Устройство для определения и/или контроля объемного и/или массового расхода среды
Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к ультразвуковым расходомерам. Устройство содержит два ультразвуковых преобразователя и блок регулирования/обработки, выполненный с возможностью определения объемного и/или массового расхода среды, протекающей в трубе, с помощью ультразвуковых измерительных сигналов по принципу разности времени прохождения или по допплеровскому принципу. Блок регулирования/обработки содержит по меньшей мере один компонент с высокой потребляемой мощностью (усилитель, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессор или программируемый логический модуль) и выполнен с возможностью работы указанного компонента периодически на фазе измерения и фазе покоя. На фазе измерения компонент активирован, а на фазе покоя он имеет меньшую потребляемую мощность или выключен. Изобретение отличается низким расходом тока или низкой потребляемой мощностью. 10 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к устройству для определения и/или контроля объемного и/или массового расхода среды, протекающей через емкость в одном направлении течения, содержащему, по меньшей мере, один ультразвуковой преобразователь, передающий и/или принимающий ультразвуковые измерительные сигналы и блок регулирования/обработки, который определяет объемный и/или массовый расход среды в емкости с помощью ультразвуковых измерительных сигналов по принципу разности времени прохождения или по доплеровскому принципу.
Ультразвуковые расходомеры широко используются в технике процессов и автоматизации. Они позволяют бесконтактно определить объемный и/или массовый поток среды в емкости, в частности в трубе.
Известные ультразвуковые расходомеры работают либо по доплеровскому принципу, либо по принципу разности времени прохождения. По принципу разности времени прохождения обрабатывают разное время прохождения ультразвуковых измерительных сигналов в направлении течения и против направления течения среды. Для этого ультразвуковые измерительные сигналы передают или принимают с помощью ультразвуковых преобразователей попеременно в направлении течения и против направления течения среды. С помощью разности времени прохождения ультразвуковых измерительных сигналов можно определить скорость течения и, тем самым, при известном диаметре трубы - объемный расход или при известной плотности среды - массовый расход.
При доплеровском принципе ультразвуковые измерительные сигналы с заданной частотой вводят в протекающую среду. Отраженные в среде ультразвуковые измерительные сигналы обрабатывают. С помощью смещения частоты, возникающего между введенным и отраженным ультразвуковыми измерительными сигналами, также можно определить скорость течения среды или объемный и/или массовый поток. Использование работающих по доплеровскому принципу расходомеров возможно лишь в том случае, если в среде имеются воздушные пузырьки или загрязнения, от которых отражаются ультразвуковые измерительные сигналы. Тем самым, использование подобных ультразвуковых расходомеров довольно ограничено по сравнению с работающими по принципу разности времени прохождения ультразвуковыми расходомерами.
В отношении типов измерительных приборов следует различать ультразвуковые датчики расхода, помещаемые в трубу, и расходомеры Clamp-On, у которых ультразвуковые преобразователи прижимают снаружи к трубопроводу посредством зажимного затвора. Расходомеры Clamp-On описаны, например, в ЕР 0686255 B1, US-PS 4484478 или US-PS 4598593.
У обоих типов ультразвуковых расходомеров ультразвуковые измерительные сигналы вводят под определенным углом в трубу, в которой находится протекающая среда, и/или принимают их. Для того чтобы ультразвуковые измерительные сигналы можно было вводить в трубу или среду под определенным углом, у расходомеров Clamp-On ввод ультразвуковых измерительных сигналов в трубу и их вывод осуществляются посредством тела опережения или клина связи. Для достижения оптимального согласования импеданса, кроме того, известно изготовление клиньев связи из подходящего преломляющего материала, например пластика. Главной составной частью ультразвукового преобразователя является обычно, по меньшей мере, один пьезоэлектрический элемент, который вырабатывает и/или принимает ультразвуковые измерительные сигналы.
