УЛЬТРАЗВУКОВОЙ РАСХОДОМЕР ГАЗА
ULTRASONIC GAS FLOW METER

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в измерительных устройствах для определения расхода газообразных сред с помощью ультразвука.
Известны ультразвуковые расходомеры газа, использующие для определения скорости газовой среды (расхода), измерение времени прохождения ультразвуковых импульсов в потоке. Движение потока газовой среды приводит к изменению времени прохождения ультразвука, что позволяет рассчитать объем газовой среды, прошедший через датчик расхода за единицу времени. Для измерения времени прохождения ультразвука, и расчета объема газа, обычно используется вычислительное устройство (специализированный микроконтроллер). Примером такого устройства является патент на ультразвуковой расходомер (см. патент RU 2 695 282 С1, опубл. 22.07.2019), где для излучения и приема ультразвуковых импульсов в измеряемой газовой среде, используются пара ультразвуковых излучателя находящихся на некотором расстоянии друг от друга. Вычислительное устройство периодически формирует электрические импульсы, которые ультразвуковые излучатели преобразуют в ультразвуковые зондирующие импульсы в газовой среде. В паузах между импульсами производится прием отраженных ультразвуковых зондирующих импульсов, прошедших через газовую среду.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является ультразвуковой расходомер (см. патент ЕР 2639560 В1, опубл. 06.03.2019) который содержит два разнесенных в пространстве ультразвуковых излучателя, способных принимать и передавать ультразвуковые зондирующие импульсы и тем самым производить измерение расхода газа. Расположение ультразвуковых излучателей в измерительном тракте имеет V-образную форму. Устройство выполняет измерения по время-пролетному методу с помощью ультразвукового зондирования измеряемой газовой среды. Данные о времени пролета ультразвукового зондирующего импульса, обрабатываются вычислительным устройством и выводятся на индикатор. Для расчета расхода измеряемой среды, индикации, используется вычислительное устройство.
Недостатками известных технических решений являются наличие двух ультразвуковых излучателей с неидентичными параметрами преобразования электрических импульсов, на приеме и передаче, что приводит к росту шумов и ложных срабатываний вычислительного устройства; широкая диаграмма направленности ультразвуковых излучателей, которая снижает чувствительность приема и энергоэффективность передачи за счет увеличения количества паразитных переотражений ультразвуковых зондирующих импульсов; протяженные цепи связи между вычислительным устройством и двумя разнесенными в пространстве ультразвуковыми излучателями создают паразитные высокочастотные связи и восприимчивость к помехам. Выше указанные недостатки приводят к ограничению измерения малых изменений времени прохождения ультразвуковых зондирующих импульсов в газовой среде, что соответственно ограничивает чувствительность датчиков расхода газа и усложнению практической реализации ультразвукового расходомера.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является повышение чувствительности и точности измерений ультразвукового расходомера газа.
Для достижения указанного технического результата ультразвуковой расходомер газа содержит измерительный тракт, вычислительное устройство и индикатор, измерительный тракт включает один ультразвуковой излучатель с узкой диаграммой направленности, выполненный по МЭМС (микроэлектромеханическая система) технологии на одном кристалле (корпусе микросхемы) с измерительной схемой и отражатель, который предназначен для отражения ультразвуковых зондирующих импульсов обратно в ультразвуковой излучатель МЭМС. Ультразвуковой излучатель МЭМС выпускается серийно в виде стандартной микросхемы (см. https://invensense.tdk.com/products/ch101/). Ультразвуковой излучатель МЭМС и отражатель, имеют V-образное расположение в измерительном тракте. Вычислительное устройство используется для расчета объемного расхода измеряемой среды и индикации в ультразвуковом расходомере газа.
На фиг. приведена структурная схема ультразвукового расходомера газа.
Ультразвуковой расходомер газа содержит измерительный тракт 1, в котором V-образно относительно пути 6 распространения ультразвуковых зондирующих импульсов расположены отражатель 2 и ультразвуковой излучатель МЭМС 3, который своим выходом соединен со входом вычислительного устройства 4, выход которого соединен со входом индикатора 5. Ультразвуковой излучатель МЭМС 3 обеспечивает прием и передачу ультразвуковых зондирующих импульсов, и позволяет вычислять время пролета ультразвуковых зондирующих импульсов, за счет встроенной измерительной схемы с алгоритмами цифровой обработки ультразвуковых зондирующих импульсов и точечным чувствительным керамическим пьезоизлучателем, работающим в ультразвуковом диапазоне волн. Вычислительное устройство 4 осуществляет расчет объемного расхода газа на основании измеренного времени пролета ультразвуковых зондирующих импульсов от ультразвукового излучателя МЭМС 3 к отражателю 2 и обратно к ультразвуковому излучателю МЭМС 3.
Ультразвуковой расходомер газа работает следующим образом.
Ультразвуковые зондирующие импульсы формируются и передаются от ультразвукового излучателя МЭМС 3 в измерительный тракт 1, по пути 6 распространяются через измеряемую среду, и отражаются отражателем 2 за счет V-образного расположения с ультразвуковым излучателем МЭМС 3 в измерительном тракте 1, и через измеряемую среду принимаются обратно на ультразвуковой излучатель МЭМС 3, далее ультразвуковым излучателем МЭМС 3 в вычислительное устройство 4 передаются значения времени пролета ультразвуковых зондирующих импульсов в измерительном тракте 1, вычислительным устройством 4 считываются значения времени пролета ультразвуковых зондирующих импульсов с ультразвукового излучателя МЭМС 3 и выполняется фильтрация значений времени пролета ультразвуковых зондирующих импульсов, расчет объема расхода газа выполняется по время пролетному методу в вычислительном устройстве 4 и сохраняется во внутреннюю энергонезависимую память вычислительного устройства 4 в виде данных об объемном расходе газа, а затем выводятся на индикатор 5.
Использование одного ультразвукового излучателя, выполненного по технологии МЭМС на одном кристалле, способного принимать и передавать ультразвуковые зондирующие импульсы, позволяет снижать погрешность измерений времени пролета ультразвуковых зондирующих импульсов от не идентичности характеристик пары излучателей. Сокращение протяженных электрических цепей связи между ультразвуковым излучателем и вычислительным устройством в структуре однокристального МЭМС исполнения, исключает паразитные высокочастотные связи и восприимчивость к помехам. Узкая диаграмма направленности ультразвукового излучателя МЭМС, уменьшает количество паразитных переотражений ультразвуковых зондирующих импульсов, повышает чувствительность их приема и повышается энергоэффективность передачи ультразвуковых зондирующих импульсов.
Таким образом, ультразвуковой расходомер газа обладает повышенной помехоустойчивостью, чувствительностью, что приводит к повышению точности измерения объема расхода газа, по сравнению с аналогами, за счет применения МЭМС технологии ультразвукового излучателя.