УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ГАЗОВЫЙ РАСХОДОМЕР-СЧЕТЧИК

Ультразвуковой газовый расходомер-счетчик
Полезная модель относится к технике измерения расхода газа, в частности, к бытовым ультразвуковым счетчикам для измерения расхода газа с нриведением результатов измерения к нормальным условиям по температуре, давлению и плотности газа и может найти применение в жилищно-коммунальном хозяйстве, в отраслях газовой промышленности для точного учета расхода газа.
Известно устройство - ультразвуковой расходомер, например, в котором для измерения массового расхода используется дополнительный пьезоэлемент, возбуждаемый на резонансной частоте, который излучает акустические колебания в измеряемое вещество, например, газ 1. Напряжение, снимаемое с пьезоэлемента, пропорционально удельному акустическому сопротивлению, которое, в свою очередь, пропорционально плотности вещества. Путем умножения электрического сигнала, создаваемого этим пьезоэлементом, на величину объемного расхода, который получен на основе измерения времени распространения акустического сигнала между двумя другими пьезоэлементами по потоку измеряемой среды и против потока, определяют произведение объема на плотность, что дает массовый расход. Для получения газа, приведенного к нормальным условиям, необходимо измеренное значение массового расхода отнести к плотности газа при нормальных условиях.
Недостатком устройства является невысокая точность измерения массового расхода, которая ограничивается ультразвуковым амплитудным способом измерения плотности.
Наиболее близким по технической сущности является ультразвуковой газовый расходомер-счетчик для измерения объемного расхода газа, приведенного по давлению и температуре к нормальным условиям, содержащий мерный участок трубопровода с датчиком давления и с двумя встроенными ультразвуковыми преобразователями, соответственно связанньми с первым и вторым входом аналогового коммутатора, третий вход которого связан с выходом опорного генератора через таймер, четвертый вход - со вторым выходом таймера через формирователь зондирующих импульсов, а выход коммутатора подключен к первому входу арифметического устройства через последовательно соединенные приемный усилитель, компаратор, триггер, вторым входом связанный со вторым выходом таймера, счетчик импульсов, счетным входом подключенный к выходу опорного генератора, а выходом - к схеме сложения, и схему вычитания, причем выход датчика давления подключен ко второму входу арифметического устройства 2.
- МПК7G01F1/66
Однако известное устройство обладает тем недостатком, что может использоваться для измерения расхода, приведенного к значениям при опорной температуре лишь для одного определенного состава газа. При переходе, например, от измерения природного газа к измерению паров сжиженного газа необходимо введение поправочных коэффициентов или коэффициентов пересчета Известное устройство обладает также тем недостатком, что оно фактически приводит измеренный объем газа к нормальньм условиям только по температуре и давлению и не приводит измеренный объем газа к нормальным условиям по стандартной плотности. Поэтому из-за того, что известное устройство не позволяет проводить измерения разных газов и не позволяет приводить при этом результаты измерений разных газов к одним и тем же одинаковым или нормальным условиям по температуре, давлению и плотности, существует проблема проверки устройств по известному техническому решению стандартными средствами поверки, в которых в качестве рабочей среды используется воздух. Именно из-за отсутствия связи между газами через нормальные условия известный ближайший прототип не позволяет проводить калибровку и аттестацию счетчиков в процессе их массового производства, так как по общепринятым стандартам по условиям техники безопасности запрещено использовать взрывоопасные газы, в частности, метан, для калибровки и аттестации счетчиков в процессе их массового выпуска и для периодической поверки в процессе их эксплуатации.
Техническим результатом является повышение точности измерения расхода различных газовых сред и точности приведения измеренного объема к стандартной плотности газа. Указанная возможность приведения измеренного объема к стандартной плотности газа обеспечивает простоту калибровки, аттестации и поверки счетчиков в процессе их изготовления и массового использования и обеспечение взаимосвязи результатов поверки по разным газам между собой, что делает расходомер универсальным при определении параметров различных газов. Кроме того, введение в состав расходомера блока накопления и усреднения данных в процессе измерения различных параметров газа, в частности, температуры и давления, обеспечивают исключение случайных факторов при измерении расхода, вызванных влиянием параметров окружающей среды на процесс измерения, значительно повышая достоверность измерений.
