PL169741B1

PL169741B1 - Sposób i urzadzenie do ultradzwiekowego pomiaru predkosci przeplywu plynu PL

Info

Publication number: PL169741B1
Application number: PL92301878A
Authority: PL
Inventors: Noel Bignell; Anthony F Collings; Kenneth J Hews-Taylor; Barry J Martin; Colin W Braathen; Charles M Welsh
Original assignee: Agl Consultancy Pty Ltd; Commonwealth Scentific And Industrial Research Organisation; Commw Scentific And Ind Resear
Priority date: 1991-06-25
Filing date: 1992-06-25
Publication date: 1996-08-30
Also published as: US5553505A; EP0591349B1; SG45209A1; DK0591349T3; HU9303695D0; IE80654B1; EP0591349A1; AU2172792A; GR3026606T3; FI935822A; CA2112094A1; JPH07500662A; EP0591349A4; FI935822A0; TW246714B; CN1046026C; ES2112907T3; HUT68387A; AU666122B2; IE922038A1

Abstract

1 Sposób ultradzwiekowego pomiaru predkosci przeplywu plynu, w którym, w pierwszym etapie pomiaru, wysyla sie wiazke fali akustycznej o okreslonej czestotliwosci z pierwszego przetwornika akustycznego do drugie- go przetwornika akustycznego, oba umieszczone w plynie, oraz równoczesnie uruchamia sie licznik, nastepnie w drugim etapie pomiaru wykrywa sie moment czasowy nadejscia wiazki fali akustycznej do drugiego przetwornika akustycznego, w trakcie którego wykrywa sie wiazke fali akustycznej ode- branej przez drugi przetwornik akustyczny i formuje sie z mej sygnal odbie- rany, a nastepnie poddaje sie sygnal odbierany prostowaniu i filtrowaniu ksztaltujac obwiednie sygnalu odbieranego oraz wykrywa sie moment czaso- wy, kiedy sygnal obwiedni przechodzi przez próg wykrywania, znamienny tym, ze wykrywa sie, po przejsciu sygnalu obwiedni przez próg wykrywania, przejscie sygnalu odbieranego przez wczesniej okreslony poziom oraz rów- noczesnie zatrzymuje sie licznik, przy czym ilosc przejsc przez wczesniej okreslony poziom reprezentuje liczbe cykli sygnalu odbieranego dla wyslanej wiazki fali akustycznej o okreslonej czestotliwosci od chwili nadejscia wiazki fali akustycznej, po czyni koryguje sie w trzecim etapie pomiaru, wartosci czasu otrzymane z licznika o wczesniej okreslony okres odpowiadajacy uprzednio okreslonej liczbie cykli oraz wyznacza sie w czwartym etapie pomiaru, predkosc przeplywu plynu w oparciu o skorygowane wartosci czasu, odleglosc miedzy przetwornikami akustycznymi i znana wartosc predkosci propagacji fali akustycznej dla plynu w stanie stacjonarnym F I G 4 . PL

Description

Przedmiotem wynalazkujest sposób i urządzenie do ultradźwiękowego pomiaru prędkości przepływu płynu, znajdujące zastosowanie zwłaszcza przy pomiarach prędkości przepływu gazu lub wody.

Znane urządzenie do pomiaru prędkości przepływu płynu do zastosowania domowego i handlowego zbudowane są z urządzeń mechanicznych takich jak mieszki albo łopatki lub napędzane wirniki, które uruchamiają mechanizm zliczający. Na ogół mechaniczne urządzenie bębenkowe wskazuje całkowitą objętość płynu, która przeszła przez urządzenie pomiarowe. Tego rodzaju urządzenia mechaniczne nie są bardzo dokładne, zwłaszcza przy małych przepływach, takich jakie są wymagane do utrzymania pilotującego płomyka gazowego. W związku z tym niedokładności pomiaru przy małym przepływie mogą stanowić istotne straty w przychodach dostawcy gazu lub wody.

W ostatnich latach pojawiło się wiele rozwiązań z zastosowaniem techniki elektronicznej pozwalających na zasadnicze zwiększenie dokładności pomiarów prędkości przepływu płynu. Tego rodzaju rozwiązania na ogół zawierają przetworniki ultradźwiękowe, które wysyłają sygnały ultradźwiękowe w kierunku zgodnym i przeciwnym z kierunkiem przepływu w celu pomiaru czasu przemieszczenia się sygnałów, na podstawie których można obliczyć względną prędkość przepływu płynów. Przykłady takich urządzeń do zastosowania przy pomiarze prędkości przepływu płynu można znaleźć w opisach patentowych Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 3 898 878 i nr 3 329 017, w których stosuje się pomiar oparty na amplitudzie. Zgłoszenie patentowe Wielkiej Brytanii nr 2 222 254 ujawnia z kolei, że pomiar amplitudowy nie jest na ogół praktyczny przy pomiarach prędkości przepływu gazu ze względu na istotne zmiany amplitudy pomiędzy przetwornikami. Z tego powodu trudna jest detekcja momentu, kiedy jest odbierany sygnał, a w wyniku tego dokładne określenie czasu przelotu. Zgłoszenie patentowe Wielkiej Brytanii nr 2 222 254 ujawnia rozwiązanie, w którym sygnały ultradźwiękowe są przesyłane jako wiązka a wewnątrz każdej wiązki wprowadza się zmianę fazy, w wyniku czego tworzy się dający się rozróżnić znacznik czasowy, na podstawie którego można obliczyć czas przelotu. W opisie patentowym Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 4 603 589jest przedstawiony ultradźwiękowy miernik przepływu, w którym następuje odbiór sygnału oraz detekcja sygnałów obwiedni, dodatniej i ujemnej. Sygnały obwiedni są sumowane i wzmacniane, przy czym moment przejścia przez zero sygnału odbieranego określa się, kiedy wzmocniona wartość bezwzględna sygnału przekroczy wartość progową, wynoszącą zero lub bliską zera.

W innym opisie patentowym Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 3 282 101 ujawniono ultradźwiękowy przetwornik przepływu, który zawiera urządzenie zaopatrzone;, w dwa układy pracujące w obwodzie pierścieniowym, wykrywające prędkość przepływu płynów w przeciwnych kierunkach wewnątrz przewodu oraz urządzenie do mieszania odebranych sygnałów, umożliwiające wyświetlenie prędkości przepływu płynów.

Z kolei w polskim opisie patentowym nr 104 674 jest opisane urządzenie do pomiaru prędkości przepływu płynu, w którym odbiornik jest dołączony do binarnego dzielnika częstotliwości połączonego z dzielnikiem dekadowym oraz z układem próbkującym. Licznik dekadowy jest połączony również z generatorem impulsowym oraz z pozycjonerem, przy czym układ próbkujący jest połączony także z blokiem przelicznikowym zawierającym układ wyświetlania wyniku. Urządzenie według tego opisu dokonuje pomiaru prędkości przepływu cieczy przez pomiar zunifikowanych okresów niezależnych od długości toru ultradźwiękowego.

W polskim opisie patentowym nr 121 266 przedstawiono ultradźwiękowy miernik prędkości przepływu płynu, wykorzystujący do określenia prędkości przepływu zjawisko Dopplera. Miernik zawiera generator częstotliwości synchronizacyjnej oraz wzmacniacz wielkiej częstotliwości, za pomocą którego możliwe jest wykrycie dopplerowskiej zmiany częstotliwości oraz rejestr pamięciowy, służący do porównywania częstotliwości dopplerowskiej z zadanymi wartościami prędkości przepływu płynu.

W następnym, polskim opisie patentowym nr 124 390, przedstawiono ultradźwiękowy układ pomiarowy do pomiaru prędkości przepływu płynu zawierający układ odbiorczy, zaopatrzony we wzmacniacz wstępny dołączony do każdego z przetworników ultradźwiękowych. Wyjścia przetworników ultradźwiękowych są dołączone oddzielnie do wzmacniacza, który steruje układami próbkującymi dołączonymi do odpowiednich integratorów różnicowych.

169 741

Z kolei w polskim opisie zgłoszeniowym nr P. 272 862 przedstawiono ultradźwiękowy miernik przepływu płynu, w którym odebrane sygnały przepuszcza się przez wzmacniacz, którego wyjście jest dołączone do detektora szczytowego sterownika, regulującego wzmocnienie wzmacniacza. Sygnał wyjściowy wzmacniacza podawanyjest również do dwóch komparatorów, przy czym sygnał drugiego z nich jest podawany do generatora impulsowego, którego sygnał wyjściowy jest sumowany z sygnałem wyjściowym komparatora, z otrzymaniem danej logicznej. Do obliczenia prędkości przepływu płynu wykorzystuje się system mikroprocesorowy.

