RU68148U1

RU68148U1 - Ультразвуковой расходомер

Info

Publication number: RU68148U1
Application number: RU2007122955/22U
Authority: RU
Inventors: Сергей Дмитриевич Ледовский; Сергей Викторович Удилов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Уралтехнология"
Priority date: 2007-06-18
Filing date: 2007-06-18
Publication date: 2007-11-10

Abstract

Область использования: относится к измерительной технике и может быть использован в измерительных устройствах для измерения расхода жидкости с помощью ультразвука. Сущность полезной модели: по сигналу с генератора зондирующих импульсов 1 пьезоэлектрические преобразователи 2, 3 поочередно излучают ультразвуковую волну по потоку жидкости и против него и преобразуют ее в электрический синусоидальный сигнал. Компаратор 6 преобразует его в последовательность прямоугольных импульсов с одинаковой амплитудой. Посредством схемы формирования уровня 7 величину исходного уровня опорного сигнала устанавливают ниже амплитуды первой полуволны синусоидального сигнала. Во время выполнения компаратором 6 электрического преобразования после первого сравнения нарастающего участка амплитуды первой полуволны с величиной исходного опорного сигнала компаратора 6 уровень опорного сигнала посредством схемы 7 изменяют на нулевой. При этом нулевой уровень опорного сигнала устанавливают равным напряжению на информационном входе компаратора 6 при отсутствии электрического синусоидального сигнала. Схема измерения времени 8 формирует из последовательности импульсов соответствующий цифровой код для измерения времени прохождения ультразвуковыми волнами обоих направлений. Достигаемый технический результат: повышение точности измерения расхода жидкости путем устранения погрешности, обусловленной нестабильностью амплитуды информационного сигнала, а именно, случайным характером увеличения амплитуды информационного сигнала. 1 н.п. ф-лы, 1 з.п. ф-лы, 3 илл.

Description

Полезная модель относятся к измерительной технике и может быть использована в измерительных устройствах для измерения расхода жидкости с помощью ультразвука.

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

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

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

Устройство обеспечивает уменьшение влияния шумовых сигналов на точность измерения расхода жидкости, путем управления входами компаратора устройством стробирования сигнала, а именно: закрытие входов пикового детектора и компаратора после прекращения действия стробирующего импульса, что снижает влияние нарастания шумовых помех на точность измерений. Однако вероятность ложного срабатывания компаратора от воздействия внешних помех остается достаточно высокой, что ведет к необходимости прецизионной установки величины опорного

напряжения на компараторе. Кроме того, устройство не учитывает возможную нестабильность амплитуды информационного сигнала, а именно увеличение амплитуды случайного характера, обусловленное шумовыми помехами, а так же обусловленное нестабильностью электрических параметров пьезоэлементов, как формирующего ультразвуковую волну в исследуемой жидкости, так и принимающего ее и преобразующего в электрический сигнал. Необходимость учета возможности увеличения амплитуды информационного сигнала на входе компаратора объясняется тем, что в процессе преобразования компаратором входного информационного синусоидального сигнала в последовательность однополярных прямоугольных импульсов в случае увеличения амплитуды входного сигнала происходит сдвиг фронтов выходного сигнала компаратора, т.е. возникает эффект «дрейф нуля», что приводит к ошибке в определении времени прохождения зондирующего сигнал. Поскольку время прохождения сигнала по потоку и против потока исследуемой среды очень мало и составляет от нескольких долей наносекунды до нескольких сот наносекунд, то ошибка, обусловленная увеличением амплитуды информационного сигнала будет ощутимой, что снижает точность измерений.

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

Предлагаемая полезная модель «Ультразвуковой расходомер», решает задачу создания соответствующего расходомера, осуществление которого позволяет достичь технического результата, заключающегося в

повышении точности измерения расхода жидкости путем устранения погрешности, обусловленной нестабильностью амплитуды информационного сигнала, а именно, случайным характером увеличения амплитуды информационного сигнала.

