ВИХРЕАКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ РАСХОДА

Вихреакустический преобразователь расхода.
Полезная модель относится к средствам измерения объемного расхода жидкости, а именно, вихревым расходомерам с измерением фазового сдвига распространения ультразвуковых волн и может использоваться в измерительной технике для учета расхода воды в системах водо- и теплоснабжения.
Известен преобразователь расхода, описанный в а.з. Японии № 3-61892 Ультразвуковой расходомер по кл. G01FI/66, з. 20.05.83, оп. 24.09.91.
Известный расходомер содержит измерительный трубопровод, несколько пар ультразвуковых (УЗ) преобразователей с одинаковой длиной тракта распространения УЗ-сигналов, установленных на стенке трубопровода под заданным углом к траектории движения среды, устройство задания 2 сигналов разной частоты, соединенное соответственно с двумя передающими УЗ-преобразователями, формирующими УЗсигналы разной частоты, но одинакового уровня и с передними фронтами, следующими в одинаковых фазах, принимающие УЗ-преобразователи, соеданенные через усилители с сумматором, связанным с устройством регистрации времени достижения результатом суммирования установленного уровня, соединенным с вычислителем расхода по величине
МКИ-6: GOlFl/32, 1/66
периода времени от поступления переднего фронта УЗ-сигналов до достижения результатом суммирования установленного уровня.
Недостатком известного устройства является его сложность, обусловленная наличием нескольких пар УЗ-преобразователей, установкой их под строго определенным углом (что неудобно в эксплуатации) формированием разных частот, необходимостью регистрации времени достижения суммарным сигналом определенного уровня.
Известен вихревой преобразователь расхода, описанный в Спецификации DOS 4003 от августа 1993 г. Интеллектуальный вихревой расходомер модели 8800 фирмы Fisher-Rosemount, схема которого приведена на стр. 4.
Известный преобразователь содержит измерительный трубопровод с установленным в нем вихреобразователем в виде пластины с небольшой гибкой частью , соединенной с пьезоэлектрическим датчиком, подключенным к электронному преобразователю сигнала, состоящему из последовательно соединенных фильтра защиты от наложения спектров, аналого-цифрового преобразователя, первого устройства гальванической развязки, цифрового следящего фильтра, второго устройства гальванической развязки и счетчика импульсов, при этом цифровой следящий фильтр связан с микропроцессором, один выход которого соединен с восьмиразрядным дисплеем, второй выход - с цифро-аналоговым преобразователем, а третий выход - с устройством цифровой связи, подключенным к одному из входов микропроцессора.
Недостатком известного преобразователя является то, что он не может измерять малые расходы при небольшой скорости потока, т,к. пьезоэлектрический датчик реагирует на механическую деформацию гибкой части пластины, а эта деформация при незначительной скорости потока становится очень малой. Кроме того, система обработки сигнала является весьма сложной.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является вихреакустический преобразователь расхода, описанный в а.з. Японии й 3-12692 Способ обнаружения вихрей и ультразвуковой вихревой расходомер по кл. G01F1/32, з. 14.02.83. , оп. 20.02.91. и выбранный в качестве прототипа.
Известный вихреакустический преобразователь содержит измерительный трубопровод с размещенным в нем вихреобразователем в виде тела обтекания - трезтольной призмы - и закрепленными на его поверхности друг напротив друга ультразвуковыми преобразователями - излучателем и приемником, при этом излучатель подключен к генератору прерывистого сигнала, а к приемнику подсоединены последовательно соединенные усилитель, фазовый детектор, фильтр и операционный блок, формирующий выходные сигналы, при этом выход детектора подключен к цепи
формирования опорного сигнала, выход которой подсоединен ко второму входу детектора, а вход - к  генератора прерывистого сигнала. Недостатком известного устройства является неудовлетворительная точность измерений, обусловленная принципом работы, положенным в основу конструкции, а именно, во-первых, использованием для излучения дискретного (прерывистого) сигнала, а во-вторых, получением полезного сигнала как разности фаз между опорным и сигналом с пары УЗпреобразователей - излучатель-приемник, один из которых (опор-ный) не зависит от вибрации трубопровода, фл тстуации давлений и температуры, а второй (с выхода УЗ-приемника) зависит, и в итоге полезный сигнал также зависит от вибрации трубопровода, флукту ации давлений и температуры, что ухудшает точность {змерений.
Целью заявляемой полезной модели является повышение точности измерений.