Очевидно, что ультразвуковые измерительные сигналы при прохождении через среду, а в случае измерительных приборов Clamp-On еще дополнительно через стенку трубы или из-за неблагоприятных условий импеданса при вводе в среду или выводе из нее принимаются сильно ослабленными. Для получения пригодных результатов измерений принятые ультразвуковые измерительные сигналы должны быть подходящим образом усилены. Усиление лежит обычно в диапазоне от 20 до 120 дБ. Частота ультразвуковых измерительных сигналов лежит в диапазоне от 100 кГц до 10 МГц. Электронные элементы, работающие в этом частотном диапазоне, имеют относительно высокий расход тока или относительно высокую потребляемую мощность.
В основе изобретения лежит задача создания устройства для измерения расхода, которое отличалось бы низким расходом тока или низкой потребляемой мощностью.
Эта задача решается за счет того, что блоку регулирования/обработки придан, по меньшей мере, один компонент с высокой потребляемой мощностью и что блок регулирования/обработки выполнен с возможностью работы компонента с высокой потребляемой мощностью периодически на фазе измерения и фазе покоя. На фазе измерения компонент с высокой потребляемой мощностью активирован, тогда как на фазе покоя он имеет меньшую потребляемую мощность или выключен. Как уже говорилось, расходомер может представлять собой расходомер Clamp-On или измерительный прибор, помещаемый в трубу. Компонент с высокой потребляемой мощностью представляет собой, например, усилитель, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессор или программируемый логический модуль. Согласно изобретению, компонент с высокой потребляемой мощностью можно тактировать так, чтобы постоянно гарантировать энергоснабжение ультразвукового расходомера.
За счет целенаправленного отключения только одного компонента расходомер после повторного включения готов к эксплуатации значительно быстрее, чем, если бы энергоснабжение для измерительного прибора было тактировано. Здесь включение и отключение электропитания продолжалось бы очень долго, поскольку после выключения расходомера всегда требуется определенное время, пока в распоряжении снова будет стабильное напряжение для работы расходомера. Другое преимущество покомпонентного тактирования расходомера следует, кроме того, усматривать в том, что производительность измерения, т.е. число измерений в единицу времени, не снижается по сравнению с нетактовым, непрерывным режимом. Поэтому с помощью решения, согласно изобретению, можно, несмотря на тактирование отдельных компонентов, осуществлять непрерывное измерение.
Одно предпочтительное усовершенствование устройства, согласно изобретению, предусматривает, по меньшей мере, один компонент с коммутационной функцией, причем компонент с коммутационной функцией активирует или дезактивирует, по меньшей мере, один компонент с высокой потребляемой мощностью. Компонент с коммутационной функцией представляет собой, например, полупроводниковый выключатель.
Особенно оптимальное выполнение устройства, согласно изобретению, предусматривает, что в компонент с высокой потребляемой мощностью встроено устройство для снижения расхода тока или потребляемой мощности. С его помощью можно, например, перевести усилитель в режим экономии тока; микропроцессор может быть переведен в спящий режим.
Согласно одному предпочтительному усовершенствованию устройства, согласно изобретению, предложено, что промежуток времени между двумя следующими друг за другом фазами измерения или фазами покоя компонента с высокой потребляемой мощностью и/или продолжительность фазы измерения и/или продолжительность фазы покоя компонента с высокой потребляемой мощностью задан/заданы. Одна альтернативная форма выполнения предусматривает блок ввода, с помощью которого можно задавать промежуток времени между двумя следующими друг за другом фазами измерения и/или фазами покоя компонента с высокой потребляемой мощностью и/или продолжительность фазы измерения, и/или продолжительность фазы покоя компонента с высокой потребляемой мощностью.
Согласно одному особенно оптимальному варианту, предложено, что блок регулирования/обработки с помощью заданных параметров системы и/или процесса определяет время прохождения измерительных сигналов и задает промежуток времени между двумя следующими друг за другом фазами измерения и/или фазами покоя компонента с высокой потребляемой мощностью и/или продолжительность фазы измерения и/или продолжительность фазы покоя компонента с высокой потребляемой мощностью в зависимости от зарегистрированного времени прохождения. Поскольку у этого вида установления фаз измерения и покоя учитываются актуальные условия в месте измерения, здесь достигается согласованная с данным случаем применения оптимальная экономия энергии.
