RU2600503C2

RU2600503C2 - Ultrasonic flow meter

Info

Publication number: RU2600503C2
Application number: RU2014150287/28A
Authority: RU
Inventors: Рустам Расимович Ахметзянов; Алексей Петрович Беспалов; Алексей Петрович Булгаков; Александр Адольфович Жильцов; Сергей Тимофеевич Мосин; Владимир Васильевич Самойлов; Дмитрий Юрьевич Свильпов; Рафик Абуталипович Тулендинов; Ольга Владимировна Чагина
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Татинтек"
Priority date: 2014-12-11
Filing date: 2014-12-11
Publication date: 2016-10-20
Also published as: RU2014150287A

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: invention relates to ultrasonic flow meters, which can be used for measurement of volumetric flow rate of liquids, gases, gas-liquid mixtures and liquids containing undissolved solid particles. Ultrasonic flow meter contains a measuring chamber arranged in the flow of fluid medium, N pairs of input and output sensors mounted on the measuring chamber, exciter, the first switching device connected to the sensors and the exciter and installed between the sensors and exciter for sensors connection to the exciter, the exciter excites in turn each input and output sensor, receiver connected to the first switching device, first switching device installed for connection of each sensor to the receiver, and the second switching device connected with the exciter and receiver. Switching devices are made in the form of switches of T- or L-shaped structure, matching impedance (Z1) is directly connected to the exciter output, matching impedance (Z2) is directly connected to the receiver input, (Z2) is approximately equal to (Z1), resistance of any switch (Rkl) is much less than (Z1, Z2), matching impedance values does not exceed the triple resistance of the sensors according to ratio: Rkl<<<Z1≈Z2<3|Zsensor|, first switching device is made in the form of 2N switches, the number of which is equal to number of sensors and each switch is connected in series with one sensor, all switches connected in series with sensors are included in one point, which is a point of connection of at least two switches of the second switching device, first of which is connected to the exciter output with matching impedance (Z1), and the second - to the receiver input with matching impedance (Z2). Matching impedance (Z1) is connected in series to the exciter output and the first switch of the second switching device.

EFFECT: measuring liquids volume.

3 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к ультразвуковым расходомерам, которые могут быть использованы для измерения объемного расхода жидкостей, газов, газожидкостных смесей и жидкостей, содержащих нерастворенные твердые частицы.The invention relates to ultrasonic flow meters, which can be used to measure the volumetric flow rate of liquids, gases, gas-liquid mixtures and liquids containing undissolved solid particles.

Известно устройство для прохождения сигналов ультразвуковой частоты через контролируемую среду в трубопроводе, содержащее источник сигналов ультразвуковой частоты как минимум N управляемых ключей, как минимум M первых ультразвуковых пьезоэлектрических преобразователей, установленных на трубопроводе с контролируемой средой и подсоединенных своими соответствующими выводами к соответствующим выводам одних из как минимум N соответствующих управляемых ключей, M вторых ультразвуковых пьезоэлектрических преобразователей, установленных на трубопроводе с контролируемой средой и подсоединенных своими соответствующими выводами к соответствующим вторым выводам других из как минимум N соответствующих управляемых ключей, усилитель, схему управления, подсоединенную своими соответствующими выходами к соответствующим управляющим входам как минимум N управляемых ключей, и к входу источника сигналов ультразвуковой частоты, причем устройство снабжено схемой развязки, подсоединенной своим входом к выходу источника сигналов ультразвуковой частоты и своим выходом к соответствующим первым выводам как минимум N управляемых ключей и к входу усилителя (заявка на изобретение РФ №2012107407, G01F 1/66, 2012 г.).A device is known for passing ultrasonic frequency signals through a controlled medium in a pipeline, containing a source of ultrasonic frequency signals of at least N controlled keys, at least M of the first ultrasonic piezoelectric transducers installed on a pipeline with a controlled medium and connected by their respective terminals to the corresponding terminals of one of at least N corresponding controlled keys, M second ultrasonic piezoelectric transducers installed on a pipeline with a controlled environment and connected by its respective terminals to the corresponding second terminals of other of at least N corresponding controlled keys, an amplifier, a control circuit connected by its respective outputs to the corresponding control inputs of at least N controlled keys, and to the input of the ultrasonic frequency signal source, moreover, the device is equipped with a decoupling circuit connected by its input to the output of the ultrasonic frequency signal source and its output to the corresponding uyuschim first terminals of at least N driven keys and to the amplifier input (application for invention RF №2012107407, G01F 1/66, 2012 YG).

Недостатком устройства является значительная погрешность измерения расхода. Этот недостаток вызван различием группового времени задержки (далее - ГВЗ) прохождения сигналов по и против потока контролируемой среды в трубопроводе при отсутствии движения контролируемой среды. Указанная погрешность обусловлена тем, что выход схемы развязки непосредственно соединен с входом усилителя. Зондирующий сигнал большой по отношению к принятому амплитуды воздействует на вход усилителя и, следовательно, вызывает его насыщение. В результате увеличивается нелинейность усилителя, что в свою очередь приводит к возникновению неидентичности ГВЗ акустических сигналов, направляемых по и против потока текучей среды, а значит, увеличивается погрешность измерения расхода. Кроме того, в устройстве не предусмотрены средства согласования выходного сопротивления схемы развязки с входным сопротивлением ультразвуковых пьезоэлектрических преобразователей. Рассогласование указанных сопротивлений между собой приводит к возникновению отличия ГВЗ сигналов, направленных по и против потока контролируемой среды, как минимум пропорционального разности сопротивлений пьезоэлектрических преобразователей. Кроме того, рассогласование выходного сопротивления схемы развязки и входного сопротивления пьезоэлектрических преобразователей приводит к снижению коэффициента передачи сигнала от схемы развязки до усилителя расходомера, а следовательно, к ухудшению соотношения сигнал/шум на выходе усилителя и увеличению как минимум случайной составляющей погрешности измерения расхода. Погрешность формирования ГВЗ сигналов по и против потока контролируемой среды (при неподвижной среде) приводит к увеличению систематической составляющей погрешности измерения расхода, которая для времяимпульсных расходомеров прямо пропорциональна разности ГВЗ сигналов, направленных по и против потока при неподвижной среде.The disadvantage of this device is a significant error in the measurement of flow. This disadvantage is caused by the difference in the group delay time (hereinafter referred to as the GWD) of the passage of signals along and against the flow of the controlled medium in the pipeline in the absence of movement of the controlled medium. The specified error is due to the fact that the output of the isolation circuit is directly connected to the input of the amplifier. The probe signal is large with respect to the received amplitude acts on the input of the amplifier and, therefore, causes its saturation. As a result, the non-linearity of the amplifier increases, which in turn leads to the non-identical state of the acoustic signal distribution of acoustic signals directed along and against the fluid flow, which means that the error in the flow measurement increases. In addition, the device does not provide means for matching the output impedance of the isolation circuit with the input impedance of ultrasonic piezoelectric transducers. The mismatch of the indicated resistances among themselves leads to the difference in the GVZ of the signals directed along and against the flow of the controlled medium, at least proportional to the difference in the resistances of the piezoelectric transducers. In addition, the mismatch of the output resistance of the isolation circuit and the input resistance of piezoelectric transducers leads to a decrease in the transmission coefficient of the signal from the isolation circuit to the flowmeter amplifier, and therefore, to a deterioration of the signal-to-noise ratio at the amplifier output and an increase in at least a random component of the flow measurement error. The error in the formation of the GVZ signals along and against the flow of the controlled medium (when the medium is stationary) leads to an increase in the systematic component of the error in the measurement of the flow rate, which for time-pulse flow meters is directly proportional to the difference in the GVZ signals directed along and against the flow when the medium is stationary.