Jednakże w znanych rozwiązaniach powstają problemy przy detekcji zmiany fazy, gdy przepływ mierzonego płynu jest mierzony w małym kanale lub przewodzie, ze względu na to, że sygnał ultradźwiękowy jest odbijany przez ściankę (ścianki) przewodu co powoduje propagację wielodrożną. Propagacja wielodrożna zmienia w efekcie zależności fazowe energii dochodzącej do przetwornika odbiorczego i z tego względu zależności czasowe zmiany fazy nie dają się określić w sposób niezawodny. Także przejście wyższych ech akustycznych, które rozchodzą się z szybkością niższą niż pierwotna wiązka fali akustycznej, powoduje interferencję z kolejnymi sygnałami. Może to prowadzić do następnych błędów.

Istotą sposobu ultradźwiękowego pomiaru prędkości przepływu płynu, według wynalazku, w którym, w pierwszym etapie pomiaru, wysyła się wiązkę fali akustycznej o określonej częstotliwości z pierwszego przetwornika akustycznego do drugiego przetwornika akustycznego, oba umieszczone w płynie oraz równocześnie uruchamia się licznik, następnie w drugim etapie pomiaru wykrywa się moment czasowy nadejścia wiązki fali akustycznej do drugiego przetwornika akustycznego, w trakcie którego wykrywa się wiązkę fali akustycznej odebranej przez drugi przetwornik akustyczny i formuje się z niej sygnał odbierany, a następnie poddaje się sygnał odbierany prostowaniu i filtrowaniu kształtując obwiednię sygnału odbieranego oraz wykrywa się moment czasowy, kiedy sygnał obwiedni przechodzi przez próg wykrywania, jest to, że wykrywa się, po przejściu sygnału obwiedni przez próg wykrywania, przejście sygnału odbieranego przez wcześniej określony poziom oraz równocześnie zatrzymuje się licznik, przy czym ilość przejść przez wcześniej określony poziom reprezentuje liczbę sygnału odbieranego dla wysłanej wiązki fali akustycznej o określonej częstotliwości od chwili nadejścia wiązki fali akustycznej, po czym koryguje się, w trzecim etapie pomiaru, wartości czasu otrzymane z licznika o wcześniej określony okres odpowiadający uprzednio określonej liczbie cykli oraz wyznacza się, w czwartym etapie pomiaru, prędkość przepływu płynu w oparciu o skorygowane wartości czasu, odległość między przetwornikami akustycznymi i znaną wartość prędkości propagacji fali akustycznej dla płynu w stanie stacjonarnym. Jako wcześniej określony poziom przyjmuje się poziom przejścia przez zero sygnału odbieranego, zaś próg wykrywania ustala się poniżej maksymalnej i minimalnej wartości szczytowej sygnału obwiedni.

Korzystne jest, gdy zgodnie z wynalazkiem wiązkę fali akustycznej wysyła się cyklicznie i wykrywa się przejście sygnału odbieranego przez wcześniej określony poziom w każdym cyklu, przy czym przyjmuje się częstotliwość wiązki fali akustycznej w zakresie między 10 kHz a 250 kHz zaś liczbę cykli w zakresie między 1 1/2 a 5 1/2 oraz przy wysyłaniu stosuje się wiązkę fali akustycznej zawierającą od trzech do pięciu cykli, korzystnie 2 1/2.

Ponadto jest korzystne, gdy zgodnie z wynalazkiem wiązkę fali akustycznej wysyła się w sekwencji pierścieniowej, w której co trzy nadane z tą samą fazą wiązki fali akustycznych wysyła się jedną wiązkę fali akustycznej o fazie przeciwnej.

Dalsze korzyści z wynalazku uzyskuje się, gdy etapy pomiaru, pierwszy i drugi, powtarza się wiele razy, przy czym w ich trakcie zapamiętuje się wartości czasu otrzymane z licznika, a następnie dokonuje się korekcji, dzieląc zapamiętane wartości czasu przez liczbę wcześniej określonych okresów, wyznaczając średnią wartość czasu. W trakcie powtarzania pierwszego i drugiego etapów pomiaru wysyła się wiązkę fali akustycznej z drugiego przetwornika akustycznego do pierwszego przetwornika akustycznego, przy czym wysyłanie wiązek fal akustycznych, z wyjątkiem pierwszej wiązki fali akustycznej, inicjuje się po przekroczeniu wcześniej określonego poziomu przez poprzednią wiązkę fali akustycznej, zaś jedną lub więcej wiązek fal akustycznych, wybranych z wielu wiązek fal akustycznych, wysyła się z fazą lub polaryzacją przeciwną w odniesieniu do sąsiednich wiązek fal akustycznych, przy czym korzystnie wiązkę

169 741 fali akustycznej o fazie przeciwnej wysyła się po wysłaniu trzech wiązek fal akustycznych o tej samej fazie.

Z kolei istotą urządzenia do ultradźwiękowego pomiaru prędkości przepływu płynu, według wynalazku, zawierającego dwa przetworniki akustyczne umieszczone w płynie w ustalonej odległości względem siebie, generatory sygnałowe przyłączone do przetworników akustycznych do pobudzenia jednego z przetworników akustycznych dla przesłania jednej lub więcej wiązek fal akustycznych odbieranych przez drugi z przetworników akustycznych, zespół sterowania połączony z generatorami sygnałowymi do odwracania kierunku przesyłania wiązek fal akustycznych, licznik dołączony do zespołu sterowania do pomiaru czasu propagacji każdej z wiązek fal akustycznych oraz dołączony do przetworników akustycznych układ analogowy wytwarzania sygnału wyzwalającego, do zatrzymywania licznika i wykrywania narastającej obwiedni sygnału odbieranego przez drugi przetwornik akustyczny, jest to, że układ analogowy jest połączony z licznikiem za pomocą dodatkowego przewodu sterowania do wyprowadzania sygnału inicjacji zatrzymania licznika w momencie następnego przekroczenia wcześniej określonego poziomu przez sygnał odbierany, po uprzednim przekroczeniu progu wykrywania przez sygnał obwiedni.

Korzystne jest, gdy zgodnie z wynalazkiem do licznika są dołączone układy przetwarzania danych do uśrednienia wartości czasu rzeczywistego, wyznaczania odległości między przetwornikami akustycznymi oraz, przy znanej prędkości akustycznej dla płynu w stanie stacjonarnym, wyznaczania prędkości przepływu płynu. Do układów przetwarzania danych jest dołączona pamięć do zapamiętywania wartości dotyczących wielkości przepływu płynu wyznaczanych przez układy przetwarzania danych na podstawie fizycznych wymiarów przewodu, przez który przepływa płyn i w którym są umieszczone przetworniki akustyczne oraz jest dołączony interfejs do przesyłania danych zapamiętanych w pamięci do zewnętrznego urządzenia odczytowego. Interfejs zawiera dwukierunkowe łącze szeregowe i działa na podczerwieni, w zakresie częstotliwości radiowych albo w oparciu o indukcję magnetyczną.

Korzystne jest gdy przetworniki akustyczne są przetwornikami ultradźwiękowymi.

Korzystne jest też gdy układ analogowy zawiera zespół polaryzacji do wytwarzania napięcia odniesienia i regulacji wzmocnienia, dla okresowego samoczynnego doregulowywania wzmocnienia wzmacniacza wstępnego, oraz układ kompensacji temperatury do kompensacji dryftu termicznego podczas pracy urządzenia, przy czym układ kompensacji temperatury zawiera przetwornik termiczny umieszczony w płynie do kompensacji błędów spowodowanych zmianami temperatury płynu albo w obudowie urządzenia do kompensacji błędów spowodowanych zmianami temperatury wewnątrz obudowy.

Rozwiązanie według wynalazku zapewnia znaczne zwiększenie dokładności pomiaru prędkości przepływu płynu, zwłaszcza gazu.

Przedmiot wynalazku przedstawiono w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat blokowy układu elektrycznego urządzenia do pomiaru prędkości przepływu i objętości gazu według wynalazku, fig. 2 - schemat blokowy układu analogowego z fig. 1, fig. 3 - schemat blokowy układu analogowego z fig. 1, fig. 4 - wykresy czasowe przebiegów sygnałów wytwarzanych przez układy z fig. 12 i 3, fig. 5 - widok czołowy obudowy urządzenia, fig. 6 - widok z tyłu obudowy urządzenia, fig. 7 - widok boczny obudowy urządzenia, fig. 8 - przekrój poprzeczny urządzenia wzdłuż linii VII.I-VIIi na fig. 5, fig. 9 - przekrój poprzeczny urządzenia wzdłuż linii IX-IX na fig. 5 i fig. 10A do 10D przedstawiają wykresy przebiegów związanych z procesem regulacji wzmocnienia.

