Способ измерения расхода жидких сред и ультразвуковой расходомер

В процессе измерения по сигналу с генератора зондирующих импульсов пьезоэлектрические преобразователи поочередно излучают ультразвуковую волну по протоку и против него и преобразуют ее в электрический синусоидальный сигнал, который с помощью компаратора преобразуется в последовательность прямоугольных импульсов одинаковой амплитуды. Схема формирования уровня (СФУ) устанавливает величину исходного уровня опорного сигнала ниже амплитуды первой полуволны синусоидального сигнала. Во время выполнения компаратором электрического преобразования после первого сравнения нарастающего участка амплитуды первой полуволны с величиной исходного опорного сигнала компаратора уровень опорного сигнала посредством СФУ изменяют на нулевой уровень, который устанавливают равным напряжению на информационном входе компаратора при отсутствии электрического синусоидального сигнала. Схема измерения времени формирует из последовательности импульсов цифровой код для измерения времени прохождения ультразвуковыми волнами обоих направлений. Изобретение обеспечивает повышение точности измерения расхода путем устранения погрешности, обусловленной нестабильностью амплитуды информационного сигнала, а именно случайным характером увеличения амплитуды. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в измерительных устройствах для измерения расхода жидкости с помощью ультразвука.

Известен способ измерения расхода жидких сред, реализованный в ультразвуковом расходомере, включающий излучение ультразвуковой волны по потоку и против него, преобразование ультразвуковой волны в электрический синусоидальный сигнал с последующим преобразованием его в последовательность прямоугольных импульсов с одинаковой амплитудой посредством компаратора с заданным уровнем опорного сигнала (Расходомер воды ультразвуковой бесконтактный УЗР-МП, ЛШОГ 407351.001 ПС, Санкт-Петербург, 1992).

Недостатком известного способа является влияние на результат измерения шумовых помех, приводящих как к дрейфу нуля, так и к изменению истинной амплитуды информационного сигнала.

Наиболее близким к предлагаемому является способ измерения расхода жидких сред, реализованный в ультразвуковом расходомере, включающий излучение ультразвуковой волны по потоку и против него, преобразование ультразвуковой волны в электрический синусоидальный сигнал с последующим преобразованием его в последовательность прямоугольных импульсов с одинаковой амплитудой посредством компаратора с заданным уровнем опорного сигнала, при этом компаратор открывают только на время действия на его входе полезного сигнала (патент РФ №2106602, G06F 1/66, 10.03.1998).

Способ обеспечивает уменьшение влияния шумовых сигналов на точность измерения расхода жидкости путем управления входами компаратора, что снижает влияние нарастания шумовых помех на точность измерений. Однако вероятность ложного срабатывания компаратора от воздействия внешних помех остается достаточно высокой, что ведет к необходимости использования прецизионной установки величины опорного напряжения на компараторе. Кроме того, известный способ не учитывает возможную нестабильность амплитуды информационного сигнала, а именно увеличение амплитуды случайного характера, обусловленное шумовыми помехами, а также обусловленное нестабильностью электрических параметров пьезоэлементов как формирующего ультразвуковую волну в исследуемой жидкости, так и принимающего ее и преобразующего в электрический сигнал. Необходимость учета возможности увеличения амплитуды информационного сигнала на входе компаратора объясняется тем, что в процессе преобразования компаратором входного информационного синусоидального сигнала в последовательность однополярных прямоугольных импульсов в случае увеличения амплитуды входного сигнала происходит сдвиг фронтов выходного сигнала компаратора, т.е. возникает эффект «дрейф нуля», что приводит к ошибке в определении времени прохождения зондирующего сигнала. Поскольку время прохождения сигнала по потоку и против потока исследуемой среды очень мало и составляет от нескольких долей наносекунды до нескольких сот наносекунд, то ошибка, обусловленная увеличением амплитуды информационного сигнала, будет ощутимой, что снижает точность измерений.

Таким образом, выявленные в результате патентного поиска известные способы измерения расхода жидких сред при осуществлении не позволяют достичь технического результата, заключающегося в повышении точности измерения расхода жидкости путем устранения погрешности, обусловленной нестабильностью амплитуды информационного сигнала, а именно случайным характером увеличения амплитуды информационного сигнала.

Проведенный патентный поиск в отношении ультразвукового расходомера, реализующего заявленный способ измерения расхода жидких сред, показал следующее.