Известна передающая и приемная схема для ультразвукового расходомера, содержащая по меньшей мере два ультразвуковых измерительных преобразователя (TR1, TR2), установленных для передачи и приема ультразвуковых сигналов в противоположных направлениях на измерительном участке, источник сигналов для управляемой генерации электрических сигналов для передачи на ультразвуковые измерительные преобразователи (TR1, TR2), средства детектирования для получения замеров времени передачи, необходимых для расчета расхода, который нужно измерить, усилитель, имеющий первый инвертирующий вход для соединения с одним ультразвуковым измерительным преобразователем (TR1, TR2), второй неинвертирующий вход для соединения с источником сигнала, выход для соединения со средствами детектирования, цепь обратной связи (Z2) между выходом и первым входом, а также переключающие средства (S1, S2) для поочередного функционального соединения одного из ультразвуковых измерительных преобразователей (TR1, TR2) с первым входом усилителя. В других вариантах схемы измерительный преобразователь (TR1, TR2) соединен последовательно с одним переключающим средством (S1, S2), эти соединенные последовательно измерительный преобразователь и переключающее средство (TR1, S1; TR2, S2) включены параллельно; либо измерительный преобразователь (TR1, TR2) функционально соединен с первым входом усилителя и включен между первым входом усилителя и источником опорного напряжения; либо измерительный преобразователь (TR1, TR2) функционально соединен с первым входом усилителя и включен между первым входом усилителя и источником опорного напряжения. Каждый измерительный преобразователь (TR1, TR2) соединен параллельно с одним переключающим средством (S1, S2), эти соединенные параллельно измерительный преобразователь и переключающее средство (TR1, S1; TR2, S2) включены последовательно. В схеме используется ультразвук с частотой 500 кГц - 2 МГц. В схеме используется измерительная труба с N измерительными преобразователями, где N> или = 2 (патент РФ №2200938, G01F 1/66, 2003 г).A known transmitting and receiving circuit for an ultrasonic flow meter containing at least two ultrasonic measuring transducers (TR1, TR2) installed for transmitting and receiving ultrasonic signals in opposite directions at the measuring section, a signal source for controlled generation of electrical signals for transmission to ultrasonic measuring transducers (TR1, TR2), the detection means for obtaining transmission time measurements necessary for calculating the flow rate to be measured will amplify having a first inverting input for connecting to one ultrasonic measuring transducer (TR1, TR2), a second non-inverting input for connecting to a signal source, an output for connecting with detection means, a feedback circuit (Z2) between the output and the first input, as well as switching means (S1, S2) for alternately functional connection of one of the ultrasonic measuring transducers (TR1, TR2) with the first input of the amplifier. In other embodiments of the circuit, the measuring transducer (TR1, TR2) is connected in series with one switching means (S1, S2), these series-connected measuring transducer and switching means (TR1, S1; TR2, S2) are connected in parallel; or a measuring transducer (TR1, TR2) is functionally connected to the first input of the amplifier and is connected between the first input of the amplifier and the reference voltage source; or a measuring transducer (TR1, TR2) is functionally connected to the first input of the amplifier and is connected between the first input of the amplifier and the reference voltage source. Each transducer (TR1, TR2) is connected in parallel with one switching means (S1, S2), these parallel connected measuring transducer and switching means (TR1, S1; TR2, S2) are connected in series. The circuit uses ultrasound with a frequency of 500 kHz - 2 MHz. The circuit uses a measuring tube with N measuring transducers, where N> or = 2 (RF patent No. 2200938, G01F 1/66, 2003).