Технический результат достигается тем, что в ультразвуковом газовом расходомере-счетчике, содержащем мерный участок трубопровода, ультразвуковые преобразователи, предназначенные для установки в трубопроводе, вход-выход каждого из которых подключен к соответствующим входу-выходу блока измерения временных
интервалов распространения звукового сигнала, выход которого соединен со входами вычитателя и сумматора, формирователь зондирующих импульсов, выходы которого подключены к соответствующим входам блока измерения временных интервалов распространения ультразвукового сигнала, выход вычитателя соединен с первым входом арифметического устройства, в него введены контроллер, преобразователь показателей газовой среды и преобразователь стандартной плотности, первые входы которых подключены к выходу сумматора, выход преобразователя показателей газовой среды подключен ко второму входу арифметического устройства, третий вход которого предназначен для подачи сигнала давления, четвертый вход подключен к выходу преобразователя стандартной плотности, выходы контроллера подключены к управляющим входам арифметического устройства, формирователя зондирующих импульсов, преобразователя показателей газовой среды и преобразователя стандартной плотности.
Кроме того, расходомер содержит датчик давления, связанный с блоком измерения давления, предназначенным для подачи сигнала давления на третий вход арифметического устройства, вход управления указанного блока связан с контроллером.
Кроме того, связь выхода сумматора с первыми входами преобразователя показателей газовой среды и преобразователя стандартной плотности осуществлена через средство коррекции измеряемых параметров, предназначенное для подачи на указанные входы откорректированных указанным средствам сигналов, выход сигнала давления которого предназначен для подачи сигнала давления на третий вход арифметического устройства.
Расходомер может содержать преобразователь величины суммы временных интервалов распространения ультразвукового сигнала в мерном участке трубопровода по потоку и против потока газа в величину давления, выход сигнала давления которого предназначен для подачи на третий вход арифметического устройства и на вход подачи сигнала давления средства коррекции измеряемых параметров.
На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства, на фиг.2 - возможная реализация формирователя 6 зондирующих импульсов и блока 25 измерения временных интервалов распространения ультразвукового сигнала.
Ультразвуковой газовый расходомер-счетчик, предназначенный для измерения объемного расхода газа, приведенного по давлению и температуре к нормальным условиям, содержит мерный участок 1 трубопровода с датчиком 2 давления соединенным с блоком 17 измерения давления, два встроенных ультразвуковых
J
преобразователей 3 и 4, соответственно связанных с первым и вторым входом-выходом блока 25 измерения временных интервалов, выполнение которого представлено на фиг.2; формирователь 6 зондирующих импульсов, состоящий из опорного генератора 16, таймера 7 и формирователя 8 импульсов (фиг. 2). Один выход опорного генератора 16 подключен ко входу таймера, первый выход которого соединен с первым входом коммутатора 5 блока 25, второй выход таймера соединен с одним входом триггера 12 блока 25 и через формирователь 8 импульсов соединен со вторым входом коммутатора 5 блока 25, другой выход опорного генератора 16 соединен со счетным входом счетчика 13 импульсов блока 25. Датчик 23 температуры подключен к блоку 24 измерений температуры.
Блок 25 измерения временных интервалов (фиг.2) содержит коммутатор 5, первый и второго входы-выходы которого являются первым и вторым входом-выходом блока и соединены соответственно со входами-выходами ультразвуковых преобразователей 3 и 4, выход коммутатора через последовательно соединенные приемный усилитель 10, компаратор 11, триггер 12 и счетчик 13 импульсов подключен ко входу сумматора 14 и вычитателя 15. Выход вычитателя подключен к первому входу умножителя 9 арифметического устройства 33, выполненного в виде последовательно соединенных умножителя 9 и делителя 20, выход которого является выходом арифметического устройства 33 и подключен к блоку 27 вывода данных.
