УЛЬТРАЗВУКОВОЙ РАСХОДОМЕР-СЧЕТЧИК ГАЗА

Предлагаемое решение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения расхода газа в промышленности и жилищно-коммунальном хозяйстве.
Известен ультразвуковой счетчик газа [1], содержащий первичный преобразователь расхода, формирователь зондирующих сигналов, коммутатор аналоговых сигналов, генератор тактовых импульсов, усилитель, измерительный счетчик, формирователь цифрового сигнала, блок формирования временной диаграммы, схему вычитания кодов, умножитель кодов, память коэффициентов, накапливающий сумматор, схему модификации кодов, схему сравнения кодов, компаратор и триггер.
Недостатком данного решения является то, что поддержание постоянного уровня сигнала на выходе приемных датчиков осуществляется за счет изменения амплитуды зондирующих сигналов, причем регулировка осуществляется по результатам оценки принятого сигнала только на следующем такте измерения, а амплитуда сигнала на выходе приемных датчиков опосредованно связана с амплитудой зондирующего сигнала. Известно, что при больших скоростях потока существенное увеличение флуктуации принимаемого сигнала вызывается за счет их рассеяния на турбулентных вихрях потока, что в особенности относится к газовым потокам, имеющим малую кинематическую вязкость. Причем изменения амплитуды сигнала при зондировании, как по потоку, так и против потока, могут составлять два и более раз. При больших скоростях потока данное решение не позволяет оперативно следить за изменением принимаемого сигнала, что может приводить к сбоям и ошибкам в регистрации и измерении параметров сигнала или к необоснованным регулировкам при случайных флуктуациях сигнала.
Наиболее близким техническим решением является ультразвуковой расходомер [2], содержащий измерительный участок с приемопередающими электроакустическими преобразователями, входной коммутатор, формирователь зондирующего сигнала, усилитель с автоматической регулировкой усиления (АРУ), амплитудно-временной селектор, счетчик грубого отсчета, схему интерполяции, блок динамического усреднения, тактовый генератор, формирователь временных интервалов и вычислитель.
Счетчик работает следующим образом. Измерения выполняются в два такта: при зондировании по потоку и против потока измеряемой среды. Входной коммутатор обеспечивает передачу/прием сигналов соответствующего электроакустического преобразователя (ЭАП) первичного преобразователя расхода. В начале такта измерения на схему формирователя зондирующего сигнала с первого выхода формирователя временных интервалов поступает сигнал запуска зондирования, который управляет формированием зондирующего сигнала, а на входной коммутатор со второго выхода формирователя временных интервалов поступает сигнал разрешения зондирования. По концу сигнала запуска зондирования на выходе формирователя зондирующего сигнала формируется зондирующий сигнал и одновременно разрешается работа счетчика грубого отсчета. Прошедший через измеряемую среду сигнал через входной коммутатор подается на вход усилителя с АРУ и после усиления поступает на амплитудно-временной селектор, который содержит компараторы контроля уровня сигнала. При превышении амплитуды колебания в принятом сигнале заданного порогового уровня это колебание выделяется как рабочий импульс сигнала. В момент перехода отрицательного фронта рабочего импульса через ноль запускается преобразование временного интервала в напряжение. Интервал преобразования завершается по фронту импульса эталонной частоты с тактового генератора. Количество эталонных импульсов от заднего фронта сигнала запуска зондирования до конца преобразования временного интервала в напряжение фиксируется счетчиком грубого отсчета как код грубого отсчета временного интервала. С помощью схемы интерполяции производится преобразование в код временного интервала, сформированного амплитудно-временным селектором в пределах периода частоты эталонного тактового генератора. С выхода схемы интерполяции значение кода поступает в блок динамического усреднения. Для уменьшения влияния внешних факторов и повышения стабильности измерений в схеме интерполяции осуществляется калибровка измерителя по длительности периода эталонного такта. Коды с выходов блока динамического усреднения и счетчика грубого измерения поступают в вычислитель, который формирует код времени распространения сигнала в канале измерения и выполняет расчет параметров потока. Работа всех узлов устройства синхронизируется сигналами с выходов формирователя временных интервалов.