Известен ультразвуковой расходомер, содержащий блок приема и генерации сигналов, в состав которого входят приемно-усилительный тракт, генератор зондирующих импульсов и компаратор (Расходомер воды ультразвуковой бесконтактный УЗР-МП, ЛШОГ 407351.001 ПС, Санкт-Петербург, 1992).

Недостатком известного устройства является влияние на результат измерения шумовых помех, приводящих как к дрейфу нуля, так и к изменению истинной амплитуды информационного сигнала.

Наиболее близким к предлагаемому является ультразвуковой расходомер, содержащий блок приема и генерации сигналов, включающий генератор зондирующих импульсов, приемно-усилительный тракт, пиковый детектор, устройство стробирования сигнала и компаратор, выход которого является выходом устройства (патент РФ №2106602, G06F 1/66, 10.03.1998).

Устройство обеспечивает уменьшение влияния шумовых сигналов на точность измерения расхода жидкости путем управления входами компаратора устройством стробирования сигнала, а именно закрытие входов пикового детектора и компаратора после прекращения действия стробирующего импульса, что снижает влияние нарастания шумовых помех на точность измерений. Однако вероятность ложного срабатывания компаратора от воздействия внешних помех остается достаточно высокой, что ведет к необходимости прецизионной установки величины опорного напряжения на компараторе. Кроме того, устройство не учитывает возможную нестабильность амплитуды информационного сигнала, а именно увеличение амплитуды случайного характера, обусловленное шумовыми помехами, а также обусловленное нестабильностью электрических параметров пьезоэлементов как формирующего ультразвуковую волну в исследуемой жидкости, так и принимающего ее и преобразующего в электрический сигнал. Необходимость учета возможности увеличения амплитуды информационного сигнала на входе компаратора объясняется тем, что в процессе преобразования компаратором входного информационного синусоидального сигнала в последовательность однополярных прямоугольных импульсов в случае увеличения амплитуды входного сигнала происходит сдвиг фронтов выходного сигнала компаратора, т.е. возникает эффект «дрейф нуля», что приводит к ошибке в определении времени прохождения зондирующего сигнала. Поскольку время прохождения сигнала по потоку и против потока исследуемой среды очень мало и составляет от нескольких долей наносекунды до нескольких сот наносекунд, то ошибка, обусловленная увеличением амплитуды информационного сигнала, будет ощутимой, что снижает точность измерений.

Таким образом, выявленные в результате патентного поиска аналог и наиболее близкий к предлагаемому ультразвуковые расходомеры при осуществлении не обеспечивают достижении технического результата, заключающегося в повышении точности измерения расхода жидкости путем устранения погрешности, обусловленной нестабильностью амплитуды информационного сигнала, а именно случайным характером увеличения амплитуды информационного сигнала.

Предлагаемый способ измерения расхода жидких сред решает задачу создания соответствующего способа, осуществление которого позволяет достичь технического результата, заключающегося в повышении точности измерения расхода жидкости путем устранения погрешности, обусловленной нестабильностью амплитуды информационного сигнала, а именно случайным характером увеличения амплитуды информационного сигнала.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе измерения расхода жидких сред, включающем излучение ультразвуковой волны по потоку и против него, преобразование ультразвуковой волны в электрический синусоидальный сигнал с последующим преобразованием его в последовательность прямоугольных импульсов с одинаковой амплитудой посредством компаратора с заданным исходным уровнем опорного сигнала, измерение времени прохождения ультразвуковыми волнами обоих направлений, новым является то, что величину исходного уровня опорного сигнала устанавливают ниже амплитуды первой полуволны синусоидального сигнала, при этом во время преобразования компаратором электрического синусоидального сигнала после первого сравнения нарастающего участка амплитуды его первой полуволны с величиной исходного опорного сигнала компаратора уровень опорного сигнала компаратора изменяют на нулевой. Кроме того, нулевой уровень опорного сигнала устанавливают равным напряжению на информационном входе компаратора при отсутствии электрического синусоидального сигнала

Технический результат достигается следующим образом.

Признаки заявленного способа, включенные в формулу изобретения: излучение ультразвуковой волны по потоку и против него, преобразование ультразвуковой волны в электрический синусоидальный сигнал с последующим преобразованием его в последовательность прямоугольных импульсов с одинаковой амплитудой посредством компаратора с заданным исходным уровнем опорного сигнала, измерение времени прохождения ультразвуковыми волнами обоих направлений, - являются неотъемлемой частью способа и обеспечивают его работоспособность в достижении заявленного технического результата.

