Ультразвуковой расходомер

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в измерительных устройствах для определения расхода жидких или газообразных сред с помощью ультразвука. Ультразвуковой расходомер содержит формирователь пачки импульсов 4, усилитель 5, компаратор 6, вход которого подключен к выходу усилителя 5, измеритель интервалов времени 7, к первому входу которого подключен выход формирователя пачки импульсов 4, а к второму входу - выход компаратора 6, и ультразвуковые преобразователи 1, 2. Он также снабжен преобразователями температуры 12, 13, преобразователем сопротивления во временной интервал 11, мультиплексором 3, микроконтроллером 8, программируемым постоянным запоминающим устройством (ППЗУ) 9 и индикатором 10, при этом выходы преобразователей температуры 12, 13 подключены к входам преобразователя сопротивления во временной интервал 11, выходы которого подключены к третьему и четвертому входам измерителя интервалов времени 7, подключенного своим выходом к входу микроконтроллера 8, который одним входом-выходом подключен к входу-выходу ППЗУ 9, а другим - к персональному компьютеру посредством интерфейса ввода-вывода RS485, а выходом подключен к входу индикатора 10, при этом входы-выходы ультразвуковых преобразователей 1 и 2 подключены к входам-выходам мультиплексора 3, вход которого подключен к выходу формирователя пачки импульсов 4, а выход - к входу усилителя 5. Технический результат - создание ультразвукового расходомера, обладающего расширенным функционалом и повышенной точностью измерений за счет уменьшения дрейфа параметров измерительной схемы. 1 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в измерительных устройствах для определения расхода жидких или газообразных сред с помощью ультразвука.

Известен ультразвуковой расходомер (см. патент RU 2264602, G01F 1/66, опубл. 20.11.2005), характеризующийся тем, что он содержит блок формирования и анализа электрических импульсов, электрически связанный как минимум с двумя обратимыми электроакустическими преобразователями, каждый из которых имеет диаграмму направленности излучения и приема с углом раствора не менее 60° в плоскостях сечения и расположен на измерительном участке трубопровода таким образом, что ось диаграммы направленности преимущественно перпендикулярна продольной оси трубопровода, первый обратимый электроакустический преобразователь смещен относительно второго по направлению потока на расстояние не более 2,5 D, где D - диаметр трубопровода, причем внешняя излучающая поверхность каждого обратимого электроакустического преобразователя преимущественно совмещена с внутренней поверхностью трубопровода.

Недостатком аналога является отсутствие возможности измерения потребления тепловой энергии.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является ультразвуковой расходомер (см. патент RU 2353905, G01F 1/66, опубл. 27.04.2009), содержащий генератор зондирующих импульсов (формирователь пачки импульсов), приемно-усилительный тракт, компаратор, информационный вход которого подключен к выходу приемно-усилительного тракта. В состав ультразвукового расходомера 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.

Недостатком прототипа является отсутствие возможности измерения расхода в газообразных средах, а также дрейф параметров ультразвуковых преобразователей от температуры и старения, что негативно сказывается на точности измерений устройства.

Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является расширение технического функционала ультразвукового расходомера, за счет обеспечения возможности измерений не только в жидких, но и газообразных средах, измерение потребления тепловой энергии, и повышение точности замеров, производимых устройством.

Для достижения указанного технического результата ультразвуковой расходомер содержит формирователь пачки импульсов, усилитель, компаратор, вход которого подключен к выходу усилителя, измеритель интервалов времени, к первому входу которого подключен выход формирователя пачки импульсов, а к второму входу - выход компаратора, и ультразвуковые преобразователи. Он также снабжен преобразователями температуры, преобразователем сопротивления во временной интервал, мультиплексором, микроконтроллером, программируемым постоянным запоминающим устройством и индикатором, при этом выходы преобразователей температуры подключены к входам преобразователя сопротивления во временной интервал, выходы которого подключены к третьему и четвертому входам измерителя интервалов времени, подключенного своим выходом к входу микроконтроллера, который одним входом-выходом подключен к входу-выходу программируемого постоянного запоминающего устройства, а другим - к персональному компьютеру посредством интерфейса ввода-вывода RS485, а выходом подключен к входу индикатора, при этом входы-выходы ультразвуковых преобразователей подключены к входам-выходам мультиплексора, вход которого подключен к выходу формирователя пачки импульсов, а выход - к входу усилителя.

Изобретение поясняется фигурой, на которой изображена структурная схема ультразвукового расходомера.

