Патент на изобретение №2182335

(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕНИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЗВУКОВОГО СИГНАЛА В ТЕКУЧЕЙ СРЕДЕ И СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ПОТОКА ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ

(57) Реферат:

Измерение касается способа измерения времени распространения звукового сигнала между разнесенными друг от друга преобразователями, расположенными в потоке текучей среды. Способ состоит в осуществлении выборки и преобразования в цифровую форму каждого принимаемого звукового сигнала, в определении для каждого периода упомянутого выбранного и преобразованного в цифровую форму сигнала максимальных амплитуд Р- и Р+ двух лепестков исследуемого периода, в сравнении отношения упомянутых амплитуд с отношением идеальных амплитуд между максимальными амплитудами Р_i– и Р_i+ двух лепестков первого идеального характеристического периода, в определении первого перехода через нуль характеристических колебаний упомянутого сигнала. В зависимости от результата упомянутого сравнения относительно порогового значения G_s исследуемый период считают периодом помех, соответствующих шуму, либо характеристическим периодом. Обеспечивается повышение точности измерения. 2 с. и 9 з. п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение касается способа измерения времени распространения звукового сигнала в потоке текучей среды между первым преобразователем, действующим в качестве передающего устройства, и вторым преобразователем, действующим в качестве приемного устройства и расположенным на заранее определенном расстоянии от первого преобразователя, где звуковой сигнал, передаваемый первым преобразователем, состоит по меньшей мере из одного импульса, передаваемого на заранее определенной звуковой частоте F_a, а звуковой сигнал, принимаемый вторым преобразователем, содержит серию характеристических колебаний, амплитуда которых вначале растет на протяжении нескольких периодов, а затем уменьшается на протяжении нескольких последующих периодов, огибающая характеристических колебаний имеет колоколообразную форму, причем способ состоит из выборки принимаемого сигнала с частотой выборки F_e, преобразования в цифровую форму выборочного принимаемого звукового сигнала и поиска первого значащего перехода через нуль характеристических колебаний принимаемого звукового сигнала посредством анализа выбираемого и преобразуемого в цифровую форму принимаемого звукового сигнала.

На протяжении многих лет известно измерение расхода (или объема) текучей среды, проходящей по трубопроводу, посредством использования распространения звуковых сигналов, передаваемых между двумя звуковыми преобразователями, расположенными в точках, разнесенных друг от друга в направлении потока текучей среды. В принципе, звуковой сигнал, передаваемый от первого преобразователя по направлению ко второму преобразователю, принимается звуковым преобразователем, и измеряется время Т_d распространения упомянутого звукового сигнала. Аналогично этому, время Т_u распространения звукового сигнала, передаваемого от второго преобразователя по направлению к первому преобразователю, также измеряется при приеме упомянутого сигнала посредством упомянутого второго преобразователя.

В расходомере скорость потока можно получать посредством сочетания измерения времени распространения каждого из двух звуковых сигналов, передаваемых между двумя точками в противоположных направлениях, с измерением фазовых сдвигов звукового сигнала, наводимых в каждом из звуковых сигналов из-за распространения каждого из них в потоке. В европейской заявке на патент EP 0424309 описан пример такой системы измерения скорости потока, в которой производится выборка и преобразование в цифровую форму принимаемого сигнала, где фазовый сдвиг звукового сигнала измеряется посредством выполнения синхронного обнаружения на основании преобразуемого в цифровую форму сигнала.

При измерении скорости потока газа в газовом счетчике, в котором используются два ультразвуковых преобразователя, и когда скорость распространения ультразвуковых волн зависит от характера газа, необходимо измерять время прохождения ультразвуковой волны между моментом времени, в который она передается, и моментом времени, в который она принимается.

На фиг.2 показана форма волны сигнала S1 прямоугольного импульса длительности Т, передаваемого в момент времени Т_о первым ультразвуковым преобразователем, расположенным в потоке текучей среды в первой точке, и форма волны сигнала S2, представляющего импульсную характеристику, принимаемую в качестве его изображения в момент времени T₁ вторым ультразвуковым преобразователем, расположенным в потоке текучей среды во второй точке, которая находится на расстоянии от первой точки.

Звуковой сигнал S2, принимаемый вторым преобразователем, состоит из серии характеристических колебаний О_с, амплитуда которых в течение нескольких периодов увеличивается, а затем уменьшается, причем огибающая характеристических колебаний имеет колоколообразную форму. Характеристическим колебаниям О_с сигнала S2 предшествуют и после них следуют колебания помех О_р малой амплитуды. Для определения момента времени T₁, в который начинаются характеристические колебания, целесообразно идентифицировать первый значащий переход через нуль характеристических колебаний О_с принимаемого звукового сигнала S2.

Фиг.3 представляет увеличенный масштаб по сравнению с фиг.2 и изображает пример звукового сигнала S2, принимаемого в качестве изображения прямоугольного импульса S1, передаваемого с определенной звуковой частотой F_a.

Для определения начала характеристических колебаний О_с, используя известный способ, устанавливают пороговое напряжение V_s, относительно которого сравнивают уровень принимаемого звукового сигнала S2, причем сравнение выполняется на основании преобразованного в цифровую форму сигнала, получаемого после выборки принимаемого аналогового сигнала с частотой выборки F_e, которая, например, кратна звуковой частоте F_a.

