УЛЬТРАЗВУКОВОЙ РАСХОДОМЕР (ВАРИАНТЫ)

Полезные модели относятся к измерительной технике и могут быть использованы в измерительных устройствах для измерения расхода жидкости с помощью ультразвука.
Известен ультразвуковой расходомер, содержащий блок приема и генерации сигналов, включающий генератор зондирующих импульсов, приемно-усилительный тракт, пиковый детектор, устройство стробирования сигнала и компаратор, выход которого является выходом устройства (РФ патент №2106602, G06F 1/66, 10.03.1998).
Устройство обеспечивает уменьшение влияния шумовых сигналов на точность измерения расхода жидкости, путем управления входами компаратора устройством стробирования сигнала, а именно: закрытие входов пикового детектора и компаратора после прекращения действия стробирующего импульса, что снижает влияние нарастания шумовых помех на точность измерений. Однако вероятность ложного срабатывания компаратора от воздействия внешних помех остается достаточно высокой, что ведет к необходимости прецизионной установки величины опорного напряжения на компараторе. Кроме того, устройство не учитывает возможную нестабильность амплитуды информационного сигнала случайного характера, обусловленную нестабильностью электрических параметров элементов электрической схемы расходомера и пьезоэлементов, как формирующего ультразвуковую волну в исследуемой жидкости, так и принимающего ее и преобразующего в электрический сигнал.
Необходимость учета возможности увеличения амплитуды информационного сигнала на входе компаратора объясняется тем, что в процессе преобразования компаратором входного информационного синусоидального сигнала в последовательность однополярных прямоугольных импульсов в случае увеличения амплитуды входного сигнала происходит сдвиг фронтов выходного сигнала компаратора, т.е. возникает эффект «дрейф нуля», что приводит к ошибке в определении времени прохождения зондирующего сигнала. Поскольку время прохождения сигнала по потоку и против потока исследуемой среды очень мало и составляет от нескольких долей наносекунды до нескольких сот наносекунд, то ошибка, обусловленная увеличением амплитуды информационного сигнала, будет ощутимой, что снижает точность измерений.
Наиболее близким к предлагаемому является ультразвуковой расходомер, содержащий генератор зондирующих импульсов, приемно-усилительный тракт, компаратор, информационный вход которого подключен к выходу приемно-усилительного тракта, управляемый коммутатор, схему формирования уровня, схему 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 (патент на полезную модель РФ, №68148, G06F 1/00, 10.11.2007).
Наиболее близкий к предлагаемому ультразвуковой расходомер, по сравнению с вышеописанным аналогом, обеспечивает повышение точности измерения расхода жидкости путем устранения погрешности, обусловленной нестабильностью амплитуды информационного сигнала.
Однако, оба аналога имеют общий недостаток, а именно: они не позволяют при измерении расхода жидких сред учесть ошибку, вносимую «эффектом Допплера».
Это объясняется следующим. Как видно из описания работы устройств, в известных устройствах пьезоэлектрические преобразователи преобразуют ультразвуковой сигнал в электрический, у которого отрицательная полуволна всегда первая. Кроме того, в обоих аналогах заявленного устройства компаратор начинает работу с высоким уровнем напряжения, т.е. анализ сигнала на информационном входе компаратора начинается с первой положительной полуволны выходного сигнала пьезоэлектрического преобразователя.
Кроме того, в ближайшем к предлагаемому устройству ультразвуковом расходомере, компаратор после первого сравнения электрического сигнала на его информационном входе с заданным высоким уровнем напряжения переходит на сравнение входного информационного сигнала с нулевым уровнем напряжения. В результате, отрицательные полуволны информационного электрического сигнала, в том числе и первая отрицательная полуволна, отсекаются.
Таким образом, оба аналога при определении расхода жидкой среды анализируют только положительные полуволны электрических сигналов.
0
0
0
«Эффект Допплера» заключается в изменении длины волны λ (или частоты колебаний), воспринимаемой наблюдателем, при движении источника волн и наблюдателя относительно друг друга. При приближении источника к наблюдателю λ уменьшается (а частота колебаний увеличивается), а при удалении λ растет(а частота колебаний уменьшается) на величину λ-λ=λ×V/ν, где λ - длина волны источника, ν - скорость распространения волны, V - относительная скорость движения источника. Эффект Допплера позволяет измерять скорость движения источника излучения. («Новая иллюстрированная энциклопедия» Да-Жа, М.: ООО «ТД «Издательство Мир книги», 2006, с.165). Таким образом, поскольку жидкость, расход которой определяют, движется, то при измерении ее расхода всегда присутствует «эффект Допплера». В результате, в соответствии с «эффектом Допплера», формируемый пьезоэлектрическим преобразователем сигнал содержит информацию о расходе жидкой среды с учетом скорости ее движения.