Поставленная цель достигается тем, что в вихреакустическом преобразователе расхода, содержащем измерительный трубопровод с размещенным в нем вихреобразователем в виде тела обтекания и закрепленной на его поверхности парой ультразв т :овых преобразователей излучательприемник, расположенных  напротив друга и поддслюченных соответственно к генератору сигнала и к последовательно соединенным усилителю, фазовому детектору, фильтру и формирователю выходных сигналов, согласно полезной модели, введена вторая пара ультразвз совых
преооразователеи излучатель-приемник , расположенных дргт напротив друга с противоположных сторон трубопровода на той же окр окности, что и первая пара, при этом расстояние между И-злучателем и приемником разных пар меньше, чем между их излучателями или приемниками, излучатель второй пары подключен к генератору сигнала, а приемник через второй усилитель - ко второму входу фазового детектора, генератор является источником непрерывного сигнала, а измерительный трубопровод выполнен с конфузором - на его входной части и диффузором - на выходной части.
Введение в устройство второй пары ультразвуковых преобразователей излучатель - приемник, размещенных на той же окрзокности, что и первая пара, и на расстоянии  изл чателем и приемником разных пар, меньше, чем межд} их излучателями или приемниками, позволяет более точно улавливать образующиеся вихри и использовать в качестве полезного сигнала разность фаз межд} сигналами приемников первой и второй пары. При этом, поскольку внешние факторы, такие как вибрация трубопровода, фл ктуации температлфы и давления жидкости, воздейств тот одновременно на сигналы, принимаемые обоими приемниками, то на полезном сигнале воздействие этих факторов не сказывается, что в совокупности с использованием в качестве излучаемого непрерывного сигнала повышает точность измерений и позволяет точно определить расход. Наличие конфузора на входе и диффузора на выходе измерительного трубопровода, действ}тощнх как стру ев ы прямите ль, обеспечивает усреднение скорости потока и повышает точность измерения расхода.
Заявляемая полезная модель обладает новизной в сравнении с прототи,пом, отличаясь от него наличием таких существенных отличительных признаков, как вторая пара ультразвуковых преобразователен излучатель - приемник, расположенная на той же окружности поверхности трубопровода, что и первая пара, и на расстоянии  излучателем и приемником разных пар, меньшем, чем между излучателями или приемниками этих пар, выполнение генератора как источника непрерывного сигнала, выполнение измерительного трубопровода с конфузором и диффузором на его концах.
Заявляемый вихреакустический преобразователь расхода может широко использоваться в измерительной технике и поэтому соответствует критерию промышленная применимость . Заявляемая полезная модель иллюстрируется чертежами, где представлены на :
- фиг. { - обшая схема вихреакустического преобразователя расхода;  фиг. 2 - схема размещения двух пар ультразвуковых преобразователей  изл чатель - приемник  на окр окности трубопровода.
Вихреакустический преобразователь расхода содержит измерительный трубопровод с конфузором на его входе и диффузором на его выходе и с размещенным в нем вихреобразователем в виде тела обтекания и закрепленными на его поверхности на одной окружности двумя парами ультразвуковых преобразователей излучатель - приемник. Излучатель и приемник каждой пары расположены на противоположных сторонах трубопровода друг напротив друга, при этом расстояние между излучателем и приемником разных пар меньше, чем расстояние межд излучателями или приемниками этих пар. Изл чатели соединены с генератором непрерывного сигнала, а приемники через первый и второй усилители соответственно подключены к двум входам фазового детектора, соединенного с фильтром, выход которого подключен ко ВХОД} формирователя выходного сигнала.
Вихреакустический преобразователь расхода (см. чертежи) содержит вихреобразователь К размещенный на входе жидкости внутри измерительного трубопровода 2, на нару:жной поверхности которого за вихреобразователем 1 на одной окр жности расположены две пары ультразвуковых преобразователей 3  , 3   и 4  . 4 i , два из которых (3, 3 И) являются излучателями и соединены с генератором 5 переменного напряжения, а два (4 1, 4 II)  приемниками, причем расстояние между каждым из излучателей 3 L 3 1 или приемниками 41, 4 меньше, чем расстояние между излучателями 3 и 3 или приемниками 4 ,  при этом приемники 41 и , 4 I соединены соответственно через усилители 6 I , 6 ii с фазовым детектором 7, выход которого подключен к входу фильтра 8, выходом подсоединенного к формирователю 9 выходных сигрталов. На входе измерительного трубопровода вьшолнен конфузор 10, а на его выходе диффузор  1.
Назначение и выполнение узлов и элементов преобразователя рас-хода сле,ц}тощее.
Вихреобразователь 1 предназначен для образования вихрей в потоке жидкости и представляет собой призму трапециевидной формы, установленную широкой частью к  жидкости.
Измерительный трубопровод 2 сллжит для обеспечения протока жидкости и измерения ее расхода и представляет собой трубу диаметром от 32 до 200 мм.
Ультразв т :овые преобразователи 3 и  излучатели - предназначены для преобразования переменного напряжения генератора в ультразв}.тсовые колебания, а У3 преобразователи 4 . 4 i - приемники - для преобразования ультразвуковых колебаний в электрический сигнал, и представляют собой пьезоэлементы (см. ЭГ1-4Д-21-20-ОДО.339-180 ТУ/ЦТС-19).