Излучение ультразвуковой волны по потоку и против него позволяет определить скорость жидкости в проточной части, а следовательно, и ее расход, так как известно, что разность времен прохождения ультразвуковых волн в обоих направлениях прямо пропорциональна скорости потока.

Как было изложено выше, при ультразвуковом измерении расхода жидкости всегда имеет место возможная нестабильность амплитуды информационного сигнала, а именно имеет место увеличение амплитуды случайного характера, обусловленное шумовыми помехами, а также обусловленное нестабильностью электрических параметров пьезоэлементов как формирующего ультразвуковую волну в исследуемой жидкости, так и принимающего ее и преобразующего в электрический сигнал. Необходимость учета возможности увеличения амплитуды информационного сигнала на входе компаратора объясняется тем, что в процессе преобразования компаратором входного информационного синусоидального сигнала в последовательность однополярных прямоугольных импульсов в случае увеличения амплитуды входного сигнала происходит сдвиг фронтов выходного сигнала компаратора, т.е. возникает эффект «дрейф нуля». Поскольку информация о времени прохождения зондирующими сигналами исследуемой среды по потоку и против него содержится в последовательности прямоугольных импульсов, формируемых на выходе компаратора, то случайный характер увеличения амплитуды информационного сигнала приводит к ошибке в определении времени прохождения зондирующего сигнала. Учитывая то, что время прохождения сигнала по потоку и против потока исследуемой среды очень мало и составляет от нескольких долей наносекунды до нескольких сот наносекунд, ошибка, обусловленная увеличением амплитуды информационного сигнала, будет ощутимой, что снижает точность измерений. В заявленном способе во время преобразования сигнала компаратором после первого сравнения нарастающего участка амплитуды его первой полуволны с величиной исходного опорного сигнала компаратора уровень опорного сигнала компаратора изменяют на нулевой. В результате на выходе компаратора спад первого импульса и передние фронты и спады последующих прямоугольных импульсов, независимо от величины амплитуды информационного сигнала, формируются в моменты перехода положительной полуволны синусоидального информационного сигнала через нуль, что исключает дрейф нуля выходного сигнала компаратора. Отсюда следует, что в заявленном способе при нестабильности амплитуды синусоидального сигнала на входе компаратора, которая выражается в случайном характере увеличения амплитуды полезного сигнала, независимо от величины амплитуды информационного сигнала информация о длительности импульсов, формируемых на выходе компаратора, не теряется, поскольку формирование прямоугольной последовательности импульсов идет по нулевому уровню. В результате повышается, по сравнению с прототипом, точность измерения времени прохождения зондирующим сигналом исследуемой среды, а следовательно, повышается точность измерений расхода жидкости.

Кроме того, поскольку нулевой уровень опорного сигнала устанавливают равным напряжению на информационном входе компаратора при отсутствии электрического синусоидального сигнала, это позволяет учесть реальное напряжение на информационном входе компаратора при отсутствии на нем информационного сигнала, которое является нулевым уровнем для синусоидального электрического сигнала. В результате после смены исходного уровня опорного сигнала на нулевой последовательность прямоугольных импульсов на выходе компаратора соответствует истинной форме полезного синусоидального сигнала на его входе, что также исключает дрейф нуля выходного сигнала компаратора и повышает точность измерений расхода жидкости. При этом благодаря тому, что в заявленном способе величину исходного уровня опорного сигнала устанавливают ниже амплитуды первой полуволны синусоидального сигнала, а во время преобразования компаратором электрического синусоидального сигнала после первого сравнения нарастающего участка амплитуды его первой полуволны с величиной исходного опорного сигнала компаратора уровень опорного напряжения компаратора изменяют на нулевой, отпадает необходимость в прецизионной установке величины опорного сигнала на входе компаратора, в отличие от прототипа, поскольку в этом случае снижается вероятность срабатывания компаратора от воздействия внешних помех. Снижение требования к точности установки величины опорного сигнала в свою очередь снижает погрешность, обусловленную неточностью установки величины опорного сигнала, а следовательно, повышает точность измерения расхода жидкости.