В известных устройствах, как было описано выше, пьезоэлектрические элементы преобразуют ультразвуковой сигнал в электрический сигнал, у которого отрицательная полуволна всегда первая, а анализ зондирующего ультразвукового сигнала, преобразованного в электрический, начинается с его первой положительной полуволны. Поскольку, как было показано выше, «эффект Допплера» может выражаться как в увеличении частоты колебаний (сигнал сжимается), так и в снижении (сигнал расширяется), то, в результате, начало следующей за отрицательной полуволной положительной полуволны электрического сигнала смещается во времени, что вносит погрешность в ошибку измерения. При стационарном процессе, т.е. когда скорость движения жидкости постоянна и место расположения пьезоэлементов постоянно, эта ошибка одинакова и также постоянна для обоих пьезопреобразователей и компенсируется при вычислении расхода контролируемой жидкой среды. Однако, время прохождения сигнала по потоку и против потока исследуемой среды очень мало и составляет от нескольких долей наносекунды до нескольких сот наносекунд. Поэтому при нестационарном процессе, а именно: в условиях изменяющейся во времени скорости движущегося потока жидкости, ошибка, вносимая «эффектом Допплера», становится заметной и потеря информации из-за непринятия во внимание первой отрицательной полуволны электрического сигнала снижает точность конечных результатов определения скорости движения жидкости. Тем более, что в этом случае, благодаря «эффекту Допплера», информацию об изменении скорости движения контролируемой жидкости несет в себе весь сигнал в целом, а в известных способах часть этой информации теряется.
Таким образом, выявленные в результате патентного поиска аналог и наиболее близкий к предлагаемому ультразвуковые расходомеры при осуществлении не обеспечивают достижение технического результата, заключающегося в повышении точности измерения расхода жидких сред путем устранения погрешности, обусловленной «эффектом Доплера».
Предлагаемые полезные модели «Ультразвуковой расходомер (варианты)» решают задачу создания соответствующего расходомера, осуществление которого позволяет достичь технического результата, заключающегося в повышении точности измерения расхода жидких сред путем устранения погрешности, обусловленной «эффектом Допплера».
По первому варианту сущность полезной модели заключается в том, что ультразвуковой расходомер содержит генератор зондирующих импульсов, первый и второй пьезоэлектрические преобразователи, приемно-усилительный тракт, инвертор, компаратор, управляемый коммутатор, схему формирования уровня, схему измерения времени, выход которой является выходом устройства, при этом пьезоэлектрические преобразователи идентично подключены к первому и второму входам-выходам управляемого коммутатора, первый вход которого подключен к выходу генератора зондирующих импульсов, а второй вход является управляющим, выход коммутатора подключен к входу приемно-усилительного тракта, выход которого через инвертор подключен к информационному входу компаратора, 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.
Технический результат достигается следующим образом.
Генератор зондирующих импульсов, благодаря связи с первым входом управляющего коммутатора, обеспечивает формирование возбуждающего импульса для пьезоэлектрических преобразователей, которые поочередно формируют в исследуемой жидкости ультразвуковую волну по потоку и против него и преобразуют принятую ультразвуковую волну в электрический синусоидальный сигнал в виде периодических затухающих синусоидальных колебаний.
Излучение ультразвуковой волны по потоку и против него позволяет определить скорость жидкости в проточной части, а следовательно, и ее расход, так как известно, что разность времен прохождения ультразвуковых волн в обоих направлениях прямо пропорциональна скорости потока.
При этом, благодаря тому, что первый и второй пьезоэлектрические преобразователи идентично подключены соответственно к первому и второму входам-выходам управляемого коммутатора, электрические сигналы, полученные в результате преобразования пьезоэлементами принятой ультразвуковой волны, имеют одинаковую полярность, а именно: первая полуволна электрического сигнала расположены ниже оси симметрии синусоидального сигнала (первая полуволна отрицательная).
Благодаря связи с первым входом схемы измерения времени, генератор зондирующих импульсов одновременно с подачей возбуждающего импульса на соответствующий пьезопреобразователь запускает схему измерения времени, фиксируя, тем самым, начало отсчета времени прохождения через исследуемую жидкость ультразвуковой волны, формируемой соответствующим пьезоэлектрическим преобразователем.
Управляемый коммутатор под воздействием сигнала управления, поступающего на его управляющий вход, обеспечивает возможность поочередного возбуждения сигналом с генератора зондирующих импульсов одного из двух пьезоэлектрических преобразователей, каждый из которых, в результате, формирует в жидкой среде ультразвуковую волну, и передачу на приемно-усилительный тракт расходомера другим пьезоэлектрическим преобразователем электрического синусоидального сигнала, полученного в результате преобразования им принятой ультразвуковой волны.
Приемно-усилительный тракт выделяет высокочастотную составляющую, соответствующую ультразвуковому сигналу, формируемому в исследуемой среде соответствующим пьезоэлектрическим преобразователем, и передает на вход инвертора усиленный полезный синусоидальный сигнал в виде периодических затухающих синусоидальных колебаний. Благодаря связи выхода инвертора с информационным входом компаратора, на информационный вход компаратора поступает инвертированный сигнал, содержащий в себе информацию о времени прохождения исследуемой жидкости ультразвуковой волной направления по потоку или против него. При этом его первая полуволна всегда расположена выше оси симметрии синусоидального сигнала (первая полуволна положительная).
