Бытовой ультразвуковой расходомер-счетчик газа

 

Расходомер содержит мерный участок трубопровода с датчиком давления и двумя ультразвуковыми преобразователями, аналоговый коммутатор, опорный генератор, таймер, формирователь зондирующих импульсов, арифметическое устройство, приемный усилитель, компаратор, триггер, счетчик импульсов, схему сложения и схему вычитания, N параллельно включенных блоков памяти, подключенных ко второму коммутатору, блок определения типа газовой среды, блок кода стандартной плотности, делитель кодов, генератор импульсов, логическую схему определения мгновенной фазы колебаний опорного генератора в момент прекращения счета, М накопительных конденсаторов, соединенных с выходами преобразователя уровней питания, и М параллельно включенных коммутаторов, вход каждого из которых подключен к накопительному конденсатору, а выход - к цепи питания каждого блока через соответствующий сглаживающий фильтр. Изобретение имеет повышенную точность за счет приведения результатов измерения к нормальным условиям по температуре, давлению и плотности газа, а также высокую надежность за счет долговременного срока работы без замены источника питания. 2 ил.

Изобретение относится к технике измерения расхода газа, в частности к бытовым ультразвуковым счетчикам для измерения расхода газа с приведением 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 - бытовой ультразвуковой 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 связанными 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 [1] .

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 нормальным 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 как проблема недостаточно высокой точности измерений расхода газа, так и проблема поверки 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, известное устройство 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.

Наиболее близкое техническое решение обладает тем недостатком, что оно имеет недостаточно высокую точность измерений из-за сравнительно невысокой разрешающей способности дискретного метода измерений распространения ультразвука по потоку газа и против него, реализуемого путем подсчета количества импульсов опорного генератора, частоту которого невозможно выбрать достаточно большой по двум причинам, Во-первых, выбор достаточно высокого значения частоты опорного генератора [≥(100-200) МГц] затруднителен по причинам возникающих высокочастотных наводок на измерительные цепи бытового счетчика, т. к. интенсивность наводок, с одной стороны, пропорциональна квадрату частоты и расстоянию между радиоэлементами, а с другой стороны, электроника счетчика должна иметь миниатюрное исполнение в виде большой интегральной микросхемы, что необходимо из условий обеспечения массового выпуска счетчиков. Во-вторых, увеличение частоты опорного генератора пропорционально увеличивает ток, потребляемый электронной схемой, что снижает ресурс долговременного срока работы счетчика от автономного источника питания. Экспериментальные исследования, проведенные в процессе разработки ультразвуковых бытовых счетчиков газа, показали, что по вышеизложенным причинам частоту опорного генератора нецелесообразно и затруднительно выбирать выше 20-40 МГц. Разрешение времен распространения ультразвука не превышает в этом случае 50-25 нс, что ограничивает точность измерений на уровне 3-5%, в особенности при измерении малых расходов газа в диапазоне 0,04-0,2 м³/час.

Другим недостатком является то, что в известном устройстве не обеспечивается долговременный срок работы счетчика без замены источника питания, т. к. все микросхемы и радиоэлектронные компоненты имеют непрерывный режим работы без обеспечения энергосбережения.

Основной задачей предлагаемого изобретения является повышение точности при одновременном обеспечении долговременного срока работы счетчика без замены источника питания.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в бытовой ультразвуковой расходомер - счетчик для измерения объемного расхода газа, приведенного к нормальным условиям, введены генератор интервальных импульсов, логическая схема определения мгновенной фазы колебаний опорного генератора в момент прекращения счета и последовательно включенные энергонезависимый источник питания, преобразователь уровней питания, М накопительных конденсаторов, каждый из которых подсоединен параллельно к одному из М выходов преобразователя уровней питания, и М параллельно включенных коммутаторов, управляющий вход каждого из которых и управляющий вход преобразователя уровней питания связаны с соответствующим выходом таймера, вход каждого коммутатора подключен к накопительному конденсатору соответствующего выхода преобразователя уровней питания, выход - к цепи питания каждого функционального блока через соответствующий сглаживающий фильтр, а выход генератора интервальных импульсов связан с управляющим входом опорного генератора через таймер, при этом цепи питания генератора интервальных импульсов, опорного генератора и таймера подключены к источнику питания непосредственно, а в качестве таймера применен формирователь временной диаграммы сигналов, причем логическая схема определения мгновенной фазы колебаний опорного генератора в момент прекращения счета подключена параллельно счетчику импульсов и ее входы связаны с выходом триггера и опорного генератора, а выходы подсоединены ко входам младших разрядов схемы сложения и схемы вычитания.