Urządzenie 50 do pomiaru prędkości przepływu gazu jest pokazane ogólnie na fig. 5. Urządzenie 50 zasilane bateryjnie z akumulatora litowego 3.5 V umożliwia uzyskanie czasu pracy około 8 lat.

Urządzenie 50 mierzy bezpośrednio prędkość strumienia gazu poprzez określenie czasu przemieszczenia się w dwóch kierunkach wiązek ultradźwiękowych w przewodzie 52, przez którą przepływa gaz, pokazanej na fig. 6, o znanej średnicy i długości. Przetworniki ultradźwiękowe 5 i 6 są umieszczone wewnątrz odpowiednich obudów aerodynamicznych 53 i 54 (pokazane linią przerywaną na fig. 6) na każdym końcu przewodu 52 i mogą działać albo jako nadajniki ultradźwiękowe albo jako detektory. Przewód 52 posiada wewnętrzną średnicę

169 741 mm i może być zamocowany przy pomocy części z kołnierzami 55 i 56, które posiadają nagwintowane połączenie 57 i 58, do standardowego przewodu gazowego o średnicy 25 mm. W preferowanym wykonaniu przetworniki 5 i 6 są oddalone od siebie o odległości 175 mm.

Szybkość objętościowego przepływu gazu w warunkach przepływu może być łatwo obliczona na podstawie zmierzonej prędkości i wymiarów przewodu 52, jak to jest w ogólności znane w technice. Celem osiągnięcia wymaganej dokładności szereg ultradźwiękowych paczek impulsów lub wiązek jest wysłanych w sekwencji, przy czym początek każdej nowej wiązki jest wyzwalany przez przybycie jego poprzednika do końca przewodu pomiarowego zawierającego detektor. Przeciętny czas przemieszczenia się jest wtedy określony przez pomiar czasu trwania sekwencji jako całości i podzielenie przez liczbę przesłanych wiązek. Generacja, wysyłanie i detekcja pojedynczej wiązki ultradźwiękowej będzie z tego powodu określonajako wyzwalanie sztafetowe. Pojedyncze skanowanie przepływu gazu składa się z dwóch zespołów wstępnie określonej liczby pobudzeń sztafetowych, najpierw w jednym kierunku i następnie w drugim. Przedział pomiędzy skanowaniami jest wybrany tak, aby uzyskać wymaganą dokładność w okresie pomiędzy odczytami urządzenia pomiarowego. Dla domowych urządzeń pomiarowych odpowiedni przedział między skanowaniami wynosi typowo 16 sekund.

Urządzenie 50 jest wyposażone w elektroniczny układ, który generuje, detekuje i mierzy czas przesyłania wiązek ultradźwiękowych. W przykładzie wykonania układ elektroniczny jest zbudowany z dwóch układów scalonych o wielkiej skali integracji o określonym zastosowaniu: układu analogowego 2 i układu cyfrowego 1. Funkcje obu tych układów 1 i 2 mogą jednak być zawarte w pojedynczym układzie scalonym, co redukuje koszty jednostkowe układu elektronicznego.

Figura 1 przedstawia schemat blokowy układu elektronicznego. Układ cyfrowy 1 steruje przez przewody sterujące 10 układem analogowym 2, jak również dwoma przetwornikami ultradźwiękowymi 5 i 6, wyświetlaczem ciekłokrystalicznym 7 i interfejsem optycznym 3. Przetworniki 5, 6 są umieszczone w przewodzie 52 transportującym gaz, jak pokazano na fig. 6. Pamięć 4 typu EEPROM (pamięć stała elektronicznie kasowalna i programowalna) dostarcza informację dotyczącą kalibrowania dla przyrządu 50 a przełącznik kontaktronowy 8 jest przymocowany do części składanej 59 pokrywy 64 ponad wyświetlaczem 7 (fig. 5) tak, że może załączać wyświetlacz 7, gdy część składana 59 pokrywy 64 jest otwarta.

Część innych przewodów sterujących 9 pomiędzy układem cyfrowym 1 a układem analogowym 2 pozwala na przesyłanie impulsów elektrycznych z układu cyfrowego 1 do przetworników 5 i 6 i także pozwala na przejście odebranych sygnałów do układu analogowego 2. Przewód sterujący 11 przenosi wzmocniony sugnał z układu analogowego 2 do układu cyfrowego 1. Następny przewód sterujący 12 podaje sygnał sprzężenia zwrotnego, stosowany do sterowania wzmocnienia i pomiaru czasu, do układu cyfrowego 1. Napięcie odniesienia, wytworzone w układzie analogowym 2, jest przenoszone do układu cyfrowego 1 przez kolejny przewód sterujący 13. Interfejs optyczny 3 zawiera okienko 60 (pokazane linią przerywaną na fig. 5) pod częścią składaną 59 pokrywy 64 i korzystnie zawiera diodę PIN i diodę świecącą celem umożliwienia odbioru danych z, i przesyłania danych do, urządzeń zewnętrznych przez łącze szeregowe na podczerwień. Równoległe połączenie dalszych przewodów sterujących 14 łączy układ cyfrowy 1 z wyświetlaczem 7.

Jak pokazano na fig. 2 układ cyfrowy 1 zawiera jednostkę arytmetyczno-logiczną (ALU) 15, która komunikuje si<ę przez magistralę i danych 42 z pamięcią stałą (ROM) 1 <5, pamięcią o dostępie swobodnym (RAM) 17 i rejestrami peryferyjnymi 19. Pamięć stała 16 posiada korzystnie pojemność 4096 bajtów, podczas gdy pamięć o dostępie swobodnym 17 składa się z dwóch plików rejestrowych po 128 bajtów. Rejestry peryferyjne 19 pozwalają na komunikację jednostki arytmetyczno-logicznej 15 z układami logicznymi w układzie cyfrowym 1, jak również innymi układami przyłączonymi do układu cyfrowego 1.

Zespół zegara 18 podaje częstotliwość zegara 9,8304 MHz do szybkiego licznika 23, jak również taktowanie z częstotliwością 2,4576 MHz jednostki arytmetyczno-logicznej 15, i inne podwielokrotności dla celów łączności. Ponadto zespół zegara 18 daje sygnał o częstotliwości 32,786 kHz do zastosowania jako zegar czasu rzeczywistego. Szybki licznik 23 może być zatrzymany, kiedy jest to właściwe, przy czym jego zawartość jest następnie udostępniana dla

169 741 jednostki arytmetyczno-logicznej 15 przez rejestry peryferyjne 19. Zespół sterowania 22 dostarcza sygnały sterowania dla układu analogowego 2 celem kierowaniajego pracą podczas procesu skanowania.

Generator sygnałowy 21 wyprowadza sygnał ultradźwiękowy na jedną z dwóch par przewodów sygnałowych 10. Częstotliwość generatora sygnałów 21 jest nastawiana przez zewnętrzne składowe sterowania czasowego składające się z dwóch rezystorów i kondensatora (nie pokazano na rysunku). Generator sygnałowy 21 jest zaprojektowany tak, że szerokość pierwszego impulsu jest taka sama jak kolejnych impulsów. Działanie generatora sygnałowego 21 jest podobne do działania znanego zegara typu 555. Zespół komunikacji 20 posiada dwa kanały łączności, z których pierwszy jest łączem szeregowym z pamięcią 4 typu EEPROM, podczas gdy drugi jest łączem szeregowym o formacie RS232 do łączności z zewnętrznymi urządzeniami komunikacyjnymi realizowanej przez interfejs optyczny 3.

Jak pokazano na fig. 3, układ analogowy 2 posiada wzmacniacz wstępny 24, który odbiera odebrany sygnał z jednego z przetworników 5 lub 6 przez jedną z par przewodów sterujących 9 i podaje wzmocniony sygnał do wzmacniacza 25 o automatycznej regulacji wzmocnienia. Napięcie sterowania dla wzmacniacza 25 o automatycznej regulacji wzmocnienia jest uzyskiwane z zewnętrznego kondensatora 40. Wzmacniacz filtru 26 steruje precyzyjnym prostownikiem dwupołówkowym 27 i obwód RC 28 filtruje otrzymany sygnał i uwydatnia kształt narastającej części obwiedni odbieranego sygnału. Sygnał z wyjścia wzmacniacza filtru 26 jest także przenoszony przez przewód sterujący 11 do układu cyfrowego 1, gdzie jest zamieniany na serię impulsów cyfrowych. Sygnał obwiedni jest następnie przesyłany do komparatora 29, gdzie jest on porównywany w jednym z kilku napięć w zależności od konfiguracji przewodu sterowania 43 z zewnętrznego zespołu sterowania 30. Komparator 29 dostarcza sygnał sprzężenia zwrotnego, który jest przesyłany przez przewód sterowania 12 do układu cyfrowego 1.