Недостатком передающей и приемной схемы для ультразвукового расходомера является существенное отличие ГВЗ сигналов, направленных по и против потока контролируемой среды на измерительном участке. Указанное отличие ГВЗ обусловлено тем, что измерительные преобразователи так или иначе включены в цепь обратной связи усилителя (приемника). Комплексные сопротивления измерительных преобразователей неизбежно отличаются друг от друга. Поэтому амплитуда формируемых зондирующих сигналов, которая в зависимости от схемы включения TR1 и TR2 оказывается либо пропорциональной, либо обратно пропорциональной сопротивлению преобразователей, неизбежно будет различной для сигналов, направляемых по и против потока контролируемой среды. Различие амплитуд зондирующих сигналов в силу неидеальности (наличия нелинейности) усилителя приведет к возникновению разности времен задержки формируемых зондирующих сигналов, а значит, к увеличению смещения нуля расходомера и росту погрешности измерения расхода.The disadvantage of the transmitting and receiving circuits for an ultrasonic flow meter is the significant difference between the GVZ signals directed along and against the flow of the controlled medium in the measuring section. The indicated difference in the GVZ is due to the fact that the measuring transducers are somehow included in the feedback circuit of the amplifier (receiver). The complex resistances of the transducers inevitably differ from each other. Therefore, the amplitude of the generated probing signals, which, depending on the switching circuit TR1 and TR2, is either proportional to or inversely proportional to the resistance of the converters, will inevitably be different for signals directed along and against the flow of the controlled medium. The difference in the amplitudes of the probing signals due to the non-ideality (presence of non-linearity) of the amplifier will lead to a difference in the delay times of the generated probing signals, and therefore, to an increase in the zero offset of the flow meter and an increase in the error of flow measurement.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является ультразвуковой расходомер, содержащий измерительную камеру, установленную в потоке текучей среды, N пар входных и выходных датчиков, установленных на измерительной камере, возбудитель, первое коммутирующее устройство, соединенное с датчиками и возбудителем и установленное между датчиками и возбудителем с возможностью выборочного соединения датчиков с возбудителем, причем возбудитель поочередно возбуждает каждый входной и выходной датчик, приемник, соединенный с первым коммутирующим устройством, первое коммутирующее устройство, установленное с возможностью соединения каждого датчика с приемником, и второе коммутирующее устройство, соединенное с возбудителем и приемником. Измерительная камера выполнена в виде муфты. Коммутирующие устройства выполнены в виде мультиплексоров. В других вариантах второй выходной датчик связан со вторым входным датчиком, первый возбудитель установлен с возможностью выборочного соединения со вторым входным датчиком и со вторым выходным датчиком, первый возбудитель возбуждает второй входной датчик и второй выходной датчик; второй возбудитель связан со вторыми входным и выходным датчиками; второй мультиплексор соединен со вторыми входным и выходным датчиками (патент РФ №2449248, G01F 1/66, 2012 г.).Closest to the technical nature of the claimed is an ultrasonic flow meter containing a measuring chamber mounted in a fluid stream, N pairs of input and output sensors mounted on the measuring chamber, a pathogen, a first switching device connected to the sensors and the pathogen and installed between the sensors and the pathogen with the possibility of selective connection of sensors with the pathogen, and the pathogen alternately excites each input and output sensor, a receiver connected to the first a switching device, a first switching device mounted to connect each sensor to a receiver, and a second switching device connected to a pathogen and a receiver. The measuring chamber is made in the form of a coupling. Switching devices are made in the form of multiplexers. In other embodiments, the second output sensor is connected to the second input sensor, the first driver is selectively connected to the second input sensor and to the second output sensor, the first driver excites the second input sensor and the second output sensor; the second pathogen is associated with the second input and output sensors; the second multiplexer is connected to the second input and output sensors (RF patent No. 2449248, G01F 1/66, 2012).

Недостатком схемы является недостаточно высокая точность измерения за счет смещения нуля расходомера и значительного уровня шума. Указанное смещение нуля возникает из-за отсутствия средств выравнивания выходного сопротивления возбудителя и входного сопротивления приемника, которые поочередно, с помощью второго коммутирующего устройства подключаются к датчикам. Комплексные сопротивления датчиков не идентичны. Анализируя прохождение сигнала от выхода возбудителя до входа приемника средствами теории четырехполюсников, можно показать, что при неподвижной контролируемой среде минимум разности времен задержки сигналов по и против потока достигается в случае равенства выходного сопротивления возбудителя и входного сопротивления приемника. Разность времен задержки при неподвижной контролируемой среде определяет смещение нуля расходомера, а следовательно, и погрешность измерения расхода контролируемой среды. Таким образом, неравенство выходного сопротивления возбудителя и входного сопротивления приемника увеличивает погрешность измерения расхода контролируемой среды.The disadvantage of the circuit is the insufficiently high measurement accuracy due to a zero offset of the flow meter and a significant noise level. The indicated zero offset occurs due to the lack of means for aligning the output resistance of the pathogen and the input resistance of the receiver, which are connected alternately with the help of a second switching device to the sensors. The complex resistances of the sensors are not identical. By analyzing the signal passage from the pathogen output to the receiver input by means of the four-terminal theory, it can be shown that with a motionless stationary medium, the minimum difference in the delay times of the signals in and against the flow is achieved if the output resistance of the pathogen and the input resistance of the receiver are equal. The difference in the delay times for a stationary controlled environment determines the zero offset of the flow meter, and therefore the measurement error of the controlled medium flow. Thus, the inequality of the output resistance of the pathogen and the input resistance of the receiver increases the error in measuring the flow rate of the controlled medium.

Задачей, решаемой изобретением, является повышение точности измерения расхода, как за счет снижения систематической составляющей погрешности (за счет значительного уменьшения смещения нуля), так и за счет снижения случайной составляющей погрешности (т.е. за счет снижения уровня шума).The problem solved by the invention is to increase the accuracy of the flow measurement, both by reducing the systematic component of the error (by significantly reducing the zero offset), and by reducing the random component of the error (i.e. by reducing the noise level).

Поставленная задача решается в ультразвуковом расходомере, содержащем измерительную камеру, установленную в потоке текучей среды, N пар входных и выходных датчиков, установленных на измерительной камере, возбудитель, первое коммутирующее устройство, соединенное с датчиками и возбудителем и установленное между датчиками и возбудителем с возможностью выборочного соединения датчиков с возбудителем, причем возбудитель поочередно возбуждает каждый входной и выходной датчик, приемник, соединенный с первым коммутирующим устройством, первое коммутирующее устройство, установленное с возможностью соединения каждого датчика с приемником, и второе коммутирующее устройство, соединенное с возбудителем и приемником, коммутирующие устройства выполнены в виде ключей Т- или Г-образной структуры, непосредственно с выходом возбудителя соединено согласующее сопротивление (Z1), непосредственно к входу приемника подключено согласующее сопротивление (Z2), приблизительно равное (Z1), сопротивление любого ключа (Rкл) много меньше согласующих сопротивлений (Z1, Z2), причем согласующие сопротивления по величине не превышают утроенное сопротивление датчиков согласно соотношению