В этом случае идентифицируется момент времени T₂, в который амплитуда принимаемого сигнала пересекает пороговое напряжение V_s, и определяется момент времени предыдущего (или последующего) перехода через нуль, и этот момент времени затем считается в качестве начального момента T₁ характеристических колебаний О_с принимаемого звукового сигнала S2.

Этот способ измерения может приводить к ошибкам всякий раз, когда характеристические колебания О_с принимаемого звукового сигнала S2 могут быть в большей или меньшей степени усилены в зависимости от характера газа. Таким образом, фиг. 4 иллюстрирует кривую S21, которая соответствует форме волны принимаемого звукового сигнала для азота (N₂), и кривую S22, которая соответствует форме волны принимаемого звукового сигнала для смеси двуокиси углерода и метана (СО₂/СН₄). Можно заметить, что кривая S21 переходит через пороговое напряжение V_s в момент времени Т₄, который запускает идентификацию предыдущего перехода через нуль в момент времени Т₃, который правильно считается отмечающим начало характеристических колебаний О_с. Однако можно видеть, что кривая S22, которая находится в фазе с кривой S21, пересекает пороговое напряжение V_s в момент времени Т₆, который наступает позже момента времени Т₄ и который смещен относительно него на значение одного периода TR в принимаемом сигнале. Затем определяется момент времени Т₅ для кривой S22, считающийся точкой перехода через нуль, непосредственно предшествующий переходу через пороговое значение в момент времени Т₆, и после этого он считается отметкой момента времени, в который начинаются характеристические колебания О_с кривой S22. К сожалению, как можно видеть на фиг.4, кривая S22 имеет отрицательный лепесток, который лишь близко подходит к значению порогового напряжения V_s, не достигая и не пересекая упомянутый порог.

Вследствие изменения усиления или ослабления принимаемого сигнала S2 в зависимости от характера газа обычный способ измерения времени первого перехода через нуль характеристических колебаний принимаемого сигнала может приводить к увеличению ошибки на плюс или минус один период, которое существенно уменьшает точность измерения.

Изобретение стремится устранить вышеупомянутые недостатки и обеспечить возможность снизить чувствительность способа измерения времени перехода через нуль принимаемого звукового сигнала в связи с изменением формы волны сигнала и в связи с любыми внешними возмущениями, которые можно обнаружить посредством способа контроля перехода через пороговый уровень и которые могут привести к увеличению ошибочных измерений.

Эти задачи решаются при помощи способа измерения времени распространения звукового сигнала в потоке текучей среды между первым преобразователем, действующим в качестве передающего устройства, и вторым преобразователем, действующим в качестве приемного устройства и расположенным на определенном расстоянии от первого преобразователя, где звуковой сигнал, передаваемый первым преобразователем, состоит по меньшей мере из одного импульса, передаваемого на определенной звуковой частоте F_a, a звуковой сигнал, принимаемый вторым преобразователем, состоит из серии характеристических колебаний, амплитуда которых вначале увеличивается в течение нескольких периодов, а затем уменьшается в течение нескольких периодов, при этом огибающая характеристических колебаний имеет колоколообразную форму, заключающегося в том, что осуществляют выборку принимаемого звукового сигнала с частотой F_e выборки, преобразуют в цифровую форму выборочно принимаемый звуковой сигнал и осуществляют поиск первого значащего перехода через нуль характеристических колебаний принимаемого звукового сигнала посредством анализа выбираемого и преобразуемого в цифровую форму принимаемого звукового сигнала, причем согласно изобретению для нахождения первого значащего перехода через нуль характеристических колебаний принимаемого звукового сигнала вначале определяют идеальный характеристический первый период, который отличается отношением максимальных амплитуд _i– и Р_i+ двух лепестков упомянутого периода, и затем для каждого периода принимаемого звукового сигнала, который выбирают и преобразуют в цифровую форму, определяют максимальные амплитуды Р- и Р+ двух лепестков исследуемого периода, отношение упомянутых амплитуд Р- и Р+ сравнивается с отношением идеальных амплитуд, соответствующих идеальному периоду, а затем, если результат сравнения больше порогового значения, исследуемый период считают периодом помех, соответствующим шуму, а если результат сравнения меньше порогового значения, исследуемый период считают характеристическим периодом и в этом случае определяют переход через нуль между двумя лепестками характеристического периода, и этот переход через нуль считают первым значащим переходом через нуль характеристических колебаний принимаемого звукового сигнала.

Желательно, чтобы отношение максимальных амплитуд P_i– и Р_i+ двух лепестков идеального периода определяли бы на основании средней величины отношения максимальных амплитуд Р- и Р+ характеристических периодов для множества различных газов при различных скоростях потока посредством записи принимаемых звуковых сигналов.

Желательно, чтобы сравнение между отношением амплитуд Р- и Р+ исследуемого периода и отношением амплитуд, соответствующим идеальному периоду, выполняли бы посредством вычисления критерия G подобия, который используют для сравнения с пороговым значением G_s, следующим образом:

Желательно, чтобы сравнение между отношением амплитуд Р- и Р+ исследуемого периода и отношением амплитуд, соответствующих идеальному периоду, выполняли бы посредством вычисления критерия G подобия, который использовали бы для сравнения с пороговым значением G_s, следующим образом:

где Z представляет смещения для образования критерия подобия, зависимого от максимальной амплитуды Р- отрицательного лепестка исследуемого характеристического периода.