В определенных случаях применения может произойти так, что, несмотря на тактирование компонента (компонентов) с высокой потребляемой мощностью, имеющейся в распоряжении энергии недостаточно. Здесь, согласно одному предпочтительному усовершенствованию устройства, согласно изобретению, предусмотрено, что блок регулирования/обработки с помощью заданных параметров системы и/или процесса определяет время прохождения измерительных сигналов; далее задают промежуток времени между двумя следующими друг за другом фазами измерения или фазами покоя компонента с высокой потребляемой мощностью и/или продолжительность фазы измерения, и/или продолжительность фазы покоя компонента с высокой потребляемой мощностью в зависимости от зарегистрированного времени прохождения и в зависимости от имеющейся в распоряжении энергии.
Кроме того, одно предпочтительное выполнение устройства, согласно изобретению, предусматривает, что блоку регулирования/обработки придан энергоаккумулирующий элемент, выполненный с возможностью аккумулирования, по меньшей мере, той энергии, которая требуется на фазе измерения для работы компонентов блока регулирования/обработки или расходомера.
Изобретение более подробно поясняется с помощью нижеследующих чертежей, на которых изображают:
- фиг.1: схематичное выполнение ультразвукового расходомера, согласно изобретению;
- фиг.2: блок-схему первой формы выполнения устройства, согласно изобретению;
- фиг.3: блок-схему второй формы выполнения устройства, согласно изобретению;
- фиг.4: диаграмму времени прохождения ультразвукового измерительного сигнала, поясняющую принцип действия устройства, согласно изобретению.
На фиг.1 схематично изображено выполнение ультразвукового расходомера 1, согласно изобретению. Измерительный прибор 1 представляет собой расходомер Clamp-On. Здесь измерительный прибор 1 определяет объемный или массовый расход среды 4 известным методом разности времени прохождения.
Основными компонентами ультразвукового расходомера 1 Clamp-On являются два ультразвуковых преобразователя 5, 6 и блок 11 регулирования/обработки. Оба ультразвуковых преобразователя 5, 6 размещены на трубе 2 на расстоянии L друг от друга посредством крепежного устройства (не показано). Соответствующие крепежные устройства достаточно известны из уровня техники и предлагаются, а также распространяются заявителем. Труба 2 с внутренним диаметром di омывается в направлении S течения средой 4.
Ультразвуковой преобразователь 5, 6 содержит в качестве основной составной части, по меньшей мере, один пьезоэлектрический элемент 9, 10, который вырабатывает и/или принимает ультразвуковые измерительные сигналы. Ультразвуковые измерительные сигналы вводят через клин 7, 8 связи в омываемую средой 4 трубу 2 или выводят из трубы 2. Клин 7, 8 связи выполнен известным образом с возможностью максимально оптимального согласования импеданса при переходе из одной среды в другую. SP обозначает звуковую дорожку, по которой ультразвуковые измерительные сигналы распространяются в трубе 2 или в среде 4. Здесь речь идет о так называемом двухтраверсном расположении ультразвуковых преобразователей 5, 6. Одна траверса характеризует при этом участок звуковой дорожки SP, на котором ультразвуковой измерительный сигнал однажды пересекает емкость 2. Траверсы в зависимости от расположения ультразвуковых преобразователей 5, 6 и, в случае необходимости, при встраивании отражающего элемента в звуковую дорожку SP проходят по диаметру или по хорде.
Расстояние L между обоими ультразвуковыми преобразователями 5, 6 рассчитано с возможностью приема введенной в трубу 2 одним ультразвуковым преобразователем 5, 6 большой части энергии другим ультразвуковым преобразователем 6, 5. Оптимальное расстояние L между обоими ультразвуковыми преобразователями 5, 6 зависит от нескольких параметров системы и процесса. Если эти параметры известны, то оптимальное расстояние L между ультразвуковыми преобразователями 5, 6 можно с высокой точностью рассчитать в зависимости от времени прохождения ультразвуковых измерительных сигналов. При расчете известным образом применяют закон Снеллиуса. У параметров системы и процесса речь идет, в частности, о внутреннем диаметре di трубы, толщине w стенки 3 трубы, скорости cR звука в материале, из которого изготовлена труба 2, или скорости cM звука в среде 4.