Сущность полезной модели заключается в том, в ультразвуковом расходомере, содержащем генератор зондирующих импульсов, приемно-усилительный тракт, компаратор, информационный вход которого подключен к выходу приемно-усилительного тракта, новым является то, что дополнительно введены управляемый коммутатор, схема формирования уровня, схема измерения времени, выход которой является выходом устройства, при этом первый и второй входы-выходы коммутатора подключены соответственно к выходам-входам первого и второго пьезоэлектрических преобразователей, первый вход коммутатора подключен к выходу генератора зондирующих импульсов, а второй вход является управляющим, выход коммутатора подключен к входу приемно-усилительного тракта, кроме того выход генератора зондирующих импульсов подключен к первому входу схемы измерения времени, второй вход которой и первый вход схемы формирования уровня подключены к выходу компаратора, а выход схемы формирования уровня подключен к входу установки опорного сигнала компаратора, при этом второй вход схемы формирования уровня является входом установки схемы в исходное состояние. Кроме того, схема формирования уровня выполнена в виде D-триггера, S- и D-входы которого через первый резистор подключены к источнику питания, С-вход является первым входом схемы, R-вход является входом установки в исходное состояние, а инверсный Q-выход соединен с делителем напряжения из соединенных последовательно второго и третьего резисторов, средняя точка которого является выходом схемы, при этом третий резистор соединен с землей, кроме того, делитель напряжения выполнен с постоянной времени не

более половины длительности первой положительной полуволны синусоидального сигнала на информационном входе компаратора.

Технический результат достигается следующим образом.

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

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

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

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

Схема формирования уровня устанавливает на входе установки опорного сигнала компаратора уровень порогового сигнала. Наличие в схеме входа установки в исходное состояние обеспечивает после включения напряжения питания установку схему формирования уровня в

состояние, при котором на ее выходе устанавливается напряжение, соответствующее исходному уровню порогового сигнала. Благодаря связи выхода компаратора с первым входом схемы формирования уровня, обеспечивается возможность фиксации схемой момента превышения опорного напряжения амплитудой информационного сигнала на первом входе компаратора и изменения значения исходного уровня опорного сигнала на нулевое. Осуществление указанных функций схемы формирования уровня обеспечивается благодаря реализации ее в виде D-триггера, S- и D-входы которого через первый резистор подключены к источнику питания, С-вход является первым входом схемы, R-вход является входом установки в исходное состояние, а инверсный Q-выход соединен с делителем напряжения из соединенных последовательно второго и третьего резисторов, средняя точка которого является выходом схемы, при этом третий резистор соединен с землей, кроме того, делитель напряжения выполнен с постоянной времени не более половины длительности первой положительной полуволны синусоидального сигнала на информационном входе компаратора.

Из выше изложенного следует, что благодаря введению схемы формирования уровня, а так же других элементов устройства и связей между ними, в заявленном устройстве обеспечивается возможность изменения уровня порогового напряжения компаратора во время преобразования сигнала. При этом, выполнение делителя напряжения с постоянной времени не более половины длительности первой положительной полуволны полезного синусоидального сигнала на информационном входе компаратора обеспечивает переключение триггера схемы в единичное состояние до момента перехода через нуль первой полуволны синусоидального сигнала. В результате обеспечивается возможность установки на компараторе нулевого уровня опорного

сигнала после первого сравнения нарастающего участка амплитуды первой полуволны синусоидального сигнала с величиной исходного опорного сигнала компаратора. В результате на выходе компаратора спад первого импульса и передние фронты и спады последующих прямоугольных импульсов, независимо от величины амплитуды информационного сигнала, формируются в моменты перехода положительной полуволны синусоидального информационного сигнала через нуль, что исключает дрейф нуля выходного сигнала компаратора. Отсюда следует, что, при нестабильности амплитуды синусоидального сигнала на входе компаратора, которая выражается в случайном характере увеличения амплитуды полезного сигнала, не теряется информация о длительности импульса, формируемого на выходе компаратора, поскольку формирование прямоугольной последовательности импульсов идет по нулевому уровню. В результате повышается достоверность цифрового кода, который, благодаря связи с выходом компаратора, формирует схема измерения времени в результате преобразования формируемой компаратором последовательности прямоугольных импульсов в цифровой код, соответствующий времени прохождения сигналом акустического тракта. В итоге повышается, по сравнению с прототипом, точность измерений расхода жидкости.

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

неточностью установки величины опорного сигнала, следовательно, повышает точность измерения расхода жидкости.

