УЛЬТРАЗВУКОВОЙ РАСХОДОМЕР

Полезная модель относится к области расхода жидких сред и может быть использована в измерительных устройствах для измерения расхода жидкости с помощью ультразвука.
Из патента РФ №2600503 на изобретение известен ультразвуковой расходомер, содержащий измерительную камеру, установленную в потоке текучей среды, N пар входных и выходных датчиков, установленных на измерительной камере, возбудитель, первое коммутирующее устройство, соединенное с датчиками и возбудителем и установленное между датчиками и возбудителем с возможностью выборочного соединения датчиков с возбудителем, причем возбудитель поочередно возбуждает каждый входной и выходной датчик, приемник, соединенный с первым коммутирующим устройством, первое коммутирующее устройство, установленное с возможностью соединения каждого датчика с приемником, и второе коммутирующее устройство, соединенное с возбудителем и приемником, при этом коммутирующие устройства выполнены в виде ключей Т- или Г-образной структуры, непосредственно с выходом возбудителя соединено согласующее сопротивление (Z1), непосредственно к входу приемника включено согласующее сопротивление (Z2), приблизительно равное (Z1), сопротивление любого ключа (Rкл) много меньше согласующих сопротивлений (Z1, Z2), причем согласующие сопротивления по величине не превышают утроенное сопротивление датчиков согласно соотношению Rкл<<Z1=Z2<3|Zдатчика|, первое коммутирующее устройство выполнено в виде 2N ключей, количество которых равно количеству датчиков и каждый ключ соединен последовательно с одним датчиком, все последовательно соединенные с датчиками ключи включены (соединены) в одну точку, которая является точкой соединения еще по меньшей мере двух ключей второго коммутирующего устройства, первый из которых подключен к выходу возбудителя с согласующим сопротивлением (Z1), соединенным последовательно с выходом возбудителя и первым ключом второго коммутирующего устройства, а второй - ко входу приемника с согласующим сопротивлением (Z2).
Из патента РФ №2353905 на изобретение известен ультразвуковой расходомер, содержащий генератор зондирующих импульсов, приемно-усилительный тракт, компаратор, информационный вход которого подключен к выходу приемно-усилительного тракта, при этом дополнительно введены управляемый коммутатор, схема формирования уровня, схема 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. Схема формирования уровня выполнена в виде D - триггера, S - и D - входы которого через первый резистор подключены к источнику питания, С - вход является первым входом схемы, R - вход является входом установки в исходное состояние, а инверсный Q - выход соединен с делителем напряжения из соединенных последовательно второго и третьего резисторов, средняя точка которого является выходом схемы, при этом третий резистор соединен с землей, кроме того, делитель напряжения выполнен с постоянной времени не более половины длительности первой положительной полуволны синусоидального сигнала на информационном входе компаратора.
Недостатком известных ультразвуковых расходомеров является их недостаточная точность.
Ультразвуковой расходомер по патенту РФ №2353905 принят в качестве наиболее близкого аналога (прототипа).
Техническая проблема, решаемая заявляемой полезной моделью - устранение недостатков известных ультразвуковых расходомеров.
Технический результат, достигаемый заявляемой полезной моделью - повышение точности измерения расхода текучей среды, уменьшение потребляемой электрической энергии
Заявляемый технический результат достигается за счет того, что в ультразвуковом расходомере, содержащем два пьезоэлектрических преобразователя, установленных в проточную часть расходомера, генератор зондирующих импульсов, коммутатор, приемно-усилительный тракт, управляющий процессор и схему измерения времени, согласно полезной модели дополнительно введен компаратор с регулируемым порогом срабатывания, вход/выход схемы измерения времени соединен с выходом/входом управляющего процессора, выход которого соединен с управляющим цифровым входом приемно-усилительного тракта, другой вход которого соединен с выходом коммутатора, при этом выход приемно-усилительного тракта соединен со входом коммутатора, два других входа коммутатора соединены с выходами первого и второго пьезоэлектрических преобразователей, а четвертый управляющий цифровой вход коммутатора соединен с первым выходом схемы измерения времени, два других выхода коммутатора соединены с соответствующими входами компаратора с регулируемым порогом срабатывания, выход которого соединен со входом схемы измерения времени, другой вход схемы измерения времени соединен с выходом генератора зондирующих импульсов, другой выход схемы измерения времени соединен с третьим входом компаратора с регулируемым порогом срабатывания, два других выхода генератора зондирующих импульсов соединены с соответствующими входами пьезоэлектрических преобразователей, третий выход схемы измерения времени соединен с управляющим цифровым входом генератора зондирующих импульсов.