Желательно, чтобы сравнение между отношением амплитуд Р- и Р+ исследуемого периода и отношением амплитуд, соответствующим идеальному периоду, выполняли бы посредством вычисления критерия подобия, который использовали бы для сравнения с пороговым значением следующим образом:

где Z представляет смещения для образования критерия G подобия, зависимого от максимальной амплитуды Р- отрицательного лепестка исследуемого характеристического периода, a Z’ представляет смещения для образования критерия G подобия, зависимого от максимальной амплитуды Р+ положительного лепестка исследуемого характеристического периода.

Желательно, чтобы для определения максимальных амплитуд Р- и Р+ двух лепестков каждого исследуемого периода с более высокой точностью выполняли бы аппроксимирование для определения максимума (по абсолютной величине) на основании точек, выбираемых вблизи каждого максимума.

Желательно чтобы для определения максимальных амплитуд Р- и Р+ двух лепестков каждого исследуемого периода с более высокой точностью выполняли бы множество последовательных измерений на множестве последовательных звуковых сигналов со сдвигом по фазе сигнала выборки для каждого звукового сигнала относительно рассматриваемого звукового сигнала и чтобы получали множество точек выборок вблизи максимальных амплитуд.

Желательно чтобы для каждого исследуемого периода выполняли бы два или три расчета критерия G подобия с различными значениями отношений максимальных амплитуд идеального периода, близких заранее определенному отношению максимальных амплитуд и отличающихся от них менее чем на 10%, при этом исследуемый период считается характеристическим периодом, если получаемый в результате расчета критерий G подобия во всех случаях меньше порогового значения G_s.

Желательно, чтобы для определения порогового значения G_s для критерия G подобия, а также для определения значения Z смещения вначале вычерчивали бы серию первых кривых для различных газов с различными скоростями потока, изменяя смещение между частотой F_e выборки и принимаемым звуковым сигналом путем изменения коэффициента усиления в диапазоне 0,45-1,5, где упомянутые кривые представляют максимальные значения критерия G подобия для наблюдаемых характеристических периодов, и аналогично вычерчивали бы вторую серию кривых, представляющих значения минимумов критерия G подобия для наблюдаемых периодов помех, в зависимости от различных возможных значений Z смещения, а пороговое значение G_s и значение Z смещения выбирают в зависимости от запаса надежности, имеющегося в промежуточной зоне между серией первых кривых и серией вторых кривых.

Желательно, чтобы пороговое значение G_s выбирали бы в диапазоне 0,7-1,7 В, а значение Z смещения выбирали бы в диапазоне 0,21 – 0,25 В.

Поставленная задача может решаться при помощи способа измерения скорости потока текучей среды между двумя преобразователями, расположенными в разнесенных друг от друга точках измерения в направлении потока текучей среды, в котором подлежащее измерению значение скорости потока получается посредством сочетания измерений времени распространения для каждого из двух звуковых сигналов, передаваемых преобразователями между двумя точками в противоположных направлениях, с измерением фазовых сдвигов звукового сигнала, наводимых в каждом звуковом сигнале из-за распространения звуковых сигналов в потоке, причем согласно изобретению время распространения каждого из двух звуковых сигналов, передаваемых между двумя точками измерения, измеряют путем использования вышеописанного способа.

Другие характеристики и преимущества изобретения станут ясными из последующего описания конкретных вариантов осуществления, приведенного со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 представляет общую блок-схему известного устройства измерения газового потока, к которому применимо настоящее изобретение.

Фиг. 2 представляет график, иллюстрирующий принцип известного способа определения времени распространения звукового сигнала в текучей среде.

Фиг. 3 представляет график в увеличенном масштабе, иллюстрирующий часть фиг. 2, для объяснения принципа известного способа определения времени распространения звукового сигнала посредством сравнения принимаемого сигнала с пороговым значением.

Фиг. 3а представляет график, аналогичный фиг.3, иллюстрирующий способ выполнения операций на выборочном сигнале в известном способе определения времени распространения звукового сигнала посредством перехода через нуль.

Фиг. 4 представляет группу из двух графиков, аналогичных графику фиг.3, иллюстрирующую риск появления ошибки в известном способе определения времени распространения звукового сигнала, опирающемся на сравнение принимаемых сигналов с пороговым значением.

Фиг. 5 представляет график, иллюстрирующий принцип, выполняемый соответствующим изобретению способом определения времени распространения звукового сигнала в текучей среде.

Фиг. 6 представляет график, иллюстрирующий семейство кривых, позволяющих осуществлять выбор значений параметров, которые подходят для выполнения соответствующего изобретению способа.

Фиг. 7 представляет блок-схему, иллюстрирующую пример различных этапов в соответствующем изобретению способе.

Различные типы электронных схем можно использовать в измерителе потока текучей среды с помощью способа измерения, использующего ультразвук для измерения скорости потока текучей среды. На фиг.1 показана блок-схема одного примера такой электронной схемы, которая связана с двумя ультразвуковыми преобразователями 1 и 2, расположенными на расстоянии друг от друга в трубопроводе 3, по которому здесь проходит текучая среда типа газа. Два преобразователя 1 и 2 соединены с коммутационным блоком 4, который включает в себя два переключателя 5 и 6, позволяющих использовать каждый преобразователь при чередовании в качестве передающего устройства и в качестве приемного устройства. Модуль 14 передающего устройства и модуль 17 приемного устройства соединены соответственно с переключателями 5 и 6 коммутационного блока 4. Модуль 14 передающего устройства содержит операционный усилитель 16 и цифроаналоговый преобразователь 15. Модуль 17 приемного устройства содержит по меньшей мере один усилитель 18 и аналого-цифровой преобразователь 19, который одновременно осуществляет выборку и преобразование в цифровую форму принимаемого сигнала. Источник 7 электропитания и модуль 8 управления источником электропитания подсоединены, в частности, к модулю 14 передачи и к модулю 17 приема, а также к блоку 4 коммутации и к микроконтроллеру 10. Микроконтроллер 10 включает в себя, в частности, кварцевый генератор 9 тактовых импульсов, арифметический и логический блок схемы памяти чтения-записи и постоянной памяти, и способен взаимодействовать со схемой 13 отображения и перезаписываемой постоянной памятью 12 и серийной линией связи 11 типа RS 232.