Ультразвуковой газовый расходомер-счетчик газа также содержит первый и второй блоки 18 и 26 памяти, выполненные в виде постоянных запоминающих
устройств (ПЗУ) для хранения значений величин соответственно  (;|Г,) и р.
Блок 18 представляет собой преобразователь показателей газовой среды, в частности, значений измеренных величин , +/2 соответственно в величины х или kXj, а блок 26 представляет собой преобразователь величины  в величину стандартной плотности ро. При этом сигнал, соответствующий величине /, +t, поступает на адресный вход блока 18 и блока 26 памяти, и по этому сигналу из блока 18 считывается соответствующая газу, находящемуся в мерном участке I трубопровода, величина Xi или , а из блока 26 соответствующая газу в мерном участке 1 трубопровода величина р. Т.о., выход сумматора 14 связан с
соответствующими входами блоков 18 и 26, выходы которых подключены соответственно ко второму входу умножителя 9 и второму входу делителя 20.
измеренного давления Р, на третий вход величина измеренной температуры t°. В указанном средстве для каждой из указанных величин осуществляют накопление значений этих величин за заданный интервал, например, путем интегрирования или суммирования, а затем осуществляют усреднение этих величин по заданному алгоритму и на соответствующем выходе средства 28 формируется откорректированная величина соответственно (/, +/2)5 давление Р vit°.
Кроме того, расходомер может не содержать датчиков 2 и 23 давления и температуры, а также блоков измерения 24 температуры и 17 давления, поскольку в расходомере может быть предусмотрен преобразователь 32 величины  в величину Р и в температуру °, поскольку существует зависимость между измеренной величиной /I + /2 и давлением Р, и соответственно - температурой / ° окружающей
среды. В этом случае на один из входов умножителя 9 поступает величина Р с преобразователя 32, при этом выходы преобразователя 32 могут быть подключены к соответствующим входам средства 28 коррекции измеряемых параметров.
Указанный расходомер использует для обработки измеряемых параметров и управления микропроцессорные средства. В частности, расходомер включает контроллер 22, работающий по программе, хранящей в памяти 31, связанной с контроллером 22. Алгоритм работы программы, которую реализует контроллер 22, соответствует описанному ниже алгоритму работы расходомера.
При этом управление всеми узлами расходомера осуществляется путем подачи в соответствующие моменты времени на управляющие входы всех узлов расходомера управляющих сигналов с контроллера 22.
Кроме того, поскольку расходомер может работать в режиме коррекции, то в этом случае на адресные входы блока 18 и 26 поступают сигналы со средства 28 коррекции, которое активизирует контроллер 22.
В случае вычисления величин давления и температуры в преобразователе 32, контроллер 22 блокирует работу блоков 17 и 24 и активизирует работу преобразователя 32.
Ультразвуковой расходомер-счетчик газа работает следующим образом.
Измерение скорости потока и расхода газа осуществляется на основе излучения ультразвуковых сигналов в поток контролируемого газа, их распространении по потоку газа и против него, последующем приеме, обратном преобразовании в электрический сигнал с дальнейшей обработкой. Для этого в формирователе 6 зондирующих импульсов по запускающим импульсам таймера 7 формирователь 8 импульсов
формирует импульсы с фиксированной амплитудой и заданной длительностью, равной, например, половине длительности периода резонансной частоты одного из двух идентичных ультразвуковых преобразователей 3 или 4. Это необходимо для получения максимального коэффициента передачи ультразвукового сигнала через газ мерного участка 1 газопровода с ультразвуковыми преобразователями 3 и 4. Длительность и период повторения формируемых импульсов в формирователь 8 стабилизируется запускающими импульсами таймера 7, работа которого, в свою очередь, синхронизируется высокостабильными колебаниями опорного генератора 16. Период повторения tn импульсов формирователя 8 выбран достаточно большим и равным нескольким десяткам миллисекунд, что необходимо для возобновления очередного цикла работы устройства после полного затухания ультразвуковых реверберационных помех, каждый раз возникающих в мерном участке 1 газопровода между ультразвуковыми преобразователями 3 и 4 после очередного излучения в контролируемый газ ультразвукового зондирующего импульса.