, первое коммутирующее устройство выполнено в виде 2N ключей, количество которых равно количеству датчиков и каждый ключ соединен последовательно с одним датчиком, все последовательно соединенные с датчиками ключи включены (соединены) в одну точку, которая является точкой соединения еще по меньшей мере двух ключей второго коммутирующего устройства, первый из которых подключен к выходу возбудителя с согласующим сопротивлением (Z1), соединенным последовательно с выходом возбудителя и первым ключом второго коммутирующего устройства, а второй - к входу приемника с согласующим сопротивлением (Z2).The problem is solved in an ultrasonic flow meter containing a measuring chamber mounted in a fluid stream, N pairs of input and output sensors mounted on the measuring chamber, a pathogen, a first switching device connected to the sensors and the pathogen and installed between the sensors and the pathogen with the possibility of selective connection sensors with a pathogen, and the pathogen alternately excites each input and output sensor, a receiver connected to the first switching device, the first e switching device installed with the possibility of connecting each sensor to the receiver, and the second switching device connected to the pathogen and the receiver, switching devices are made in the form of keys of a T- or T-shaped structure, a matching resistance (Z1) is connected directly to the output of the pathogen a matching resistance (Z2), approximately equal to (Z1), is connected to the input of the receiver, the resistance of any key (Rcl) is much less than the matching resistance (Z1, Z2), and the matching resistance eniya in size do not exceed three times the resistance of the sensor according to the relation

, the first switching device is made in the form of 2N keys, the number of which is equal to the number of sensors and each key is connected in series with one sensor, all keys connected in series with the sensors are connected (connected) to one point, which is the connection point of at least two other keys of the second switching devices, the first of which is connected to the pathogen output with matching resistance (Z1), connected in series with the pathogen output and the first key of the second switching device, and the second oh - to the input of the receiver with matching resistance (Z2).

Согласующее сопротивление (Z2) может быть соединено последовательно с входом приемника и вторым ключом второго коммутирующего устройства.The terminating resistance (Z2) can be connected in series with the input of the receiver and the second key of the second switching device.

Согласующее сопротивление (Z2) может быть соединено параллельно с входом приемника, который подключен ко второму ключу второго коммутирующего устройства.The terminating resistance (Z2) can be connected in parallel with the input of the receiver, which is connected to the second key of the second switching device.

Выполнение коммутирующих устройств в виде ключей Т- или Г-образной структуры увеличивает степень изоляции разомкнутых выводов ключа, что позволяет снизить уровень помех на выходе разомкнутого ключа, следовательно, уменьшает уровень шума на выходе приемника. Кроме того, каждый из датчиков расходомера является объемным резонатором, то есть способен запасать значительное количество акустической энергии. В результате после завершения зондирующего сигнала датчик продолжает формировать постепенно затухающий паразитный гармонический сигнал, скорость затухания которого определяется величиной добротности датчика. Указанный паразитный сигнал имеет спектр, практически совпадающий со спектром полезного сигнала в тракте расходомера, то есть находится в полосе пропускания фильтров приемника, поэтому его частотная селекция не представляется возможной. Увеличение затухания сигнала в разомкнутых ключах Г- или Т-образной структуры снижает уровень проникающего через разомкнутый ключ паразитного сигнала, тем самым снижается уровень помехи от паразитного сигнала на входе приемника, следовательно улучшается соотношение сигнал/помеха на выходе приемника. Наличие второго коммутирующего устройства, выполненного в виде ключей, соединенных последовательно с выходом возбудителя и с входом приемника, обеспечивает защиту приемника от воздействия зондирующего сигнала большой амплитуды, то есть повышает линейность приемника и способствует достижению идентичного ГВЗ сигналов, принятых по и против потока контролируемой среды. Таким образом, вклад приемника в смещение нуля расходомера окажется минимальным даже при приеме сигналов с небольшим относительно зондирующего сигнала временем задержки.The implementation of the switching devices in the form of keys of a T- or L-shaped structure increases the degree of isolation of the open terminals of the key, which reduces the noise level at the output of the open key, therefore, reduces the noise level at the output of the receiver. In addition, each of the sensors of the flowmeter is a volume resonator, that is, it is capable of storing a significant amount of acoustic energy. As a result, after the completion of the probing signal, the sensor continues to generate a gradually damped spurious harmonic signal, the decay rate of which is determined by the value of the quality factor of the sensor. The specified spurious signal has a spectrum that practically coincides with the spectrum of the useful signal in the flowmeter path, that is, it is in the passband of the receiver filters, so its frequency selection is not possible. Increasing the attenuation of the signal in the open keys of the T- or T-shaped structure reduces the level of the spurious signal penetrating through the open key, thereby reducing the level of interference from the spurious signal at the input of the receiver, therefore, the signal-to-noise ratio at the output of the receiver improves. The presence of a second switching device, made in the form of keys connected in series with the output of the pathogen and with the input of the receiver, protects the receiver from the effects of the probe signal of large amplitude, that is, increases the linearity of the receiver and helps to achieve an identical GWZ signals received on and against the flow of the controlled medium. Thus, the contribution of the receiver to the zero offset of the flowmeter will be minimal even when receiving signals with a small delay time relative to the probing signal.

Согласующее сопротивление (Z1) включено последовательно непосредственно с выходом возбудителя, который содержит усилитель напряжения с низким выходным сопротивлением. Согласующее сопротивление (Z2) включено параллельно входу приемника, если приемник имеет большое собственное входное сопротивление, согласующее сопротивление (Z2) включено последовательно с входом приемника, если приемник имеет низкое входное сопротивление. Величину выходного сопротивления возбудителя и входного сопротивления приемника следует при оценивании соотносить с величиной сопротивления датчика.The terminating resistance (Z1) is connected in series directly with the output of the exciter, which contains a voltage amplifier with a low output resistance. The terminating resistance (Z2) is connected parallel to the input of the receiver, if the receiver has a large input resistance of its own, the terminating resistance (Z2) is connected in series with the input of the receiver if the receiver has a low input resistance. The magnitude of the output resistance of the pathogen and the input resistance of the receiver should be compared with the value of the resistance of the sensor during evaluation.