Необходимо, чтобы газовые счетчики для каждого потребителя распределительной сети были одновременно точными, надежными и по возможности дешевыми. Эти ограничения заставляют избегать использования дорогостоящих компонентов, использовать только маленькие долгосрочные аккумуляторные батареи электропитания средней емкости по причинам безопасности, и для выполнения расчетов, используя способ измерения, который гарантирует высокую точность и высокую надежность, оставаясь достаточно простым с точки зрения экономии электропитания.

Таким образом, как объяснялось выше, соответствующий изобретению способ измерения удобно применим в измерительных приборах для измерения скорости потока газообразной текучей среды, подходящих для измерения потребления упомянутой текучей среды, посредством реализации двух ультразвуковых преобразователей, которые расположены на расстоянии друг от друга в трубопроводе в направлении потока текучей среды. В качестве примера, ультразвуковые преобразователи могут работать на звуковой частоте F_a порядка 40 кГц, а принимаемые звуковые сигналы можно преимущественно выбирать с частотой F_e, равной 320 кГц, то есть с частотой, которая в восемь раз больше частоты F_a.

Частота F_e выборки преимущественно равна кратной величине звуковой частоты F_a. Тем не менее, частота F_e может также иметь некоторое другое значение. Когда значение F_e очень низкое (независимо от того, кратная ли она частоте F_a или нет), предпочитают, например, использовать алгоритм аппроксимирования вблизи максимума (по абсолютной величине) каждого периода звукового сигнала, или фактически выполнять множество последовательных измерений, где сигнал выборки в каждом случае сдвинут по фазе относительно рассматриваемого звукового сигнала с целью получения более высокой точности в отношении значений максимальных амплитуд (по абсолютной величине). Эти способы описываются ниже.

Когда значения F_e достаточно высокие, использование таких способов необязательно.

Звуковой сигнал, передаваемый преобразователем, состоит, например, из импульса, передаваемого с определенной звуковой частотой F_a. В этом примере импульс может быть, например, прямоугольным. Можно передавать также множество импульсов.

Обычно, скорость потока текучей среды в трубопроводе можно записать следующим образом.

Ф = (SL/2)(T_u-T_d)/T_uT_d,
где S – среднее сечение канала, обеспеченного для потока между двумя звуковыми преобразователями,
L – расстояние между преобразователями,
T_d – время распространения звукового сигнала, передаваемого в направлении потока от первого преобразователя (преобразователя выше по потоку) до приема упомянутого звукового сигнала вторым преобразователем (преобразователем ниже по потоку),
Т_u – время распространения звукового сигнала, передаваемого в направлении, противоположном потоку от второго преобразователя до приема упомянутого звукового сигнала первым преобразователем (преобразователем выше по потоку).

Если при этом измерении скорости потока также используется измерение фазового сдвига звукового сигнала, наводимого в каждом звуковом сигнале посредством распространения каждого звукового сигнала, передаваемого преобразователями в поток, то скорость потока текучей среды в трубопроводе можно записать следующим образом:
Ф = (SL/4F_a)(2[F_a(T_u-T_d)]+(d-u))/T_uT_d,
где S, L, T_d и T_u имеют такие же значения, как и приведено выше, a d и u представляют соответственно фазовые сдвиги звукового сигнала, наводимые в каждом из звуковых сигналов из-за распространения упомянутых сигналов, a F_a представляет частоту упомянутых звуковых сигналов.

Более конкретно, время распространения T_u и T_d можно записать соответственно следующим образом:
T_u=L/(c-v),
T_d=L/(c+v),
где с и v представляют соответственно скорость распространения звукового сигнала и скорость потока газа.

Для данного состава газа, поскольку скорость с распространения зависит, главным образом, от температуры, которая мало изменяется во время проведения измерения скорости потока, член T_uT_d также мало изменяется, и этот член можно рекомендовать на сравнительно низкой частоте. Однако, если измеряется абсолютное время распространения, то получаемая точность при упомянутом измерении переходит непосредственно в точность, с которой измеряется скорость потока. Таким образом, важно избегать наличия смещения при этом измерении.

Например, если требуемая точность на основании скорости потока составляет 1%, то точность, с которой измеряется время распространения, должна быть близкой к 0,5%, что соответствует погрешности менее 2 мкс по времени распространения при использовании обыкновенных газов и обыкновенных длин L между двумя преобразователями (например, L=150 мм, а газом является метан).

При измерении времен распространения Т_u и Т_d “методом перехода через нуль”, времена распространения (T_u pz) и (T_d pz) звуковых сигналов, передаваемых каждым из преобразователей, измеряют до обнаружения перехода через нуль, и из них выводятся реальные времена распространения Т_u и T_d, где Т_u= (T_u pz-Т_о), и T_d=(T_d pz-T_o), где Т_о – постоянная, подлежащая подстановке для получения времени распространения в газе, и она зависит только от характера преобразователей и электронных схем.