На фиг.2 изображена блок-схема первой формы выполнения устройства, согласно изобретению. На фиг.3 изображена блок-схема альтернативной формы выполнения. Обе блок-схемы сильно упрощены. Так, отсутствует устройство для возбуждения датчиков (передающий каскад). Также не показан имеющийся обычно мультиплексор, служащий для переключения датчиков.
Выше уже говорилось о том, что в зависимости от условий на звуковой дорожке SP принятые ультразвуковые измерительные сигналы должны быть усилены, чтобы расходомер 1 выдавал годные и надежные результаты измерения. Требуемое усилие лежит обычно в диапазоне от 20 до 120 дБ. Поскольку частота ультразвуковых измерительных сигналов лежит в диапазоне от 100 кГц до 10 МГц, для усиления ультразвуковых измерительных сигналов необходимо использовать, конечно, и электронные элементы, работающие в этом частотном диапазоне. Подобные элементы имеют относительно высокий расход тока или относительно высокую потребляемую мощность. Здесь помощь может оказать изобретение.
Принятые пьезоэлектрическим элементом 9, 10 ультразвуковые измерительные сигналы усиливаются в усилителе 13 с подходящим коэффициентом усиления. Затем ультразвуковые измерительные сигналы преобразуются аналого-цифровым преобразователем 14 в цифровую форму и направляются дальше в микропроцессор для обработки. Обработка может осуществляться, например, микропроцессором 15. Названные компоненты приданы блоку 11 регулирования/обработки. Если бы все компоненты работали непрерывно, то потребляемая ими мощность превышала бы энергию, максимально имеющуюся в распоряжении в единицу времени. Согласно изобретению, блок 11 регулирования/обработки выполнен с возможностью эксплуатации, по меньшей мере, одного компонента 12 с высокой потребляемой мощностью периодически на фазе измерения и на фазе покоя. На фазе измерения компонент 12 с высокой потребляемой мощностью активирован, в то время как на фазе покоя он имеет меньшую потребляемую мощность или совсем выключен. Фиг.2 и 3 относятся к случаю, когда компонент 12 с высокой потребляемой мощностью представляет собой усилитель 13 и/или аналого-цифровой преобразователь 14 так, что он/они активирован/активированы только на фазе измерения t2; на фазе покоя t1 усилитель 13 и/или аналого-цифровой преобразователь 14 дезактивирован/дезактивированы.
В изображенном на фиг.2 выполнении тактирование усилителя 13 происходит через управляемый микропроцессором 15 выключатель 18. В качестве выключателя 18 может использоваться, например, полупроводниковый выключатель. Можно включать и выключать аналого-цифровой преобразователь, например, за счет включения и отключения такта. В соответствии с изображенной на фиг.3 формой выполнения тактирование усилителя 13 происходит через интегрированный в усилитель 13 компонент 21, который служит для снижения потребляемой усилителем 13 мощности. Тактированное управление компонентом 21 осуществляется микропроцессором 15.
Компонент 21 приводит усилитель 13 в соответствии с заданным и/или вычисленным тактом в режим экономии тока (или в спящий режим). Приведение компонента 21 с высокой потребляемой мощностью в режим экономии тока может происходить либо путем прерывания питания (на фиг.2 питание усилителя 13 прерывается за счет срабатывания выключателя 18), либо к соответствующему компоненту 12, например аналого-цифровому преобразователю 14, прикладывают или не прикладывают дискретизирующий такт. У названного последним метода используется то обстоятельство, что расход тока обычно масштабирован с частотой приложенного такта. Поэтому данное выполнение следует рассматривать как особенно предпочтительное. Далее потребляемую мощность, например логического модуля 16, можно регулировать путем включения и отключения такта.
На фиг.3 изображен случай, когда помимо усилителя 13 можно тактировать также аналого-цифровой преобразователь 14 и логический модуль 16. В принципе, тактирование будет происходить только если имеющейся в распоряжении энергии недостаточно. Это, в частности, тот случай, когда ультразвуковой расходомер 1 соединен с удаленным местом контроля и питается от него энергией по тому же двухжильному проводу.