Таким образом, из вышеизложенного следует, что предлагаемый способ измерения расхода жидких сред решает задачу создания соответствующего способа, осуществление которого позволяет достичь технического результата, заключающегося в повышении точности измерения расхода жидкости путем устранения погрешности, обусловленной нестабильностью амплитуды информационного сигнала, а именно случайным характером увеличения амплитуды информационного сигнала.

Предлагаемое изобретение «Ультразвуковой расходомер», реализующий заявленный способ измерения расхода жидких сред, решает задачу создания соответствующего расходомера, осуществление которого позволяет достичь технического результата, заключающегося в повышении точности измерения расхода жидкости путем устранения погрешности, обусловленной нестабильностью амплитуды информационного сигнала, а именно случайным характером увеличения амплитуды информационного сигнала.

Сущность изобретения заключается в том, в ультразвуковом расходомере, содержащем генератор зондирующих импульсов, приемно-усилительный тракт, компаратор, информационный вход которого подключен к выходу приемно-усилительного тракта, новым является то, что дополнительно введен 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. Кроме того, 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.

Технический результат достигается следующим образом.

Генератор зондирующих импульсов, благодаря связи с первым входом управляющего коммутатора, обеспечивает формирование возбуждающего импульса для пьезоэлектрических преобразователей, которые поочередно формируют в исследуемой жидкости ультразвуковую волну и преобразуют принятую ультразвуковую волну в электрический синусоидальный сигнал.

Благодаря связи с первым входом схемы измерения времени генератор зондирующих импульсов одновременно запускает схему, фиксируя, тем самым, начало отсчета времени прохождения исследуемой жидкости ультразвуковой волной, формируемой соответствующим пьезоэлектрическим преобразователем.

Управляемый коммутатор обеспечивает возможность поочередного возбуждения сигналами с генератора зондирующих импульсов первого и второго пьезоэлектрических преобразователей и поочередную передачу на приемно-усилительный тракт с их выходов электрического синусоидального сигнала, полученного в результате преобразования ультразвуковой волны.

Приемно-усилительный тракт выделяет высокочастотную составляющую, соответствующую ультразвуковому сигналу, формируемому в исследуемой среде соответствующим пьезоэлектрическим преобразователем, и формирует на информационном входе компаратора усиленный полезный синусоидальный сигнал.

Схема формирования уровня устанавливает на входе установки опорного сигнала компаратора уровень порогового сигнала. Наличие в схеме входа установки в исходное состояние обеспечивает после включения напряжения питания установку схемы формирования уровня в состояние, при котором на ее выходе устанавливается напряжение, соответствующее исходному уровню порогового сигнала. Благодаря связи выхода компаратора с первым входом схемы формирования уровня обеспечивается возможность фиксации схемой момента превышения опорного напряжения амплитудой информационного сигнала на первом входе компаратора и изменения значения исходного уровня опорного сигнала на нулевое. Осуществление указанных функций схемы формирования уровня обеспечивается благодаря реализации ее 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.

Из вышеизложенного следует, что благодаря введению схемы формирования уровня, а также других элементов устройства и связей между ними, в заявленном устройстве обеспечивается возможность изменения уровня порогового напряжения компаратора во время преобразования сигнала. При этом выполнение делителя напряжения с постоянной времени не более половины длительности первой положительной полуволны полезного синусоидального сигнала на информационном входе компаратора обеспечивает переключение триггера схемы в единичное состояние до момента перехода через нуль первой полуволны синусоидального сигнала. В результате обеспечивается возможность установки на компараторе нулевого уровня опорного сигнала после первого сравнения нарастающего участка амплитуды первой полуволны синусоидального сигнала с величиной исходного опорного сигнала компаратора. В результате на выходе компаратора спад первого импульса и передние фронты и спады последующих прямоугольных импульсов, независимо от величины амплитуды информационного сигнала, формируются в моменты перехода положительной полуволны синусоидального информационного сигнала через нуль, что исключает дрейф нуля выходного сигнала компаратора. Отсюда следует, что при нестабильности амплитуды синусоидального сигнала на входе компаратора, которая выражается в случайном характере увеличения амплитуды полезного сигнала, не теряется информация о длительности импульса, формируемого на выходе компаратора, поскольку формирование прямоугольной последовательности импульсов идет по нулевому уровню. В результате повышается достоверность цифрового кода, который благодаря связи с выходом компаратора формирует схема измерения времени в результате преобразования формируемой компаратором последовательности прямоугольных импульсов в цифровой код, соответствующий времени прохождения сигналом акустического тракта. В итоге повышается, по сравнению с прототипом, точность измерений расхода жидкости.