На фиг. 3 показан способ измерения перехода через нуль, выполняемого на основании каждого принимаемого ультразвукового сигнала известным способом, при использовании аппаратуры показанного на фиг.1 типа.

Принимаемый сигнал усиливается усилителем 18, который обеспечивает усиление, а затем осуществляются одновременные выборка и преобразование в цифровую форму в преобразователе 19. В рассматриваемом примере выборка выполняется на частоте F_e, которая может быть равна, например, 8F_a, то есть 320 кГц, если F_a равна 40 кГц.

Инструкции, разрешающие выполнять измерения, содержащиеся в постоянной памяти микропроцессора 10, обеспечивают возможность сравнивать значения амплитуд принимаемого сигнала в выборочных точках, и эти значения запоминаются в памяти чтения-записи с заранее определенным значением, соответствующим пороговому значению V_s, и выполнять поиск среди значений амплитуд выборочных точек, первой точки после А, которая имеет значение амплитуды больше порогового.

Начиная от этой точки отыскивается следующий переход через нуль на кривой, соответствующей ультразвуковому сигналу. Для этого определяются две последовательные точки В и С выборок, которые находятся на любой стороне от точки, где амплитуда кривой проходит через нуль значений, и выполняется линейное интерполирование между точками В и С для определения точки D и, таким образом, для измерения времени T_pz перехода через нуль.

В различных вариантах осуществления, показанных на вышеописанных фиг.3 и 4, можно также отыскать последний переход через нуль кривой, представляющей ультразвуковой сигнал до прохождения упомянутой кривой через пороговое значение.

Настоящее изобретение пытается улучшить этот способ определения времени распространения сигнала посредством измерения моментов времени перехода через нуль.

Как упоминалось выше со ссылкой на фиг.3 и 4, только сравнение значений амплитуд напряжения в выборочных точках принимаемого звукового сигнала с пороговым значением V_s напряжения может привести к увеличению погрешностей в определении времени T_pz перехода через нуль и, таким образом, во времени распространения упомянутого сигнала. Хотя время Т₃ для кривой S21, касающейся сигнала, соответствующего газу, состоящему из азота, является точным на фиг. 4, время T₅ перехода через нуль для кривой S22, касающейся сигнала, соответствующего газу, состоящему из смеси двуокиси углерода и метана, является неточным и слишком большим.

Соответствующий изобретению способ обеспечивает возможность избегать этого типа ошибок и в общем снизить чувствительность способа измерения времени перехода через нуль к изменениям формы волны и к возможным внешним помехам, которые, в случае обнаружения, дают увеличение погрешностей измерения.

В соответствии с изобретением после отыскания первого значащего перехода через нуль характеристических колебаний _с принимаемого звукового сигнала S2 вначале определяется идеальный первый характеристический период, который отличается от помеховых колебаний низких амплитуд, составляющих шум, и который определяет первое прохождение через нуль характеристических колебаний О_с принимаемого сигнала. Этот идеальный период отличается отношением между амплитудами максимальных значений P_i– и P_i+ отрицательного и положительного лепестков упомянутого идеального периода.

При приеме подлежащего анализу звукового сигнала S2 осуществляется его выборка и преобразование в цифровую форму обычным способом, определяются максимальные значения Р- и Р+ амплитуд отрицательного и положительного лепестков исследуемого периода для каждого периода выбираемого и преобразуемого в цифровую форму принимаемого звукового сигнала. Для этого нет необходимости исследовать все выборочные точки периода, а максимальные значения (по абсолютной величине) Р- и Р+ отрицательного и положительного лепестков исследуемого периода можно определять посредством лишь поиска вблизи этих экстремальных значений.

Тем не менее, следует отметить, что между принимаемыми звуковыми сигналами и сигналами выборки существует фазовый сдвиг. Таким образом, в зависимости от существующего фазового сдвига выборочная точка более или менее правильно представляет максимальные значения (по абсолютной величине) Р- и Р+ отрицательного и положительного лепестков.

Для решения этой проблемы можно использовать алгоритм аппроксимирования максимума (по абсолютной величине) на основании точки, выбираемой вблизи максимума, для получения оценки реального значения упомянутого максимума, независимо от фазового сдвига, существующего между принимаемым звуковым сигналом и сигналом выборки. Например, можно использовать обычный полигональный алгоритм аппроксимации. Вышеописанную проблему можно также решить посредством увеличения частоты выборки.

Тем не менее, при воплощении соответствующего изобретению способа в расходомере, работающем от аккумуляторной батареи, необходимо уменьшать потребление электроэнергии этим способом так, чтобы она оказалась по возможности низкой, а это требование не совместимо с увеличением частоты выборки.

Кроме того, высокая частота выборки требует использования тактового генератора, который имеет более высокую стоимость. Решение, имеющее преимущество для преодоления вышеупомянутой проблемы, при согласовании с ограничениями в отношении потребления электроэнергии и стоимости (когда звуковой сигнал может повторяться на протяжении времени для множества последовательных измерений), состоит в выполнении множества последовательных измерений соответственно на множестве последовательных звуковых сигналов, передаваемых в том же направлении распространения, осуществляя сдвиг фазы сигнала выборки относительно звукового сигнала каждый раз, когда производится новое измерение, для получения от различных измерений множества точек выборки, которые смещаются вблизи максимальных амплитуд Р- и Р+ отрицательного и положительного лепестков. Например, первое измерение можно выполнить посредством осуществления выборки обычно принимаемого звукового сигнала, затем можно выполнять второе измерение на втором звуковом сигнале, сдвигая сигнал выборки относительно упомянутого второго звукового сигнала на определенную величину 1/2F_е.