Генератор 5 служит для генерирования сигнала, подлежащего преобразованию в ультразв тсовые колебания ; в качестве него может быть использован, в частности, генератор микроконтроллера ТР87С51ГА (см Каталог фирмы InteH). Стабильность частоты обеспечивается кварцевым резонатором на 12 МГц. Сигнал снимается с выхода  А Е  уже с частотой 1мгц и через Д -триггер (на чертеже резонатор и триггер не показаны) подается на изл чатели и уже со сдвигом на 180. Усилители 61,61 служат для усиления сигналов и выполнены на двух
операционных усилителях 5449Д2А, осуществляющих фильтрацию от помех и выделение разностной частоты (см. книгу Булычева А.Л. и др. Аналоговые и интегральные схемы. Справочник , 2-ое изд., Минск, Беларусь, 1993г., стр. 220).
Фазовой детектор 7 выделяет разностную частоту с приемников 4 I, 411 первой и второй пар УЗ-преобразователей и выполнен на триггерах I554TB9 (см. Логические интегральные схемы КР1533, КР1544. Справочник, Изд-во ТОО Бином, 993г. или жлрнал Радио, 1995г., NQ 9, стр. 6 Г), которые преобразуют фазовую мод ляиию в широтноимпульсн то.
Адаптивный фильтр 8 служит  фильт ации сл чайных составляющих с фазового детектора / и реали:5ова5{ программно на вышеупомянутом микроконфолпере TP87C51FA. Фильфаиия осуществляется по алгоритму у К1 X X - К2 X У п. где X - итмеренное значение периода , а К1 и К2 - коэффициенты, выбор которых осуществляется с помощью перемычек.
Формирователь 9 выходных сигналов также реализован на микроконтроллере TPo7C5 FA. Нмпульськ сформированные микроконтроллером, подаются через повторитель входного сигнала (на чертеже не показан) . выполненный на интегральной схеме 1554ТМ2 (см Логические интегральные схемы КР1533, . Справочник . изд-во ТОО Бином,
9
993г.), далее на транзнсторныя кяюч, выполненный на транзисторе Frr3i02B (см. Транзисторы.Справочник  М, Радио и связь 1989г., cip. 78).
Период,выходных импульсов рассчигывается программно : Твых  Твх X К - П , где Твх - период входного сигнала, К - постоянный коэффициент , который задается перемычкой, а f 1 - поправка на нелинейность в области малых расхсшов. Длительность выходных импульсов больше или равна 00 мсек.
Конфузор 10 и диффузор J  на входе si выходе измерительного трубопровода 2 вь полняют роль стру ев ы прямите ля для усреднения скорости потока м представляют собой .
Вихреакустический преобразователь расхода работает след тощим образом.
Поток жидаости, скорость которого.-) увеличивается за счет конфузора на входе измерительного трубопровода 2, пост}пает в преобразователь расхода. При обтекании призмы трапециевидной формы (вихреобразователя ) потоком жидаости в измерительном трубопроводе 2 за ней образуется вихревая дорожка, частота вихрей в которой с высокой точностью пропорциональна скорости истока. Переменное напряжение с генератора 5 поступает на ульфазвуковые преобразователи 3 i , 3 i (излЛчатели) и преобразуется в ультразвз тсовые колебания. Эти колебания излучаются излучател51ми 3  , 3  в поток жидкости, где взаимодейств тот с вихрями и оказываротся мод лироваь ными по фазе. Далее они принимаются ульфазвуковыми преобразователями - приемниками 4 , 4 ii и преобразчтотся в электрические колебания, усиливаются усилителями 6  , 6  и поступают на фазовь Й детектор . Такие паразитные факторы, как вибрация трубопровода, изменение температ рЬ1 Ж1{дкости, возникающие в измерительном трубопроводе 2, компенсируются за счет наличия двух пар улыразв}т :овых преобразователей  изл чатель - приемник.
Разность фаз между сигналами с приемников 4 i . 4 п Ьой и П-ой пар определяется на фазовом детекторе  ii в виде напряжения., частота и амплитуда которого соответствуюг интенсивности и частоте вихрей, с выхода фазового детектора  пост пает на микропроцессорный адаптивный фильтр 8, где происходит фильтрация случайных составляющих этого сигнала. С выхода фильт|за 8 сигнал пост пает на формирователь 9 Bbiходных сигналов, где преобразуется в импульсы с частотой, пропорциональной расходу жидкости. В сравнении с прототипом заявляемый вихреакустический преобразователь расхода имеет более высок то точность измерений.
Авторы / - Шмигора В.Н.
г
Аксенов В.Н.