Недостатком данного устройства является то, что, несмотря на наличие усилителя с АРУ, возможны некорректные измерения времени распространения зондирующего сигнала в случаях, когда происходит резкое изменение скорости потока при достаточно больших скоростях потока газа или при наличии помех в канале измерения. Эти факторы приводят к большим изменениям амплитуды принимаемого сигнала или появлению ложных сигналов, которые не могут быть оперативно учтены и скомпенсированы. Изменение амплитуды принимаемого сигнала в больших пределах или появление дополнительных помеховых сигналов приводит к тому, что определение рабочего импульса по превышению порога достигается для разных импульсов при зондировании по потоку и против потока или рабочий импульс вообще не может быть определен. В этом случае происходит сбой в работе счетчика или искажаются временные параметры измеряемого потока и, следовательно, увеличивается погрешность измерений. Это обстоятельство не позволяет обеспечить работу устройства при резких изменениях скорости потока, что ограничивает динамический диапазон измерений.
Настоящим предложением решается задача увеличения помехоустойчивости измерения расхода и обеспечения измерений быстроизменяющихся потоков при сверхнизком энергопотреблении.
Для решения поставленной задачи предложен ультразвуковой расходомер-счетчик газа, содержащий первичный преобразователь расхода с двумя приемоизлучающими электроакустическими преобразователями (ЭАП), входной коммутатор, усилитель, амплитудно-временной селектор, формирователь зондирующего сигнала, счетчик грубого отсчета, схему интерполяции, схему вычитания, блок динамического усреднения, тактовый генератор, формирователь временных интервалов и вычислитель, причем входы/выходы приемоизлучающих электроакустических преобразователей первичного преобразователя расхода через входной коммутатор соединены с выходом формирователя зондирующего сигнала и входом усилителя, выход которого соединен с амплитудно-временным селектором, выход которого соединен с первыми входами счетчика грубого отсчета и схемы интерполяции, выходы которых соединены с входами схемы вычитания, выход которой соединен с первым входом блока динамического усреднения, кроме того первый выход формирователя временных интервалов соединен с входом формирователя зондирующего сигнала и вторым входом счетчика грубого отсчета, второй выход соединен с входом коммутатора, третий выход соединен со вторым входом схемы интерполяции, четвертый выход соединен с входом вычислителя, выход которого является выходом устройства, а выход тактового генератора соединен с первым входом формирователя временных интервалов, третьими входами счетчика грубого отсчета и схемы интерполяции. Дополнительно ультразвуковой расходомер-счетчик газа содержит оконный компаратор, коммутатор измерений и мультипороговый компаратор, причем вход оконного компаратора соединен с выходом усилителя, а выход соединен со вторым входом формирователя временных интервалов, первые входы коммутатора измерений и мультипорогового компаратора соединены с выходом схемы вычитания, второй вход мультипорогового компаратора соединен с выходом блока динамического усреднения, третий вход соединен со вторым выходом формирователя временных интервалов, а первый выход соединен со вторым входом коммутатора измерений, выход которого соединен с входом блока динамического усреднения, второй выход мультипорогового компаратора соединен с третьим входом формирователя временных интервалов, а третий выход соединен со вторым входом блока динамического усреднения.