Таким образом, можно выполнять множество последовательных фазовых сдвигов (каждое значение составляет (1/n)F_e для n фазовых сдвигов) на втором звуковом сигнале и последующих звуковых сигналах для получения дополнительных точек выборки вблизи максимума, достигая таким образом еще более высокой точности, касающейся максимальных амплитуд Р- и Р+. Для дополнительного увеличения точности выгодно также сочетать использование алгоритма аппроксимирования максимума (по абсолютной величине) с упомянутым решением.

После этого выполняется сравнение между отношением упомянутых максимальных значений амплитуд Р- и Р+ и соответствующим отношением для идеального периода.

Если результат сравнения больше порогового напряжения G_s, то предполагается, что исследуемый период является периодом помех, соответствующим шуму, и анализ продолжается на следующем периоде.

Если результат сравнения меньше порогового значения G_s, то предполагается, что исследуемый период является характеристическим периодом.

После этого можно определить надежным образом переход через нуль, связанный с исследуемым периодом. Этот переход через нуль, рассматриваемый в качестве первого значащего перехода через нуль характеристических колебаний принимаемого звукового сигнала, может преимущественно представлять переход через нуль, расположенный между положительным и отрицательным лепестками характеристического периода.

На фиг.5 показано первое характеристическое колебание О_са для периода T с положительным лепестком, амплитуда которого имеет максимальное значение Р+, и отрицательным лепестком, амплитуда которого имеет максимальное значение Р-. Переход через нуль, связанный с первым периодом T первого характеристического колебания О_са определяет время перехода через нуль, соответствующее времени Т7.

Соотношение между значениями максимальных амплитуд Р- и Р+ двух лепестков исследуемого периода принимаемого звукового сигнала составляет критерий сравнения, который не зависит от характера газа. Таким образом, старение электроники может привести к увеличению изменений усиления, без изменения усиления, имеющего какое-либо влияние на это соотношение между максимальными амплитудами Р- и Р+. Таким образом, форму волны принимаемого звукового сигнала можно распознать простым способом, ограничивая тем самым потребление энергии, поскольку сравнение выполняется исключительно между максимальными амплитудами Р- и Р+ лепестков и отношением идеальных амплитуд между максимальными амплитудами Р- и Р+ двух лепестков идеального характеристического периода.

Вначале определяется отношение идеальных амплитуд из среднего значения множества различных газов и при различных скоростях потока, из соотношений между максимальными амплитудами Р- и Р+ наблюдаемых характеристических периодов, посредством записи принимаемых звуковых сигналов.

В конкретном варианте осуществления сравнение между отношением амплитуд Р- и Р+ для исследуемого периода и соответствующим отношением амплитуд идеального периода осуществляется путем рассчитывания критерия G подобия, который представляет результат сравнений относительно порогового значения G_s и который определяется следующим образом:

При выполнении сравнения с учетом отношений максимальных амплитуд лепестков периода принимаемого звукового сигнала опорное отношение идеальных амплитуд не подвергается влиянию характера газа или усиления цепи, которая усиливает принимаемый сигнал. Это вносит вклад в облегчение измерения.

Тем не менее, может случиться, что помеховые периоды сигнала, состоящего из шума, включают в себя формы волн, которые аналогичны формам волн, определяемым критерием G сравнения. Чтобы сделать обнаружение характеристических периодов менее чувствительным к опасности учитывания аналогичных форм волн, скрытых в шумах и не составляющих первый период О_са характеристического колебания О_с в принимаемом сигнале, критерий подобия можно сделать слегка зависимым от амплитуды Р-.

Таким образом, в другом конкретном варианте осуществления сравнение между отношением амплитуд Р- и Р+ исследуемого периода и отношением амплитуд, соответствующих идеальному периоду, выполняется посредством расчета критерия G подобия, который составляет результат сравнения с пороговым значением G_s и который определяется следующим образом:

где Z представляет член смещения для образования критерия G подобия, слегка зависимого от амплитуды максимального значения (Р-) отрицательного лепестка исследуемого характеристического периода.

В этом случае знаменатель формулы критерия G делается гораздо меньше, когда амплитуда Р- оказывается ближе к члену Z смещения. Если член Z смещения имеет значение, которое несколько больше максимальной амплитуды шума (например, порядка 0,20 – 0,25 В), это обеспечивает возможность быстрее исключать периоды помех из принимаемого сигнала.

Для определения значения G_s, которое подлежит сравнению с критерием G подобия, и значения члена Z смещения вычерчивают серию первых кривых, представляющих максимальные значения критерия G подобия для наблюдаемых характеристических периодов, и вычерчивают серию вторых кривых, представляющих минимальные значения критерия G подобия для наблюдаемых периодов помех, в функции различных возможных значений члена Z смещения, и выбирают пороговое значение G_s, которое представляет собой значение для члена Z смещения посредством выбора порогового значения G_s и значения члена Z смещения в зависимости от запаса надежности, имеющегося в промежуточной зоне между серией первых кривых и серией вторых кривых.