Последовательное или параллельное соединение согласующего сопротивления (Z2) зависит соответственно от собственного сопротивления на входе приемника, как было доказано выше. Добавление согласующих сопротивлений Z1 и Z2 обеспечивает выравнивание выходного сопротивления возбудителя и входного сопротивления приемника. Равенство указанных сопротивлений является необходимым условием обеспечения равенства ГВЗ сигналов, направляемых по и против потока жидкости в измерительной камере, то есть минимизирует погрешность измерения, обусловленную смещением нуля расходомера. Кроме того, согласующие сопротивления (Z1, Z2) оказываются общими для сигналов, направляемых по и против потока контролируемой среды. Таким образом, неизбежно имеющееся отличие (Z1) от (Z2) оказывает ключей, включенных последовательно с датчиками. В результате неизбежно существующее различие сопротивлений ключей оказывает минимальное влияние на величину разности ГВЗ сигналов, направляемых по и против потока жидкости, то есть на смещение нуля расходомера.Serial or parallel connection of the terminating resistance (Z2) depends respectively on the intrinsic resistance at the input of the receiver, as was proved above. Adding matching resistances Z1 and Z2 ensures alignment of the output resistance of the exciter and the input resistance of the receiver. The equality of the indicated resistances is a necessary condition for ensuring the equality of the GVZ of the signals directed along and against the fluid flow in the measuring chamber, that is, it minimizes the measurement error due to the zero offset of the flow meter. In addition, terminating resistances (Z1, Z2) turn out to be common for signals directed along and against the flow of a controlled medium. Thus, the inevitably existing difference (Z1) from (Z2) renders the keys connected in series with the sensors. As a result, the existing difference in the key resistances inevitably has a minimal effect on the difference in the GVZ of the signals directed along and against the fluid flow, i.e., on the zero offset of the flow meter.

На рис. 1 представлена функциональная схема ультразвукового расходомера с одним акустическим каналом, в котором согласующее сопротивление Z1 включено последовательно с выходом возбудителя, а согласующее сопротивление Z2 подключено параллельно входу приемника;In fig. 1 is a functional diagram of an ultrasonic flowmeter with one acoustic channel, in which the matching resistance Z1 is connected in series with the exciter output, and the matching resistance Z2 is connected in parallel with the receiver input;

- на рис. 2 представлена функциональная схема ультразвукового расходомера с одним акустическим каналом, в которой согласующее сопротивление Z1 включено последовательно с выходом возбудителя и согласующее сопротивление Z2 включено последовательно с входом приемника;- in fig. 2 is a functional diagram of an ultrasonic flowmeter with one acoustic channel, in which the matching resistance Z1 is connected in series with the exciter output and the matching resistance Z2 is connected in series with the receiver input;

- на рис. 3 представлена одна из множества возможных функциональных схем ультразвукового расходомера с тремя акустическими каналами;- in fig. 3 shows one of the many possible functional diagrams of an ultrasonic flow meter with three acoustic channels;

- на рис. 4 приведен один из множества возможных вариантов реализации ключа с Т-образной структурой;- in fig. 4 shows one of the many possible options for implementing a key with a T-shaped structure;

- на рис. 5 приведен один из множества возможных вариантов реализации ключа с Г-образной структурой.- in fig. Figure 5 shows one of the many possible options for implementing a key with an L-shaped structure.

Ультразвуковой расходомер (рис. 1) содержит измерительную камеру 1, установленную в потоке текучей среды 2, возбудитель 3, приемник 4, первое согласующее сопротивление 5 (Z1), второе согласующее сопротивление 6 (Z2), второе коммутирующее устройство, состоящее из двух ключей 7 и 8, первое коммутирующее устройство, состоящее из N пар ключей 9 и 10, входные датчики 11 и выходные датчики 12, процессор 13. Согласующее сопротивление 5 (Z1) соединено последовательно с выходом возбудителя 3 и первым ключом 7 второго коммутирующего устройства (рис. 1, 2). Согласующее сопротивление 6 (Z2) может быть соединено последовательно с входом приемника 4 и вторым ключом 8 второго коммутирующего устройства (рис. 2). Согласующее сопротивление (Z2) может быть соединено параллельно с входом приемника 4, который подключен ко второму ключу 8 второго коммутирующего устройства (рис. 1).The ultrasonic flow meter (Fig. 1) contains a measuring chamber 1 installed in the fluid flow 2, pathogen 3, receiver 4, the first matching resistance 5 (Z1), the second matching resistance 6 (Z2), the second switching device, consisting of two keys 7 and 8, the first switching device, consisting of N key pairs 9 and 10, input sensors 11 and output sensors 12, processor 13. The matching resistance 5 (Z1) is connected in series with the output of the exciter 3 and the first key 7 of the second switching device (Fig. 1 , 2). The terminating resistance 6 (Z2) can be connected in series with the input of the receiver 4 and the second key 8 of the second switching device (Fig. 2). The terminating resistance (Z2) can be connected in parallel with the input of the receiver 4, which is connected to the second key 8 of the second switching device (Fig. 1).