В первом, например, нечетном цикле измерений, осуществляется генерирование, излучение, прием и обработка ультразвукового сигнала при его распространении по направлению потока газа. В этом случае таймер 7, синхронизируемый высокостабильным опорным генератором 16, формирует на своем первом выходе сигнал управления коммутатором 5, который переключается таким образом, что выход формирователя 8 импульсов подсоединяется к ультразвуковому преобразователю 3, а ультразвуковой преобразователь 4 соединятся посредством коммутатора 5 с входом приемного усилителя 10. Через промежуток времени, превыщающий длительность переходных процессов, после переключения коммутатора 5 таймер 7 формирует на своем втором выходе импульс, устанавливающий триггер 12 в состояние, которое обозначается как «1. Этот же импульс поступает на вход формирователя 8 импульсов и переводит его в активное состояние формирования импульса, который с выхода формирователе 8 поступает через коммутатор 5 на ультразвуковой преобразователь 3. Акустический ультразвуковой сигнал, возбуждаемый при этом преобразователем 3, распространяется в мерном участке 1 трубопровода в направлении по потоку газа и принимается ультразвуковым преобразователем 4, в котором преобразуется в электрический сигнал, поступающий через коммутатор 5 на приемный усилитель 10. Усиленный сигнал с выхода приемного усилителя 10 поступает на вход компаратора И, который при превышении сигналом порогового уровня вырабатывает на своем выходе импульс превыщения порога. В течение промежутка /,, равного временной задержке от начала зондирующего импульса до импульса превышения порога, триггер
fл л 6 12 находится в состоянии «1, разрешая работу счетчика 13 импульсов, на счетный вход которого поступают импульсы от высокостабильного опорного генератора 16 формирователя 6. По импульсу превышения порога, поступаюшему с компаратора 11 на триггер 12, последний устанавливается в состоянии «О, что прекрашает работу счетчика 13 импульсов. Выходной код счетчика 13 импульсов блока 25 измерения временных и интервалов, соответствуюший измеренной временной задержке /,, равной времени распространения ультразвукового сигнала по потоку газа, поступает на входы вычитателя 15 и сумматора 14, выполненные с возможностью запоминания поступаюших на них сигналов и считывания посредством сигналов управления контроллера 22. Через промежуток времени /„, равный периоду повторения зондирующих импульсов, формируется второй, например, четный цикл измерений, при котором осуществляется генерирование, излучение, прием и обработка ультразвукового сигнала при его распространении против потока газа. В этом случае таймер 7 формирователя 6 переключает коммутатор 5 блока 25 таким образом, что выход формирователя 8 импульсов посредством коммутатора 5 подсоединяется к ультразвуковому преобразователю 4, а ультразвуковой преобразователь 3 соединяется с входом приемного усилителя 10 блока 25 измерения временных интервалов. В аналогичной последовательности работы для нечетного цикла измерений таймер 7 формирует на своем втором выходе импульс, устанавливающий триггер 12 в состояние «1, при котором счетчик 13 импульсов переводится в счетный режим. Этот импульс переводит формирователь 8 импульсов в активное состояние формирования импульса, который с выхода формирователя 8 через коммутатор 5 поступает в этом случае на ультразвуковой преобразователь 4. Акустический ультразвуковой сигнал, возбуждаемый при этом ультразвуковым преобразователем 4, распространяется против потока газа и принимается ультразвуковым преобразователем 3, в котором преобразуется в электрический сигнал, поступающий через коммутатор 5 на приемный усилитель 10. Усиленный сигнал с выхода приемного усилителя 10 поступает на компоратор 11, который при превышении сигналом порогового уровня вырабатывает на своем выходе импульс, устанавливаюший триггер 12 в состояние «О и тем самым работа счетчика 13 импульсов прекращается. Выходной код счетчика 13 импульсов, соответствующий измеренной задержке t от начала зондирующего импульса до момента пересечения порогового уровня соответствует временному интервалу распространения ультразвукового сигнала против потока газа, поступает на вычитатель 15 и сумматор 14, с помощью которых соответственно производится вычисление
У
значений разности временных интервалов (t -/,) и суммы временных интервалов (/2 +). Выходной код, соответствующий разности (, с выхода вычитателя 15 поступает на первый вход умножителя 9 арифметического устройства 33.