В качестве примера были получены показанные на фиг.6 семейства кривых 111 и 121 посредством изменения смещения между частотой выборки и сигналом и посредством применения коэффициента усиления, изменяющегося в диапазоне 0,45-1,5, принимая во внимание то, что газом был метан и смесь, содержащая 20% двуокиси углерода и 80% азота, причем измерения выполняли при скоростях потока, находящихся в диапазоне от 0 до 7 м³/ч.

Серии кривых 111 и 121 обеспечивают возможность выбора значений для члена Z смещения и для порогового значения G_s в зависимости от запаса надежности, требуемого исходя из этих значений. На фиг.6 можно видеть, что можно выбирать значение G_s, находящееся, например, между приблизительно 0,7 В и 1,7 В, и значение члена Z смещения, находящееся, например, между 0,21 и 0,25 В.

Например, если выбраны значения G_s=2 и Z=0,22 В, то запас надежности на основании Z находится в диапазоне 0,20-0,25 В, в то время как запас надежности для G_s находится в диапазоне 1-4. На практике в этом примере исследуемый период будет считаться характеристическим, если G < G_s = 1,5.

Другие варианты осуществления обеспечивают возможность дополнительно увеличивать безопасность и надежность способа.

Таким образом, при практическом применении сравнение отношения амплитуд Р- и Р+ для исследуемого периода и отношения амплитуд, соответствующего идеальному периоду, выполняют посредством вычисления критерия G подобия, критерий представляет результат сравнения с пороговым значением G_s и определяется следующим образом:

где Z представляет член смещения для образования критерия G подобия, слегка зависимого от амплитуды максимального значения (Р-) отрицательного лепестка исследуемого характеристического периода, а Z’ представляет член смещения для образования критерия G подобия, слегка зависимого от амплитуды максимального значения (Р+) положительного лепестка исследуемого характеристического периода.

Это обеспечивает возможность снижения чувствительности к периодам подобия низкой амплитуды, и без существенного увеличения сложности расчета также обеспечивается возможность снижения усиления цепи усилителей до величины только 0,35, что экономит энергию.

В другом варианте и независимо от формулы, выбранной для критерия G подобия, для каждого исследуемого периода выполняются два или три расчета критерия G подобия с использованием различных значений отношения амплитуд, близких к заранее определенному отношению амплитуд и отличающихся от них не более чем на 10%, и исследуемый период считается характеристическим периодом, если рассчитанный критерий G подобия во всех случаях меньше порогового значения G_s.

На фиг.7 представлена блок-схема, иллюстрирующая пример процесса, выполняемого соответствующим изобретению способом.

Если выборка рассматривается на частоте F_e, например, 320 кГц, которая в восемь раз больше звуковой частоты F_a преобразователей, то выборочный сигнал имеет восемь точек на период принимаемого сигнала.

Поскольку принимаемый звуковой сигнал имеет форму периодических колебаний, то известно, что необходимо найти экстремальные минимум и максимум, устраняя тем самым необходимость исследования всех выбираемых точек.

Таким образом, после инициализации каскада 201 способ начинается на этапе 202 посредством отыскания следующего локального минимума (амплитуда Р-). Во время этапа 202 используется критерий G подобия, который включает в себя член Z смещения, и сохраняется локальный первый минимум, только если амплитуда Р- больше (по абсолютной величине) члена Z смещения. При обнаружении этого первого локального минимума способ переходит к этапу 203, который состоит в поиске вблизи одного полупериода Т/2 от предыдущего минимума максимальной амплитуды Р+ периода.

На следующем этапе 204 рассчитывается критерий G подобия с использованием ранее найденных значений для минимума Р- и максимума Р+ исследуемого периода, который имеет по меньшей мере минимум, абсолютное значение которого больше члена Z смещения.

На этапе 205 выполняется испытание сравнения между значением рассчитанного критерия G и пороговым значением G_s.

Если для исследуемого периода G G_s, то считается, что период представляет собой промежуточный период, и способ возвращается к этапу 202, на котором он проверяет новый локальный минимум.

Если для исследуемого периода G < G_s, то период считается характеристическим периодом и способ переходит к этапу 206 для определения следующего перехода через нуль амплитуды принимаемого сигнала, который представляет переход через нуль, расположенный между локальным максимумом Р+ и локальным минимумом Р- и, таким образом, будет истинной начальной точкой характеристических колебаний О_с в принимаемом звуковом сигнале.

Для определения времени распространения ультразвукового сигнала этот процесс повторяется через несколько мгновений позже для нового измерения.