Вход установки в исходное состояние схемы формирования уровня обеспечивает после включения напряжения питания ее установку в состояние, при котором на ее выходе устанавливается напряжение, соответствующее исходному уровню порогового сигнала компаратора. Схема формирования уровня, за счет связи ее выхода со входом установки опорного напряжения компаратора, устанавливает на нем уровень порогового сигнала. Благодаря связи выхода компаратора с первым входом схемы формирования уровня, обеспечивается возможность фиксации схемой момента превышения опорного напряжения амплитудой информационного сигнала на первом входе компаратора и изменения в этот момент времени значения исходного уровня опорного сигнала на компараторе на нулевое.
Компаратор формирует на своем выходе последовательность импульсов одинаковой амплитуды, содержащую информацию о времени прохождения ультразвуковой волной одного из направлений: по потоку или против него. При этом, поскольку в исследуемом синусоидальном сигнале первая полуволна всегда расположена выше оси симметрии синусоидального сигнала (первая полуволна положительная), то компаратор формирует импульсы, начиная с первой полуволны исследуемого электрического сигнала.
Согласно изложенному ранее, при измерении расхода движущейся жидкой среды всегда присутствует «эффект Допплера», который снижает или повышает частоту исследуемого электрического сигнала. В результате, в соответствии с «эффектом Допплера», в заявленном устройстве электрический сигнал, полученный в результате преобразования ультразвуковой волны, содержит информацию о расходе жидкой среды с учетом скорости ее движения. Известно, что для преобразования ультразвуковой волны в электрический сигнал широко применяют пьезоэлементы. При работе в классическом режиме подключения (подключение пьезоэлектрических преобразователей идентично, например, «минус» - земля, «плюс» - к нагрузке) из-за особенностей работы пьезоэлектрического элемента первая полуволна формируемого им электрического сигнала всегда отрицательная. В этом случае, при использовании для измерения расхода жидких сред только положительных значений информационного сигнала, естественно, первая отрицательная полуволна отбрасывается, что приводит не только к снижению точности полученных результатов, но и к потере полезной информации, содержащейся в преобразованном сигнале.
В заявленном устройстве, благодаря введению инвертора, на вход компаратора поступает исследуемый электрический сигнал, у которого первая полуволна сигнала всегда положительная. В результате компаратор формирует на своем выходе последовательность импульсов одинаковой амплитуды, начиная с первой полуволны исследуемого электрического сигнала. Следовательно, формируемая на выходе компаратора последовательность импульсов несет в себе информацию о времени прохождения ультразвуковыми волнами обоих направлений по потоку и против него с учетом скорости движения потока, т.е. с учетом «эффекта Допплера». При этом, по сравнению с прототипом, одновременно устраняется ошибка, вносимая в результат измерения «эффектом Допплера».
Так же из вышеизложенного следует, что в заявленном устройстве обеспечивается возможность изменения уровня порогового напряжения компаратора во время преобразования сигнала, а именно, с исходного положительного уровня на нулевой. В результате обеспечивается возможность установки на компараторе нулевого уровня опорного сигнала после первого сравнения нарастающего участка амплитуды первой полуволны синусоидального сигнала с величиной исходного опорного сигнала компаратора. При этом, на выходе компаратора спад первого импульса и передние фронты и спады последующих прямоугольных импульсов, независимо от величины амплитуды информационного сигнала, формируются в моменты перехода положительной полуволны синусоидального информационного сигнала через нуль, что исключает дрейф нуля выходного сигнала компаратора. Отсюда следует, что, в заявленном устройстве при нестабильности амплитуды синусоидального сигнала, которая выражается в случайном характере увеличения амплитуды полезного сигнала, информация о длительности формируемых импульсов не теряется, поскольку формирование прямоугольной последовательности импульсов идет по нулевому уровню. В результате исключается ошибка, вносимая в результат измерения эффектом «дрейф нуля», что не искажает информацию, содержащуюся в исследуемом электрическом сигнале, о времени прохождения ультразвуковыми волнами обоих направлений по потоку и против него, с учетом скорости движения потока, т.е. с учетом «эффекта Допплера», а следовательно, повышает точность результатов измерения расхода жидких сред.
Возможность установки требуемого уровня опорного напряжения на компараторе, благодаря связи выхода схемы формирования уровня со входом установки опорного напряжения компаратора, и связи выхода компаратора с первым входом схемы формирования уровня, обеспечивающей возможность фиксации схемой формирования уровня момента превышения опорного напряжения амплитудой информационного сигнала на первом входе компаратора и изменения в этот момент времени значения исходного уровня опорного сигнала на компараторе на нулевое, позволяет на информационном входе компаратора ограничить амплитуду колебаний электрического сигнала с учетом шумовых помех. В результате в формируемой последовательности импульсов сохраняется достоверность информации о расходе жидкой среды с учетом скорости ее движения, т.е. с учетом «эффекта Допплера», а следовательно, повышается точность результатов измерения расхода жидких сред.