Процесс определения расхода газа в мерном участке 1 основан на следующих математических преобразованиях. Объемный расход Q газа в единицу времени при
рабочей температуре t° и давлении Р равен:
Q  Sv,(1)
S - площадь поперечного сечения мерного участка 1 трубопровода; V - скорость потока газа.
Исходя из массы газа, проходящего через мерный участок 1 трубопровода в единицу времени, определим объемный расход Q газа, приведенный к значению
стандартной плотности газа р при опорных температуре и давлении:
о -
(2)
р - плотность газа в рабочих условиях;
Q - объемный расход газа в рабочих условиях в соответствии с выражением (1).
Временные интервалы распространения /, и Г ультразвукового сигнала по
потоку газа и против него можно представить в виде:
LL
7 - 2 7;-(3)
C +
Г L Л1/  и
где: L - акустическая база или длина мерного трубопровода;
С - скорость ультразвука в газе.
В этом случае выражение (1) для объемного расхода газа с учетом уравнений (3) представляется в виде:
- jLo .11.о,,-,
-()
S - площадь поперечного сечения трубопровода; при этом v - средняя по сечению
скорость потока газа.
несжимаемое по всей длине мерного участка трубопровода. Это условие выполняется, если v «С 3.
Легко убедиться, что для обьиного бытового трубопровода с диаметром 20 мм при максимальном расходе газа 10  отношение vVC -4-10. Следовательно, выражение (4) с достаточно высокой степенью точности можно вычислять в виде:
Q  ,t,}  ,-t,} ,
ь(5)
где: А - геометрический параметр мерного участка 1 трубопровода, при этом А  -.
Скорость ультразвука в газе для частот ниже 10 Гц может быть выражена по формуле:
С 1
V р (6)
где: % - показатель адиабаты газовой среды;
р - давление газа.
Тогда с учетом выражений (2), (5) и (6) объемный расход газа, приведенный к значению при опорных температуре, давлении и стандартной плотности газа PQ определяется по формуле:
Q,(t,t,}
Ро(7)
Полученное выражение (7) является точным исходным уравнением предложенного ультразвукового газового расходомера-счетчика. В соответствии с этим уравнением реализуется алгоритм работы расходомера-счетчика. Согласно уравнению (7) умножитель 9 арифметического устройства 33 производит операцию перемножения сигналов, пропорциональных разности временных  интервалов (t  -/,) распространения ультразвукового сигнала, которые подаются на первый его вход с выхода вьиитателя 15 с сигналом, пропорциональным давлению Р, который подается на второй вход умножителя 9 с выхода или блока 17 измерения давления или преобразователя 32. Полученный результат умножается на постоянный множитель А и на значение показателя адиабаты % (или k;), поступающее из блока 18 памяти по сигналу контроллера 22, при этом значение показателя адиабаты д для каждого газа выбирается следующим образом. Значение показателя адиабаты х   газа можно поставить в соответствие с измеряемыми интервалами распространения ультразвукового сигнала в газовой среде внутри мерного участка 1 трубопровод, т.е. измеряемые величины /, +1 и величины показателя адиабаты j для каждого газа или, в общем виде, газовой среды находятся в некоторой функциональной зависимости. Эту зависимость можно получить опытным путем или математически, но в любом случае можно представить таблицу соответствия величин  и значений показателей адиабаты j, соответствующих этим величинам. В связи с этим устройство содержит блок 18 памяти, в котором хранятся различные значения показателей адиабаты х различных газов, при этом адресами для считывания значений показателей  являются значения /, + /2, поступающие из сумматора 14. Таким образом, в зависимости от величины /, л-t из блока 18 памяти считывается значение показателя адиабаты х, которое поступает на третий вход умножителя 9. Для повыщения точности определения величины  можно корректировать показатель адиабаты %, умножив его на поправочный коэффициент k, связанный с изменением профиля потока газа через мерный участок 1 трубопровода, т.