Каждая пара, состоящая из входного и выходного датчика, образует один акустический канал. Возбудитель 3 может быть выполнен в виде синтезатора сигнала, управляемого командами процессора 13, с возможностью фильтрации и усиления формируемого сигнала. Возбудитель 3 может быть реализован в виде устройства, обеспечивающего фильтрацию и усиление сигналов в аналоговой форме, сформированных процессором 13. Приемник 4 может быть выполнен в виде усилителя напряжения с низким уровнем собственного шума, оборудованного средствами фильтрации (например, полосовой) принятого сигнала. Приемник 4 может быть оборудован средствами регулирования усиления под управлением процессора 13. Измерительная камера 1 может быть выполнена любым образом, например, в виде прямого цилиндра, на котором под углом к оси цилиндра установлены датчики 11 и 12. При этом в каждом акустическом канале расходомера пара датчиков 11 и 12 может быть расположена как напротив друг друга, обеспечивая приемопередачу акустического сигнала прямого прохождения, так и с возможностью приемопередачи отраженного, в том числе и неоднократно, акустического сигнала. Акустические каналы многоканального расходомера (то есть расходомера, содержащего более одной пары датчиков, N>1) могут быть расположены как в одной плоскости (сечении измерительной камеры), так и в нескольких, в том числе пересекающихся плоскостях (сечениях). Процессор 13 может быть выполнен в виде автономного процессора с необходимым периферийным оборудованием, микропроцессора, микроконтроллера, цифрового процессора обработки сигналов, программируемой логической микросхемы (ПЛИС), специализированной интегральной микросхемы или любого другого подобного устройства.Each pair, consisting of an input and an output sensor, forms one acoustic channel. The causative agent 3 can be made in the form of a signal synthesizer, controlled by the commands of the processor 13, with the possibility of filtering and amplification of the generated signal. The causative agent 3 can be implemented in the form of a device that provides filtering and amplification of signals in analog form generated by the processor 13. The receiver 4 can be made in the form of a voltage amplifier with a low level of intrinsic noise, equipped with filtering (for example, band-pass) of the received signal. The receiver 4 can be equipped with gain control means under the control of the processor 13. The measuring chamber 1 can be made in any way, for example, in the form of a straight cylinder on which sensors 11 and 12 are mounted at an angle to the axis of the cylinder. Moreover, in each acoustic channel of the steam flow meter sensors 11 and 12 can be located both opposite to each other, providing transceiver of the acoustic signal of direct passage, and with the possibility of transceiving the reflected, including repeatedly, acoustic signal. The acoustic channels of a multichannel flowmeter (i.e., a flowmeter containing more than one pair of sensors, N> 1) can be located both in one plane (section of the measuring chamber), and in several, including intersecting planes (sections). The processor 13 can be made in the form of a standalone processor with the necessary peripheral equipment, a microprocessor, a microcontroller, a digital signal processor, programmable logic chip (FPGA), a specialized integrated circuit or any other similar device.

На рис. 1 и 2 представлены расходомеры с одним акустическим каналом, содержащим один входной датчик 11 и один выходной датчик 12. На рис. 3 представлен расходомер с тремя акустическими каналами, первый акустический канал образован входным датчиком 11.1 и выходным датчиком 12.1, второй - датчиками 11.2 и 12.2, третий - датчиками 11.3 и 12.3 соответственно. При этом первое коммутирующее устройство 9 и 10 состоит из трех пар ключей 9.1, 9.2, 9.3 и 10.1, 10.2, 10.3 соответственно. На рис. 4 и рис. 5 приведены по одному из множества возможных вариантов реализации ключей с Т- и Г-образной структурой.In fig. Figures 1 and 2 show flowmeters with one acoustic channel containing one input sensor 11 and one output sensor 12. In Fig. 3 shows a flow meter with three acoustic channels, the first acoustic channel is formed by an input sensor 11.1 and an output sensor 12.1, the second by sensors 11.2 and 12.2, the third by sensors 11.3 and 12.3, respectively. Moreover, the first switching device 9 and 10 consists of three key pairs 9.1, 9.2, 9.3 and 10.1, 10.2, 10.3, respectively. In fig. 4 and fig. Figure 5 shows one of the many possible options for the implementation of keys with a T- and L-shaped structure.

Ультразвуковой расходомер работает следующим образом.Ultrasonic flowmeter operates as follows.

В каждом акустическом канале расходомер поочередно выполняет измерение времени задержки сигнала в направлении по потоку текучей среды (Т1), затем - против потока текучей среды (Т2). Кроме того, расходомер рассчитывает или измеряет разность времен задержки акустического сигнала (ΔT) с помощью процессора 13. Процедура измерения величин {Т1, Т2, ΔТ} повторяется с максимально возможным темпом, например, десятки раз в секунду. Полученные результаты измерения подвергаются в процессоре 13 постобработке, включающей в себя фильтрацию. По полученным отфильтрованным величинам {Т1, Т2, ΔТ} для каждого акустического канала и известным геометрическим размерам измерительной камеры расходомер рассчитывает величину объемного расхода текучей среды.In each acoustic channel, the flowmeter alternately measures the delay time of the signal in the direction of the fluid flow (T1), then against the fluid flow (T2). In addition, the flow meter calculates or measures the difference in the delay time of the acoustic signal (ΔT) using the processor 13. The measurement procedure {T1, T2, ΔT} is repeated at the highest possible rate, for example, tens of times per second. The obtained measurement results are subjected in the processor 13 post-processing, including filtering. Based on the obtained filtered values {T1, T2, ΔТ} for each acoustic channel and the known geometric dimensions of the measuring chamber, the flowmeter calculates the volumetric flow rate of the fluid.