Из вышеизложенного следует, что, благодаря «эффекту Допплера», электрический сигнал, полученный в результате преобразования ультразвуковой волны, содержит информацию о расходе жидкой среды с учетом скорости ее движения. Ошибка, вносимая «эффектом Допплера», обусловленная потерей информации из-за непринятия во внимание первой отрицательной полуволны электрического сигнала, снижает точность конечных результатов определения расхода жидкой среды, поскольку время прохождения сигнала по потоку и против потока исследуемой среды очень мало и составляет от нескольких долей наносекунды до нескольких сот наносекунд. Особенно это заметно при нестационарном процессе, а именно: в условиях изменяющейся во времени скорости движущегося потока жидкости. Поскольку в заявленном устройстве преобразуют ультразвуковую волну в синусоидальный электрический сигнал таким образом, что его первая полуволна всегда положительная, благодаря возможности инвертирования информационного сигнала перед поступлением его на информационный вход компаратора, обеспечивается возможность формирования последовательности импульсов, содержащей информацию о времени прохождения ультразвуковыми волнами обоих направлений, начиная с первой полуволны исследуемого синусоидального сигнала, а это, в свою очередь, позволяет формировать последовательность импульсов, несущую в себе информацию о времени прохождения ультразвуковыми волнами обоих направлений по потоку и против него с учетом скорости движения потока, т.е. с учетом «эффекта Допплера». Иначе говоря, в заявленном расходомере при измерении расхода жидких сред используют всю информацию, содержащуюся в электрическом сигнале, полученном в результате преобразования ультразвуковой волны, что повышает точность результатов.
В результате, по сравнению с прототипом, в котором «эффект Допплера» выступал как отрицательный фактор, понижающий точность результатов измерения расхода жидкой среды, в заявленном расходомере является положительным фактором, позволяющим повысить точность конечных результатов измерения.
По второму варианту сущность полезной модели заключается в том, что ультразвуковой расходомер содержит генератор зондирующих импульсов, первый и второй пьезоэлектрические преобразователи, приемно-усилительный тракт, компаратор, управляемый коммутатор, схему формирования уровня, схему измерения времени, выход которой является выходом устройства, при этом один из пьезоэлектрических преобразователей подключен к соответствующим входам-выходам управляемого коммутатора электродом противоположной полярности, по отношению к другому преобразователю, первый вход управляемого коммутатора подключен к выходу генератора зондирующих импульсов, а второй вход является управляющим, выход коммутатора подключен к входу приемно-усилительного тракта, выход которого подключен к информационному входу компаратора, 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.
Технический результат достигается следующим образом. Генератор зондирующих импульсов, благодаря связи с первым входом управляющего коммутатора, обеспечивает формирование возбуждающего импульса для пьезоэлектрических преобразователей, которые поочередно формируют в исследуемой жидкости ультразвуковую волну по потоку и против него и преобразуют принятую ультразвуковую волну в электрический синусоидальный сигнал в виде периодических затухающих синусоидальных колебаний.
Излучение ультразвуковой волны по потоку и против него позволяет определить скорость жидкости в проточной части, а следовательно, и ее расход, так как известно, что разность времен прохождения ультразвуковых волн в обоих направлениях прямо пропорциональна скорости потока.
Поскольку один из пьезоэлектрических преобразователей подключен к соответствующим входам-выходам управляемого коммутатора электродом противоположной полярности, по отношению к другому преобразователю, то, по сравнению с классическим подключением пьезопреобразователей, каждый из пьезопреобразователей в процессе преобразования ультразвуковой волны формирует инвертированный синусоидальный электрический сигнал. В этом случае первая полуволна синусоидального электрического сигнала всегда будет расположена выше оси симметрии синусоидального сигнала (положительной).
Благодаря связи с первым входом схемы измерения времени, генератор зондирующих импульсов одновременно с подачей возбуждающего импульса на соответствующий пьезопреобразователь запускает схему измерения времени, фиксируя, тем самым, начало отсчета времени прохождения через исследуемую жидкость ультразвуковой волны, формируемой соответствующим пьезоэлектрическим преобразователем.
Управляемый коммутатор под воздействием сигнала управления, поступающего на его управляющий вход, обеспечивает возможность поочередного возбуждения сигналом с генератора зондирующих импульсов одного из двух пьезоэлектрических преобразователей, который, в результате, формирует в жидкой среде ультразвуковую волну, и передачу на приемно-усилительный тракт расходомера другим пьезоэлектрическим преобразователем электрического синусоидального сигнала, полученного в результате преобразования им принятой ультразвуковой волны.
Приемно-усилительный тракт выделяет высокочастотную составляющую, соответствующую ультразвуковому сигналу, формируемому в исследуемой среде соответствующим пьезоэлектрическим преобразователем, и передает на информационный вход компаратора усиленный полезный синусоидальный сигнал в виде периодических затухающих синусоидальных колебаний, содержащий в себе информацию о времени прохождения исследуемой жидкости ультразвуковой волной направления по потоку или против него. При этом его первая полуволна всегда расположена выше оси симметрии синусоидального сигнала (первая полуволна положительная).