На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства, на фиг. 2 приведены временные диаграммы его работы.

Бытовой ультразвуковой расходомер-счетчик газа содержит (см. фиг. 1) мерный участок 1 трубопровода с датчиком 2 давления и с двумя встроенными ультразвуковыми преобразователями 3 и 4, соответственно связанными с первым и вторым входом аналогового коммутатора 5, третий вход которого связан с выходом опорного генератора 6 через таймер 7, четвертый вход - со вторым выходом таймера 7 через формирователь 8 зондирующих импульсов, а выход коммутатора подключен к первому входу арифметического устройства 9 через последовательно соединенные приемный усилитель 10, компаратор 11, триггер 12, вторым входом связанный со вторым выходом таймера 7, счетчик 13 импульсов, счетным входом подключенный к выходу опорного генератора 6, а выходом - к схеме 14 сложения, и схему 15 вычитания, выход датчика 2 давления подключен ко второму входу арифметического устройства 9, причем в него введены последовательно соединенные N параллельно включенных блоков 16 памяти и второй коммутатор 17, а также последовательно связанные блок 18 определения типа газовой среды, блок 19 кода стандартной плотности, делитель 20 кодов и суммирующе-регистрирующее устройство 21, при этом выход схемы 14 сложения подключен к входам каждого из N блоков 16 памяти и к входу блока 18 определения типа газовой среды, выход которого связан с управляющим входом второго коммутатора 17, соединенного выходом с третьим входом арифметического устройства 9, кодовый выход которого подключен ко второму входу делителя 20 кодов.

В бытовой ультразвуковой расходомер-счетчик газа также введены генератор 22 импульсов, логическая схема 23 определения мгновенной фазы колебаний опорного генератора 6 в момент прекращения счета и последовательно включенные энергонезависимый источник 24 питания, преобразователь 25 уровней питания, М накопительных конденсаторов 26, каждый из которых подсоединен параллельно к одному из М выходов преобразователя 25 уровней питания, и М параллельно включенных коммутаторов 27, управляющий вход каждого из которых и управляющий вход преобразователя 25 уровней питания связаны с соответствующим выходом таймера 7, вход каждого коммутатора 27 подключен к накопительному конденсатору 26 соответствующего выхода преобразователя 25 уровней питания, выход - к цепи питания каждого функционального блока 5-23 через соответствующий сглаживающий фильтр Rф, Сф (на фиг. 1 показан только для коммутатора 27. М с подключением его выхода к логической схеме 23), а выход генератора 22 импульсов связан с управляющим входом опорного генератора 6 через таймер 7, при этом цепи питания генератора 22 импульсов, опорного генератора 6 и таймера 7 подключены к источнику 24 питания непосредственно, а в качестве таймера 7 применен формирователь 7 временной диаграммы сигналов, причем логическая схема 23 определения мгновенной фазы колебаний опорного генератора 6 в момент прекращения счета подключена параллельно счетчику импульсов 13 и ее входы связаны с выходом триггера 12 и опорного генератора 6, а выходы подсоединены ко входам младших разрядов схемы 14 сложения и ко входам младших разрядов схемы 15 вычитания.

Ультразвуковой расходомер - счетчик газа работает следующим образом.

Измерение скорости потока и расхода газа осуществляется на основе излучения ультразвуковых сигналов в поток измеряемого газа, их распространения по потоку газа и против него, последующего приема, обратного преобразования в электрический сигнал с дальнейшей обработкой. Для этого формирователь 8 зондирующих импульсов по запускающим импульсам таймера 7 формирует импульсы с фиксированной амплитудой и заданной длительностью, равной 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 преобразователями 3 и 4. Длительность и период повторения зондирующих импульсов, а также вся временная диаграмма сигналов и последовательность работы ультразвукового счетчика газа формируется, синхронизируется и стабилизируется запускающими импульсами таймера 7 (фиг. 2а), работа которого, в свою очередь, синхронизируется высокостабильными колебаниями кварцевого генератора 22 импульсов. Период повторения Т_п зондирующих импульсов формирователя 8 выбран достаточно большим и равным нескольким сотням миллисекунд и более, что необходимо как для возобновления очередного цикла работы устройства после полного затухания ультразвуковых реверберационных помех, каждый раз возникающих в мерном участке 1 газопровода между преобразователями 3 и 4 после очередного излучения в измеряемый газ ультразвукового зондирующего импульса, так и для обеспечения минимального энергопотребления с целью обеспечения долговременного срока работы счетчика без замены источника питания.

