Ультразвуковой датчик расхода газовых и жидких топливных сред
ULTRASONIC SENSOR OF GAS AND LIQUID FUEL MEDIA FLOW RATE

Предлагаемое устройство относится к приборостроению и предназначено для измерения расхода газовых и жидких топливных сред.
Известны датчики расхода газовых и жидких топливных сред (авт. свид. СССР №№913076, 1185093, 1435944, 1812433; патенты РФ №№2003944, 2010167, 2084833, 2176072, 2190191, 2190833, 2190834, 2511638; патенты США №№4308752, 4741215, 5440925; патенты Великобритании №№1165398, 2166550; патент ФРГ №2756873; патент Японии №56-54566; Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. Л.: Машиностроение, 1989; Никитин В.И. современные проблемы измерения малых расходов жидкости и газа. Измерительная техника, 1986, №2; Хамидуллин В.К. Ультразвуковые контрольно-измеритеьные устройства и системы. Л.: Машиностроение, 1989, с. 176, рис. 3.22 и другие).
Из известных датчиков и устройств наиболее близким к предполагаемому является «Ультразвуковой расходомер» (патент РФ №2003944, G01F 1/66, 1991) который и выбран в качестве прототипа.
Известный расходомер обеспечивает измерение скорости движущихся частиц в трубопроводе заданного диапазона. Это достигается автокорреляционной квадратурной обработкой акустических сигналов с использованием генератора белого шума.
з
В известном устройстве для измерения скорости корреляционным методом используются два сигнала: u(t) и u(t-τ), где  - транспортное запаздывание второго сигнала.
з
Для точного измерения скорости нужно возможно точнее определить значение регулируемого запаздывания τ, соответствующее максимуму корреляционной функции.
Однако в области максимума автокорреляционная функция R(τ) имеет очень малую крутизну и изменяется незначительно при изменениях τ (фиг. 2, а).
Кроме того, автокорреляционная функция R(τ) имеет высокочастотное заполнение. Гораздо более благоприятной для поиска максимума является форма производной от автокорреляционной функции  (фиг. 2, б).
В точке)=0 производная имеет значительную крутизну и, кроме того, меняет знак в зависимости от положении относительно точки τ=0. Таким образом, отыскание максимума автокорреляционной функции R(τ) (максимальный принцип - экстремальная задача) заменяется минимальным принципом измерения - стабилизацией нулевого значения регулируемой величины.
Технической задачей изобретения является повышение точности измерения скорости движущихся частиц в трубопроводе заданного диапазона путем использования производной автокорреляционной функции  и сложных сигналов с фазовой манипуляцией.
Поставленная задача решается тем, что ультразвуковой датчик расхода газовых и жидких топливных сред, содержащий, в соответствии с ближайшим аналогом, генератор гармонического колебания, последовательно включенные первый усилитель и излучатель, последовательно включенный приемный элемент и второй усилитель, последовательно включенные блок регулируемой задержки и коррелятор, состоящий из последовательно включенных перемножителя и фильтра нижних частот, при этом излучатель и приемный элемент установлены на трубопроводе на расстоянии  друг от друга, отличается от ближайшего аналога тем, что он снабжен генератором псевдослучайной последовательности, фазовым манипулятором, дифференциатором, третьим усилителем и указателем расхода, причем к выходу генератора гармонического колебания подключен фазовый манипулятор, второй вход которого соединен с выходом генератора псевдослучайной последовательности, а выход подключен к входу первого усилителя и блока регулируемой задержки, выход второго усилителя через дифференциатор подключен к второму входу перемножителя, к выходу фильтра нижних частот последовательно подключены третий усилитель, блок регулируемой задержки и указатель расхода.
Структурная схема ультразвукового датчика расхода газовых и жидких топливных сред представлена на фиг. 1. вид автокорреляционной функции R(τ) и ее производной  показаны на фиг. 2.