Наличие входа установки в исходное состояние схемы формирования уровня обеспечивает возможность установки ее после включения напряжения питания в состояние, при котором на ее выходе устанавливается напряжение, соответствующее исходному уровню порогового сигнала компаратора. Схема формирования уровня, за счет связи ее выхода со входом установки опорного напряжения компаратора, устанавливает на нем уровень порогового сигнала. Благодаря связи выхода компаратора с первым входом схемы формирования уровня, обеспечивается возможность фиксации схемой момента превышения опорного напряжения амплитудой информационного сигнала на первом входе компаратора и изменения в этот момент времени значения исходного уровня опорного сигнала на компараторе на нулевое.
Компаратор формирует на своем выходе последовательность импульсов одинаковой амплитуды, содержащую информацию о времени прохождения ультразвуковой волной одного из направлений: по потоку или против него. При этом, поскольку в исследуемом синусоидальном сигнале первая полуволна всегда расположена выше оси симметрии синусоидального сигнала (первая полуволна положительная), то компаратор формирует импульсы, начиная с первой полуволны исследуемого электрического сигнала.
Согласно изложенному выше, при измерении расхода движущейся жидкой среды всегда присутствует эффект Допплера, который снижает или повышает частоту исследуемого электрического сигнала. В результате, в соответствии с эффектом Допплера, в заявленном устройстве электрический сигнал, полученный в результате преобразования ультразвуковой волны, содержит информацию о расходе жидкой среды с учетом скорости ее движения. Известно, что для преобразования ультразвуковой волны в электрический сигнал широко применяются пьезоэлементы. При работе в классическом режиме подключения (подключение пьезоэлектрических преобразователей идентично, например, «минус» - земля, «плюс» - к нагрузке) из-за особенностей работы пьезоэлектрического элемента первая полуволна формируемого им электрического сигнала всегда отрицательная. В этом случае, при использовании для измерения расхода жидких сред только положительных значений информационного сигнала, естественно, первая отрицательная полуволна отбрасывается, что приводит не только к снижению точности полученных результатов, но и к потере полезной информации, содержащейся в преобразованном сигнале.
Как было показано выше, в заявленном устройстве, благодаря тому, что один из пьезоэлектрических преобразователей подключен к соответствующим входам-выходам управляемого коммутатора электродом противоположной полярности, на вход компаратора исследуемый электрический сигнал поступает в инвертированном виде, т.е. первая полуволна сигнала всегда положительная. В результате компаратор формирует на своем выходе последовательность импульсов одинаковой амплитуды, начиная с первой полуволны исследуемого электрического сигнала. Следовательно, формируемая на выходе компаратора последовательность импульсов несет в себе информацию о времени прохождения ультразвуковыми волнами обоих направлений по потоку и против него с учетом скорости движения потока, т.е. с учетом эффекта Допплера.
Так же из вышеизложенного следует, что в заявленном устройстве обеспечивается возможность изменения уровня порогового напряжения компаратора во время преобразования сигнала, а именно, с исходного положительного уровня на нулевой. В результате обеспечивается возможность установки на компараторе нулевого уровня опорного сигнала после первого сравнения нарастающего участка амплитуды первой полуволны синусоидального сигнала с величиной исходного опорного сигнала компаратора. При этом, на выходе компаратора спад первого импульса и передние фронты и спады последующих прямоугольных импульсов, независимо от величины амплитуды информационного сигнала, формируются в моменты перехода положительной полуволны синусоидального информационного сигнала через нуль, что исключает дрейф нуля выходного сигнала компаратора. Отсюда следует, что, в заявленном устройстве при нестабильности амплитуды синусоидального сигнала, которая выражается в случайном характере увеличения амплитуды полезного сигнала, информация о длительности формируемых импульсов не теряется, поскольку формирование прямоугольной последовательности импульсов идет по нулевому уровню. В результате исключается ошибка, вносимая в результат измерения эффектом «дрейф нуля», что не искажает информацию, содержащуюся в исследуемом электрическом сигнале, о времени прохождения ультразвуковыми волнами обоих направлений по потоку и против него, с учетом скорости движения потока, т.е. с учетом «эффекта Допплера», а следовательно, повышает точность результатов измерения расхода жидких сред.
Возможность установки требуемого уровня опорного напряжения на компараторе, благодаря связи выхода схемы формирования уровня со входом установки опорного напряжения компаратора, и связи выхода компаратора с первым входом схемы формирования уровня, обеспечивающей возможность фиксации схемой формирования уровня момента превышения опорного напряжения амплитудой информационного сигнала на первом входе компаратора и изменения в этот момент времени значения исходного уровня опорного сигнала на компараторе на нулевое, позволяет на информационном входе компаратора ограничить амплитуду колебаний электрического сигнала с учетом шумовых помех. В результате в формируемой последовательности импульсов сохраняется достоверность информации о расходе жидкой среды с учетом скорости ее движения, т.е. с учетом «эффекта Допплера», а следовательно, повышается точность результатов измерения расхода жидких сред.