В первом, например, нечетном периоде измерений осуществляется генерирование, излучение, прием и обработка ультразвукового сигнала при его распространении по потоку газа. В этом случае таймер 7, синхронизируемый высокостабильным генератором 22 импульсов, формирует на своем первом выходе сигнал управления (на фиг. 2 не показан) аналоговым коммутатором 5, который при этом переключается таким образом, что выход формирователя 8 зондирующих импульсов подсоединяется к ультразвуковому преобразователю 3, а преобразователь 4 соединяется со входом приемного усилителя 10 (фиг. 1). Через небольшой промежуток времени, превышающий длительность переходных процессов после переключения аналогового коммутатора 5, таймер 7 формирует на своем втором выходе импульс, устанавливающий в момент времени t₃ триггер 12 в состояние, которое обозначается как уровень "1" (фиг. 2б). Этот же импульс поступает на вход формирователя 8 зондирующих импульсов 7 и переводит его в момент времени t₃ в активное состояние формирования импульса длительностью t₃-t₄ (фиг. 2в), который с выхода формирователя 8 поступает через коммутатор 5 на ультразвуковой преобразователь 3. Акустический сигнал, возбуждаемый при этом преобразователем 3, распространяется в мерном участке 1 трубопровода 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 (фиг. 2г) поступает на вход компаратора 11, который при превышении сигналом порогового уровня U_n в момент времени t₇ (фиг. 2г) вырабатывает на своем выходе импульс превышения порога. В течение промежутка времени t₃-t₇, равного временной задержке от начала зондирующего импульса до формирования компаратором 11 импульса превышения порога, т. е. фактически равного времени распространения ультразвука по потоку газа, триггер 12 находится в состоянии "1" (фиг. 2б), разрешая работу счетчика 13 импульсов (фиг. 2д), на счетный вход которого поступают импульсы от высокостабильного опорного генератора 6 (фиг. 1). По импульсу превышения порога, поступающему с компаратора 11 на триггер 12, последний устанавливается в момент времени t₇ в состояние "0" (фиг. 2б), что прекращает в момент времени ₇ работу счетчика 13 импульсов (фиг. 2д). Выходной код счетчика 13 импульсов, соответствующий измеренной временной задержке t₃-t₇, равной времени распространения ультразвукового сигнала по потоку газа, поступает на кодовые входы старших разрядов схемы 15 вычитания и на кодовые входы старших разрядов схемы 14 сложения. Однако измерение временных интервалов посредством счетчика 13 импульсов имеет ограниченную точность, т. к. производится с точностью до длительности одного периода τ_оп опорного генератора 6. Достижение более высокой точности измерений времени распространения ультразвука как по потоку газа, так и против него осуществляется следующим образом.

По перепаду импульса с уровня "1" в состояние "0" триггер 12 одновременно запускает в работу логическую схему 23 определения мгновенной фазы колебаний высокочастотного опорного генератора 6 в момент времени t₇ прихода ультразвукового сигнала. Логическая схема 23 измеряет по существу длительность импульса от момента времени t₇ прихода ультразвукового сигнала до момента времени t₈ поступления первого из импульсов опорного генератора 6 (фиг. 2д), т. е. схема 23 измеряет временной интервал t₇-t₈ (фиг. 2е). Логика работы схемы 23 такая, что на промежуток времени t₇-t₈ включается заряд накопительной емкости, входящей в состав схемы 23, и величина напряжения заряда при этом преобразуется в цифровой код, пропорциональный длительности временного интервала t₇-t₈. Полученный цифровой код преобразуется затем в дополнительный цифровой код, пропорциональный длительности временного интервала t_доп= τ_оп-(t₇-t₈), где τ_оп - длительность одного периода колебаний опорного генератора 6, т. е. интервал t_доп - фактически становится равным промежутку времени от последнего периода опорного генератора 6, сосчитанного в момент времени t₉ (фиг. 2д) счетчиком 13 импульсов, до времени t₇ (фиг. 2г, д) прихода ультразвукового сигнала, причем накопительная емкость, преобразователь "напряжение"-->"цифровой код"-->"дополнительный цифровой код" являются составными частями логической схемы 23 определения мгновенной фазы. Дополнительный цифровой код подается с выхода схемы 23 на кодовые входы младших разрядов схемы 15 вычитания и на кодовые входы младших разрядов схемы 14 сложения, более точно дополняя тем самым результаты измерений, полученные посредством счетчика 13 импульсов.

Другой возможной альтернативой выполнения логической схемы 23 является применение в качестве ее мгновенно работающего УВХ (устройства выборки-хранения), которое по мгновенной фазе опорного генератора 6 в момент времени t₇ формирует на своем выходе код, пропорциональный длительности временного интервала t_доп. Таким образом, логическая схема 23 определения мгновенной фазы опорного генератора 6 фактически определяет более точное время t₇ прихода ультразвукового сигнала, что может осуществляться как по мгновенной фазе опорного генератора 6, так и путем измерения дополнительного временного интервала t_доп.