Zespół polaryzacji 31 wykorzystuje układ diody Zenera w celu wytworzenia napięcia odniesienia VReT o wartości nominalnej 1,20 V na przewodzie sterującym 13, niezależnie od napięcia baterii. Wszystkie inne stałe napięcia odniesienia są uzyskane z tego napięcia a znajdują się wśród nich dodatnie napięcie odniesienia (VPR) o wartości 1,80 V i ujemne napięcie odniesienia (VNR) o napięciu 0,60 V podawane naprzewodzie odniesienia44. Dodatnie napięcie odniesienia VPR na łańcuchu zewnętrznych rezystorów 35, 36 37, 38 daje trzy napięcia odniesienia, które stanowią sygnał wejściowy do komparatora 29. Zespół sterowania 30 dekoduje informację sterowania podawaną przez układ cyfrowy 1 przez przewód sterowania 10 i wybiera napięcie odniesienia, które ma być porównane w komparatorze 29 z sygnałem obwiedni przesyłanym z filtru 28. Zespół polaryzacji 31 wytwarza także napięcia polaryzacji dla wszystkich bloków układu w układzie analogowym 2 pod wpływem sterowania sygnałów z zespołu sterowania 30 i zawiera układ zasilania, który działa tylko przy sterowaniu przez układ cyfrowy

1. Ponadto zzsppłpplaryzzcjj 31 wytwaarz napięcie kontroli akumulatora ( VBM) takżżbędącc napięciem wyjściowym na przewodzie odniesienia 44.

Przetwornik cyfrowo-knalngowy jest zawarty w układzie aaklngnwym 2 i jest stosowany do wytwarzania napięcia sterowania dla wzmacniacza 25 o automatycznej regulacji wzmocnienia. Przetwornik cyfrowo-analogowy jest stosowany także do przetwarzania analogowo-cyfrowego przy zastosowaniu metody podwójnego całkowania. Przetwarzania aaaingown-czfrowe są realizowane przez kombinacje składowych w układach zarówno caclogowyjh 2 jak i cyfrowych 1, jak to pokazano poniżej.

Układ cyfrowy 1, w którym stosowany jest licznik 23 i zespół sterowania 22, steruje przetwarzaniem jyfrowo-aaklognwym przez zespół sterowania 30 podający sygnał wyjściowy do przewodu sterowania 43. Obwód układu anclngnwego 2, który wykonuje przetwarzanie cyfrown-analngowe składa się ze wzmacniacza buforowego 33 posiadającego wejścia przełączane i wzmacniacza operacyjnego 34 połączonego jako integrator z rezystorem zewnętrznym 39, kon0ensaSasamzew netraęym 4U wcalu uslawieniachcraktyro'asyy oZo ęraSgrai ka 29. Wejście komparatora 29 jest dostępne jako sygnał cyfrowy na przewodzie sterowania 43. Przełączany wzmacniacz buforowy 33 jest sterowany z zespołu sterowania 22.

Przetwarzanie analogowo-cyfrowe jest zrealizowane z wykorzystaniem dwóch źródeł napięcia odniesienia, tj. zdzieiaiknwaaegn napięcia zasilania i napięcia wyjściowego kolejnego

169 741 wzmacniacza buforowego 32. Wejście tego wzmacniacza buforowego 32 jest połączone z termistorem (nie pokazanym na rysunku) umieszczonym w urządzeniu 50. Termistor jest umieszczony w jednej z aerodynamicznych obudów 53. 54 w celu pomiaru temperatury płynu.

Alternatywnie albo dodatkowo termistor może być umieszczony w obudowie 61 urządzenia 50 pozwalając na kontrolowanie jego wewnętrznej temperatury, która może wpływać na żywotność akumulatora 51, stanowiącego bateryjne źródło zasilania. Termistor jest na ogół ukształtowany jako linearyzowany rezystor zwykle w połączeniu z rezyśtorem równoległym. Przetwarzanie analogowo-cyfrowe może być wykonywane przy napięciach pomiędzy dodatnim napięciem odniesienia VPR i napięciem odniesienia VREF. Preferowane połączenie termistora jest takie, że napięcie odniesienia VREF odpowiada temperaturze +60° i dodatnie napięcie odniesienia VPR odpowiada temperaturze -20°. Prąd zasilający jest podawany do termistora z wyjściem układu cyfrowego 1. Prąd ten jest podawany tylko podczas wykonywania pomiaru temperatury.

Opis działania układu elektronicznego według figur 1, 2 i 3 zostanie przedstawiony poniżej, przy czym program sterujący dla tego działania zapisany jest w pamięci stałej 16.

Skanowanie składa się z następujących kroków:

1. Wybierany zostaje pierwszy kierunek przesyłania i wykonywana jest zmienna liczba pojedynczych pobudzeń sztafetowych w celu określenia poziomu odpowiedzi w przetworniku odbiorczym. Próby kontynuowane są w taki sposób, ze wzmocnienie wzmacniacza wstępnego 24jest regulowane aż do zmniejszenia się odbieranej odpowiedzi do określonych wstępnie granic odpowiadających napięciu pomiędzy napięciami obecnymi w węzłach połączeń rezystorów 35 i 36 i rezystorów 36 i 37. Można wykonać maksymalnie 9 takich prób.

2. Szybki licznik 23 jest uruchamiany jednocześnie z początkiem wstępnej sekwencji sztafetowych pobudzeń pomiarowych, która może zawierać dowolną liczbę pobudzeń, ale korzystną liczbą jest 64.

3. Na końcu serii pomiaru sztafetowych pobudzeń pomiarowych, wartość zliczenia w szybkim liczniku 23 jest przenoszona do rejestrów peryferyjnych 19 w układzie cyfrowym 1.

4. Wybierany zostaje drugi kierunek transmisji i powtarzana jest pozostała część kroku 1 i krok 2 i 3.

5. Oprogramowanie w układzie cyfrowym 1 oblicza szybkość przepływu dla okresu skanowania na podstawie wartości zliczeń szybkiego licznika zapisanych macierzy w rejestrach peryferyjnych 19.

Wykresy czasowe przebiegów sygnałów na fig. 4 przedstawiają zapoczątkowanie trzech pobudzeń sztafetowych. Pierwsze jest pobudzeniem o normalnej polaryzacji, z wyjściem na poziomie wysokim, przy czym pozostaje gotowość odwrócenia polaryzacji lub fazy dla drugiego pobudzenia. Drugie pobudzenie, pakiet o odwróconej polaryzacji, utrzymuje wyjście na niskim poziomie i wiązka końcowa fali posiada polaryzację normalną. W preferowanym wykonaniu jest wysyłana także jedna dodatkowa wiązka identyczna z ostatnią wiązką na wykresie i sekwencja trwa dalej, korzystnie 15 razy, dając 64 pobudzenia. Sygnały przedstawione na fig. 4 są określone następująco:

OE - Uaktywnienie Oscylatora. Sygnał ten uaktywnia sygnał oscylatora zadawania OSC.

OSC - Nadawanie Oscylatora. Sygnał ten jest przebiegiem prostokątnym o współczynniku wypełnienia 50% i częstotliwość 115 kHz, przy czym częstotliwości 40 kHz do 200 kHz są także właściwe.

OG - Bramka Oscylatora. Sygnał ten jest uaktywniany przez narastającą krawędź sygnału OE, i jest wyłączany przez licznik impulsów działających przy narastających krawędziach sygnału OSC. Licznik impulsów porównuje limit licznika (np. 3) zapisany w rejestrach peryferyjnych 19. Limit licznika jest ustawiony przez oprogramowanie.

OSG - Bramkowany Sygnał Nadawania Oscylatora. Jest to podstawowy sygnał wiązki przed modyfikacją przez układ odwracania polaryzacji i jest uzyskiwany przez operację AND sygnałów OSC i OG.

169 741

POL - Polaryzacja. Oprogramowanie może zapisać wartość tego sygnału do określonego z rejestrów peryferyjnych 19 celem oznaczenia, że odwrócenie polaryzacji nadawanej wiązki jest wymagane po bieżącym pobudzeniu sztafetowym. Następnie opadająca krawędź sygnału OG powoduje potwierdzenie sygnału POL. Jeżeli sygnał POL jest już potwierdzony, opadającą krawędź sygnału OG neguje go.

B - Wiązka Fal. Jest to sygnał podawany do przetwornika nadawczego. Jest on uzyskany z wykonania operacji XOR na sygnałach POL i OSG.

RB - Odebrana Wiązka Fal. Jest to sygnał uzyskany z odbierającego przetwornika i podawany do odbierającego wzmacniacza wstępnego 24. Przefiltrowana wersja tego sygnału (dostępna na przewodzie 22 z fig. 3) jest wysyłana do komparatora w układzie cyfrowym 1.