Логический модуль 16 представляет собой, например, PLD (Programmable Logic Device) (Программируемый логический модуль). Программируемые логические модули 16 используются предпочтительно тогда, когда должно происходить быстрое управление тактируемым компонентом. За счет использования логического модуля сам микропроцессор 15 разгружается. В частности, все быстро выполняемые операции реализуются в логическом модуле 16 преимущественно посредством аппаратного, а не программного обеспечения. Другая возможность состоит в том, что сам разработчик встраивает ядро процессора и необходимые быстрые логические функции в соответствующий программируемый элемент. Эта возможность известна под термином SoPC (System on a Programmable Chip) (система, основанная на программируемых чипах). Если микропроцессору придан PLD или SoPC, то, согласно одному выполнению устройства в соответствии с изобретением, в зависимости от случая применения можно также тактировать, по меньшей мере, этот один компонент микропроцессора 15, тогда как оставшийся (оставшиеся) компонент (компоненты) непрерывно снабжается (снабжаются) током.
Как уже сказано, вместо полупроводникового выключателя 18 на фиг.3 непосредственно в усилитель 13 интегрирован компонент 21 для снижения потребления тока или для прерывания потребления тока. Таким образом, усилитель 13 легко перевести в режим экономии тока.
На фиг.2 и 3 изображен, кроме того, энергоаккумулирующий элемент 20, в частности конденсатор. Этот энергоаккумулирующий элемент 20 активируется, когда, несмотря на тактирование компонента 12 с высоким потреблением электроэнергии, имеющейся в распоряжении, энергии недостаточно для работы расходомера 1. Блок 19 ввода/индикации является устройством сопряжения с оператором.
На фиг.4 с помощью диаграммы времени прохождения поясняется принцип действия устройства, согласно изобретению. Ультразвуковой измерительный сигнал покидает ультразвуковой преобразователь 5, 6 в момент 0 и распространяется, с одной стороны, через стенку трубы (→1-й пик), а, с другой стороны, через среду 4 (→2-й пик). На фиг.4 показана, кстати, типичная диаграмма времени прохождения, возникающая при изображенном на фиг.1 двухтраверсном расположении ультразвуковых преобразователей 5, 6.
Для того чтобы можно было обработать 2-й пик, т.е. представляющий скорость течения среды 4 ультразвуковой измерительный сигнал, усилитель 13 должен быть активирован в течение продолжительности t2 так называемой фазы измерения. Фаза измерения примыкает к так называемой фазе покоя, на которой усилитель 13 дезактивирован. Эта фаза покоя имеет продолжительность t1. Продолжительность t1 фазы покоя и продолжительность t2 фазы измерения согласованы между собой с возможностью приема, по меньшей мере, ультразвуковых измерительных сигналов, несущих информацию о скорости течения среды 4. Обычно длительность импульса ультразвукового измерительного сигнала составляет около 10 мкс. Обычные частоты повторения импульса составляют порядка нескольких миллисекунд. Согласно изобретению, компонент 12 с высокой потребляемой мощностью, здесь усилитель 13, активирован только в течение продолжительности t2, когда ультразвуковой измерительный сигнал поступает на соответствующий ультразвуковой преобразователь 5, 6. За счет этого средний расход тока или средний расход мощности снижается в соотношении продолжительность включения/выключения t2/t1. Если продолжительность t2 включения составляет 50 мкс, а продолжительность t1 выключения 5 мс, то возникает, следовательно, экономия мощности с коэффициентом 100 по сравнению с непрерывной работой.
Время прохождения ультразвукового измерительного сигнала можно либо измерить, либо рассчитать. Расчет времени прохождения, по меньшей мере, приблизительно возможен тогда, когда известны геометрические данные трубы (di и w) и акустические свойства трубы (сR) и среды (сM). При расчете применяют закон Снеллиуса.