Мгновенную фазу запуска в работу опорного генератора 6 как и фазу запуска в работу счетчика 13 импульсов относительно фазы опорных колебаний генератора 6 нет необходимости учитывать благодаря тому, что с выхода генератора 22 импульсов через таймер 7 на управляющий вход опорного генератора 6 подаются синхронизирующие импульсы, с высокой точностью синфазно запускающие в работу опорный генератор 6 с одного и того же периода в момент времени t₃ (фиг. 2д). Для устранения возможного влияния амплитуды опорного генератора 6 на результаты счета и с учетом того, что генератор 6 является кварцевым генератором, синхронизирующие импульсы, поступающие с таймера 7, включают в работу опорный генератор 6 со строго заданной стабильной предустановкой, по времени равной τ_пред≈ 500μкS ≈ 5•10^-4 c до начала работы счетчика 13, т. е. синхронный запуск в работу опорного генератора 6 производится до начала измерений, что осуществляется предимпульсом (на фиг. 2 не показан) таймера 7. В свою очередь таймер 7 запускается в работу высокостабильным кварцевым генератором 22 импульсов, имеющим сравнительно невысокую частоту (≈32 кГц), что обеспечивает его малое энергопотребление. Кроме того, для получения еще более точной синхронизации момента времени t₃ запуска в работу формирователя 8 зондирующих импульсов (фиг. 2в) с запуском в работу в это же время t₃ счетчика 13 импульсов (фиг. 2д) с опорного генератора 6 через таймер 7 на вход формирователя 8 зондирующих импульсов дополнительно к запускающим импульсам таймера 7 в момент времени t₃ подмешиваются опорные колебания, что обеспечивает четкую синхронизацию начала счета с началом излучения зондирующего импульса. Таким образом, фаза запуска в работу счетчика 13 импульсов является строго стабильной относительно мгновенной фазы колебаний опорного генератора 6, а также относительно временного положения зондирующего импульса, поэтому эти фазовые соотношения являются постоянными и нет необходимости их учитывать, что способствует получению высокой точности измерений. Сочетание же непрерывного режима работы малопотребляющего генератора 22 импульсов с прерывистым режимом высокочастотного кварцевого опорного генератора 6, имевшего умеренное потребление и имеющего сравнительно большую скважность запуска в работу, а также сочетание работы счетчика 13 импульсов с работой логической схемы 23 определения мгновенной фазы колебаний опорного генератора 6 в момент прихода ультразвукового сигнала обеспечивают высокую точность измерений при малом энергопотреблении.

Через промежуток времени, равный периоду повторения Т_п зондирующих импульсов (на фиг. 2 период Т_п условно принят за интервал t₁-t₁'; t₂-t₂'; t₃-t₃'. . . и т. д. ), который составляет для бытовых газовых счетчиков несколько сотен миллисекунд и более, формируется второй, например, четный период измерений, при котором осуществляется генерирование, излучение, прием и обработка ультразвукового сигнала при его распространении против потока газа. В этом случае таймер 7, синхронизируемый высокостабильным генератором 22 импульсов, переключает аналоговый коммутатор 5 таким образом, что выход формирователя 8 зондирующих импульсов подсоединяется к ультразвуковому преобразователю 4, а преобразователь 3 соединяется со входом приемного усилителя 10. В аналогичной последовательности работы для нечетного периода измерений таймер 7 формирует на своем втором выходе импульс, устанавливающий в момент времени t₃' триггер 12 в состояние, которое обозначается как уровень "1" (фиг. 2и), при котором счетчик 13 импульсов переводится в счетный режим. Этот же импульс в момент времени t₃' переводит формирователь 8 зондирующих импульсов в активное состояние формирования импульса длительностью t₃'-t₄' (фиг. 2к), который с выхода формирователя 8 через коммутатор 5 поступает в этом случае на ультразвуковой преобразователь 4 (фиг. 1). Акустический сигнал, возбуждаемый при этом преобразователем 4, распространяется в мерном участке 1 трубопровода 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 (фиг. 2л) поступает на вход компаратора 11, который при превышении сигналом порогового уровня U_п в момент времени t₁' (фиг. 2л) вырабатывает на своем выходе импульс превышения порога. В течение промежутка времени t₃'-t₇', равного временной задержке от начала зондирующего импульса до формирования компаратором 11 импульса превышения порога, т. е. фактически равного времени распространения ультразвука против потока газа, триггер 12 находится в состоянии "1" (фиг. 2и), разрешая работу счетчика 13 импульсов (фиг. 2м), на счетный вход которого поступают импульсы от высокостабильного опорного генератора 6. По импульсу превышения порога, поступающему с компаратора 11 на триггер 12, последний устанавливается в момент времени t₇' в состояние "0" (фиг. 2и), что прекращает в момент времени t₇' работу счетчика 13 импульсов (фиг. 2м). Выходной код счетчика 13 импульсов, соответствующий измеренной временной задержке (t₃'-t₇'), в этом случае равной времени распространения ультразвукового сигнала против потока газа, поступает на кодовые входы старших разрядов схемы 15 вычитания и на кодовые входы старших разрядов схемы 14 сложения. Однако и в этом цикле работы счетчика измерение временных интервалов посредством счетчика 13 импульсов имеет ограниченную точность, т. к. производится также с точностью до длительности одного периода τ_оп опорного генератора 6. Достижение более высокой точности осуществляется запуском в работу логической схемы 23 определения мгновенной фазы колебаний кварцевого опорного генератора 6 в момент времени t₇' прихода ультразвукового сигнала в описанной выше последовательности. Полученный цифровой код, несущий информацию о более точном значении времени распространения ультразвука против потока газа, подается с выхода логической схемы 23 на кодовые входы младших разрядов схемы 15 вычитания и на кодовые входы младших разрядов схемы 14 сложения, более точно дополняя тем самым результаты измерений, полученные посредством счетчика 13 импульсов.