Кроме того, благодаря возможности установки на компараторе нулевого уровня опорного сигнала после первого сравнения нарастающего участка амплитуды первой полуволны синусоидального сигнала с величиной исходного опорного сигнала компаратора исключается необходимость в прецизионной установке величины опорного сигнала на входе компаратора, в отличие от прототипа, поскольку в этом случае снижается вероятность срабатывания компаратора от воздействия внешних помех. Снижение требования к точности установки величины опорного сигнала в свою очередь снижает погрешность, обусловленную неточностью установки величины опорного сигнала, следовательно, повышает точность измерения расхода жидкости.

Таким образом, из выше изложенного следует, что предлагаемое изобретение «Ультразвуковой расходомер», реализующий заявленный способ измерения расхода жидких сред, при осуществлении позволяет достичь технического результата, заключающегося в повышении точности измерения расхода жидкости путем устранения погрешности, обусловленной нестабильностью амплитуды информационного сигнала, а именно случайным характером увеличения амплитуды информационного сигнала.

На фиг.1 изображена блок-схема заявленного ультразвукового расходомера; на фиг.2 - электрическая схема схемы формирования уровня; на фиг.3 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства.

Ультразвуковой расходомер содержит генератор 1 зондирующих импульсов (ГЗИ), пьезоэлектрические преобразователи 2, 3 (ПЭП), коммутатор 4 (КОМ), приемно-усилительный тракт 5 (ПУТ), компаратор 6 (К), схему формирования уровня 7 (СФУ) и схему измерения времени 8 (СИВ). Первый и второй входы-выходы КОМ 4 подключены соответственно к выходам-входам первого 2 и второго 3 ПЭП. Первый вход КОМ 4 подключен к выходу ГЗИ 1, а второй вход является управляющим. Выход КОМ 4 подключен к входу ПУТ 5, выход которого подключен к информационному входу К 6. Кроме того, выход ГЗИ 1 подключен к первому входу СИВ 8, второй вход которой и первый вход СФУ 7 подключены к выходу К 6. Выход СФУ 7 подключен к входу 6 установки опорного сигнала К 6, при этом второй вход СФУ 7 является входом установки схемы 7 в исходное состояние. Выход СИВ 8 является выходом устройства.

Схема формирования уровня 7 выполнена в виде D-триггера 9, S- и D-входы которого через первый резистор 10 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 11 и третьего 12 резисторов, средняя точка которого является выходом схемы, при этом третий резистор 12 соединен с землей. Кроме того, делитель напряжения 11, 12 выполнен с постоянной времени не более половины длительности первой положительной полуволны синусоидального сигнала на информационном входе компаратора.

Пьезоэлектрические преобразователи 2, 3 размещены в отрезке трубы под некоторым углом к оси трубопровода с исследуемой жидкостью (на фиг.1 не показано). Пьезоэлектрические преобразователи 2, 3 в соответствии с заявленными связями устройства, подключают к соответствующим входам-выходам коммутатора 4.

Коммутатор может быть выполнен, например, на микросхеме ADG736, которая содержит в себе два аналоговых ключа. При этом первый вход - выход коммутатора является первым входом-выходом первого аналогового ключа и вторым входом-выходом второго аналогового ключа. Второй вход - выход коммутатора является вторым входом-выходом первого аналогового ключа и первым входом-выходом второго аналогового ключа. Управляющие входы ключей соединены. Вход первого аналогового ключа подключен к ГЗИ 1, а выход второго аналогового ключа подключен к ПУТ 5.

ПУТ 5 выделяет из поступающего на него сигнала высокочастотную составляющую, соответствующую ультразвуковой волне, формируемой одним из ПЭП (2 или 3). ПУТ может быть выполнен, например, на микросхеме операционного усилителя АД-8031.

Временное управление работой устройства может осуществляться, например, от внешней схемы синхронизации, которая может быть выполнена, например, на микросхеме 74 НС4040.

