимального значения, следовательно при плавном изменении скорости потока не возникает ситуации, когда выходной сигнал активного фильтра 14 превышает порог срабатывания первого триггера 6/1 и второго триггера 6/2, то есть обеспечивается слежение за положением принятой пачки с полной точностью во всем диапазоне перестройки управляемого генератора 9/1.

В результате описанной подстройки периода следования импульсов управляемого генератора 9/1 в первом такте измерения он становится равным времени распространения ультразвукового сигнала по потоку плюс половина длительности принятой пачки. При поступлении на вход распределителя импульсов 16 блока управления 10 заднего фронта пятого импульса управляемого генератора 9/1 содержимое счетчика тактов измерения 17 увеличивается на единицу, таким образом первый такт измерения завершается. Работа расходомера во втором такте измерения полностью аналогична первому такту. По окончании второго такта измерения времени распространения ультразвукового сигнала по потоку на выходе счетчика тактов измерения 17 формируется сигнал, переводящий триггер блока управления 6 в другое устойчивое состояние. При этом на его первом выходе устанавливается низкий уровень напряжения (см. фиг. 7 з), а элементы расходомера переключаются в режим работы с преобразованием времени распространения ультразвукового сигнала против потока в частоту следования импульсов второго управляемого генератора 9/2. В результате в третьем и четвертом тактах измерения происходит точная подстройка периода следования импульсов второго управляемого генератора 9/2, который становится равным времени распространения ультразвукового сигнала против потока плюс половина длительности принятой пачки.

Частотомер 11 измеряет разность частот управляемых генераторов 9/1 и 9/2. Длительность принятой пачки жестко связана с длительностью зондирующей пачки, которая определяется генератором ударного возбуждения 4 и не меняется в процессе измерения. Объемный расход вещества рассчитывается путем умножения усредненной по поперечному сечению трубопровода скорости потока среды, которая определяется по разности частот управляемых генераторов и известной длительности зондирующей пачки, на площадь поперечного сечения трубопровода.

Таким образом предлагаемый способ измерения объемного расхода веществ с помощью ультразвуковых сигналов и предназначенное для его осуществления устройство позволяют с высокой точностью измерять как быстропеременные, так и медленно меняющиеся расходы различных жидкостей и газов.

Точность измерения повышается как за счет исключения паразитных флюктуаций частот управляемых генераторов, которые устранены благодаря введению цифроаналоговых преобразователей с реверсивными счетчиками, так и за счет повышения быстродействия предлагаемого расходомера путем проведения нескольких измерений в одном направлении последовательно, что позволяет сократить длительность коммутационных процессов в расчете на одно измерение. Погрешность измерения скорости потока снижается также за счет переноса рабочей точки фазометра в окрестность центра принятой пачки, где амплитуда заполняющих высокочастотных колебаний установилась и имеет наибольшее значение, а следовательно, минимальны фазовые искажения и максимально отношение сигнал/шум, сигнал/помеха. Возможность проведения нескольких тактов измерения подряд в одном направлении возникает благодаря устранению паразитной флюктуации частот управляемых генераторов и обеспечивается введенным в блок управления счетчиком тактов измерения.

Фиксация амплитуды принятой пачки на сигнальных входах фазометра и временного дискриминатора за счет наличия стабилизатора уровня входного сигнала позволяет сохранить высокую точность измерения расхода при изменении величины ослабления излучаемого ультразвукового сигнала, а наличие раздельных каналов управления усилением позволяет исключить влияние на точность измерения расхода разницы коэффициентов передачи коммутатора при измерении времени распространения ультразвукового сигнала по и против потока измеряемой среды.

Повышение помехоустойчивости измерения достигается тем, что предлагаемый способ измерения скорости позволяет компенсировать симметричные искажения формы принятой пачки, возникающие из-за фильтрующих свойств акустического тракта, кроме того работа временного дискриминатора и активного фильтра основана на интегрировании принятой пачки, активный фильтр эффективно подавляет низкочастотные помехи, амплитуда которых не превышает порога срабатывания первого и второго триггеров, что резко ограничивает спектр помех в тракте грубой подстройки частоты управляемых генераторов и обеспечивает повышение стабильности работы устройства для определения объемного расхода веществ с помощью ультразвуковых сигналов. Кроме того повышение помехоустойчивости предлагаемого устройства обусловлена тем, что величина изменения периода следования импульсов управляемого генератора в каждом такте измерения не зависит от амплитуды выходного сигнала временного дискриминатора, если он после прохождения активного фильтра превысил порог срабатывания триггеров, что позволяет уменьшить величину ухода частоты управляемого генератора от истинного значения, определяемую искажающей форму огибающей принятой пачки помехой.

Изготовлен экспериментальный образец устройства для определения объемного расхода веществ с помощью ультразвуковых сигналов и проведены его испытания.