RCVP - Biegunowość Odbioru. Przejście ze stanu wysokiego do niskiego sygnału POL powoduje potwierdzenie sygnału RCVP. Jest on negowany przez następną opadającą krawędź sygnału POL. Zmiana biegunowości ma miejsce jedno pobudzenie po zmianie polaryzacji nadawania sygnału POL. Sygnał ten reprezentuje sterowanie biegunowości detektora przejścia przez zero 47, dostarczone do wejścia rejestrów peryferyjnych 19 na linii 11 celem sterowania zespołu sterowania 22 w układzie cyfrowym 11.

BRR - Odebrana Wiązka Fal po Wyprostowaniu. Jest to sygnał wyjściowy precyzyjnego prostownika 27.

ENV - Obwiednia. Sygnał ten jest otrzymany przez filtrowanie sygnału BRR i jest opóźniony względem sygnału BRR ze względu na stałe czasowe procesu filtrowania. Poziome linie kreskowane wskazują próg detekcji odpowiadający napięciu w węźle rezystorów 37 i 38. Obwiednia jest podawana do komparatora 29.

FB - Sprzężenie zwrotne. Gdy sygnał ENV przechodzi próg detekcji powoduje przejście sygnału FB z poziomu niskiego do wysokiego. Następne przejście sygnału odebranej wiązki fal RB o polaryzacji określonej przez sygnał RCVP inicjalizuje asynchronicznie pobudzenie w wyniku wyzwalania sygnału OE.

Generator sygnałowy 21 zawiera układ do wytwarzania sygnałów OE, OSC, OG, OSG, POL i B.

Sygnały pokazane na fig. 4 są podzielone pomiędzy sąsiednie wiązki. Dzieje się tak z powodu tego, że wiązka fal jest nadawana w odpowiedzi na odbiór bezpośrednio poprzedniej wiązki i ze względu na to, że czas potrzebny dla wiązki celem przebycia odległości pomiędzy dwoma przetwornikami 5 i 6 jest zasadniczo dłuższy niż czas potrzebny do wytworzenia wiązki. W przypadku typowego, naturalnego gazu ultradźwiękowe wiązki przemieszczają się z szybkością około 430 m/s (prędkość dźwięku w powietrzu jest około 340 m/s) a czas przemieszczenia się wynosi na ogół około 0.41 milisekund. Jednakże czas potrzebny do wyemitowania wiązki jest zasadniczo cztery razy dłuższy niż okres impulsu, który dla częstotliwości nadawania równej 105 kHz wynosi około 30 mikrosekund. Cytowany tutaj czas przemieszczenia się jest określony dla rozchodzenia się dźwięku w powietrzu stacjonarnym i ten czas przemieszczenia będzie się zmieniał w zależności od prędkości przepływu cieczy. Na przykład słona woda posiada prędkość dźwięku na ogół 1200 - 1600 m/s, którajest zależna od stopnia zasolenia wody i jej temperatury.

Strzałki na fig. 4 pomiędzy wykresem sygnału B i wykresem sygnału Rb pokazują, że odebrana wiązka jest zasadniczo zgodna z nadaniem następnej wiązki.

Kroki procesu opisane powyżej będą teraz przedstawione bardziej szczegółowo. Po pierwsze, wymagany jest krok nastawienia wzmocnienia aby układ detekcji wiązki ultradźwiękowej działał prawidłowo. Generator sygnałowy 21, który działa w zakresie częstotliwości 80 - 150 kHz, bardziej typowo przy częstotliwości 105 - 125 kHz, wytwarza wiązkę składającą się z jednego do dziesięciu impulsów, typowo trzech, która jest wzmacniana i podawana do przetwornika nadawczego. Postać tej wiązki fal jest pokazana na fig. 4 wykres sygnału B. Po pewnym czasie sygnał ten dociera do wyjścia przedwzmacniacza odbiorczego 24, a ze względu na ograniczoną odpowiedź częstotliwościową przetworników 5 i 6 staje się przebiegiem zasadniczo sinusoidalnym z gładką obwiednią pokazaną na fig. 4 jako wykres

169 741 sygnału RB. Ze względu na rezonanse w przstwnraiOcjh i efekty filtrowania w torze sygnału eieOtrocOustzjzasgn amplituda tej obwiedni wzrasta nagle i następnie wlecze się w przeciągu pewnej liczby cykli.

Amplituda sygnału wyjścia przeąwzmcjalcjzc detektora odbiorczego 24 zmienia się jako funkcja prędkości przepływu gazu, temperatury i 01srua0u transmisji względem przepływu gazu. Ponadto amplituda odbieranego sygnału może być zwiększona na drodze zmiany sposobu sterowania przetwornika nadawczego ze sterowania z jednego końca na sterowanie z dwóch końców. Dla sterowania z jednego końca sterowany jest przetwornik tylko z jednego końca, podczas gdy dla sterowania z dwóch końców jeden Onaisj sterownika jest sterowany sygnałem normalnym a drugi koniec jest sterowany dopełnieniem logicznym. Na ogół amplituda odbieranego sygnału może być przswidzicac dla dowolnego sUcaowcaic, zatem musi być wykonane wiele prób pojedynczych pobudzeń celem ustalenia wymaganego wzmocnienia odbiornika i sposobu sterowania acącjaiUc, aby uzyskać stałą amplitudę na wyjściu przsąwzmcjaicjza.

Proces ten jest sterowany przez oprogramowanie w układzie cyfrowym 1. Kondensator 40 jest ładowany przez rezystor 39 do określonej liczby cykli zegara 41 pomiędzy 0 a 255. Napięcie z kondensatora 40 jest podawane do wzmacniacza 25 sterowanego napięciowo.

Pojedyncza wiązka jest wysyłana przez urządzenie i przyrost odebranej wyprostowanej i przsfiitrowcaej obwiedni sygnału jest porównywany w komparatorze 29 z trzema aapicjiami odniesienia. Pierwsze, najniższe napięcie jest acpicjism odniesienia ETH otrzymywanym pomiędzy rezystorami 37 i 38, które są normalnie stosowane dla umożliwienia detekcji przejścia przez zero. Następne aapicjls odniesienia ELL jest najniższą dającą się zaakceptować amplitudą dla szczytu odebranego sygnału obwiedni uzyskanego na podstawie wartości w punkcie pomiędzy rezystorami 36 i 37 i ostatnie napięcie odniesienia EHL jest najwyższą dopuszczalną amplitudą sygnału obwiedni uzyskaną pomiędzy rezystorami 35 i 36.

Napięcie sterowania automatycznej regulacji yzmojaieaiajsst wytwarzane przez ładowanie kondensatora 40 dla normalnej liczby zegara pomiędzy 0 a 255. Prąd ładowania jest limitowany przez rezystor 39. Napięcie z kondensatora 40 jest podawane do sterowanego napięciowo wzmacniacza 25 automatzjzasj regulacji wzmocnienia i jest utrzymywane przez czas trwania odbieranego impulsu.

Sygnał w przewodzie sterowania 12 sprzęzenia zwrotnego, pokazany na wykresie sygnału FB na fig. 10 A - 10 D, dołączony do układu cyfrowego 1 początkowo ma logiczną wartość 0 i zmienia stan przy każdym przejściu przez acpicjis odniesienia. Odbierany sygnał na wyjściu filtru 28 (wykres sygnału ENV) posiada zcąowclcjcjz poziom, gdy sygnał w przewodzie sterowania 12 podlega przejściu 0-1-0 (fig. 10 C); logiczne zero o stałej wartości wskazuje, ze poziom sygnału odbieranego jest dużo niższy (fig. 10 A), podczas gdy sekwencja przejścia 0-1 wskazuje, że szczyt sygnału jest powyżej poziomu odniesienia pomiarów, ale jest jeszcze zbyt niski (fig. 10 B). Sekwencja przejścia 0-1-0-1 wskazuje, że obwiednia sygnału odbieranego przeszła przez wszystkie trzy poziomy odniesienia a zatem jest zbyt wysoka (fig. 10 D). Informacja ta jest podawana do oprogramowania przez dwa bity w rejestrach peryferyjnych 19 i oprogramowanie wykorzystuje algorytm przeszukiwania metodą ązisleaia do kolejnych prób celem wyeliminowania obszarów w zakresie 0 - 255 możliwych czasów ładowania kondensatora 40, dla uzyskania zbieżności z dostatecznym wzmocnieniem. Jeżeli końcowe wzmocnienie jest zasadniczo niższe niż 50% maksymalnego możliwego i jeżeli w tym samym jzasisjest stosowane sterowanie na dwóch końcach dla przetwornika aaącyjzegn, jest możliwe sterowanie najednym końcu z wzai0ająjc stąd oszczędnością energii. W tym przypadku oprogramowanie przechodzi przez całą procedurę nastawienia wzmocnienia jeszcze raz ze sterowaniem na jednym końcu. Przeciwnie, jeżeli odebrana amplituda nie może być zwiększona do zadawalającego poziomu przy sterowaniu na jednym końcu i przy czasie ładowania kondensatora wynoszącym 255 cykli zegara, procedura nastawiania wzmojaisalajest powtarzana ze sterowaniem na dwóch końcach. Gdy został ustalony zadawalający sposób sterowania i wzmocnienia, oprogramowanie zawarte w pamięci stałej 16 zapamiętuje te rezultaty dla następnych sekwencji pomiarów pobudzeń sztafetowych i daje punkt wyjścia dla następnego s0caowaala.