Рассмотрим процедуру измерения времени задержки сигнала по потоку (Т1) в первом акустическом канале, образованном первым входным 11 и выходным 12 датчиками первого акустического канала. Процессор 13 формирует зондирующий сигнал. При этом сигналы управления ключами сформированы процессором 13 таким образом, что ключи 7 и 9 замкнуты, остальные ключи разомкнуты. Сформированный возбудителем 3 зондирующий сигнал через замкнутые ключи поступает на входной датчик 11. Входной датчик 11 преобразует электрический сигнал в акустический и направляет акустический сигнал в первом акустическом канале через текучую среду в сторону выходного датчика 12. По окончании формирования зондирующего сигнала процессор 13 формирует сигналы управления ключами таким образом, что ключи 7 и 9 размыкаются, а ключи 8 и 10 замыкаются. В силу того, что ключ 8 во время формирования зондирующего сигнала был разомкнут, приемник 4 не подвергается перегрузке. Явление увлечения акустических колебаний потоком среды приводит к тому, что скорость перемещения акустического сигнала оказывается равной сумме скорости звука в среде и проекции скорости потока на ось первого акустического канала. Достигнув выходного датчика 12, акустический сигнал преобразуется в электрическую форму. Через замкнутые ключи 10, 8 принятый электрический сигнал поступает на вход приемника 4. Пройдя приемник 4, усиленный и отфильтрованный принятый сигналпоступает на вход процессора 13, который осуществляет необходимую обработку сигнала и обеспечивает измерение времени задержки сигнала по потоку текучей среды (Т1). Затем процессор 13 формирует сигналы управления ключами так, что ключ 8 размыкается, ключ 7 замыкается, ключ 10 остается замкнутым. Остальные ключи разомкнуты. Процедура измерения времени задержки повторяется с той разницей, что электрический сигнал преобразуется в акустический и направляется в первый акустический канал выходным датчиком 12, в направлении против потока. Принятый входным датчиком 11 акустический сигнал преобразуется в электрический и поступает через ключи 9, 8 и приемник 4 на вход процессора 13. В результате обработки принятого сигнала процессором 13 будет получена величина времени задержки сигнала против потока текучей среды (Т2), а совместная обработка принятых по и против потока сигналов позволит получить величину ΔТ. Полученный набор мгновенных результатов измерения {Т1, Т2, ΔT} первого акустического канала подвергается обработке в процессоре 13, который вычисляет расход текучей среды.Consider the procedure for measuring the delay time of a signal by flow (T1) in the first acoustic channel formed by the first input 11 and output 12 sensors of the first acoustic channel. The processor 13 generates a sounding signal. In this case, the key control signals are generated by the processor 13 in such a way that the keys 7 and 9 are closed, the remaining keys are open. The probe signal generated by the pathogen 3 through closed keys is fed to the input sensor 11. The input sensor 11 converts the electrical signal into an acoustic signal and directs the acoustic signal in the first acoustic channel through the fluid to the side of the output sensor 12. At the end of the formation of the probe signal, the processor 13 generates key control signals so that the keys 7 and 9 open, and the keys 8 and 10 are closed. Due to the fact that the key 8 during the formation of the probe signal was open, the receiver 4 is not subjected to overload. The phenomenon of drag of acoustic vibrations by the flow of the medium leads to the fact that the speed of movement of the acoustic signal is equal to the sum of the speed of sound in the medium and the projection of the flow velocity on the axis of the first acoustic channel. Having reached the output sensor 12, the acoustic signal is converted into electrical form. Through the closed keys 10, 8, the received electrical signal is fed to the input of the receiver 4. Passing the receiver 4, the amplified and filtered received signal is fed to the input of the processor 13, which performs the necessary signal processing and provides measurement of the signal delay time by the fluid flow (T1). Then, the processor 13 generates key control signals so that the key 8 is opened, the key 7 is closed, the key 10 remains closed. The remaining keys are open. The procedure for measuring the delay time is repeated with the difference that the electrical signal is converted into an acoustic signal and sent to the first acoustic channel by the output sensor 12, in the opposite direction to the flow. The acoustic signal received by the input sensor 11 is converted into an electric signal and transmitted through the keys 9, 8 and the receiver 4 to the input of the processor 13. As a result of the processing of the received signal by the processor 13, the signal delay time against the fluid flow (T2) will be obtained, and the combined processing and against the signal flow will allow to obtain ΔТ. The resulting set of instantaneous measurement results {T1, T2, ΔT} of the first acoustic channel is processed in the processor 13, which calculates the flow rate of the fluid.

Для расходомеров с количеством акустических каналов более одного, например три акустических канала и N=3 (рис. 3), измерение происходит в каждом акустическом канале поочередно. После завершения измерения в последнем акустическом канале, процесс измерения повторяется циклически, начиная с первого канала. В результате можно получить массив, например, из трех мгновенных результатов измерения {Т1, Т2, ΔТ}₁, {Т1, Т2, ΔТ}₂, {Т1, Т2, ΔТ}₃. Все эти результаты измерений используются одновременно при расчете объемного расхода процессором 13. При расчете объемного расхода процессор 13 использует наряду с полученными массивами информацию о геометрических размерах как измерительной камеры 1 в целом, так и каждого акустического канала в частности. Завершив единичное измерение в первом акустическом канале, процессор 13 циклически повторяет процедуру измерения {Т1, Т2, ΔT}_i для оставшихся акустических каналов. Отличие процесса измерения от описанного заключается только в том, что при зондировании и приеме процессор формирует сигналы управления ключами 9.2÷10.N таким образом, что поочередно происходит замыкание ключей, соединенных с датчиками работающего в данный момент акустического канала расходомера. При этом во время измерения Т1 в каждом акустическом канале к возбудителю 3 во время формирования зондирующего сигнала подключается входной датчик соответствующего акустического канала, а прием осуществляется с выходного датчика того же акустического канала. Вовремя измерения Т2 к возбудителю 3 подключается выходной датчик соответствующего акустического канала, а к приемнику 4 - входной датчик этого же канала.For flowmeters with more than one acoustic channel, for example, three acoustic channels and N = 3 (Fig. 3), the measurement takes place in each acoustic channel in turn. After completion of the measurement in the last acoustic channel, the measurement process is repeated cyclically, starting from the first channel. As a result, an array can be obtained, for example, from three instantaneous measurement results {T1, T2, ΔT} ₁ , {T1, T2, ΔT} ₂ , {T1, T2, ΔT} ₃ . All these measurement results are used simultaneously when calculating the volumetric flow rate by the processor 13. When calculating the volumetric flow rate, the processor 13 uses, along with the arrays obtained, information on the geometric dimensions of both the measuring chamber 1 as a whole and each acoustic channel in particular. After completing a single measurement in the first acoustic channel, the processor 13 cyclically repeats the measurement procedure {T1, T2, ΔT} _i for the remaining acoustic channels. The difference between the measurement process and the described one lies only in the fact that during sensing and reception, the processor generates key control signals 9.2 ÷ 10.N in such a way that the keys connected to the sensors of the currently operating acoustic channel of the flowmeter are short-circuited. At the same time, during the measurement of T1 in each acoustic channel, the input sensor of the corresponding acoustic channel is connected to the pathogen 3 during the formation of the probing signal, and reception is carried out from the output sensor of the same acoustic channel. During the measurement of T2, the output sensor of the corresponding acoustic channel is connected to the pathogen 3, and the input sensor of the same channel is connected to the receiver 4.