Способ измерения расхода жидких сред выполняют следующим образом. Излучают ультразвуковую волну по потоку жидкости и против него. Затем преобразуют ультразвуковую волну в электрический синусоидальный сигнал, который затем преобразуют в последовательность прямоугольных импульсов с одинаковой амплитудой посредством компаратора с заданным исходным уровнем опорного сигнала. Величину исходного уровня опорного сигнала устанавливают ниже амплитуды первой полуволны синусоидального сигнала. Во время преобразования компаратором электрического синусоидального сигнала в последовательность прямоугольных импульсов с одинаковой амплитудой после первого сравнения нарастающего участка амплитуды его первой полуволны с величиной исходного опорного сигнала компаратора уровень опорного сигнала компаратора изменяют на нулевой. При этом нулевой уровень опорного сигнала устанавливают равным напряжению на информационном входе компаратора при отсутствии электрического синусоидального сигнала.

Измеряют время прохождения ультразвуковыми волнами обоих направлений.

Ультразвуковой расходомер, реализующий заявленный способ измерения расхода жидких сред, работает следующим образом.

Под действием стробирующего импульса (фиг.3г, t1) коммутатор 4 подключает к ПУТ 5 второй 3 пьезоэлектрический преобразователь. ГЗИ 1 одновременно посылает сигнал (фиг.3а, t1) на первый вход схемы измерения времени 6 и на вход второго 3 пьезоэлектрического преобразователя, который формирует ультразвуковой импульс, распространяющийся в исследуемой среде. Ультразвуковой импульс преодолевает измерительный участок и воспринимается первым 2 пьезоэлектрическим преобразователем, являющимся в данном случае приемником. В результате на выходе первого 2 преобразователя формируется высокочастотный радиоимпульс в виде синусоидального сигнала (фиг.4б, t1), который через коммутатор поступает в ПУТ 5 (фиг.4д, t1) и далее на информационный вход компаратора 6 (фиг.3е, t1). На входе установки опорного сигнала компаратора 6 схема формирования уровня 7 устанавливает заданный уровень опорного сигнала (фиг.3з, t1-t2). При превышении входным сигналом исходного уровня опорного сигнала схема формирования уровня изменяет значение уровня опорного сигнала на нулевое (фиг.3з, t3). Компаратор 6 преобразует двуполярный синусоидальный радиосигнал в последовательность однополярных прямоугольных импульсов одинаковой амплитуды (фиг.3ж, t1, t2, t3, t4). При этом на выходе компаратора 6 первый прямоугольный импульс формируется с фронтом, который соответствует моменту равенства сигнала исходному уровню опорного сигнала, а спад - моменту перехода синусоидального сигнала через нуль из положительной области в отрицательную. Далее фронты и спады прямоугольных импульсов формируются в моменты перехода положительной полуволны синусоидального информационного сигнала через нуль.

Формируемая последовательность импульсов поступает на второй вход схемы измерения времени 8, которая фиксирует время между отправкой и приемом зондирующего импульса, преобразуя формируемую компаратором 6 последовательность прямоугольных импульсов в цифровой код, соответствующий времени прохождения сигналом акустического тракта.

Затем по стробирующему импульсу (фиг.3г, t2), поступающему на управляющий вход, КОМ 4 подключает к ПУТ 5 первый 2 пьезоэлектрический преобразователь ГЗИ 1 и одновременно посылает сигнал (фиг.3а, t2) на первый вход СИВ 8 и на вход первого 2 ПЭП (фиг.3б, t2). Далее работа устройства повторяется.

Схема формирования уровня 7 работает следующим образом. После включения напряжения питания (фиг.3к, t1) D-триггер схемы 7 устанавливается в исходное состояние, в соответствии с которым на его инверсном выходе Q формируется единичный уровень напряжения. С делителя напряжения 11, 12 на входе установки опорного сигнала компаратора 6 устанавливается исходный уровень опорного сигнала (фиг.3з, t1-t2).

В момент превышения уровня опорного сигнала входным сигналом на информационном входе компаратора 6 на его выходе формируется фронт первого прямоугольного импульса (фиг.3ж, t1), который поступает на С-вход триггера 9 и переключает его в единичное состояние. При этом на инверсном выходе Q, а следовательно, и на втором входе компаратора 6, устанавливается нулевой уровень. Резисторы 11, 12 делителя напряжения подобраны таким образом, чтобы постоянная времени установления нулевого значения напряжения в средней точке делителя была не более половины длительности первой положительной полуволны синусоидального сигнала на информационном входе компаратора 6.

Для получения на выходе компаратора прямоугольной последовательности импульсов, максимально соответствующей истинной форме полезного синусоидального сигнала на информационном входе компаратора, нулевой уровень опорного сигнала, так же подбором сопротивлений 11, 12, устанавливают равным напряжению на информационном входе компаратора при отсутствии электрического синусоидального сигнала.