Следовательно, в нечетные и четные периоды работы счетчика на кодовые входы старших разрядов схемы 15 вычитания и схемы 14 сложения поступают коды со счетчика 13 импульсов, а на кодовые входы младших разрядов этих же схем 15 и 14 поступают коды с логической схемы 23 определения мгновенной фазы. Таким образом, на входах схем сложения 14 и вычитания 15 формируются полные кодовые последовательности, соответствующие точным значениям измеряемых величин времен распространения ультразвука как по потоку газа, так и против него. Схема 15 вычитания производит вычисление кодовых значений разности Δt времен распространения ультразвука против потока газа t_p2= (t₇'-t₃') и по потоку газа t_p1= (t₇-t₃), т. е. вычисляется значение Δt= [(t₇'-t₃')-(t₇-t₃)] = t_p2-t_p1, а схема 14 сложения производит вычисление кодовых значений суммы t_Σ времен распространения ультразвука по потоку t_p1= (t₇-t₃) и против него t_p2= (t₇'-t₃'), т. е. вычисляется значение t_Σ = [(t₇-t₃)+(t₇-t₃)] = t_p1+t_p2. Выходной код, соответствующий сумме τ_Σ, поступает с выхода схемы 14 сложения на N параллельно включенных блоков 16.1, 16.2, . . . 16N памяти и на вход блока 18 определения типа газовой среды. Выходной код, соответствующий разности Δt, с выхода схемы 15 вычитания поступает на первый вход арифметического устройства 9.

Таймер 7 управляется высокостабильными колебаниями генератора 22 импульсов и фактически формирует, как упоминалось выше, всю временную диаграмму сигналов, определяющую последовательность работы счетчика. Кроме основных режимов работы, описанных выше, таймер 7 формирует временные сигналы, обеспечивающие периодический порядок включения и отключения питания каждого блока счетчика, что обеспечивает долговременный срок работы счетчика без замены источника питания при высокой точности измерений. Так, таймер 7 периодически включает в работу преобразователь 25 уровней питания, который включается в работу на короткие промежутки времени перед каждым циклом измерений и заряжает при этом накопительные конденсаторы 26.1-26. М. Подзарядка накопительных конденсаторов 26.1-26. М, обеспечивающих питание большей части блоков счетчика, осуществляется в промежутках времени t₁-t₂ (фиг. 2ж) для нечетных периодов работы и в промежутках t₁'-t₂' (фиг. 2о) для четных периодов работы. Из-за больших помех, возникающих в промежутках времени t₃-t₄ (фиг. 2в) и в промежутках времени t₃'-t₄' (фиг. 2к) по причине сравнительно большой амплитуды зондирующих импульсов, подзарядка накопительных конденсаторов, обеспечивающих питание приемного тракта, в том числе усилителя 10, компаратора 11 и логической схемы 23 определения мгновенной фазы осуществляется в промежутках времени t₅-t₆ (фиг. 2з) для нечетных периодов работы и в промежутках времени t₅'-t₆' (фиг. 2п) для четных периодов работы счетчика. Кратковременные, но для обеспечения функционирования блоков счетчика достаточные по длительности включения в работу того или другого блока осуществляются по импульсам таймера 7, подаваемым на коммутаторы 27.1. . . 27. М. Включение того или другого блока в работу следует из временной диаграммы сигналов, приведенной на фиг. 2б-2е и на фиг. 2и-2н. Так, например, питание на генератор 8 зондирующих импульсов полается после момента t₂ подзарядки соответствующего накопительного конденсатора 26.8 (на фиг. 1 не показан) и отключается после момента t₄. В качестве примера на фиг. 2ж и па фиг. 2о показано некоторое снижение уровня питания на том же накопительном конденсаторе 26.8 за время формирования зондирующих импульсов формирователем 8 в промежутках t₃-t₄ (фиг. 2в) и t₃'-t₄' (фиг. 2к). Логическая схема 23 определения мгновенной фазы включается в работу, например, путем открытия коммутатора 27. М и подключения конденсатора 26. М к цепи питания RфСф логической схемы 23 после моментов времени t₆ (фиг. 2з) и t₆' (фиг. 2п) и отключается с некоторой выдержкой после моментов времени t₈ (фиг. 2e) и t₈' (фиг. 2н).