Из вышеизложенного следует, что, благодаря эффекту Допплера, электрический сигнал, полученный в результате преобразования ультразвуковой волны, содержит информацию о расходе жидкой среды с учетом скорости ее движения. Ошибка, вносимая эффектом Допплера, обусловленная потерей информации из-за непринятия во внимание первой отрицательной полуволны электрического сигнала, снижает точность конечных результатов определения расхода жидкой среды, поскольку время прохождения сигнала по потоку и против потока исследуемой среды очень мало и составляет от нескольких долей наносекунды до нескольких сот наносекунд. Особенно это заметно при нестационарном процессе, а именно: в условиях изменяющейся во времени скорости движущегося потока жидкости. Поскольку в заявленном устройстве преобразуют ультразвуковую волну в синусоидальный электрический сигнал таким образом, что его первая полуволна всегда положительная, благодаря тому, что один из пьезоэлектрических преобразователей подключен к соответствующим входам-выходам управляемого коммутатора электродом противоположной полярности, обеспечивается возможность формирования последовательности импульсов, содержащей информацию о времени прохождения ультразвуковыми волнами обоих направлений, начиная с первой полуволны исследуемого синусоидального сигнала, а это, в свою очередь, позволяет формировать последовательность импульсов, несущую в себе информацию о времени прохождения ультразвуковыми волнами обоих направлений по потоку и против него с учетом скорости движения потока, т.е. с учетом «эффекта Допплера». Иначе говоря, в заявленном расходомере при измерении расхода жидких сред используют всю информацию, содержащуюся в электрическом сигнале, полученном в результате преобразования ультразвуковой волны, что повышает точность результатов.
В результате, по сравнению с прототипом, в котором «эффект Допплера» выступал как отрицательный фактор, понижающий точность результатов измерения расхода жидкой среды, в заявленном расходомере является положительным фактором, позволяющим повысить точность конечных результатов измерения.
Таким образом, из вышеизложенного следует, что предлагаемые полезные модели «Ультразвуковой расходомер (варианты)» при осуществлении позволяют достичь технического результата, заключающегося в повышении точности измерения расхода жидких сред путем устранения погрешности, обусловленной «эффектом Доплера».
На фиг.1 изображена блок-схема заявленного ультразвукового расходомера по первому варианту; на фиг.2 изображена блок-схема заявленного ультразвукового расходомера по второму варианту; на фиг.3 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства по первому варианту; на фиг.4 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства по второму варианту.
Ультразвуковой расходомер по первому варианту содержит генератор 1 зондирующих импульсов (ГЗИ), пьезоэлектрические преобразователи 2, 3 (ПЭП), управляемый коммутатор 4 (КОМ), приемно-усилительный тракт 5 (ПУТ), компаратор 6 (К), схему формирования уровня 7 (СФУ) и схему измерения времени 8 (СИВ), инвертор 9 (НЕ). Первый и второй входы-выходы КОМ 4 подключены соответственно к выходам-входам первого 2 и второго 3 ПЭП. Первый вход КОМ 4 подключен к выходу ГЗИ 1, а второй вход является управляющим. Выход КОМ 4 подключен к входу ПУТ 5, выход которого подключен к входу инвертора 9, выход которого подключен к информационному входу К 6. Кроме того, выход ГЗИ 1 подключен к первому входу СИВ 8, второй вход которой и первый вход СФУ 7 подключены к выходу К 6. Выход СФУ 7 подключен к входу установки опорного сигнала К 6, при этом второй вход СФУ 7 является входом установки схемы 7 в исходное состояние. Выход СИВ 8 является выходом устройства.
Схема формирования уровня 7 может быть выполнена аналогично приведенной в патенте на полезную модель РФ, №68148, G06F 1/00, 10.11.2007, и содержит D - триггера, S - и D - входы которого через первый резистор подключены к источнику питания, С - вход является первым входом схемы 7, R - вход является входом установки схемы 7 в исходное состояние, а инверсный Q - выход соединен с делителем напряжения из соединенных последовательно второго и третьего резисторов, при этом средняя точка делителя является выходом схемы 7. Кроме того, делитель напряжения выполнен с постоянной времени не более половины длительности первой положительной полуволны синусоидального сигнала на информационном входе компаратора 6.
Пьезоэлектрические преобразователи 2, 3 размещены в отрезке трубы под некоторым углом к оси трубопровода с исследуемой жидкостью (на фиг.1 не показано). Пьезоэлектрические преобразователи 2, 3, в соответствии с заявленными связями устройства, подключают к соответствующим входам-выходам коммутатора 4 одноименными электродами - идентично: отрицательные электроды соединены с землей, а положительные подключены к входам-выходам управляемого коммутатора 4.
Управляемый коммутатор 4 может быть выполнен, например, на микросхеме ADG736, которая содержит в себе два аналоговых ключа. При этом первый вход-выход коммутатора 4 является первым входом-выходом первого аналогового ключа и вторым входом-выходом второго аналогового ключа. Второй вход-выход коммутатора 4 является вторым входом-выходом первого аналогового ключа и первым входом-выходом второго аналогового ключа. Управляющие входы ключей соединены. Вход первого аналогового ключа подключен к ГЗИ 1, а выход второго аналогового ключа подключен к ПУТ 5.