Ультразвуковой расходомер содержит два ультразвуковых преобразователя 1 и 2, мультиплексор 3, формирователь пачки импульсов 4, усилитель 5, компаратор 6, измеритель интервалов времени 7, микроконтроллер 8, программируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ) 9, индикатор 10, преобразователь сопротивления во временной интервал 11, преобразователи температуры 12 и 13.

Входы-выходы ультразвуковых преобразователей 1 и 2 электрически связаны с входами-выходами мультиплексора 3, который своим входом связан с формирователем пачки импульсов 4, а выходом - с входом усилителя 5. Усилитель 5 соединен своим выходом с входом компаратора 6. Формирователь пачки импульсов 4 и компаратор 6 своими выходами соединены с первым и вторым, соответственно, входами измерителя интервалов времени 7. Его выход соединен с входом микроконтроллера 8, который своими входами-выходами соединен с ППЗУ 9 и персональным компьютером (ПК) (посредством интерфейса ввода-вывода RS485), а выходом - с индикатором 10. Выходы преобразователей температуры 12 и 13 соединены с входами преобразователя сопротивления во временной интервал 11, который своими выходами соединен с третьим и четвертым, соответственно, входами измерителя интервалов времени 7.

Ультразвуковые преобразователи 1, 2 работают с отраженной ультразвуковой волной и врезаются в трубопровод, по которому проходит поток измеряемой среды. Мультиплексор 3 обеспечивает измерение времени распространения ультразвуковой волны по потоку и против потока измеряемой среды. Формирователь пачки импульсов 4 формирует последовательность импульсов, которые передаются в ультразвуковые преобразователи 1 и 2, а также вырабатывает сигнал «Старт» для начала измерения с помощью измерителя интервалов времени 7 интервала времени прохождения ультразвукового сигнала через измеряемую среду. Усилитель 5 усиливает принятые с ультразвуковых преобразователей 1,2 сигналы. Компаратор 6 сравнивает усиленный сигнал с пороговым значением и формирует сигнал «Стоп» для окончания измерения интервала времени, который направляется на измеритель интервалов времени 7. Микроконтроллер 8 осуществляет преобразование измеренных интервалов времени в показания объемного расхода измеряемой среды или в показания потребленной тепловой энергии, записывает эти данные в ППЗУ 9, выводит информацию на индикатор 10 и обменивается данными с ПК по интерфейсу RS485. ППЗУ 9 хранит калибровочные коэффициенты, величины потребленных ресурсов и журнал потребленных ресурсов.

Преобразователи температуры 12 и 13, у которых изменяется электрическое сопротивление чувствительного элемента при изменении температуры, врезаются на входе и выходе трубопровода-теплоносителя. Преобразователь сопротивления во временной интервал 11 преобразует значения сопротивления преобразователей температуры 12 и 13 во временной интервал и генерирует импульсы «Старт» и «Стоп», которые направляются на измеритель интервалов времени 7.

Микроконтроллер 8, порог компаратора 6 и пороги усиления сигнала усилителя 5 программируются таким образом, чтобы параметры измерительной схемы (порог компаратора 6, порог усиления сигналов усилителя 5) с помощью микроконтроллера 8 могли адаптироваться во время работы и подстраиваться под изменяющуюся температуру среды, тем самым уменьшая дрейф параметров ультразвуковых преобразователей 1 и 2 от температуры.

Ультразвуковой расходомер работает следующим образом.

Формирователь пачки импульсов 4 генерирует зондирующие импульсы, которые через мультиплексор 3 попеременно поступают на ультразвуковые преобразователи 1 и 2, которые преобразуют электрическую энергию зондирующего импульса в ультразвуковую энергию и обратно. Оба ультразвуковых преобразователя 1, 2 излучают импульс, сгенерированный формирователем пачки импульсов 4, в измеряемую среду и принимают обратно отраженный ультразвуковой сигнал [1]. Сначала импульс подается на ультразвуковой преобразователь 1, измеряется время прохождения сигнала по потоку, и принимается на ультразвуковом преобразователе 2. Затем импульс подается на ультразвуковой преобразователь 2, измеряется время прохождения сигнала против потока, и принимается на ультразвуковом преобразователе 1.