Powracając do fig. 4, sygnał wiązki B po lewej stronie rysunku zawiera cztery narastające impulsy. Odpowiednio do tego sygnał odbierany RB będzie zaczynał się impulsem narastającym

169 741 z czasem trwania pomiędzy pierwszym odcinkiem narastającym wykresu sygnału B a drugim odcinkiem narastającym wykresu sygnału RB będącym czasem przemieszczenia się sygnału ultradźwiękowego. Jak widać na fig. 4 sygnał obwiedni ENV zaczyna się narastaniem, przy czym narasta także obwiednia sygnału odbieranego RB. Zastosowanie przetworników 5 i 6 o wysokim wzmocnieniu i niskiej dobroci Q zapewnia, że obwiednia narasta nagle w taki sposób, że może mieć miejsce detekcja według poprzedniego opisu. Ze względu na to, detekcja progu przy narastaniu obwiedni daje się zasadniczo przewidzieć i następne przejście przez zero sygnału odbieranego RB jest wykorzystane do wyzwolenia następnej wiązki i ostatecznie do zatrzymania licznika 23 albo do powtórnego nadania. W związku z tym, jak widać z fig. 4, wartość zliczona przez licznik 23 odpowiada czasowi przemieszczenia się plus dwa i pół czasu oscylacji o częstotliwości nadawania mnożonej przez liczbę pobudzeń sztafetowych plus pewne opóźnienie spowodowane przez układ elektroniczny. Stała odpowiadająca dwu i pół oscylacji pomnożona przez liczbę pobudzeń plus pewne opóźnienie układu elektronicznego może być zapamiętana w pamięci 4. Ta stała daje się określić na podstawie czasu mierzonego w liczniku 23 podczas obliczenia czasu przemieszczenia się wiązki ultradźwiękowej.

Na ogół dla dowolnego pobudzenia opóźnienia układu elektronicznego nie jest znaczące. Opóźnienie to jest zwykle rzędu nanosekund, podczas gdy czas przemieszczenia się jest rzędu 0,5 milisekundy.

Głównym problemem przy dokładnym określeniu przebycia wiązki ultradźwiękowej jest uchwycenie punktu, który może być w sposób jednoznaczny zidentyfikowany niezależnie od względnego przesunięcia pomiędzy obwiednią wiązki i tworzącymi ją przebiegami sinusoidalnymi. Preferowany sposób, opisany powyżej zapewnia wybranie szczególnego punktu przejścia przez zero w początkowej części odebranego przebiegu falowego, odpowiadającego chwili, kiedy impuls jest sterowany a nie poddawany rezonansowi, i wykorzystanie tego punktu przejścia przez zero jako znacznika czasowego. Korzystne jest dokonywanie detekcji w części sterowanej przebiegu falowego, ponieważ częstotliwość i faza tej części są synchronizowane z przebiegiem fal wysłanych. Dalsza część przebiegu falowego jest wynikiem rezonansów i nie musi dokładnie odzwierciedlać częstotliwości początkowej wiązki ultradźwiękowej.

Celem zrealizowania tej detekcji odbierany sygnał jest prostowany (wykres sygnału BRR) w precyzyjnym prostowniku 27 i filtrowany w obwodzie RC 28 w celu odtworzenia kształtu obwiedni, jak pokazano na fig. 4 wykres sygnału ENV. Narastająca część filtrowanej obwiedni jest porównana w komparatorze 29 z napięciem odniesienia uzyskany w punkcie węzłowym pomiędzy rezystorami 37 i 38. Kiedy sygnał obwiedni ENV osiąga napięcie odniesienia, detektor przejścia przez zero 47 w układzie cyfrowym 1 jest uruchamiany na czas ograniczony (przynajmniej jeden cykl i nie więcej niż dwa cykle wybranej częstotliwości ultradźwiękowej) i następne przejście cyfrowej postaci pochodnej nie filtrowanego odebranego sygnału RB na przewodzie sterującym 11, odpowiadającej następnemu przejściu przez zero sygnału RB, jest przyjmowane jako punkt odniesienia czasowego w celu zarejestrowania przybycia wiązki ultradźwiękowej. Celem osiągnięcia wiarygodnych wyników napięcie odniesienia musi pozostawać w ustalonej proporcji do amplitudy szczytowej odebranej obwiedni otrzymywanej z obwodu RC 28, jak pokazano kreskowaną linią na fig. 4 - wykres sygnału ENV.

Powracając do początku sekwencji impulsów pobudzających, oprogramowanie zawarte w pamięci stałej 16 pobudza licznik 23, który zakończy swoje działanie po określonej liczbie pobudzeń i następnie rozpoczyna sekwencję pobudzeń poprzez zapis kodu do rejestrów peryferyjnych 19, w których przechodzi on do zespołu sterowania 22. Zapis tego kodu rozpoczęcia inicjuje także szybki licznik 23 pracujący przy częstotliwości 9,3804 MHz. Ostatecznie, oprogramowanie pamięci stałej 16 wykonuje instrukcję WAIT. Zespół sterujący 22 rozpoczyna sekwencję operacji, która jest w znacznym stopniu zautomatyzowana. W tym trybie pracy, detekcja szczególnego przejścia przez zero przebywającej wiązki ultradźwiękowej w przetworniku odbiorczym 5 lub 6, powoduje natychmiastowe powtórne nadanie. Wysłanie następnego sygnału RB na przewód sterujący 11, który posiada odpowiednią polaryzację, asynchronicznie wyzwala nadanie powtórne. Sygnał sprzężenia zwrotnego w przewodzie sterującym 12 wyprowadza jednostkę arytmetyczno-logiczną 15 z jej stanu WAIT. Przy pobudzeniu jednostki arytmetyczno-logicznej 15 oprogramowanie pamięci stałej 16 aktualizuje jej stan zliczenia

169 741 pobudzeń i sprawdza, czy została osiągnięta granica. Jeżeli przy zliczaniu pobudzeń uzyskano jedno zliczenie mniej niż określa granica, oprogramowanie anuluje kod inicjacji początkowo zapisany do zespołu sterowania 22, przerywając tym samym pętlę retransmisji i kończąc sekwencję po następnym pobudzeniu. Oprogramowanie zeruje następnie bit znacznika, który spowodował wyjście ze stanu oczekiwania, i wykonywana jest inna instrukcja WAIT. Ta działalność oprogramowania występuje także podczas czasu przemieszczenia sygnału akustycznego wzdłuz przewodu 52 niezależnie od automatycznego procesu detekcji i nadawania powtórnego.

W trzecim kroku, wartość 24 bitów w rejestrze szybkiego licznika 23 jest adcfeIewaoa przez oprogramowanie pamięci stałej 16 i umieszczana w pamięci o dostępie swobodnym 17 dla wykorzystania przy obliczaniach przepływu.

Ostatecznie, oprogramowanie wykonuje dwa dzielenia dzieląc stan szybkiego licznika 23, skorygowany o opóźnienie układu elektronicznego przez współczynnik kalibracji przyrządu 50, zaprogramowany wstępnie w tym przyrządzie po kalibracji. Jak opisano wcześniej większa część opóźnienia układu elektronicznego wynika z faktu, że przybycie czoła wiązki ultradźwiękowej nie może być detekowane. Dctekowane jest raczej przejście przez zero pewnej ustalonej liczby cykli (2 1/2) w wiązce. Ponadto istnieją opóźnienia fazy w przetwornikach 5, 6 i innych składowych elementach toru detekcyjnego. Liczba zliczeń licznika 23 odpowiadająca opóźnieniu układu elektronicznego jest ustalana dla konkretnej konfiguracji przyrządu 50 i jest zapamiętywana w pamięci 4 typu EEPROM. Różnica pomiędzy wynikami dzielenia, łącznie z czasem pomiędzy skanowaniem, jest stosowana do obliczenia przepływu dla okresu skanowania. Wartość przepływu jest następnie dodawana do zbiorczego rejestru przepływu gazu celem wyświetlenia i automatycznego odczytania.