Формула изобретения

1. Способ измерения времени распространения звукового сигнала в потоке текучей среды между первым преобразователем, действующим в качестве передающего устройства, и вторым преобразователем, действующим в качестве приемного устройства и расположенным на определенном расстоянии от первого преобразователя, где звуковой сигнал, передаваемый первым преобразователем состоит, по меньшей мере, из одного импульса, передаваемого на определенной звуковой частоте Fa, и звуковой сигнал, принимаемый вторым преобразователем, содержит серию характеристических колебаний, амплитуда которых вначале увеличивается на протяжении нескольких периодов, а затем уменьшается на протяжении нескольких последовательных периодов, при этом огибающая характеристических колебаний имеет колоколообразную форму, заключающийся в том, что осуществляют выборку принимаемого звукового сигнала с частотой Fe выборки, преобразуют в цифровую форму выборочно принимаемый звуковой сигнал и осуществляют поиск первого значащего перехода через нуль характеристических колебаний принимаемого звукового сигнала посредством анализа выбираемого и преобразуемого в цифровую форму принимаемого звукового сигнала, отличающийся тем, что для нахождения первого значащего перехода через нуль характеристических колебаний принимаемого звукового сигнала вначале определяют идеальный характеристический первый период, который отличается отношением максимальных амплитуд Р- и Р+ двух лепестков упомянутого периода, и затем для каждого периода принимаемого звукового сигнала, который выбирают и преобразуют в цифровую форму, определяют максимальные амплитуды Р- Р+ двух лепестков исследуемого периода, отношение максимальных амплитуд Р- и Р+ сравнивают с отношением максимальных амплитуд, соответствующих идеальному периоду и затем, если результат сравнения больше порогового значения, исследуемый период считают периодом помех, соответствующих шуму, а если результат сравнения меньше порогового значения, исследуемый период считают характеристическим периодом и в этом случае определяют переход через нуль между двумя лепестками характеристического периода, и этот переход через нуль считают первым значащим переходом через нуль характеристических колебаний принимаемого звукового сигнала.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что отношение максимальных амплитуд Р- и Р+ двух лепестков идеального периода определяют на основании средней величины отношений максимальных амплитуд Р- и Р+ характеристических периодов для множества различных газов при различных скоростях потока посредством записи принимаемых звуковых сигналов.

3. Способ по любому из пп. 1 и 2, отличающийся тем, что сравнение между отношением амплитуд Р- и Р+ исследуемого периода и отношением амплитуд, соответствующим идеальному периоду, выполняют посредством вычисления критерия G подобия, который используют для сравнения с пороговым значением G_s, следующим образом:

4. Способ по любому из пп. 1 и 2, отличающийся тем, что сравнение между отношением амплитуд Р- и Р+ исследуемого периода и отношением амплитуд, соответствующим идеальному периоду, выполняют посредством вычисления критерия G подобия, который используют для сравнения с пороговым значением G_s, следующим образом:

где Z представляет смещение для образования критерия подобия, зависимого от максимального амплитуды Р- отрицательного лепестка исследуемого характеристического периода.

5. Способ по любому из пп. 1 и 2, отличающийся тем, что сравнение между отношением амплитуд Р- и Р+ исследуемого периода и отношением амплитуд, соответствующим идеальному периоду, выполняют посредством вычисления критерия подобия, который используют для сравнения с пороговым значением, следующим образом:

где Z представляет смещение для образования критерия G подобия, зависимого от максимальной амплитуды Р- отрицательного лепестка исследуемого характеристического периода, а Z¹ представляет смещение для образования критерия G подобия, зависимого от максимальной амплитуды Р+ положительного лепестка исследуемого характеристическогого периода.

6. Способ по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что для определения максимальных амплитуд Р- и Р+ двух лепестков каждого исследуемого периода с более высокой точностью выполняют аппроксимирование для определения максимума (по абсолютной величине) на основании точек, выбираемых вблизи каждого максимума.

7. Способ по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что для определения максимальных амплитуд Р- и Р+ двух лепестков каждого исследуемого периода с более высокой точностью выполняют множество последовательных измерений на множестве последовательных звуковых сигналов со сдвигом по фазе сигнала выборки для каждого звукового сигнала относительно рассматриваемого звукового сигнала, чтобы получить множество точек выборок вблизи максимальных амплитуд.

8. Способ по любому из пп. 3-7, отличающийся тем, что для каждого исследуемого периода выполняют два или три вычисления критерия G подобия с различными значениями отношений максимальных амплитуд идеального периода, близких заранее определенному отношению максимальных амплитуд и отличающихся от них менее чем на 10%, при этом исследуемый период считают характеристическим периодом, если получаемый в результате расчета критерий G подобия во всех случаях меньше порогового значения G_s.

9. Способ по п. 4, отличающийся тем, что для определения порогового значения G_s для критерия G подобия, а также для определения значения Z смещения вначале вычерчивают серию первых кривых для различных газов на различных скоростях потока, изменяя смещение между частотой Fe выборки и принимаемым звуковым сигналом путем изменения коэффициента усиления в диапазоне 0,45-1,5, где упомянутые кривые представляют максимальные значения критерия G подобия для наблюдаемых характеристических периодов, и аналогично вычерчивают вторую серию кривых, представляющих значения минимума критерия G подобия для наблюдаемых периодов помех в зависимости от различных возможных значений Z смещения, а пороговое значение G_s и значение Z смещения выбирают в зависимости от запаса надежности, имеющегося в промежуточной зоне между серией первых кривых и серией вторых кривых.

10. Способ по п. 4 или 9, отличающийся тем, что пороговое значение G_s выбирают в диапазоне 0,7В – 1,7В, а значение Z смещения выбирают в диапазоне 0,21В – 0,25В.

11. Способ измерения скорости потока текучей среды между двумя преобразователями, расположенными в разнесенных друг от друга точках измерений в направлении потока текучей среды, в котором значение подлежащей измерению скорости потока получают посредством сочетания измерения времени распространения каждого из двух звуковых сигналов, передаваемых преобразователями между двумя точками в противоположных направлениях с измерением фазовых сдвигов звукового сигнала, наводимых в каждом звуковом сигнале из-за распространения звуковых сигналов в потоке, отличающийся тем, что время распространения каждого из двух звуковых сигналов, передаваемых между двумя точками измерения, измеряют путем использования способа по любому из пп. 1-10.

РИСУНКИ

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 07.06.2003

Извещение опубликовано: 20.10.2005 БИ: 29/2005