Формула изобретения

1. Способ определения объемного расхода веществ с помощью ультразвуковых сигналов, включающий формирование в каждом такте измерения излучаемого и опорного сигналов, представляющих собой пачки высокочастотных колебаний с прямоугольной огибающей, в которых фаза заполняющих пачки высокочастотных колебаний жестко связана с передним фронтом огибающей, преобразование времени распространения ультразвуковых сигналов, излученных по потоку и против потока измеряемой среды в две выходные частоты, период одной из которых кратен временному интервалу между передними фронтами огибающих излучаемой по потоку и опорной пачек, а период другой выходной частоты кратен временному интервалу между передними фронтами огибающих излучаемой против потока и опорной пачек, грубую подстройку и точную подстройку выходных частот, которую осуществляют путем поддержания нулевой разности фаз между фронтами высокочастотных колебаний, заполняющих принятую и опорную пачки, определение по разности выходных частот скорости потока, по которой определяют объемный расход веществ, отличающийся тем, что грубую подстройку выходных частот осуществляют путем поддержания величины временного рассогласования между передним фронтом огибающей опорной пачки и центром принятой пачки не более половины периода заполняющих пачки высокочастотных колебаний.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что последовательно проводят n>1 тактов измерения времени распространения ультразвукового сигнала по потоку измеряемой среды, а затем n последовательных тактов измерения времени распространения ультразвукового сигнала против потока измеряемой среды.

3. Устройство для определения объемного расхода веществ с помощью ультразвуковых сигналов, содержащее два установленных на трубопроводе пьезоэлемента, коммутатор, генератор ударного возбуждения, временной дискриминатор, фазометр, два триггера, два управляемых генератора, последовательно соединенные первый счетчик и первый цифроаналоговый преобразователь, частотомер и блок управления, включающий распределитель импульсов, триггер блока управления и два ключа, входы которых являются соответственно первым и вторым входами блока управления, управляющие входы ключей соединены соответственно с прямым и инверсным выходами триггера блока управления, которые являются соответственно первым и вторым выходами блока управления, выходы ключей соединены с входом распределителя импульсов, первый, второй, третий и четвертый выходы которого являются соответственно третьим, четвертым, пятым и шестым выходами блока управления, причем пьезоэлементы соединены с входами/выходами коммутатора, сигнальный вход которого соединен с выходом генератора ударного возбуждения, сигнальный вход фазометра соединен с сигнальным входом временного дискриминатора, выходы управляемых генераторов подключены к входам частотомера и блока управления, первый и второй выходы которого соединены соответственно с первым и вторым управляющими входами коммутатора, третий выход блока управления соединен с входом генератора ударного возбуждения, а шестой выход блока управления подключен к третьему управляющему входу временного дискриминатора, отличающееся тем, что в него дополнительно введены стабилизатор уровня входного сигнала, активный фильтр, два триггера, схема управления счетчиками, второй счетчик и второй цифроаналоговый преобразователь, а в блок управления введен счетчик тактов измерения, вход которого соединен с шестым выходом блока управления, а выход подключен к тактовому входу триггера блока управления, причем опорный вход фазометра соединен с сигнальным входом коммутатора, выход которого соединен с первым сигнальным входом стабилизатора уровня входного сигнала, выход которого соединен с сигнальным входом временного дискриминатора, первый и второй выходы которого подключены соответственно к третьему и второму сигнальным входам стабилизатора уровня входного сигнала, а третий выход соединен с сигнальным входом активного фильтра, выход которого соединен с сигнальными входами первого и второго триггеров, сигнальные входы третьего и четвертого триггеров соединены с выходом фазометра, выходы первого, второго, третьего и четвертого триггеров подключены соответственно к первому, второму, третьему и четвертому сигнальным входам схемы управления счетчиками, первый и третий выходы которой соединены соответственно с тактовыми входами счета на увеличение первого и второго счетчиков, второй и четвертый выходы схемы управления счетчиками соединены соответственно с тактовыми входами счета на уменьшение первого и второго счетчиков, выходы второго счетчика соединены с входами второго цифроаналогового преобразователя, а выходы первого и второго цифроаналоговых преобразователей подключены к входам управляемых генераторов, первый и второй выходы блока управления соединены соответственно с первыми и вторыми управляющими входами схемы управления счетчиками, стабилизатора уровня входного сигнала и активного фильтра, третий и четвертый выходы блока управления соединены соответственно с первым и вторым управляющими входами временного дискриминатора, пятый выход блока управления соединен с третьим управляющим входом стабилизатора уровня входного сигнала и третьим управляющим входом активного фильтра, шестой выход блока управления соединен с управляющими входами первого, второго, третьего и четвертого триггеров.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что стабилизатор уровня входного сигнала содержит усилитель, сумматор, четыре ключа, два интегратора, усилитель сигнала ошибки, два элемента И, причем второй и третий сигнальные входы стабилизатора уровня входного сигнала являются входами сумматора, выход которого подключен к входам первого и второго ключей, выходы которых соединены соответственно с входами первого и второго интеграторов, выходы которых подключены соответственно к входам третьего и четвертого ключей, управляющие входы которых являются соответственно первым и вторым управляющими входами стабилизатора уровня входного сигнала, которые соединены соответственно с первыми входами первого и второго элементов И, вторые входы которых являются третьим управляющим входом стабилизатора уровня входного сигнала, а выходы первого и второго элементов И соединены соответственно с управляющими входами первого и второго ключей, выходы третьего и четвертого ключей соединены с входом усилителя сигнала ошибки, выход которого соединен с входом управления усилением усилителя, вход и выход которого являются соответственно первым сигнальным входом и выходом стабилизатора уровня входного сигнала.