Заявляемый ультразвуковой расходомер содержит два пьезоэлектрических преобразователя ПЭП1 и ПЭП2; коммутатор КОМ; схему измерения времени СИВ; генератор зондирующих импульсов ГЗИ; компаратор с регулируемым порогом срабатывания КМП; приемно-усилительный тракт УС; управляющий процессор ПР; проточную часть, в которую установлены ПЭП1 и ПЭП2.
Генератор зондирующих импульсов (ГЗИ) обеспечивает формирование пачки возбуждающих импульсов для пьезоэлектрических преобразователей, которые поочередно формируют в исследуемой жидкости ультразвуковую волну и преобразуют принятую ультразвуковую волну в электрический синусоидальный сигнал. Одновременно генератор зондирующих импульсов запускает схему измерения времени, фиксируя, тем самым, начало отсчета времени прохождения исследуемой жидкости ультразвуковой волной, формируемой соответствующим пьезоэлектрическим преобразователем.
Управляемый коммутатор (КОМ) обеспечивает поочередную передачу на приемно-усилительный тракт с выходов ПЭП1 и ПЭП2 электрического синусоидального сигнала, полученного в результате преобразования ультразвуковой волны.
Приемно-усилительный тракт (УС) согласует по импедансу и усиливает электрический сигнал, соответствующий ультразвуковому сигналу, формируемому в исследуемой среде соответствующим пьезоэлектрическим преобразователем, и формирует на информационном входе компаратора (КМП) усиленный полезный синусоидальный сигнал.
Пороговый уровень компаратора с регулируемым порогом срабатывания (КМП), задаваемый управляющим процессором (ПР), не является постоянной величиной. Стартовое значение порогового уровня задается для каждого прибора индивидуально при тестировании на заводе-изготовителе и зависит от индивидуальных характеристик пьезоэлектрических преобразователей (ПЭП). Основной характеристикой пьезоэлектрического преобразователя является чувствительность, от которой зависит уровень принимаемого сигнала и которая может отличаться в разных партиях. Кроме того, при эксплуатации прибора возможно изменение уровня сигнала пьезоэлектрического преобразователя (ПЭП) вследствие его старения или загрязнения, загрязнения измеряемой жидкости, воздействия высокой температуры измеряемой жидкости на пьезоэлектрический преобразователь (ПЭП). В таких случаях, схема измерения времени (СИВ) под управлением процессора (ПР) динамически подстраивает пороговый уровень компаратора с регулируемым порогом срабатывания (КМП) под измененный уровень сигнала пьезоэлектрических преобразователей (ПЭП). Наличие такой функции в ультразвуковом расходомере улучшает точность измерений. После срабатывания компаратора с регулируемым порогом срабатывания (КМП) по первому принятому импульсу, пороговый уровень компаратора с регулируемым порогом срабатывания (КМП) устанавливается нулевым. Измерение остальных импульсов принимаемого от пьезоэлектрических преобразователей (ПЭП) сигнала по нулевому пороговому уровню позволяет повысить точность измерения расхода за счет устранения погрешности, обусловленной нестабильностью амплитуды принимаемого информационного сигнала, а именно, случайным характером изменения амплитуды информационного сигнала. Код, соответствующий измеренному схемой измерения времени (СИВ), времени распространения ультразвуковой волны от пьезоэлектрического преобразователя ПЭП1 к пьезоэлектрическому преобразователю ПЭП2 передается для обработки в процессор (ПР). Аналогично схема измерения времени (СИВ) измеряет время распространения ультразвуковой волны от пьезоэлектрического преобразователя ПЭП2 к пьезоэлектрическому преобразователю ПЭП1 (по направлению течения жидкости) и передает информацию в процессор (ПР). Управляющий процессор (ПР) по полученным кодам, соответствующим временам распространения ультразвуковой волны между пьезоэлектрическими преобразователями (ПЭП) в направлении против течения жидкости и по течению жидкости, рассчитывает расход жидкости. Важным является использование в схеме измерения времени (СИВ) интегральной схемы МАХ35101 или МАХ35103, имеющей в своем составе прецизионную схему измерения времени, позволяющей измерять промежутки времени с точностью до 20пс. Это улучшило точность измерения расхода прибором.