Задача решается введением в ультразвуковой расходомер оконного компаратора, коммутатора измерений и мультипорогового компаратора. Наличие оконного компаратора позволяет за счет изменения амплитуды зондирующего сигнала поддерживать уровень принимаемого сигнала в пределах заданного рабочего окна. Мультипороговый компаратор проводит контроль результата отклонения измеренных временных интервалов по и против потока от их средних значений. Величина отклонения по каждому направлению сравнивается с установленными порогами и по результатам сравнения проводятся дальнейшие операции с полученными измерениями. При больших превышениях отклонения только по одному направлению, что соответствует измерениям, проведенным по разным рабочим импульсам при зондировании по потоку и против потока или при переходе на измерения по другому импульсу, проводится блокирование прохождения измерений через коммутатор измерений и их дальнейшее участие в расчетах. Отклонения, превышающие определенный средний уровень и имеющие разный знак, формируют сигналы управления в формирователь временных интервалов для изменения (увеличения) частоты измерений и в блок динамического усреднения для уменьшения постоянной усреднения параметров в зависимости от скорости изменения расхода, что увеличивает точность измерения быстро изменяющихся потоков. Наличие механизма контроля измерений повышает помехоустойчивость измерений и их достоверность. Механизм адаптивного изменения частоты измерений и постоянной усреднения обеспечивает высокую точность измерения быстропеременных потоков при сохранении низкого общего уровня энергопотребления, что особенно актуально для бытовых счетчиков газа, которые должны работать без замены батареи в течение всего межповерочного интервала.
Сущность предлагаемого решения проиллюстрирована блок-схемой ультразвукового расходомера-счетчика (фиг. 1).
Ультразвуковой расходомер-счетчик содержит первичный преобразователь расхода 1 с комплектом электроакустических преобразователей (ЭАП) (ЭАП1 и ЭАП2), входной коммутатор 2, усилитель 3, амплитудно-временной селектор 4, формирователь 5 зондирующего сигнала, оконный компаратор 6, счетчик 7 грубого отсчета, схему 8 интерполяции, схему 9 вычитания, блок 10 динамического усреднения, тактовый генератор 11, формирователь 12 временных интервалов, вычислитель 13, коммутатор измерений 14 и мультипороговый компаратор 15. Входы/выходы приемоизлучающих электроакустических преобразователей ЭАП1 и ЭАП2 первичного преобразователя расхода 1 через входной коммутатор 2 соединены с выходом формирователя зондирующего сигнала 5 и входом усилителя 3, выход усилителя соединен с амплитудно-временным селектором 4 и входом оконного компаратора 6, а выход амплитудно-временного селектора соединен с первыми входами счетчика грубого отсчета 7 и схемы интерполяции 8, выходы которых соединены с входами схемы вычитания 9. Первый выход формирователя 12 временных интервалов соединен с входом формирователя зондирующего сигнала 5 и вторым входом счетчика грубого отсчета 7, второй выход формирователя 12 соединен со вторым входом коммутатора 2, третий выход формирователя 12 соединен со вторым входом схемы интерполяции 8, четвертый выход соединен с первым входом вычислителя 13, второй вход которого соединен с выходом блока динамического усреднения 10, а выход которого является выходом устройства. Выход тактового генератора 11 соединен с первым входом формирователя 12 временных интервалов, третьими входами счетчика грубого отсчета 7 и схемы интерполяции 8, а выход оконного компаратора 6 соединен со вторым входом формирователя 12 временных интервалов. Первые входы коммутатора измерений 14 и мультипорогового компаратора 15 соединены с выходом схемы вычитания 9, второй вход мультипорогового компаратора 15 соединен с выходом блока динамического усреднения 10, третий вход соединен со вторым выходом формирователя временных интервалов 12, а первый выход соединен со вторым входом коммутатора измерений 14, выход которого соединен с входом блока динамического усреднения 10. Второй выход мультипорогового компаратора 13 соединен с третьим входом формирователя 12 временных интервалов, а третий выход соединен со вторым входом блока динамического усреднения 10.
1
2
Работа ультразвукового расходомера-счетчика состоит из 2 тактов измерения, которые соответствуют двум направлениям ультразвукового зондирования (по потоку измеряемой среды и против потока). Скорость потока v определяется по разности времен распространения сигнала по потоку T и против потока Т.