5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что временной дискриминатор содержит двухполупериодный выпрямитель, вход которого является сигнальным входом временного дискриминатора, а выход соединен с входами двух цепей, состоящих из последовательно соединенных ключа, интегратора и пикового детектора, выходы которых являются первым и вторым выходами временного дискриминатора, которые подключены соответственно к неинвертирующему и инвертирующему входам дифференциального усилителя, выход которого является третьим выходом временного дискриминатора, первый управляющий вход которого является входом инвертора, выход которого соединен с тактовым входом триггера, выход которого соединен с управляющим входом ключа первой цепи, управляющий вход ключа второй цепи соединен с асинхронным входом “Сброс” триггера и является вторым управляющим входом временного дискриминатора, третий управляющий вход которого соединен со входом “Сброс” интеграторов и пиковых детекторов.

6. Устройство по п.3, отличающееся тем, что активный фильтр содержит усилитель-ограничитель, дифференциальный усилитель, устройство выборки-хранения, управляющий вход которого является третьим управляющим входом активного фильтра, а выход подключен к входам двух цепей, каждая из которых содержит последовательно соединенные первый ключ, интегратор и второй ключ, выходы которых являются выходом активного фильтра, который подключен к входу усилителя-ограничителя, выход которого соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя, неинвертирующий вход которого является сигнальным входом активного фильтра, причем выход дифференциального усилителя подключен к сигнальному входу устройства выборки-хранения, а первый и второй управляющие входы активного фильтра соединены соответственно с управляющими входами ключей, входящих в состав первой и второй цепей.

7. Устройство по п.3, отличающееся тем, что схема управления счетчиками содержит пять элементов ИЛИ, девять элементов И, инвертор, одновибратор и генератор пачки из m цифровых импульсов, причем первый сигнальный вход схемы управления счетчиками является вторым входом первого и первым входом третьего элементов ИЛИ, второй сигнальный вход схемы управления счетчиками является вторым входом второго и третьего элементов ИЛИ, третий сигнальный вход схемы управления счетчиками является первым входом четвертого элемента ИЛИ и первым входом первого элемента И, четвертый сигнальный вход схемы управления счетчиками является первым входом второго элемента И и вторым входом четвертого элемента ИЛИ, выход которого подключен к входу одновибратора, выходы первого и второго элементов И соединены соответственно с первыми входами первого и второго элементов ИЛИ, выход третьего элемента ИЛИ соединен с входами генератора пачки из m цифровых импульсов и инвертора, выход которого подключен к вторым входам первого, второго и третьего элементов И, первый вход третьего элемента И соединен с выходом одновибратора, а выход третьего элемента И соединен с первым входом пятого элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом генератора пачки из m цифровых импульсов, а выход пятого элемента ИЛИ соединен с вторыми входами четвертого и пятого элементов И, первые входы которых соединены соответственно с выходами первого и второго элементов ИЛИ, выход четвертого элемента И соединен с первыми входами шестого и восьмого элементов И, выход пятого элемента И соединен с первыми входами седьмого и девятого элементов И, вторые входы шестого и седьмого элементов И являются первым управляющим входом схемы управления счетчиками, первый и второй выходы которой являются соответственно выходами шестого и седьмого элементов И, второй управляющий вход схемы управления счетчиками соединен с вторыми входами восьмого и девятого элементов И, выходы которых являются соответственно третьим и четвертым выходами схемы управления счетчиками.

РИСУНКИ

PC4A – Регистрация договора об уступке патента Российской Федерации на изобретение

Прежний патентообладатель:

Романов Юрий Игоревич,
Адоньев Владимир Григорьевич,
Свильпов Дмитрий Юрьевич

(73) Патентообладатель:

Закрытое акционерное общество “Когерент”

Дата и номер государственной регистрации перехода исключительного права: 21.08.2006 № РД0011408

Извещение опубликовано: 10.10.2006 БИ: 28/2006