ПУТ 5 выделяет из поступающего на него сигнала высокочастотную составляющую, соответствующую ультразвуковой волне, формируемой одним из ПЭП (2 или 3). ПУТ может быть выполнен, например, на микросхеме операционного усилителя АД-8031.
Инвертор может входить в состав ПУТ, который в этом случае может быть выполнен на микросхеме операционного усилителя АД-8031, включенного по схеме инвертирующего усилителя.
Временное управление работой устройства может осуществляться, например, от внешней схемы синхронизации, которая может быть выполнена, например, на микросхеме 74 НС4040.
Ультразвуковой расходомер по второму варианту содержит пьезоэлектрические преобразователи 10, 11 (ПЭП), управляемый коммутатор 12 (КОМ), приемно-усилительный тракт 13 (ПУТ), компаратор 14 (К), схему формирования уровня 15 (СФУ), генератор зондирующих импульсов 16 (ГЗИ) и схему измерения времени 17 (СИВ). Первый и второй входы-выходы КОМ 12 подключены соответственно к выходам-входам первого 10 и второго 11 ПЭП. Первый вход КОМ 12 подключен к выходу ГЗИ 16, а второй вход является управляющим. Выход КОМ 12 подключен к входу ПУТ 13, выход которого подключен к информационному входу К 14. Кроме того, выход ГЗИ 16 подключен к первому входу СИВ 17, второй вход которой и первый вход СФУ 15 подключены к выходу К 14. Выход СФУ 15 подключен к входу установки опорного сигнала К 14, при этом второй вход СФУ 15 является входом установки схемы 15 в исходное состояние. Выход СИВ 17 является выходом устройства.
В ультразвуковом расходомере по варианту второму один из пьезоэлектрических преобразователей, например первый 10, подключен к соответствующим входам-выходам управляемого коммутатора 12 электродом противоположной полярности, по отношению ко второму преобразователю 11: положительный электрод первого 10 преобразователя соединен с отрицательным электродом второго 11 и с землей, а отрицательный электрод первого 10 преобразователя и положительный электрод второго 11 преобразователя подключены к соответствующим входам-выходам управляемого коммутатора 12.
Схема формирования уровня 15 может быть выполнена аналогично приведенной в патенте на полезную модель РФ, №68148, G06F 1/00, 10.11.2007, и содержит D - триггера, S - и D - входы которого через первый резистор подключены к источнику питания, С - вход является первым входом схемы 15, R - вход является входом установки схемы 15 в исходное состояние, а инверсный Q - выход соединен с делителем напряжения из соединенных последовательно второго и третьего резисторов, при этом средняя точка делителя является выходом схемы 15. Кроме того, делитель напряжения выполнен с постоянной времени не более половины длительности первой положительной полуволны синусоидального сигнала на информационном входе компаратора 14.
Пьезоэлектрические преобразователи 10, 11 размещены в отрезке трубы под некоторым углом к оси трубопровода с исследуемой жидкостью (на фиг.2 не показано).
Управляемый коммутатор 12 может быть выполнен, например, на микросхеме ADG736, которая содержит в себе два аналоговых ключа. При этом первый вход-выход коммутатора 12 является первым входом-выходом первого аналогового ключа и вторым входом-выходом второго аналогового ключа. Второй вход-выход коммутатора 12 является вторым входом-выходом первого аналогового ключа и первым входом-выходом второго аналогового ключа. Управляющие входы ключей соединены. Вход первого аналогового ключа подключен к ГЗИ 16, а выход второго аналогового ключа подключен к ПУТ 13. ПУТ 13 выделяет из поступающего на него сигнала высокочастотную составляющую, соответствующую ультразвуковой волне, формируемой одним из ПЭП (10 или 11). ПУТ 13 может быть выполнен, например, на микросхеме операционного усилителя АД-8031.
Временное управление работой устройства может осуществляться, например, от внешней схемы синхронизации, которая может быть выполнена, например, на микросхеме 74 НС4040.
В обоих вариантах ультразвукового расходомера используют высокочастотные пьезоэлектрические преобразователи. Электрические параметры пьезоэлектрических преобразователей выбирают исходя из физических свойств исследуемой среды и электрических параметров других элементов электрической схемы расходомера.
По первому варианту ультразвуковой расходомер, реализующий заявленный способ измерения расхода жидких сред, работает следующим образом.
