УЛЬТРАЗВУКОВОЙ РАСХОДОМЕР
ULTRASONIC FLOWMETER

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в измерительных устройствах для определения расхода жидких или газообразных сред с помощью ультразвука.
Известен ультразвуковой расходомер (см. патент RU 2264602, G01F 1/66, опубл. 20.11.2005), характеризующийся тем, что он содержит блок формирования и анализа электрических импульсов, электрически связанный как минимум с двумя обратимыми электроакустическими преобразователями, каждый из которых имеет диаграмму направленности излучения и приема с углом раствора не менее 60° в плоскостях сечения и расположен на измерительном участке трубопровода таким образом, что ось диаграммы направленности преимущественно перпендикулярна продольной оси трубопровода, первый обратимый электроакустический преобразователь смещен относительно второго по направлению потока на расстояние не более 2,5 D, где D - диаметр трубопровода, причем внешняя излучающая поверхность каждого обратимого электроакустического преобразователя преимущественно совмещена с внутренней поверхностью трубопровода.
Недостатком аналога является отсутствие возможности измерения потребления тепловой энергии.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является ультразвуковой расходомер (см. патент RU 2353905, G01F 1/66, опубл. 27.04.2009), содержащий генератор зондирующих импульсов (формирователь пачки импульсов), приемно-усилительный тракт, компаратор, информационный вход которого подключен к выходу приемно-усилительного тракта. В состав ультразвукового расходомера введены управляемый коммутатор, схема формирования уровня, схема измерения времени, выход которой является выходом устройства, при этом первый и второй входы-выходы коммутатора подключены соответственно к выходам-входам первого и второго пьезоэлектрических преобразователей, первый вход коммутатора подключен к выходу генератора зондирующих импульсов, а второй вход является управляющим, выход коммутатора подключен к входу приемно-усилительного тракта, кроме того, выход генератора зондирующих импульсов подключен к первому входу схемы измерения времени, второй вход которой и первый вход схемы формирования уровня подключены к выходу компаратора, а выход схемы формирования уровня подключен к входу установки опорного сигнала компаратора, при этом второй вход схемы формирования уровня является входом установки схемы в исходное состояние.
Недостатком прототипа является отсутствие возможности измерения расхода в газообразных средах, а также дрейф параметров ультразвуковых преобразователей от температуры и старения, что негативно сказывается на точности измерений устройства.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является расширение технического функционала ультразвукового расходомера, за счет обеспечения возможности измерений не только в жидких, но и газообразных средах, измерение потребления тепловой энергии, и повышение точности замеров, производимых устройством.
Для достижения указанного технического результата ультразвуковой расходомер содержит формирователь пачки импульсов, усилитель, компаратор, вход которого подключен к выходу усилителя, измеритель интервалов времени, к первому входу которого подключен выход формирователя пачки импульсов, а к второму входу - выход компаратора, и ультразвуковые преобразователи. Он также снабжен преобразователями температуры, преобразователем сопротивления во временной интервал, мультиплексором, микроконтроллером, программируемым постоянным запоминающим устройством и индикатором, при этом выходы преобразователей температуры подключены к входам преобразователя сопротивления во временной интервал, выходы которого подключены к третьему и четвертому входам измерителя интервалов времени, подключенного своим выходом к входу микроконтроллера, который одним входом-выходом подключен к входу-выходу программируемого постоянного запоминающего устройства, а другим - к персональному компьютеру посредством интерфейса ввода-вывода RS485, а выходом подключен к входу индикатора, при этом входы-выходы ультразвуковых преобразователей подключены к входам-выходам мультиплексора, вход которого подключен к выходу формирователя пачки импульсов, а выход - к входу усилителя.
Изобретение поясняется фигурой, на которой изображена структурная схема ультразвукового расходомера.
Ультразвуковой расходомер содержит два ультразвуковых преобразователя 1 и 2, мультиплексор 3, формирователь пачки импульсов 4, усилитель 5, компаратор 6, измеритель интервалов времени 7, микроконтроллер 8, программируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ) 9, индикатор 10, преобразователь сопротивления во временной интервал 11, преобразователи температуры 12 и 13.
Входы-выходы ультразвуковых преобразователей 1 и 2 электрически связаны с входами-выходами мультиплексора 3, который своим входом связан с формирователем пачки импульсов 4, а выходом - с входом усилителя 5. Усилитель 5 соединен своим выходом с входом компаратора 6. Формирователь пачки импульсов 4 и компаратор 6 своими выходами соединены с первым и вторым, соответственно, входами измерителя интервалов времени 7. Его выход соединен с входом микроконтроллера 8, который своими входами-выходами соединен с ППЗУ 9 и персональным компьютером (ПК) (посредством интерфейса ввода-вывода RS485), а выходом - с индикатором 10. Выходы преобразователей температуры 12 и 13 соединены с входами преобразователя сопротивления во временной интервал 11, который своими выходами соединен с третьим и четвертым, соответственно, входами измерителя интервалов времени 7.