Wartość zużycia gazu może być zapamiętana w jednym z dwóch rejestrów w zależności od pory . dnia, może być także stosowana w razie potrzeby taryfa pozaszczytowa.

Temperatura gazu jest mierzona za pomocą termistora przyłączonego do jednej z obudów aerodynamicznych 53 lub 54, i połączonego z jednym z wejść wzmacniacza operacyjnego 32 a oprogramowanie jest dostosowane do korekcji temperatury przepływu wyznaczonej dla okresu skanowania.

Ze względu na to, że korzystne wykonanie było pierwotnie przeznaczone dla zastosowania domowego z bateriami litowymi o dużej trwałości, krytyczne znaczenie posiada oszczędność energii elektrycznej i dlatego podjęto kilka działań w celu zmniejszenia zużycia energii.

Po pierwsze, sygnał zegarowy o częstotliwości 9,3804 MHz dla szybkiego licznika 23 czasu jest wytwarzany cyfrowo z sygnału generatora o częstotliwości 4,9152 MHz w zespole zegara 18. W ten sposób wymóg dużej mocy dla generatora dużej częstotliwości nie jest krytyczny. To rozwiązanie zapewnia oszczędność energii, ponieważ kryształ, który określa podstawową częstotliwość oscylacji zużywa większą część mocy w zespole zegara 18 i dzięki pracy zegara z połowiczną prędkością można uzyskać 75% oszczędności energii.

Po drugie, wyświetlacz ciekłokrestalicfoy 7 jest uruchamiany tylko wtedy, kiedy podniesiona jest część uchylna 59 pokrywy 64 i włączony jest przełącznik 8 kaotaktraoawy zaś oprogramowanie zapewnia, że pozostaje on wzbudzony tylko dla ograniczonego czasu w przypadku gdy część uchylna 59 jest otwarta.

Po trzecie, układ łączności zewnętrznej w zespole komunikacji 20 normalnie działa w trybie zapytywania przez czas 1 ms na 500 ms i jest wzbudzony w pełni tylko przy odbiorze poprawnych sygnałów wejściowych komunikacji.

Po czwarte zastosowanie przetworników 5 i 6 o niskiej dobroci, umożliwia niską moc sterowania do wytworzenia sygnału ultradźwiękowego.

Także technika zapamiętywania wartości wzmocnienia dla ostatniego skanowania zapewnia, że w większości przypadków metoda dzielenia na połowy dla określenia wymaganego wzmocnienia nie musi być stosowana i może być wykonane jedynie pojedyncze sprawdzające pobudzenie na początku skanowania celem potwierdzenia, że wzmocnienie jest prawidłowe.

Ostatecznie, jednostka arytmetyczno-logiczna 15 i towarzyszące jej podzespoły są w stanie oczekiwania o małym poborze mocy dla większej części czasu, a są pobudzane jedynie przez

169 741 przerwanie z zewnętrznego bloku komunikacyjnego lub przez przerwanie z zegara czasu rzeczywistego wymagające skanowania.

Przedstawiony na fig. 5 do 9 przyrząd 50 posiada obudowę 61, korzystnie z odlewanego cynku lub aluminium, przy czym mogą być stosowane także inne metale lub tworzywa sztuczne. Przewód 52 jest ukształtowany łącznie z obudową 61 pokazaną na fig. 8 i 9. Osłona 62 jest przymocowana do obudowy 61 przy pomocy kilku mocujących śrub 63 pokazanych na fig. 6. Uszczelka neoprenowa 71 jest umieszczona pomiędzy obudową 61 i osłoną 62. Pokrywa 64 pojemnika akumulatora 51 jest przymocowana do obudowy 61 przy pomocy śrub mocujących 65 pokazanych na fig. 5 i 9.

Układy elektroniczne z fig. 1, 2 i 3 są umieszczone na płytce drukowanej 66, pokazanej na fig. 9, przewody elektryczne 67 pokazane na fig. 8 prowadzą z akumulatora 51 do płytki drukowanej 66, a następne przewody elektryczne 68 z płytki drukowanej 66 do przetworników 5 i 6 umieszczonych w przewodzie 52.

Obudowa 61 posiada dużą liczbę żeberek 69 utworzonych jako jej integralna część, które pomagają przy rozpraszaniu ciepła z urządzenia 50. Ponieważ urządzenie 50 jest przeznaczone do stosowania w różnych klimatach na całym świecie i istnieje możliwość pogorszenia się działania ze względu na uszkodzenia cieplne baterii akumulatora 51, ważne jest zabezpieczenie obudowy 61 przed nadmiernym wzrostem temperatury.

Uzyskuje się to także przez pomalowanie obudowy 61 farbą w białym kolorze typu uniemożliwiającego malowanie graffiti. Zapewnia to, że konserwator urządzeń domowych nie może pomalować obudowy 61 na kolor według swojego wyboru i przez to wpłynąć na rozproszenie ciepła urządzenia 50.

Jak pokazano na fig. 5, 7 i 8, na obudowie 61 może być umieszczona pokrywa przeciwsłoneczna 70 w celu polepszenia odbicia bezpośredniego promieniowania słonecznego. Pokrywa 70 powinna być perforowana dla umożliwienia krążenia powietrza wokół żeberek 69 i może być pomalowana przez konserwatora urządzeń domowych dla polepszenia ogólnego wyglądu.

Jak przedstawiono na fig. 4 w korzystnym wykonaniu wykorzystuje się wiązkę fal akustycznych, które posiada polaryzację lub fazę odwróconą względem sąsiednich wiązek. Na fig. 4 pierwsza i trzecia wiązka zaczyna się narastającymi zboczami, podczas gdy druga wiązka zaczyna się zboczem opadającym. Alternatywnie pierwsza i trzecia wiązka może rozpoczynać się zboczem opadającym. Takie rozwiązanie ma na celu zasadniczo zmniejszenie propagacji ech akustycznych wyższego rzędu w przewodzie 52, które to echa wyższego rzędu powodują błędy detekcji odbioru wiązki fali akustycznej przez przetwornik odbierający. Jest najkorzystniej, gdy wiązka fal akustycznych o fazie przeciwnej jest wysyłana dla każdych trzech wiązek fal akustycznych o fazach zgodnych z fazami początkowymi. Błędy są spowodowane przez rozchodzenie się wielodrożne wiązki fali akustycznej, w którym fala akustyczna z przewodników 5 i 6 odbija się od ścianek przewodu 52. W wyniku tego echa wysokiego rzędu rozchodzą się z prędkościami zasadniczo mniejszymi niż echo podstawowe lub pierwotne, dla którego wymagana jest detekcja, jako że echo pierwotne i zmiana jego prędkości akustycznej są uwzględniane przy pomiarze prędkości przepływu płynu.

Preferowane wykonanie daje pomiar liniowy w zakresie prędkości przepływu płynu 0 do 7 m³/h przy nominalnej dokładności 0.1-015% dla przewodu o średnicy 12,5 mm i lepszy niż 2% dla 75% wartości zakresu przepływu.

W powyższym opisie przedstawiono tylko jedno wykonanie niniejszego wynalazku i modyfikacje, oczywiste dla specjalistów, mogą być wykonywane bez odchodzenia od zakresu przedstawionego wynalazku. Na przykład, optyczny interfejs 3 może być łatwo zastąpiony przez urządzenie działające przy wykorzystaniu częstotliwości radiowej albo indukcji magnetycznej. Dla wykorzystania w przemyśle lub dla zastosowań przesyłu nadzorowanego może być zastosowane zasilanie sieciowe w odróżnieniu od zasilania akumulatorowego, przy czym dla dużych linii energetycznych możliwe jest umieszczenie całego urządzenia 50 w tej linii.

Ponadto przetworniki 5,6 nie muszą być montowane w przewodzie 52. Na przykład, jeżeli przetworniki zostały zamontowane na zewnątrz kadłuba statku, urządzenia określałyby względną prędkość statku względem wody. Mogłoby to także dotyczyć prędkości prądu wodnego, gdy statek pozostaje fizycznie w spoczynku. Takie prędkości prądów dodają się do rzeczywistej

169 741 prędkości statku. Termistor może być zastosowany do pomiaru temperatury wody morskiej i odpowiednio do tego umożliwiać kompensację prędkości dźwięku w wodzie. Może ona zależeć także od zasolenia i może być zastosowane także oddzielne urządzenie pomiarowe zasolenia celem kompensowania prędkości dźwięku w wodzie.