Ультразвуковой датчик расхода газовых и жидких топливных сред содержит последовательно включенных генератор 2 гармонического колебания, фазовый манипулятор 3, второй вход которого соединен с выходом генератора 1 псевдослучайной последовательности, первый усилитель 4 и излучатель 5, последовательно включенные приемный элемент 7, второй усилитель 8, дифференциатор 10, перемножитель 11, второй вход которого через блок 9 регулируемой задержки соединен с выходом фазового манипулятора 3, фильтр 13 нижних частот, третий усилитель 14, блок 9 регулируемой задержки и указатель 15 расхода. Перемножитель 11 и фильтр 13 нижних частот образуют коррелятор 12. Излучатель 5 и приемный элемент 7 установлены на трубопроводе 6 на расстоянии  друг от друга.
Ультразвуковой датчик расхода газовых и жидких топливных сред работает следующим образом.
Гармоническое колебание
c
c
c
c
с
u(t)=U⋅Cos(ωt+ϕ), 0≤t≤Т,
c
c
с
c
где U, ω, ϕ, T - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность гармонического колебания,
с выхода генератора 2 гармонического колебания поступает на первый вход фазового манипулятора 3, на второй вход которого подается модулирующий код M(t) с выхода генератора 1 псевдослучайной последовательности. На выходе фазового манипулятора 3 формируется сложный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМн)
1
1
c
k
с
с
u(t)=U⋅Cos[(ωt+ϕ(t)+ϕ], 0≤t≤Т,
к
к
Э
Э
Э
где ϕ(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы сигнала, отражающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t), причем ϕ(t)=const при kτ<t<(k+1) τ и может изменяться скачком при t=kτ, т.е. на границах между элементарными посылками (k=1, 2, …, N);
Э
с
с
Э
τ, N, - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Т(Т=N⋅τ),
который через первый усилитель 4 и излучатель 5 поступает в движущуюся топливную среду. Отражаясь от движущихся частиц, акустический ФМн сигнал поступает на вход приемного элемента 7
2
2
c
з
k
з
с
с
u(t)=U⋅Cos[ω(t-τ)+ϕ(t-τ)+ϕ], 0≤t≤Т,
где  - время распространения акустического ФМн сигнала от излучения до приема;
- расстояние от излучателя 5 до приемного элемента 7;
V - скорость движения частиц.
з
1
Следовательно, принятый сигнал соответствует по форме излученному, но задержанному на τ в акустическом канале. Одновременно с этим излучаемый ФМн сигнал u(t) через блок 9 регулируемой задержки.
На выходе такой схемной конструкции сигнал будет соответствовать производной от автокорреляционной функции .
Таким образом, продифференцировав один из входных сигналов на выходе указанной схемной конструкции получим знакопеременный сигнал с большой крутизной в области максимума корреляционной функции, который может быть использован для автоматического управления блоком 9 регулируемой задержки. Если указанная производная не равна нулю, то на выходе фильтра 13 нижних частот формируется управляющее напряжение, амплитуда которого пропорциональна степени отклонений производной корреляционной функции от нулевого значения, а полярность направлению отклонения. Это напряжение через усилитель 14 воздействует на управляющий вход блока 9 регулируемой задержки, изменяя временную задержку τ так, чтобы производная корреляционной функции была равна нулю. Указатель 15 расхода, связанный со шкалой блока 9 регулируемой задержки, позволяет непосредственно считывать расход газовых и жидких топливных сред.
Таким образом, предлагаемый датчик по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает повышение точности измерения скорости движущихся частиц в трубопроводе заданного диапазона. Это достигается использованием производной автокорреляционной функции  и сложных сигналов с фазовой манипуляцией.
Метод измерения временных интервалов по минимуму производной автокорреляционной функции (прохождению через нуль), наряду с высокой точностью и чувствительностью, обладает еще одним весьма существенным преимуществом нулевого метода, а именно амплитуда входных сигналов входных сигналов и ее флюктуации не оказывают влияния на результат измерений. Достоинством нулевого метода является также относительная простота получения нужного сигнала рассогласования, производная в точке τ=0. Предлагаемая корреляционная система обеспечивает методическую погрешность измерений, равную долям процента.
Сложные сигналы с фазовой манипуляцией обладают высокой помехоустойчивостью, энергетической и структурной скрытностью. Автокорреляционная функция указанных сигналов обладает хорошими свойствами, которые использованы в предлагаемом датчике.