Таким образом, из выше изложенного следует, что предлагаемая полезная модель «Ультразвуковой расходомер» при осуществлении позволяет достичь технического результата, заключающегося в повышении точности измерения расхода жидкости путем устранения погрешности, обусловленной нестабильностью амплитуды информационного сигнала, а именно, а именно, случайным характером увеличения амплитуды информационного сигнала.

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

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

Схема формирования уровня 7 выполнена в виде D-триггера 9, S- и D-входы которого через первый резистор 10 подключены к источнику питания, С-вход является первым входом схемы, R-вход

является входом установки в исходное состояние, а инверсный Q-выход соединен с делителем напряжения из соединенных последовательно второго 11 и третьего 12 резисторов, средняя точка которого является выходом схемы, при этом третий резистор 12 соединен с землей. Кроме того, делитель напряжения 11, 12 выполнен с постоянной времени не более половины длительности первой положительной полуволны синусоидального сигнала на информационном входе компаратора.

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

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

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

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

Ультразвуковой расходомер работает следующим образом.

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

Формируемая последовательность импульсов поступает на второй вход схемы измерения времени 8 которая фиксирует время между отправкой и приемом зондирующего импульса, преобразуя формируемую

компаратором 6 последовательность прямоугольных импульсов в цифровой код, соответствующий времени прохождения сигналом акустического тракта.

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

Схема формирования уровня 7 работает следующим образом. После включения напряжения питания (фиг.4к, t₁) D-триггер схемы 7 устанавливается в исходное состояние, в соответствии с которым на его инверсном выходе Q формируется единичный уровень напряжения. С делителя напряжения 11, 12 на входе установки опорного сигнала компаратора 6 устанавливается исходный уровень опорного сигнала (фиг.4з, t₁-t₂).

В момент превышения уровня опорного сигнала входным сигналом на информационном входе компаратора 6 на его выходе формируется фронт первого прямоугольного импульса (фиг.4ж, t₁), который поступает на С-вход триггера 9 и переключает его в единичное состояние. При этом на инверсном выходе Q, а, следовательно, и на втором входе компаратора 6, устанавливается нулевой уровень. Резисторы 11, 12 делителя напряжения подобраны таким образом, чтобы постоянная времени установления нулевого значения напряжения в средней точке делителя была не более половины длительности первой положительной полуволны синусоидального сигнала на информационном входе компаратора 6.

Для получения на выходе компаратора прямоугольной последовательности импульсов, максимально соответствующей истинной форме полезного синусоидального сигнала на информационном входе компаратора, нулевой уровень опорного сигнала, так же подбором

сопротивлений 11, 12 делителя, устанавливают равным напряжению на информационном входе компаратора при отсутствии электрического синусоидального сигнала.

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

Claims

1. Ультразвуковой расходомер, содержащий генератор зондирующих импульсов, приемно-усилительный тракт, компаратор, информационный вход которого подключен к выходу приемно-усилительного тракта, отличающийся тем, что дополнительно введены управляемый коммутатор, схема формирования уровня, схема измерения времени, выход которой является выходом устройства, при этом первый и второй входы-выходы коммутатора подключены соответственно к выходам-входам первого и второго пьезоэлектрических преобразователей, первый вход коммутатора подключен к выходу генератора зондирующих импульсов, а второй вход является управляющим, выход коммутатора подключен к входу приемно-усилительного тракта, кроме того, выход генератора зондирующих импульсов подключен к первому входу схемы измерения времени, второй вход которой и первый вход схемы формирования уровня подключены к выходу компаратора, а выход схемы формирования уровня подключен к входу установки опорного сигнала компаратора, при этом второй вход схемы формирования уровня является входом установки схемы в исходное состояние.

2. Ультразвуковой расходомер по п.1, отличающийся тем, что схема формирования уровня выполнена в виде D-триггера, S- и D-входы которого через первый резистор подключены к источнику питания, С-вход является первым входом схемы, R-вход является входом установки в исходное состояние, а инверсный Q-выход соединен с делителем напряжения из соединенных последовательно второго и третьего резисторов, средняя точка которого является выходом схемы, при этом третий резистор соединен с землей, кроме того, делитель напряжения выполнен с постоянной времени не более половины длительности первой положительной полуволны синусоидального сигнала на информационном входе компаратора.