Наличие в цепях питания фильтров RфСф того или иного блока является желательным, но необязательным и продиктовано лишь необходимостью обеспечения устойчивого и высокоточного режима работы счетчика в целом.

Питание же основных блоков, формирующих временную диаграмму сигналов счетчика, осуществляется от источника (энергонезависимого) 24 питания напрямую. К этим блокам относятся генератор 22 импульсов, потребляющий ток не более нескольких микроампер, таймер 7, потребляющий не более десяти микроампер, и высокостабильный опорный генератор 6, который в ждущем режиме работы имеет потребление менее одного микроампера. Малопотребляющие режимы работы этих блоков в сочетании с коммутацией цепей питания остальных блоков счетчика и в сочетании с четкой синхронизацией работы всех блоков обеспечивают высокоточную долговременную работу счетчика до десяти и более лет без замены литиевого источника питания емкостью 10-12 амперчасов.

Выходной код, соответствующий сумме τ_Σ, с выхода схемы 14 сложения поступает, как упоминалось выше, на N параллельно включенных блоков 16.1, 16.2, . . . 16. N памяти и на вход блока 18 определения типа газовой среды. Работа блоков 16.1, 16.2, . . . 16. N, блока 18 как и вся дальнейшая работа устройства осуществляется по определенному алгоритму, функционирование которого следует из анализа уравнений ультразвукового расходомера - счетчика газа.

Объемный расход Q газа в единицу времени при рабочей температуре и давлении Р равен: Q= S•v, (1) где 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 Q₀ газа, приведенный к значению стандартной плотности газа ρ₀ при опорных температуре и давлении: где ρ- плотность газа в рабочих условиях; Q - объемный расход газа в рабочих условиях в соответствии с выражением (1).

Времена распространения t_p1 и t_p2 ультразвука по потоку газа и против него можно представить в виде: где L - акустическая база или длина мерного участка трубопровода; С - скорость ультразвука в газе.

В этом случае выражение (1) для объемного расхода газа с учетом уравнений (3) представляется в виде:

где S - площадь поперечного сечения трубопровода;
v - средняя по сечению трубопровода скорость потока газа.

Для бытового ультразвукового расходомера диаметр сечения трубопровода выбирается таким образом, чтобы течение газа можно было рассмотреть как однородное и несжимаемое по всей длине мерного участка трубопровода. Это условие выполняется, если v² << С² [2] .

Легко убедиться, что для обычного бытового трубопровода с диаметром 20 мм при максимальном расходе газа 10 м³/ч, отношение v²/C²≈4•10^-4. Следовательно, выражение (4) с достаточно высокой степенью точности можно вычислять в виде:

где А - геометрический параметр мерного участка 1 трубопровода.

Скорость ультразвука в газе для частот ниже 10⁶ Гц может быть выражена по формуле:

где χ - показатель адиабаты газовой среды.