На фиг. изображена блок-схема заявленного ультразвукового расходомера.
Заявляемый расходомер содержит генератор 1 зондирующих импульсов (ГЗИ), пьезоэлектрические преобразователи 2, 3 (ПЭП), коммутатор 4 (КОМ), приемно-усилительный тракт 5 (УС), компаратор 6 с регулируемым порогом срабатывания (КМП), схему 7 измерения времени (СИВ), процессор 8 (ПР).
Первый и второй входы КОМ 4 подключены соответственно к выходам первого 2 и второго 3 ПЭП; первый и второй выходы КОМ 4 подключены соответственно к первому и второму входам КМП 6; третий выход КОМ 4 подключен к первому входу УС 5; третий вход КОМ 4 подключен к выходу УС 5; второй вход УС 5 соединен с выходом ПР 8; вход/выход ПР 8 соединен со входом/выходом СИВ 7; первый выход СИВ 7 соединен с четвертым входом КОМ 4; второй выход СИВ 7 соединен с первым входом ГЗИ 1; третий выход СИВ 7 соединен с третьим входом КМП 6; первый вход СИВ 7 соединен с первым выходом ГЗИ 1; второй вход СИВ 7 соединен с выходом КМП 6; второй и третий выходы ГЗИ 1 соединены соответственно со входами ПЭП 1 и ПЭП 2.
Схема измерения времени (СИВ 7) может быть выполнена на интегральной схеме МАХ35101 или МАХ35103 или TDC-GP22; приемно-усилительный тракт УС 5 может быть выполнен, например, на интегральной микросхеме МАX4488 или LMP7711; коммутатор (КОМ 4) может быть выполнен, например, на микросхеме ADG736; компаратор КМП 6 генератор зондирующих импульсов ГЗИ 1 физически входят в состав микросхемы, на которой выполнен СИВ 7.
Заявляемый ультразвуковой расходомер работает следующим образом.
Процессор ПР 8 в соответствии с загруженной в него программой передает в СИВ 7 команду о начале измерения. СИВ 7 с помощью ГЗИ 1 генерирует зондирующие электрические импульсы, которые ПЭП 1, установленный в проточную часть расходомера, преобразует в ультразвуковые импульсы, распространяющиеся в измеряемой жидкости в направлении против течения и достигает ПЭП 2, который преобразует ультразвуковые импульсы обратно в электрический сигнал. С ПЭП 2 сигнал поступает на коммутатор КОМ 4, который, управляемый СИВ 7, подключает принятый сигнал к УС 5 для усиления. Усиленный сигнал через КОМ 4 поступает на компаратор КМП 6, входящий в состав СИВ 7. Пороговый уровень компаратора КМП 6 регулируется программно через команды с ПР 8 в соответствии с загруженной в него программой.