В момент формирования импульса формирователь пачки импульсов 4 генерирует сигнал «Старт», который поступает на вход измерителя интервалов времени 7, тем самым инициируя начало измерения интервала времени. Принятый ультразвуковыми преобразователями 1, 2 ультразвуковой сигнал направляется обратно на мультиплексор 3, он измеряет время распространения ультразвукового сигнала, направленного по ходу движения потока измеряемой среды и против него. Полученные мультиплексором 3 сигналы направляются на усилитель 5, а затем на компаратор 6, который сравнивает усиленный сигнал с пороговым значением (которое задается на этапе изготовления) и направляет для окончания измерения сигнал «Стоп» на вход измерителя интервалов времени 7, который фиксирует время между отправкой и приемом зондирующих импульсов. С выхода измерителя интервалов времени 7 сигнал поступает в микроконтроллер 8, где измеренные интервалы времени преобразуются в показания объемного расхода измеряемой среды или потребленной тепловой энергии. Эти показания записываются ППЗУ 9 и выводятся на индикатор 10. Также микроконтроллер 8 по интерфейсу RS485 обменивается данными с ПК.

Преобразователи температуры 12, 13 измеряют потребленную тепловую энергию из разности температур измеряемой среды на входе и выходе трубопровода, а также объема, прошедшего через ультразвуковой расходомер. Преобразователи температуры 12, 13 подают сигнал на преобразователь сопротивления 11 во временной интервал, который в свою очередь генерирует сигнал «Старт» и посылает его на измеритель интервалов времени 7, для начала измерений, и сигнал «Стоп» - для их окончания.

Таким образом, ультразвуковой расходомер обладает расширенным функционалом, за счет обеспечения измерения расхода тепловой энергии и возможности его использования для измерений как в жидких, так и в газообразных средах, и характеризуется повышенной точностью измерений по сравнению с аналогами за счет уменьшения дрейфа параметров измерительной схемы.

Источники информации:

1. https://eno-tek.ru/blog/teplo-blog/ultrasonic-method

Ультразвуковой расходомер, содержащий формирователь пачки импульсов, усилитель, компаратор, вход которого подключен к выходу усилителя, измеритель интервалов времени, к первому входу которого подключен выход формирователя пачки импульсов, а к второму входу - выход компаратора, и ультразвуковые преобразователи, отличающийся тем, что он снабжен преобразователями температуры, преобразователем сопротивления во временной интервал, мультиплексором, микроконтроллером, программируемым постоянным запоминающим устройством (ППЗУ) и индикатором, при этом выходы преобразователей температуры подключены к входам преобразователя сопротивления во временной интервал, выходы которого подключены к третьему и четвертому входам измерителя интервалов времени, подключенного своим выходом к входу микроконтроллера, который одним входом-выходом подключен к входу-выходу ППЗУ, а другим - к персональному компьютеру посредством интерфейса ввода-вывода RS485, а выходом подключен к входу индикатора, при этом входы-выходы ультразвуковых преобразователей подключены к входам-выходам мультиплексора, вход которого подключен к выходу формирователя пачки импульсов, а выход - к входу усилителя.



 

Похожие патенты:

В заявляемом изобретении предложен ультразвуковой расходомер (10) для определения скорости потока протекающей в трубопроводе (12) текучей среды, имеющий по меньшей мере один измерительный контур (18), в котором расположены напротив друг друга первый ультразвуковой преобразователь (16а) и второй ультразвуковой преобразователь (16b) с протекающей текучей средой между данными преобразователями, а также имеющий блок оценки, выполненный для вычисления скорости потока из разницы времени прохождения ультразвуковых импульсов по измерительному контуру (18) по направлению потока (14) и против потока (14).

Заявлено ультразвуковое устройство (10) измерения расхода с множеством ультразвуковых преобразователей (16а-е) для определения скорости потока текучей среды, текущей в трубопроводе (12), имеющее множество измерительных лучей (18a-d), на каждом из которых расположены два из ультразвуковых преобразователей (16а-е) напротив друг друга, с потоком между ними и на осевом расстоянии (Δх) друг от друга в продольном направлении трубопровода (12), и вычислительный блок, выполненный с возможностью вычисления скорости потока из разностей времени прохождения ультразвуковых сигналов вдоль соответствующих измерительных лучей (18a-d) в направлении по потоку и против потока.

Предложен способ и измерительное устройство для определения параметров качества газа, в котором газ или газовая смесь протекает как через ультразвуковой расходомер (4), так и через микротермический датчик (7), и первый используют для определения скорости звука и течения, а с помощью второго определяют теплопроводность и теплоемкость газа или газовой смеси.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в информационно-измерительных системах нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей, химической и других отраслях промышленности для измерения содержания компонентов многофазной среды.