Тогда с учетом выражений (2), (5) и (6) объемный расход газа, приведенный к значению при опорных температуре, давлении и стандартной плотности газа ρ_o, определяется по формуле:

Полученное выражение (7) является точным исходным уравнением предложенного бытового ультразвукового расходомера - счетчика газа. В соответствии с этим уравнением реализуется алгоритм работы расходомера - счетчика. Согласно уравнению (7) арифметическое устройство 9 производит операцию перемножения кодовых сигналов, пропорциональных разности временных интервалов (t_p2-t_p1), которые подаются на первый его вход с выхода схемы 15 вычитания, с кодовым сигналом, пропорциональным давлению Р, который подается на второй вход арифметического устройства 9 с выхода датчика 2 давления. Полученный результат умножается на постоянный множитель А и на значение показателя адиабаты χ, который для каждого вида газа выбирается посредством второго коммутатора 17 и корректируется с помощью блоков 16.1, 16.2, . . . , 16. N памяти по суммарной кодовой величине времени (t_p2 + t_p1) распространения ультразвука в газе, подаваемой с выхода схемы 14 сложения на входы блоков 16.1, 16.2, . . . , 16. N памяти. Блок 18 определения типа газовой среды также работает по коду суммарной величины (t_p1 + t_р2) и формирует на своих выходах один из N уровней сигнала, пропорционального типу газовой среды.

Такое решение основано на том, что возможные значения скорости ультразвука в природном газе для известных различных месторождений [3] при 0^oС находятся в пределах (414-431) м/с. Скорость ультразвука в воздухе при 0^oС находится в пределах (328-335) м/с. В парах сжиженного газа с различной концентрацией пропана и бутана в смеси при ^oС скорость ультразвука находится в пределах значений (207-226) м/с. Исходя из этого, можно определить, что в температурном диапазоне минус 50^oС до +50^oС области возможных значений скорости ультразвука в природном газе, воздухе и в парах сжиженного газа не перекрываются. Возможно измерение расхода других газов, т. к. каждый из них обладает своим значением скорости ультразвука [4] .

В зависимости от уровня сигнала, поступающего на вход второго коммутатора 17 с выхода блока 18 определения типа газовой среды, осуществляется выбор вторым коммутатором 17 показателя адиабаты χ по кодовым сигналам одного из N параллельно включенных блоков 16.1, 16.2, . . . , 16. N памяти, каждый из которых на своем выходе формирует код, пропорциональный показателю адиабаты, в зависимости от суммарного времени (t_p1+t₂) распространения ультразвука в газе. Это обеспечивает высокую точность задания показателя адиабаты как функцию температуры газа.

Кроме того, каждый из N параллельно включенных блоков 16.1, 16.2, . . . , 16. N памяти содержат в памяти не точно свое, присущее данному газу для данной скорости ультразвука значение показателя адиабаты χ, а некоторое предварительно уточненное значение показателя адиабаты χ, умноженное на поправочный коэффициент k, связанный с изменением профиля потока газа через измерительный участок 1 трубопровода, т. е. значение kχ. Это обусловлено тем, что 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.

По уровню сигнала, поступающего с выхода блока 18, блок 19 кода стандартной плотности формирует на своем выходе параллельный кодовый сигнал стандартной плотности, соответствующий тому или другому газу. Например, при измерении расхода метана по суммарному времени (t_p1 + t_p2) распространения ультразвука в метане блок 18 определения типа газовой среды формирует на своем выходе такой уровень сигнала, что блок 19 кода формирует, в свою очередь, двоичный параллельный код, соответствующий стандартной плотности метана 0,72 г/см³.

Следовательно, с учетом поправочного коэффициента k на изменение профиля потока газа и изменяемого показателя адиабаты χ как функции суммарного времени (t_p1 + t_p2), выражение, описывающее работу арифметического устройства 9, представляется формированием на выходе устройства 9 кодового сигнала, пропорционального массовому расходу газа:
Q_m= A•k•χ•P•(t_p2 -t_p1). (8)
С выхода арифметического устройства 9 код массового расхода газа подается на делитель 20 кодов, в котором делится на кодовый сигнал стандартной плотности измеряемого газа, поступающий с блока 19 кода стандартной плотности. Исходя из уравнения (8) и функции делителя 20 кодов, выходной кодовый сигнал делителя 20 кодов пропорционален объемному расходу газа, приведенному к нормальным условиям по давлению, температуре и стандартной плотности:

Реализованное устройством уравнение (9) аналогично исходному уравнению (7) и позволяет получить высокую точность измерений объемного расхода газа, приведенного к нормальным условиям.

Выходной кодовый сигнал с выхода делителя 20 кодов подается на суммирующе-регистрирующее устройство 21, в котором производится накопление информации о суммарном объеме газа, прошедшем через мерный участок 1 трубопровода. Таким образом, в предложенном устройстве имеет место высокая точность при измерении различных газовых сред, причем все измеренные газы приводятся по объемному расходу к нормальным условиям по температуре, давлению и к стандартной плотности, характерной для каждого газа в нормальных условиях. Это позволяет связывать между собой результаты измерений объемного расхода разных газов и приводить эти результаты к одним и тем же одинаковым или нормальным условиям по температуре, давлению и плотности. В итоге достигается возможность калибровать, аттестовывать и поверять счетчики в процессе их массового производства на воздухе и распространять эти результаты на измерения объемных расходов других газов, что соответствует общепринятым стандартам. В принципе работы предложенного устройства заложены, как показано выше, алгоритмы, обеспечивающие связь результатов измерений и поверок по разным газам между собой.