Перечень ссылочных позиций
1 - расходомер
2 - труба/емкость
3 - стенка трубы
4 - среда
5 - ультразвуковой преобразователь
6 - ультразвуковой преобразователь
7 - клин связи
8 - клин связи
9 - пьезоэлектрический элемент
10 - пьезоэлектрический элемент
11 - блок регулирования/управления
12 - компонент с высоким расходом тока
13 - усилитель
14 - аналого-цифровой преобразователь
15 - микропроцессор
16 - логический модуль
17 - компонент с коммутационной функцией
18 - полупроводниковый выключатель
19 - блок ввода
20 - энергоаккумулирующий элемент
21 - интегрированное устройство для снижения потребляемой мощности
22 - энергоснабжение
1. Устройство для определения и/или контроля объемного и/или массового расхода среды (4), протекающей через емкость (2) в одном направлении (S) течения, содержащее, по меньшей мере, один ультразвуковой преобразователь (5; 6), выполненный с возможностью передачи и/или приема ультразвуковых измерительных сигналов, и блок регулирования/обработки, выполненный с возможностью определения объемного и/или массового расхода среды в емкости с помощью ультразвуковых измерительных сигналов по принципу разности времени прохождения или по доплеровскому принципу, отличающееся тем, что блоку (11) регулирования/обработки придан, по меньшей мере, один компонент (12) с высокой потребляемой мощностью, блок (11) регулирования/обработки выполнен с возможностью работы компонента (12) с высокой потребляемой мощностью периодически на фазе измерения и фазе покоя, причем на фазе измерения компонент (12) активирован, тогда как на фазе покоя он имеет меньшую потребляемую мощность или выключен.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что представляет собой расходомер Clamp-On или измерительный прибор, помещаемый в емкость (2).
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что компонент (12) с высокой потребляемой мощностью представляет собой усилитель (13), аналого-цифровой преобразователь (14), микропроцессор (15) или логический модуль (16).
4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что предусмотрен, по меньшей мере, один компонент (17) с коммутационной функцией, причем компонент (17) с коммутационной функцией выполнен с возможностью активирования или деактивирования, по меньшей мере, одного компонента (12) с высокой потребляемой мощностью.
5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что в компонент (12) с высокой потребляемой мощностью интегрировано устройство для снижения потребления тока.
6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что компонент (17) с коммутационной функцией представляет собой полупроводниковый выключатель.
7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что промежуток времени между двумя следующими друг за другом фазами измерения или фазами покоя компонента (12) с высокой потребляемой мощностью и/или продолжительность (t2) фазы измерения и/или продолжительность (t1) фазы покоя компонента (12) с высокой потребляемой мощностью задан/заданы.
8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что предусмотрен блок (19) ввода, с помощью которого можно задавать промежуток времени между двумя следующими друг за другом фазами измерения и/или фазами покоя компонента (12) с высокой потребляемой мощностью и/или продолжительность (t2) фазы измерения и/или продолжительность (t1) фазы покоя компонента (12) с высокой потребляемой мощностью.
9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок (11) регулирования/обработки выполнен с возможностью определения с помощью заданных параметров системы и/или процесса времени прохождения измерительных сигналов и с возможностью задавания промежутка времени между двумя следующими друг за другом фазами измерения и/или фазами покоя компонента (12) с высокой потребляемой мощностью и/или продолжительности (t2) фазы измерения и/или продолжительности (t1) фазы покоя компонента (12) с высокой потребляемой мощностью в зависимости от зарегистрированного времени прохождения.
10. Устройство по одному из пп.1-9, отличающееся тем, что блок (11) регулирования/обработки выполнен с возможностью определения с помощью заданных параметров системы и/или процесса времени прохождения измерительных сигналов, при этом блок (11) регулирования/обработки выполнен с возможностью задавания промежутка времени между двумя следующими друг за другом фазами измерения или фазами покоя компонента (12) с высокой потребляемой мощностью и/или продолжительности (t2) фазы измерения и/или продолжительности (t1) фазы покоя компонента (12) с высокой потребляемой мощностью в зависимости от зарегистрированного времени прохождения и в зависимости от имеющейся в распоряжении энергии.
11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блоку (11) регулирования/обработки придан энергоаккумулирующий элемент (20), выполненный с возможностью аккумулирования, по меньшей мере, той энергии, которая требуется на фазе измерения.