Поставленная перед изобретением задача по снижению погрешности измерения расхода решается за счет того, что величины согласующих сопротивлений (Z1) и (Z2) выбирают таким образом, чтобы выходное сопротивление возбудителя с учетом подключенного к его выходу согласующего сопротивления (Z1)-(Rв+Z1) оказалось максимально близко к входному сопротивлению приемника (например,

) с учетом подключенного к входу приемника согласующего сопротивления (Z2). В частности, если использовать возбудитель с низким собственным выходным сопротивлением, а в качестве приемника - усилитель с высоким выходным сопротивлением, оптимальным окажется Z1=Z2. Анализ передачи сигнала от возбудителя к приемнику при условии неподвижности среды в измерительной камере расходомера, то есть в предположении об эквивалентной электрической схеме, в которой между датчиками включена линия задержки с задержкой Т1=Т2=Т, показывает следующее. Минимум разности времен задержки (Т1-Т2) будет достигнут в случае равенства выходного сопротивления возбудителя с учетом подключенного (Z1) входному сопротивлению приемника с учетом подключенного (Z2). Например,

. То есть смещение нуля расходомера в таком случае окажется минимальным. Кроме того, если выбрать

, коэффициент передачи сигнала от возбудителя к приемнику, в канале, образованном из возбудителя, ключей, датчиков, среды в измерительной камере и приемника окажется максимальным при условии соблюдения неравенства Rкл<<Rдатчика.The task of the invention to reduce the error in measuring the flow rate is solved due to the fact that the values of the matching resistances (Z1) and (Z2) are chosen so that the output resistance of the pathogen, taking into account the matching resistance (Z1) connected to its output - (Rv + Z1) turned out to be as close to the input impedance of the receiver (for example,

) taking into account the matching resistance connected to the input of the receiver (Z2). In particular, if an exciter with a low intrinsic output impedance is used, and an amplifier with a high output impedance is used as a receiver, Z1 = Z2 will be optimal. An analysis of the signal transmission from the pathogen to the receiver, provided the medium is stationary in the measuring chamber of the flowmeter, that is, on the assumption of an equivalent electrical circuit in which a delay line with a delay T1 = T2 = T is connected between the sensors, shows the following. The minimum delay time difference (T1-T2) will be achieved if the output resistance of the exciter is equal, taking into account the connected (Z1) input resistance of the receiver, taking into account the connected (Z2). For example,

. That is, the zero offset of the flow meter in this case will be minimal. In addition, if you choose

, the transmission coefficient of the signal from the pathogen to the receiver, in the channel formed from the pathogen, keys, sensors, the environment in the measuring chamber and the receiver, will be maximum if the inequality Rcl << R of the sensor is observed.

Реализация комплексных согласующих сопротивлений Z1 и Z2, содержащих реактивности, компенсирующие реактивную составляющую сопротивления датчиков, позволяет минимизировать бесполезное для передачи мощности падение напряжения на реактивности датчиков, следовательно, увеличить мощность передаваемого от выхода возбудителя на вход приемника сигнала. Таким образом, можно достичь заметного улучшения соотношения сигнал/шум. Использование сложных ключей с Г- или Т-образной структурой увеличивает затухание сигнала в разомкнутом ключе, следовательно, минимизирует вклад шума возбудителя и помех, возникающих из-за накопления энергии в датчиках (которые являются объемными резонаторами), в уровень шума на выходе приемника. То есть усложнение структуры ключей в составе расходомера приводит к уменьшению как случайной составляющей погрешности измерения, обусловленной шумом, так и систематической погрешности измерения расхода, обусловленной паразитными акустическими сигналами, которые формируются за счет запаса энергии в формировавшем зондирующий сигнал датчике. Выбор величины согласующего сопротивления в указанном динамическом диапазоне между сопротивлением ключа и несколькими сопротивлениями датчика позволяет оптимизировать линейность тракта, состоящего из возбудителя, ключей, согласующих сопротивлений, датчиков и приемника, сохраняя при этом приемлемый коэффициент передачи сигнала от возбудителя к приемнику, то есть хорошее соотношение сигнал/шум на выходе приемника. Линейность тракта обеспечивает необходимую для минимизации смещения нуля расходомера идентичность ГВЗ сигналов, направленных по и против потока жидкости, а хорошее соотношение сигнал/шум минимизирует случайную составляющую погрешности измерения расхода.The implementation of complex matching resistances Z1 and Z2 containing reactances that compensate for the reactive component of the resistance of the sensors allows minimizing the voltage drop on the reactivity of the sensors, which is useless for transmitting power, and therefore, increasing the power transmitted from the output of the exciter to the input of the signal receiver. Thus, a noticeable improvement in signal to noise ratio can be achieved. The use of complex keys with a T- or T-shaped structure increases the attenuation of the signal in an open key, therefore, it minimizes the contribution of the exciter noise and interference arising from the accumulation of energy in the sensors (which are volume resonators) to the noise level at the receiver output. That is, the complication of the structure of the keys in the flowmeter leads to a decrease in both the random component of the measurement error due to noise and the systematic error in the measurement of flow due to spurious acoustic signals, which are generated due to the energy reserve in the sensor that formed the probe signal. The choice of the value of the matching resistance in the specified dynamic range between the resistance of the key and several resistance of the sensor allows you to optimize the linearity of the path, consisting of a pathogen, keys, matching resistances, sensors and receiver, while maintaining an acceptable coefficient of signal transmission from the pathogen to the receiver, i.e. a good signal ratio / noise at the output of the receiver. The linearity of the path provides the identity of the GWZ of the signals directed to and against the fluid flow, which is necessary to minimize the zero offset of the flowmeter, and a good signal-to-noise ratio minimizes the random component of the error in the flow measurement.

Claims

1. An ultrasonic flow meter comprising a measuring chamber mounted in a fluid stream, N pairs of input and output sensors mounted on a measuring chamber, an exciter, a first switching device connected to the sensors and the exciter and installed between the sensors and the exciter with the possibility of selective connection of sensors with pathogen, and the pathogen in turn excites each input and output sensor, a receiver connected to the first switching device, the first switching device, tuned with the ability to connect each sensor to the receiver, and a second switching device connected to the pathogen and the receiver, characterized in that the switching devices are made in the form of keys of a T or T-shaped structure, a matching resistance (Z1) is connected directly to the output of the pathogen matching resistor (Z2), approximately equal to (Z1), is included in the receiver input, the resistance of any key (Rcl) is much less than the matching resistances (Z1, Z2), and the matching resistances They do not exceed the triple resistance of the sensors according to the ratio

2. The ultrasonic flow meter according to claim 1, characterized in that the matching resistance (Z2) is connected in series with the input of the receiver and the second key of the second switching device.

3. The ultrasonic flow meter according to claim 1, characterized in that the matching resistance (Z2) is connected in parallel with the input of the receiver, which is connected to the second key of the second switching device.