Следовательно, в предложенном техническом решении повышается точность измерений при одновременном обеспечении долговременного срока работы счетчика без замены источника питания. Это достигается тем, что в устройство введены генератор интервальных импульсов, логическая схема определения мгновенной фазы колебаний опорного генератора в момент прекращения счета и последовательно включенные энергонезависимый источник питания, преобразователь уровней питания, М накопительных конденсаторов, каждый из который подсоединен параллельно к одному из М выходов преобразователя уровней питания, и М параллельно включенных коммутаторов, управляющий вход каждого из которых и управляющий вход преобразователя уровней питания связаны с соответствующим выходом таймера, вход каждого коммутатора подключен к накопительному конденсатору соответствующего выхода преобразователя уровней питания, выход - к цепи питания каждого функционального блока через соответствующий сглаживающий фильтр, а выход генератора интервальных импульсов связан с управляющим входом опорного генератора через таймер, при этом цепи питания генератора интервальных импульсов, опорного генератора и таймера подключены к источнику питания непосредственно, а в качестве таймера применен формирователь временной диаграммы сигналов, причем логическая схема определения мгновенной фазы колебаний опорного генератора в момент прекращения счета подключена параллельно счетчику импульсов и ее входы связаны с выходом триггера и опорного генератора, а выходы подсоединены ко входам младших разрядов схемы сложения и схемы вычитания.

Несмотря на некоторую сложность предложенного технического решения, все функциональные узлы и блоки ультразвукового расходомера - счетчика газа выполнены на основе микропроцессорного устройства, что позволяет получить его большую надежность при высокой точности измерений.

Источники информации
1. Ультразвуковой газовый расходомер. Патент Японии, (11) JP5061571 В4; (51) G 01 F 1/66; (40) 06.09.93.

2. Г. Г. Шишко, П. М. Енин. Учет расхода газа. Киев: "Урожай", 1993.

3. Г. Шлихтинг. Теория пограничного слоя, М. : "Наука", 1974.

4. Таблицы физических величин. Справочник. М. : "Атомиздат", 1976.

Формула изобретения

Бытовой ультразвуковой 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 связанными с первым и вторым входами аналогового коммутатора, третий вход которого связан с выходом опорного генератора через таймер, четвертый вход - со вторым выходом таймера через формирователь зондирующих импульсов, а выход аналогового коммутатора через последовательно соединенные приемный усилитель, компаратор и триггер, вторым входом связанный со вторым выходом таймера, подключен к первому входу арифметического устройства, ко второму входу которого подключен выход датчика давления, счетчик импульсов, счетным входом подключенный к выходу опорного генератора, а выходом - к схеме сложения, схему вычитания, последовательно соединенные N параллельно включенных блоков памяти и второй коммутатор, а также последовательно связанные блок определения типа газовой среды, блок кода стандартной плотности, делитель кодов и суммирующе-регистрирующее устройство, при этом выход схемы сложения подключен к входам N блоков памяти и к входу блока определения типа газовой среды, выход которого связан с управляющим входом второго коммутатора, соединенного выходом с третьим входом арифметического устройства, кодовый выход которого подключен к второму входу делителя кодов, отличающийся тем, что в него введены генератор импульсов, логическая схема определения мгновенной фазы колебаний опорного генератора в момент прекращения счета и последовательно включенные преобразователь уровней питания источника питания, М накопительных конденсаторов, каждый из которых подсоединен к одному из М выходов преобразователя уровней питания, и М параллельно включенных коммутаторов, управляющий вход каждого из которых и управляющий вход преобразователя уровней питания связаны с соответствующим выходом таймера, вход каждого из указанных коммутаторов подключен к накопительному конденсатору соответствующего выхода преобразователя уровней питания, выход - к цепи питания каждого блока через соответствующий сглаживающий фильтр, а выход генератора импульсов связан с управляющим входом опорного генератора через таймер, при этом цепи питания генератора импульсов, опорного генератора и таймера подключены к источнику питания непосредственно, логическая схема определения мгновенной фазы колебаний опорного генератора в момент прекращения счета подключена параллельно счетчику импульсов и ее входы связаны с выходом триггера и опорного генератора, а выходы подсоединены ко входам младших разрядов схемы сложения и схемы вычитания.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2