Także detektor przejścia przez zero 47 układu cyfrowego 1 może posiadać przesunięcie składowej stałej na wejściu, minimalizowane przez zmianę polaryzacji sekwencji wysyłania, tak że jeżeli pierwsze nadanie sekwencji pobudzeń sztafetowych jest dodatnie, wtedy następna sekwencja pobudzeń posiada pierwsze nadanie ujemne.

FI&. F

169 741

10' /2-<ι

ZESPÓŁ STEROWANIA

FL

zespół' μ POLARYZACJI

AT

Pi

7Y—4

4-3 e:

_DO

TERMISTORA

FI0.3

169 741

&RR

Ρβ

FIG. 4

FIG. 5

F/θ. G

169 741

FIG. i

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz.

Cena 4,00 zł

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób ultradźwiękowego pomiaru prędkości przepływu płynu, w którym, w pierwszym etapie pomiaru, wysyła się wiązkę fali akustycznej o określonej częstotliwości z pierwszego przetwornika akustycznego do drugiego przetwornika akustycznego, oba umieszczone w płynie, oraz równocześnie uruchamia się licznik, następnie w drugim etapie pomiaru wykrywa się moment czasowy nadejścia wiązki fali akustycznej do drugiego przetwornika akustycznego, w trakcie którego wykrywa się wiązkę fali akustycznej odebranej przez drugi przetwornik akustyczny i formuje się z niej sygnał odbierany, a następnie poddaje się sygnał odbierany prostowaniu i filtrowaniu kształtując obwiednię sygnału odbieranego oraz wykrywa się moment czasowy, kiedy sygnał obwiedni przechodzi przez próg wykrywania, znamienny tym, że wykrywa się, po przejściu sygnału obwiedni przez próg wykrywania, przejście sygnału odbieranego przez wcześniej określony poziom oraz równocześnie zatrzymuje się licznik, przy czym ilość przejść przez wcześniej określony poziom reprezentuje liczbę cykli sygnału odbieranego dla wysłanej wiązki fali akustycznej o określonej częstotliwości od chwili nadejścia wiązki fali akustycznej, po czym koryguje się w trzecim etapie pomiaru, wartości czasu otrzymane z licznika o wcześniej określony okres odpowiadający uprzednio określonej liczbie cykli oraz wyznacza się w czwartym etapie pomiaru, prędkość przepływu płynu w oparciu o skorygowane wartości czasu, odległość między przetwornikami akustycznymi i znaną wartość prędkości propagacji fali akustycznej dla płynu w stanie stacjonarnym.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako wcześniej określony poziom przyjmuje się poziom przejścia przez zero sygnału odbieranego.
3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że próg wykrywania ustala się poniżej maksymalnej i minimalnej wartości szczytowej sygnału obwiedni.
4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wiązkę fali akustycznej wysyła się cyklicznie i wykrywa się przejście sygnału odbieranego przez wcześniej określony poziom w każdym cyklu.
5. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że przyjmuje się częstotliwość wiązki fali akustycznej w zakresie między 10 kHz a 250 kHz zaś liczbę cykli w zakresie między 1 1/2 a 5 1/2.
6. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że przy wysyłaniu stosuje się wiązkę fali akustycznej zawierającą od trzech do pięciu cykli, korzystnie 2 1/2.
7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wiązkę fali akustycznej wysyła się w sekwencji pierścieniowej, w której co trzy nadane z tą samą fazą wiązki fal akustycznych wysyła się jedną wiązkę fali akustycznej o fazie przeciwnej.
8. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że etapy pomiaru, pierwszy i drugi, powtarza się wiele razy, przy czym w ich trakcie zapamiętuje się wartości czasu otrzymane z licznika, a następnie dokonuje się korekcji, dzieląc zapamiętane wartości czasu przez liczbę wcześniej określonych okresów, wyznaczając średnią wartość czasu.
9. Sposób według zastrz. 8, znamienny tym, że w trakcie powtarzania pierwszego i drugiego etapów pomiaru wysyła się wiązkę fali akustycznej z drugiego przetwornika akustycznego do pierwszego przetwornika akustycznego.
10. Sposób według zastrz. 6 albo 9, znamienny tym, że wysyłanie wiązek fal akustycznych, z wyjątkiem pierwszej wiązki fali akustycznej, inicjuje się po przekroczeniu wcześniej określonego poziomu przez poprzednią wiązkę fali akustycznej.
11. Sposób według zastrz. 10, znamienny tym, że jedną lub więcej wiązek fal akustycznych, wybranych z wielu wiązek fal akustycznych, wysyła się fazą lub polaryzacją przeciwną w odniesieniu do sąsiednich wiązek fal akustycznych.

169 741
12. Sposób według zastrz. 11, znamienny tym, że wiązkę fali akustycznej o fazie przeciwnej wysyła się po wysłaniu trzech wiązek fal akustycznych o tej samej fazie.
13. Urządzenie do ultradźwiękowego pomiaru prędkości przepływu płynu zawierającego dwa przetworniki akustyczne umieszczone w płynie w ustalonej odległości względem siebie, generatory sygnałowe przyłączone do przetworników akustycznych do pobudzenia jednego z przetworników akustycznych dla przesłania jednej lub więcej wiązek fal akustycznych odbieranych przez drugi z przetworników akustycznych, zespół sterowania połączony z generatorami sygnałowymi do odwracania kierunku przesyłania wiązek fal akustycznych, licznik dołączony do zespołu sterowania do pomiaru czasu propagacji każdej z wiązek fal akustycznych, oraz dołączony do przetworników akustycznych układ analogowy wytwarzania sygnału wyzwalającego, do zatrzymania licznika i wykrywania narastającej obwiedni sygnału odbieranego przez drugi przetwornik akustyczny, znamienne tym, że układ analogowy (2) jest połączony z licznikiem (23) za pomocą dodatkowego przewodu sterowania (12) do wyprowadzania sygnału inicjacji zatrzymania licznika (23) w momencie następnego przekroczenia wcześniej określonego poziomu przez sygnał odbierany (RB), po uprzednim przekroczeniu progu wykrywania (ETH) przez sygnał obwiedni (ENV).
14. Urządzenie według zastrz. 13, znamienne tym, że do licznika (23) są dołączone układy przetwarzania danych (15, 19) do uśrednienia wartości czasu rzeczywistego, wyznaczania odległości między przetwornikami akustycznymi (5,6) oraz, przy znanej prędkości akustycznej dla płynu w stanie stacjonarnym, wyznaczania prędkości przepływu płynu.
15. Urządzenie według zastrz. 14, znamienne tym, że do układów przetwarzania danych (15,19) jest dołączona pamięć (4) do zapamiętywania wartości dotyczących wielkości przepływu płynu wyznaczanych przez układy przetwarzania danych (15,19) na podstawie fizycznych wymiarów przewodu (52), przez który przepływa płyn i w którym są umieszczone przetworniki akustyczne (5, 6).
16. Urządzenie według zastrz. 15, znamienne tym, że do układów przetwarzania danych (15, 19) jest dołączony interfejs (3) do przesyłania danych zapamiętanych w pamięci (4) do zewnętrznego urządzenia odczytowego.
17. Urządzenie według zastrz. 16, znamienne tym, że interfejs (3) zawiera dwukierunkowe łącze szeregowe.
18. Urządzenie według zastrz. 16 albo 17, znamienne tym, że interfejs (3) zawiera łącze działające na podczerwieni.
19. Urządzenie według zastrz. 16 albo 17, znamienne tym, że interfejs (3) zawiera łącze działające w zakresie częstotliwości radiowych.
20. Urządzenie według zastrz. 16 albo 17, znamienne tym, że interfejs (3) zawiera łącze działające w oparciu o indukcję megnetyczną.
21. Urządzenie według zastrz. 14, znamienne tym, że przetworniki akustyczne (5, 6) są przetwornikami ultradźwiękowymi.
22. Urządzenie według zastrz. 13, znamienne tym, że układ analogowy (2) zawiera zespół polaryzacji (31) do wytwarzania napięcia odniesienia i regulacji wzmocnienia, dla okresowego samoczynnego doregulowywania wzmocnienia wzmacniacza wstępnego.
23. Urządzenie według zastrz. 13, znamienne tym, że układ analogowy (2) zawiera układ kompensacji temperatury do kompensacji dryftu termicznego podczas pracy urządzenia (50).
24. Urządzenie według zastrz. 23, znamienne tym, że układ kompensacji temperatury zawiera przetwornik termiczny umieszczony w płynie do kompensacji błędów spowodowanych zmianami temperatury płynu.
25. Urządzenie według zastrz. 23, znamienne tym, że układ kompensacji temperatury zawiera przetwornik termiczny umieszczony w obudowie (61) urządzenia (50) do kompensacji błędów spowodowanych zmianami temperatury wewnątrz obudowy (61).

169 741