В настоящем документе описаны многофазные расходомеры и связанные с ними способы. Устройство для измерения расхода содержит: впускной манифольд; выпускной манифольд; первый и второй каналы для потока, присоединенные между впускным и выпускным манифольдами; и анализатор для определения расхода текучей среды, протекающей через первый и второй каналы для потока, на основании параметра текучей среды, протекающей через первый канал для потока, причем параметр представляет собой перепад давления текучей среды, протекающей через первый канал для потока или плотность смеси текучей среды, протекающей через первый канал для потока, источник и детектор, соединенные с первым каналом для потока, причем анализатор использует полученные детектором значения для определения фазовой фракции текучей среды, протекающей через первый канал для потока, клапан для управления расходом текучей среды через второй канал для потока.

Изобретение относится к измерительному устройству для измерения скорости потока текучей среды, текущей в направлении основного потока в круглой линии. Устройство содержит входную часть для направления текучей среды из круглой линии в измерительное устройство; выходную часть для направления текучей среды из измерительного устройства в круглую линию; измерительную часть для соединения входной части с выходной частью; по меньшей мере одно ультразвуковое устройство для испускания и/или приема ультразвуковых волн, причем ультразвуковое устройство расположено на стенке измерительной части; и блок обработки для выполнения измерения разности времени прохождения и для определения скорости потока, при этом входная часть имеет первую суперэллиптическую переходную форму, выходная часть имеет вторую суперэллиптическую переходную форму, и измерительная часть имеет прямоугольную форму, в частности, с закругленными углами.

Использование: для определения скорости потока и/или расхода текучей среды. Сущность изобретения заключается в том, что устройство имеет по меньшей мере первый ультразвуковой преобразователь и второй ультразвуковой преобразователь, позволяющие определить скорость потока по времени прохождения ультразвукового сигнала, при этом устройство дополнительно включает шумоизмерительный ультразвуковой преобразователь, выполненный с возможностью измерения шума, создаваемого текучей средой при обтекании ультразвукового преобразователя, и в том, что устройство управления и обработки выполнено с возможностью определения скорости потока на основе измерений шума.

Изобретение относится к ультразвуковому расходомеру для измерения расхода текучей среды. Ультразвуковой расходомер для измерения расхода текучей среды (1) содержит измерительную трубку (2) и ультразвуковой преобразователь (3), причем измерительная трубка (2) имеет преобразовательную камеру (4), которая представляет собой выемку, находящуюся вне поперечного сечения потока в измерительной трубке (2), и генерирует завихрения в потоке текучей среды (1), причем для ультразвукового преобразователя (3) предусмотрен контакт с текучей средой (1) в преобразовательной камере (4) измерительной трубки (2), и ультразвуковой преобразователь (3) имеет корпус (5) преобразователя с ультразвуковым окном (8) и преобразовательный элемент (6), причем на направленной внутрь измерительной трубки (2) торцевой стороне (7) корпуса (5) преобразователя, у ультразвукового окна (8) корпуса (5) преобразователя предусмотрен цилиндрический экран (9), выполненный трубообразным и предназначенный для экранирования пути распространения ультразвуковых сигналов от завихрений, возникающих в потоке текучей среды.

Изобретение относится к способу изготовления ультразвукового устройства измерения расхода и к ультразвуковому устройству измерения расхода. Заявлен способ изготовления ультразвукового устройства (10) измерения расхода, в котором изготавливают по меньшей мере один карман (30) для ультразвукового преобразователя (18a-b) снаружи в стенке (22) трубопровода секции (14) трубопровода, в которой при эксплуатации течет текучая среда (12), и в кармане (30) размещают ультразвуковой преобразователь (18a-b), при этом ультразвуковой преобразователь (18a-b) имеет колебательный элемент (34), соединенный с участком (32) стенки (22) трубопровода, действующим в качестве мембраны ультразвукового преобразователя (18a-b), выполненной с возможностью колебания.

Изобретение относится к способу изготовления ультразвукового устройства измерения расхода и к ультразвуковому устройству измерения расхода. Заявлен способ изготовления ультразвукового устройства (10) измерения расхода, в котором изготавливают по меньшей мере один карман (30) для ультразвукового преобразователя (18a-b) снаружи в стенке (22) трубопровода секции (14) трубопровода, в которой при эксплуатации течет текучая среда (12), и в кармане (30) размещают ультразвуковой преобразователь (18a-b), при этом ультразвуковой преобразователь (18a-b) имеет колебательный элемент (34), соединенный с участком (32) стенки (22) трубопровода, действующим в качестве мембраны ультразвукового преобразователя (18a-b), выполненной с возможностью колебания.
Наверх