е. значение Каждый газ имеет свою присущую ему кинематическую вязкость, поэтому с изменением типа газа возникает изменение профиля потока, приводящее к различным показаниям расхода для разных газов. Поэтому поправочный коэффициент k позволяет обеспечивать связь результатов измерений для разных газов между собой. Этот коэффициент вычисляется заранее и может храниться вместе со значением показателей адиабат различных газовых сред в виде множества величин k;: , каждая из которых соответствует сумме временных интервалов Г, +/2 распространения ультразвукового сигнала. Для этого случая блок 18 памяти может иметь зону памяти для хранения величин k; и зону памяти для хранения величин k% для каждого газа в соответствии с величинами t + /2. Таким образом, с учетом поправочного коэффициента k на изменение профиля потока газа и изменяемого показателя адиабаты % как функции суммарного временного интервала (Г, +1) выражение, описывающее работу умножителя 9, можно представить в следующем виде:
(t,-t,}(8)
где Q - массовый расход газа.
С выхода умножителя 9 полученная величина подается на делитель 20 арифметического устройства 33, в котором осуществляют деления значения Q на
значение стандартной плотности р измеряемого газа, поступающее из второго блока 26 памяти. Блок 26 памяти может представлять собой ПЗУ, как указано выше, в котором хранятся значения величин р - стандартной плотности газов в соответствии с
величинами , +t. Зависимость величин р от величин /, +1 также может быть получена опытным путем или вычислена. Блок 26 памяти при поступлении на него того или иного значения t +t как адреса соответствующей ячейки памяти, в которой хранится соответствующая этому значению величина р, выдает значение величины PQ на второй вход делителя 20.
Исходя из уравнения (8) и функции делителя 20 выходной сигнал делителя 20 пропорционален объемному расходу газа, приведенному к нормальным условиям по давлению, температуре и стандартной плотности:
Q  i  (t,-t,}.(9)
РоРо
Реализованное уравнение (9) аналогично исходному уравнению (7) и позволяет
получить высокую точность измерений объемного расхода газа, приведенного к нормальным условиям.
При этом, как бьшо указано выще, расходомер может содержать средство коррекции измеряемых параметров в этом случае прежде, чем сигналы поступят в арифметическое устройство 33, сигналы величины (t + /2) из сумматора 14 поступают на первый вход средства 28, сигналы величины давления поступают на второй вход средства 28 либо из блока 17, либо с преобразователя 32, эти сигналы в этом средстве усредняются по заданным алгоритмам, например, для каждого из значений вычисляется среднеквадратичное, математическое ожидание и т.п.
После коррекции каждое из откорректированных значений поступает на соответствующий вход соответствующих узлов расходомера. Далее, как описано выще, сигналы поступают в арифметическое устройство для вычисления.
Выходной сигнал с выхода делителя 20 арифметического устройства 33 подается на блок 27 вывода данных, в котором производится накопление информации о суммарном объеме газа, прошедшем через мерный участок 1 трубопровода.
(Ч л.
Литература:
1,П.П, Кремлевский. Расходомеры и счетчики количества. Л-д. Машиностроение, 1989.
2.Ультразвуковой газовый расходомер. Патент Японии, (11) JP5061571 В4; (51) G01F1/66; (40)06.09.93.