В организации-заявителе произведено более 100 образцов заявленного ультразвукового расходомера. Проведенные испытания подтвердили работоспособность прибора и получение заявленного технического результата: повышение точности измерений за счет отсутствия «дрейфа нуля» и нечувствительности результатов измерений устройства к случайному увеличению амплитуды полезного синусоидального сигнала на входе компаратора из-за изменений температуры измеряемой среды и окружающего воздуха в широком диапазоне температур.

1. Способ измерения расхода жидких сред, включающий излучение ультразвуковой волны по потоку и против него, преобразование ультразвуковой волны в электрический синусоидальный сигнал с последующим преобразованием его в последовательность прямоугольных импульсов с одинаковой амплитудой посредством компаратора с заданным исходным уровнем опорного сигнала, измерение времени прохождения ультразвуковыми волнами обоих направлений для измерения скорости потока жидкости и ее расхода, отличающийся тем, что величину исходного уровня опорного сигнала устанавливают ниже амплитуды первой полуволны синусоидального сигнала, при этом во время преобразования компаратором электрического синусоидального сигнала после первого сравнения нарастающего участка амплитуды его первой полуволны с величиной исходного опорного сигнала компаратора уровень опорного сигнала компаратора изменяют на нулевой.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что нулевой уровень опорного сигнала устанавливают равным напряжению на информационном входе компаратора при отсутствии электрического синусоидального сигнала.

3. Ультразвуковой расходомер, содержащий генератор зондирующих импульсов, приемно-усилительный тракт, компаратор, информационный вход которого подключен к выходу приемно-усилительного тракта, отличающийся тем, что 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.

4. Ультразвуковой расходомер по п.3, отличающийся тем, что 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.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерений массового расхода жидкостей, транспортируемых по нефтепроводу. .

Изобретение относится к способам измерения расхода текучих сред, в частности с использованием времени прохождения двух акустических сигналов, передаваемых в противоположных направлениях между двумя точками потока текучей среды.

Изобретение относится к области измерительной техники. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в информационно-измерительных системах для определения расхода компонентов двухфазного потока, в частности в нефте- и газодобыче на отдельных скважинах или коллекторных узлах для определения дебита текучей среды, содержащей нефть (газокондесат), воду и газ без их предварительной механической сепарации.

Изобретение относится к приборостроению и может найти применение в ультразвуковых приборах различного назначения в качестве устройства возбуждения и приема ультразвуковых сигналов, в частности в ультразвуковых расходомерах жидкостей и газов.

Изобретение относится к бытовым ультразвуковым счетчикам для измерения расхода газа. .

Изобретение относится к расходомерной технике, в частности к конструкциям время-импульсных ультразвуковых расходомеров и может быть использовано для определения расхода газов и жидкостей.

Изобретение относится к ультразвуковому измерительному преобразователю, который направляет и принимает ультразвуковые волны в жидкий тяжелый металл/из него, и в частности - к ультразвуковому измерительному преобразователю для жидкого металла, выполненному с возможностью эффективного направления ультразвуковых волн в жидкий тяжелый металл и приема ультразвуковых волн, проходящих в жидком тяжелом металле, путем оптимизации материала смачиваемой части преобразователя.

Изобретение относится к способу калибрования ультразвукового расходомера. .

Изобретение относится к устройству для определения и/или контроля проточного расхода объема и/или массы измеряемой среды, которая протекает через трубопровод с заданным с внутренним диаметром в заданном направлении потока, по меньшей мере, с двумя ультразвуковыми преобразователями, которые посылают и/или принимают ультразвуковые измерительные сигналы вдоль определенной звуковой дорожки, и с блоком регулировки и оценки результатов, который определяет проточный расход объема и/или массы измеряемой среды в резервуаре на основании ультразвуковых измерительных сигналов, согласно принципу разности времени распространения

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения скорости потока жидких и газообразных сред ультразвуковым методом

Изобретение относится к способу определения объемного или весового расхода среды в трубопроводе или в измерительной трубе посредством способа захвата звука

Изобретение относится к способу определения и/или контроля параметра процесса

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в информационно-измерительных системах нефтеперерабатывающей, нефтедобывающей, химической и других отраслей промышленности

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в измерительных устройствах для измерения расхода жидкости с помощью ультразвука

Наверх