1
1
1
1
1
1
1
1
2
3
1
2
3
4
Под действием стробирующего импульса (фиг.3г, t) коммутатор 4 подключает к ПУТ 5 второй 3 пьезоэлектрический преобразователь. ГЗИ 1 одновременно посылает сигнал (фиг.3а, t) на первый вход схемы измерения времени 6 и на вход второго 3 пьезоэлектрического преобразователя (фиг.3в, t), который формирует ультразвуковой импульс, распространяющийся в исследуемой среде. Ультразвуковой импульс преодолевает измерительный участок и воспринимается первым 2 пьезоэлектрическим преобразователем, являющимся в данном случае приемником. В результате на выходе первого 2 преобразователя формируется электрический сигнал в виде периодических затухающих синусоидальных колебаний (фиг.3б, t), который через коммутатор поступает в ПУТ 5 (фиг.3д, t). ПУТ 5 выделяет из сигнала высокочастотную составляющую и усиливает (фиг.3е, t). Далее сигнал поступает на инвертор 9, инвертируется и поступает на информационный вход компаратора 6 (фиг.3ж, t). На входе установки опорного сигнала компаратора 6 схема формирования уровня 7 устанавливает заданный уровень опорного сигнала (фиг.3и, t-t). При превышении входным сигналом исходного уровня опорного схема 7 формирования уровня изменяет значение уровня опорного сигнала на нулевое (фиг.3и, t). Компаратор 6 преобразует двуполярный синусоидальный сигнал в последовательность однополярных прямоугольных импульсов одинаковой амплитуды (фиг.3з, t, t, t, t). При этом на выходе компаратора 6 первый прямоугольный импульс формируется с фронтом, который соответствует моменту равенства сигнала исходному уровню опорного сигнала, а спад - моменту перехода синусоидального сигнала через нуль из положительной области в отрицательную. Далее фронты и спады прямоугольных импульсов формируются в моменты перехода положительной полуволны синусоидального информационного сигнала через нуль.
Формируемая последовательность импульсов поступает на второй вход схемы измерения времени 8, которая фиксирует время между отправкой и приемом зондирующего импульса, преобразуя формируемую компаратором 6 последовательность прямоугольных импульсов в цифровой код, соответствующий времени прохождения сигналом акустического тракта.
2
2
2
Затем по стробирующему импульсу (фиг.3г, t), поступающему на управляющий вход коммутатора 4, КОМ 4 подключает к ПУТ 5 первый 2 пьезоэлектрический преобразователь. ГЗИ 1 одновременно посылает сигнал (фиг.3а, t) на первый вход СИВ 8 и на вход первого 2 ПЭП (фиг.3б, t). Далее работа устройства повторяется.
По второму варианту заявленный ультразвуковой расходомер, реализующий заявленный способ измерения расхода жидких сред, работает следующим образом.
1
1
1
1
1
1
1
2
3
1
2
3
4
Под действием стробирующего импульса (фиг.4г, t) коммутатор 12 подключает к ПУТ 13 второй 11 пьезоэлектрический преобразователь. ГЗИ 16 одновременно посылает сигнал (фиг.4а, t) на первый вход схемы измерения времени 17 и на вход второго 11 пьезоэлектрического преобразователя (фиг.4в, t), который формирует ультразвуковой импульс, распространяющийся в исследуемой среде. Ультразвуковой импульс преодолевает измерительный участок и воспринимается первым 10 пьезоэлектрическим преобразователем, являющимся в данном случае приемником. Поскольку пьезоэлектрические преобразователи 10, 11 подключены к соответствующим входам-выходам управляемого коммутатора электродом в противоположной полярности по отношению к друг другу, то в результате на выходе первого 10 преобразователя формируется электрический сигнал в виде затухающих синусоидальных колебаний с положительной первой полуволной (фиг.4б, t), который через коммутатор 12 поступает в ПУТ 13 (фиг.4д, t). ПУТ 13 выделяет из сигнала высокочастотную составляющую и усиливает. Далее сигнал поступает на информационный вход компаратора 14 (фиг.4е, t). На входе установки опорного сигнала компаратора 14 схема формирования уровня 15 устанавливает заданный уровень опорного сигнала (фиг.4з, t-t). При превышении входным сигналом исходного уровня опорного схема формирования уровня изменяет значение уровня опорного сигнала на нулевое (фиг.4з, t). Компаратор 14 преобразует двуполярный синусоидальный сигнал в последовательность однополярных прямоугольных импульсов одинаковой амплитуды (фиг.4ж, t t, t, t). При этом на выходе компаратора 14 первый прямоугольный импульс формируется с фронтом, который соответствует моменту равенства сигнала исходному уровню опорного сигнала, а спад - моменту перехода синусоидального сигнала через нуль из положительной области в отрицательную. Далее фронты и спады прямоугольных импульсов формируются в моменты перехода положительной полуволны синусоидального информационного сигнала через нуль.
Формируемая последовательность импульсов поступает на второй вход схемы измерения времени 17, которая фиксирует время между отправкой и приемом зондирующего импульса, преобразуя формируемую компаратором 14 последовательность прямоугольных импульсов в цифровой код, соответствующий времени прохождения сигналом акустического тракта.
2
2
2
Затем по стробирующему импульсу (фиг.4г, t), поступающему на управляющий вход коммутатора 12, КОМ 12 подключает к ПУТ 13 первый 10 пьезоэлектрический преобразователь. ГЗИ 16 одновременно посылает сигнал (фиг.4а, t) на первый вход СИВ 17 и на вход первого 10 ПЭП (фиг.4б, t). Далее работа устройства повторяется.
По первому и второму вариантам расходомера для получения на выходе компаратора прямоугольной последовательности импульсов, максимально соответствующей истинной форме полезного синусоидального сигнала на информационном входе компаратора, нулевой уровень опорного сигнала устанавливают равным напряжению на информационном входе компаратора при отсутствии электрического синусоидального сигнала.