1
Измеряемый временной интервал при зондировании по потоку T можно представить в виде
2
При зондировании против потока временной интервал Т равен
где L - длина пути ультразвукового сигнала в потоке;
0
L - длина пути ультразвукового сигнала в неподвижной среде;
с - скорость распространения ультразвука в неподвижной среде;
v - скорость потока;
1
t - постоянная задержка, не связанная с распространением ультразвука в среде, при зондировании по потоку;
2
t - постоянная задержка, не связанная с распространением ультразвука в среде, при зондировании против потока;
α - угол между направлением потока и направлением распространения ультразвукового сигнала.
1
2
0
2
1
0
1
2
Учитывая, что t≈t=t, и, обозначая Δt=t-t и 2⋅t=t+t, после преобразования получаем выражение для скорости потока
p
2
1
где T=Т-Т,
с
1
2
Т=T+Т,
0
В=L+L - геометрическая база устройства.
Объемный расход вычисляется по формуле
где D - диаметр расходомерного участка.
0
Объем V вычисляется нарастающим итогом в соответствии с выражением
IZ
где T - интервал между измерениями.
Для выполнения всех необходимых измерений и получения значений расхода и объема каждый такт измерения включает пять временных интервалов:
1
- интервал зондирования l - формирование импульса управления формирователем зондирующего сигнала и импульса зондирования;
2
- интервал измерения l - измерение времени распространения зондирующего сигнала в первичном преобразователе расхода.
3
- интервал калибровки l - измерение длительности периода эталонной частоты.
4
- интервал обработки измерений l - формирование результирующего значения измеряемого временного интервала и селекция измерений.
5
- интервал вычислений l - вычисление значений измеряемых параметров: расхода и объема измеряемой среды.
Следует заметить, что первые четыре интервала измерения выполняются в каждом такте измерения, тогда как интервал вычислений добавляется только после второго такта измерений временных интервалов для вычисления по проведенным измерениям значений расхода и объема газа в соответствии с выражениями (3), (4) и (5).
В зависимости от такта измерения с первого выхода формирователя 12 временных интервалов на входной коммутатор 2 поступает сигнал управления, который обеспечивает передачу/прием сигналов на/с соответствующего ЭАП.
В каждом такте выполняются следующие процедуры:
1
В начале первого интервала (l) на схему формирователя 5 зондирующего сигнала с первого выхода формирователя 12 временных интервалов поступает сигнал запуска зондирования, который управляет запуском и амплитудой формирователя зондирующего сигнала, а на входной коммутатор 2 со второго выхода формирователя 12 временных интервалов поступает сигнал разрешения зондирования. Коммутируемый ЭАП определяется номером рабочего такта в цикле измерения. В такте зондирования по потоку сигналом разрешения зондирования формирователя 12 выход схемы формирователя 5 зондирующего сигнала через открытый ключ входного коммутатора 2 подключается к электроакустическому преобразователю ЭАП1 первичного преобразователя расхода 1. Второй ЭАП2 при этом шунтируется для уменьшения взаимного влияния каналов. По концу сигнала запуска зондирования формирователь 5 зондирующего сигнала формирует зондирующий сигнал, и счетчик 7 грубого отсчета начинает счет импульсов тактового генератора 11. По окончанию сигнала зондирования сигнал разрешения зондирования снимается.