Ультразвуковые преобразователи 1, 2 работают с отраженной ультразвуковой волной и врезаются в трубопровод, по которому проходит поток измеряемой среды. Мультиплексор 3 обеспечивает измерение времени распространения ультразвуковой волны по потоку и против потока измеряемой среды. Формирователь пачки импульсов 4 формирует последовательность импульсов, которые передаются в ультразвуковые преобразователи 1 и 2, а также вырабатывает сигнал «Старт» для начала измерения с помощью измерителя интервалов времени 7 интервала времени прохождения ультразвукового сигнала через измеряемую среду. Усилитель 5 усиливает принятые с ультразвуковых преобразователей 1,2 сигналы. Компаратор 6 сравнивает усиленный сигнал с пороговым значением и формирует сигнал «Стоп» для окончания измерения интервала времени, который направляется на измеритель интервалов времени 7. Микроконтроллер 8 осуществляет преобразование измеренных интервалов времени в показания объемного расхода измеряемой среды или в показания потребленной тепловой энергии, записывает эти данные в ППЗУ 9, выводит информацию на индикатор 10 и обменивается данными с ПК по интерфейсу RS485. ППЗУ 9 хранит калибровочные коэффициенты, величины потребленных ресурсов и журнал потребленных ресурсов.
Преобразователи температуры 12 и 13, у которых изменяется электрическое сопротивление чувствительного элемента при изменении температуры, врезаются на входе и выходе трубопровода-теплоносителя. Преобразователь сопротивления во временной интервал 11 преобразует значения сопротивления преобразователей температуры 12 и 13 во временной интервал и генерирует импульсы «Старт» и «Стоп», которые направляются на измеритель интервалов времени 7.
Микроконтроллер 8, порог компаратора 6 и пороги усиления сигнала усилителя 5 программируются таким образом, чтобы параметры измерительной схемы (порог компаратора 6, порог усиления сигналов усилителя 5) с помощью микроконтроллера 8 могли адаптироваться во время работы и подстраиваться под изменяющуюся температуру среды, тем самым уменьшая дрейф параметров ультразвуковых преобразователей 1 и 2 от температуры.
Ультразвуковой расходомер работает следующим образом.
Формирователь пачки импульсов 4 генерирует зондирующие импульсы, которые через мультиплексор 3 попеременно поступают на ультразвуковые преобразователи 1 и 2, которые преобразуют электрическую энергию зондирующего импульса в ультразвуковую энергию и обратно. Оба ультразвуковых преобразователя 1, 2 излучают импульс, сгенерированный формирователем пачки импульсов 4, в измеряемую среду и принимают обратно отраженный ультразвуковой сигнал [1]. Сначала импульс подается на ультразвуковой преобразователь 1, измеряется время прохождения сигнала по потоку, и принимается на ультразвуковом преобразователе 2. Затем импульс подается на ультразвуковой преобразователь 2, измеряется время прохождения сигнала против потока, и принимается на ультразвуковом преобразователе 1.
В момент формирования импульса формирователь пачки импульсов 4 генерирует сигнал «Старт», который поступает на вход измерителя интервалов времени 7, тем самым инициируя начало измерения интервала времени. Принятый ультразвуковыми преобразователями 1, 2 ультразвуковой сигнал направляется обратно на мультиплексор 3, он измеряет время распространения ультразвукового сигнала, направленного по ходу движения потока измеряемой среды и против него. Полученные мультиплексором 3 сигналы направляются на усилитель 5, а затем на компаратор 6, который сравнивает усиленный сигнал с пороговым значением (которое задается на этапе изготовления) и направляет для окончания измерения сигнал «Стоп» на вход измерителя интервалов времени 7, который фиксирует время между отправкой и приемом зондирующих импульсов. С выхода измерителя интервалов времени 7 сигнал поступает в микроконтроллер 8, где измеренные интервалы времени преобразуются в показания объемного расхода измеряемой среды или потребленной тепловой энергии. Эти показания записываются ППЗУ 9 и выводятся на индикатор 10. Также микроконтроллер 8 по интерфейсу RS485 обменивается данными с ПК.
Преобразователи температуры 12, 13 измеряют потребленную тепловую энергию из разности температур измеряемой среды на входе и выходе трубопровода, а также объема, прошедшего через ультразвуковой расходомер. Преобразователи температуры 12, 13 подают сигнал на преобразователь сопротивления 11 во временной интервал, который в свою очередь генерирует сигнал «Старт» и посылает его на измеритель интервалов времени 7, для начала измерений, и сигнал «Стоп» - для их окончания.
Таким образом, ультразвуковой расходомер обладает расширенным функционалом, за счет обеспечения измерения расхода тепловой энергии и возможности его использования для измерений как в жидких, так и в газообразных средах, и характеризуется повышенной точностью измерений по сравнению с аналогами за счет уменьшения дрейфа параметров измерительной схемы.
Источники информации:
1. https://eno-tek.ru/blog/teplo-blog/ultrasonic-method