2
На втором интервале (I) ЭАП2 первичного преобразователя расхода 1 через входной коммутатор 2 по сигналу разрешения приема, поступающему с первого выхода формирователя 12 временных интервалов, подключается к входу усилителя 3. Прошедший через измеряемую среду и усиленный усилителем 3 сигнал зондирования поступает на амплитудно-временной селектор 4, который содержит компараторы контроля уровня сигнала. При превышении амплитуды колебания в принятом сигнале заданного порогового уровня это колебание выбирается как рабочий импульс сигнала. Рабочий импульс сигнала поступает на оконный компаратор 6, который содержит два компаратора: компаратор верхней границы окна и компаратор нижней границы окна, и связанные с ними два счетчика событий: счетчик ослабления и счетчик усиления. При выходе амплитуды сигнала за пределы окна контроля соответствующий счетчик ведет подсчет числа событий. Сигнал с выхода компаратора верхней границы окна поступает на счетный вход счетчика ослабления и на вход сброса счетчика усиления. Сигнал с выхода компаратора нижней границы окна поступает на счетный вход счетчика усиления и на вход сброса счетчика ослабления. Сигналы переполнения счетчиков поступают на формирователь 12 временных интервалов, который увеличивает или уменьшает длительность управляющего сигнала, подаваемого на формирователь 5 зондирующего сигнала, увеличивая или уменьшая, таким образом, амплитуду зондирующего сигнала. Наличие счетчиков числа событий обеспечивает регулировку амплитуды только при установившемся изменении принимаемого сигнала и не приводит к хаотической реакции на случайные флуктуации сигнала.
При переходе отрицательного фронта рабочего импульса через ноль фиксируется окончание измеряемого временного интервала. При этом запускается схема 8 интерполяции, которая производит измерение временного интервала в пределах от зафиксированного конца измеряемого временного интервала до фронта импульса опорной частоты тактового генератора 11. По тому же фронту импульса эталонной частоты останавливается счетчик 7 грубого отсчета, код счетчика 7 фиксируется как значение грубого отсчета временного интервала.
3
0
На третьем временном интервале (I) проводится калибровка измерителя временных интервалов, т.е. проводится измерение периода опорной частоты тактового генератора 11. Для определения кода периода опорной частоты калибровка осуществляется в два такта: в первом такте с третьего выхода формирователя 12 временных интервалов на схему 8 интерполяции поступает сигнал калибровки с длительностью, равной (n+1) периодов эталонного такта, во втором такте - длительностью n периодов (n≥1). Код периода опорной частоты Кравен
cl1
где K - код длительности первого такта калибровки,
cl2
K - код длительности второго такта калибровки.
Код калибровки поступает на схему интерполяции 8 для получения кода значения интерполяционной части измеренного временного интервала в соответствии с выражением
IZ
где K - измеренное значение кода интерполяционного интервала,
IN
K - нормированное значение кода.
4
На четвертом интервале (I) коды с выходов счетчика 7 грубого отсчета и схемы 8 интерполяции поступают на схему вычитания 9, где осуществляется формирование кода результирующего значения временного интервала, 7) в соответствии с выражением
0
где Т - период частоты опорного генератора в мкс,
N - число периодов, подсчитанное счетчиком грубого отсчета.
Значение кода времени распространения через коммутатор измерений 14 поступает в блок 10 динамического усреднения, где осуществляется усреднение измеренных значений времени распространения с установленной постоянной усреднения.
В мультипороговом компараторе 15 по коду измеренного значения временного интервала, поступающему со схемы вычитания 9, и коду среднего значения временного интервала с блока динамического усреднения 10, формируются коды отклонения величины измеренного значения от его среднего значения по направлению, определяемому сигналом со второго выхода формирователя временных интервалов.
Коды отклонения для каждого направления зондирования сравниваются с заданными тремя пороговыми значениями: верхним, средним и нижним.
При превышении верхнего порога только по одному направлению, что соответствует приему помехового сигнала, сигналом с первого выхода мультипорогового компаратора 15 проводится блокирование прохождения измерений через коммутатор измерений 14 и их дальнейшее участие в измерении расхода, что обеспечивает помехоустойчивость схемы измерения и достоверность результатов измерения.
Отклонения, превышающие определенный средний пороговый уровень и имеющие разный знак, со второго выхода мультипорогового компаратора 15 формируют сигналы управления в формирователь временных интервалов 12 для увеличения частоты измерения быстро изменяющихся потоков.
Превышение отклонений разного знака нижнего порогового уровня приводит к формированию сигнала с третьего выхода компаратора 15 в блок динамического усреднения 10 для уменьшения постоянной усреднения параметров расхода.
Увеличение частоты измерений и уменьшение постоянной усреднения обеспечивает увеличение скорости перестройки и повышение точности измерений расхода. При установившемся потоке отклонения текущих измерений от среднего значения становятся малыми, ниже самого нижнего порогового уровня, и счетчик переходит на измерения с малой частотой, что значительно уменьшает энергопотребление.
5
На пятом интервале (I) вычислитель 13 производит расчет характеристик потока в соответствии с выражениями (3), (4) и (5). Работа вычислителя 13 синхронизируется сигналами с выхода формирователя 12 временных интервалов.
Работой расходомера-счетчика управляет формирователь 12 временных интервалов. Формирователь 12 временных интервалов по входным эталонным тактовым импульсам формирует номер временного интервала и номер такта в цикле измерения, а также сигналы управления и код числа усреднений.
Двухканальный входной коммутатор 2 содержит по четыре ключа на каждый канал: ключ разрешения зондирования, ключ разрешения приема, ключ шунтирования зондирования и ключ шунтирования приема.
В формирователе 5 зондирующего сигнала для формирования амплитуды импульса, превышающего напряжение питания схемы, используется накопление энергии в индуктивности при протекании через нее постоянного тока. Формирователь 5 зондирующего сигнала содержит дроссель L накопления энергии, схему удвоения напряжения и ключ зарядного тока. При подаче сигнала запуска зондирования дроссель накопления энергии через замкнутый ключ зарядного тока подключается к схеме удвоения напряжения. При размыкании ключа, через который пропускался ток, ток дросселя формирует импульс зондирования. Длительность импульса зондирования определяется частотой резонансного контура, образованного индуктивностью дросселя и емкостью ЭАП, а его амплитуда - длительностью протекания тока через индуктивность. Частота резонанса контура выбирается равной частоте механического резонанса ЭАП. Схема удвоения напряжения служит для повышения эффективности схемы и возможности формирования зондирующих сигналов большой амплитуды, в несколько раз превышающей напряжение питания батареи счетчика (напряжение 3,0…3,6 В).
Амплитудно-временной селектор 4 включает два компаратора уровня: компаратор порога рабочего колебания и компаратор принятого сигнала. Компараторы обеспечивают выделение рабочего колебания из принимаемого сигнала и фиксацию его временного положения для управления схемой грубого отсчета 7 и схемой 8 интерполяции.
Схема 8 интерполяции служит для определения точного значения времени распространения сигнала путем измерения части в пределах периода тактовой частоты в соответствии с формулой (8). Начало интервала измерения задается компаратором фиксации приема амплитудно-временного селектора 4 по переходу через ноль заднего фронта рабочего импульса, а конец интервала - рабочим фронтом тактового импульса. Значение временного интервала преобразуется в значение напряжения с помощью преобразователя время-напряжение, а затем в код аналого-цифровым преобразователем. Для обеспечения независимости измерений от характеристики преобразования время-код схема интерполяции на интервале калибровки определяет код периода тактового импульса.
Блок 10 динамического усреднения представляет собой накопитель с изменяемой постоянной накопления. Постоянная накопления корректируется мультипороговым компаратором 15 в зависимости от динамики изменения потока.
Мультипороговый компаратор 15 включает вычислитель разности кодов, компараторы верхнего, среднего и нижнего уровня, регистр состояния и анализатор, который представляет собой три схемы совпадения кодов определенных битов регистра состояния. По результатам измерения в зависимости от отклонения измеренных значений от их средних значений, зафиксированного в битах регистра состояния компаратора 15, на его выходах формируются сигналы управления для блоков 14, 12 и 10, которые обеспечивают соответственно селекцию достоверных измерений, изменение частоты измерений и выбор подходящей степени усреднения.
Источники информации:
1. Евразийский патент №014208, МПК G01F 1/66, опубликован 29.10.2010 г.
2. Патент РБ на полезную модель №5266, МПК G01F 1/66, опубликован 30.06.2009 г. (прототип).