RU88460U1

RU88460U1 - ULTRASONIC FLOW METER (OPTIONS)

Info

Publication number: RU88460U1
Application number: RU2009120781/22U
Authority: RU
Inventors: Сергей Дмитриевич Ледовский; Сергей Викторович Удилов; Александр Александрович Слободчиков
Original assignee: Общество С Ограниченной Ответственностью "Научно-Производственное Предприятие "Уралтехнология"
Priority date: 2009-06-01
Filing date: 2009-06-01
Publication date: 2009-11-10

Abstract

1. Ультразвуковой расходомер содержит генератор зондирующих импульсов, первый и второй пьезоэлектрические преобразователи, приемно-усилительный тракт, инвертор, компаратор, управляемый коммутатор, схему формирования уровня, схему измерения времени, выход которой является выходом устройства, при этом пьезоэлектрические преобразователи идентично подключены к первому и второму входам-выходам управляемого коммутатора, первый вход которого подключен к выходу генератора зондирующих импульсов, а второй вход является управляющим, выход коммутатора подключен к входу приемно-усилительного тракта, выход которого через инвертор подключен к информационному входу компаратора, 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 содержит генератор зондирующих импульсов, первый и второй пьезоэлектрические преобразователи, приемно-усилительный тракт, компаратор, управляемый коммутатор, схему формирования уровня, схему измерения времени, выход которой является выходом устройства, при этом один из пьезоэлектрических преобразователей подключен к соответствующим входам-выходам управляемого коммутатора электродом противоположной полярности, по отношению к другому преобразователю, первый вход управляемого коммутатора подключен к выходу генератора 1. The ultrasonic flow meter comprises a probe pulse generator, first and second piezoelectric transducers, a receiving-amplifying path, an inverter, a comparator, a controlled switch, a level generating circuit, a time measurement circuit, the output of which is the output of the device, while the piezoelectric transducers are identically connected to the first and the second inputs and outputs of the managed switch, the first input of which is connected to the output of the probe pulse generator, and the second input is the control, the output to the mutator is connected to the input of the receiving-amplifying path, the output of which through the inverter is connected to the information input of the comparator, in addition, the output of the probe pulse generator is connected to the first input of the time measurement circuit, the second input of which and the first input of the level formation circuit are connected to the output of the comparator, and the output the level forming circuit is connected to the input of the setting of the reference signal of the comparator, while the second input of the level forming circuit is the input of setting the circuit to its initial state. ! 2. The ultrasonic flow meter contains a probe pulse generator, first and second piezoelectric transducers, a receiving-amplifying path, a comparator, a controlled switch, a level formation circuit, a time measurement circuit, the output of which is the output of the device, while one of the piezoelectric transducers is connected to the corresponding inputs the outputs of the managed switch with an electrode of opposite polarity, relative to the other Converter, the first input of the managed switch is connected to the output ode generator

Description

Полезные модели относятся к измерительной технике и могут быть использованы в измерительных устройствах для измерения расхода жидкости с помощью ультразвука.Utility models relate to measuring technique and can be used in measuring devices for measuring fluid flow using ultrasound.

Известен 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).A known ultrasonic flow meter containing a signal receiving and generating unit including a probe pulse generator, a receiving-amplifying path, a peak detector, a signal gating device and a comparator, the output of which is the output of the device (RF patent No. 2106602, G06F 1/66, 03/10/1998) .

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 случайного характера, обусловленную нестабильностью электрических параметров элементов электрической схемы расходомера и пьезоэлементов, как формирующего ультразвуковую волну в исследуемой жидкости, так и принимающего ее и преобразующего в электрический сигнал.The device provides a reduction in the influence of noise signals on the accuracy of measuring fluid flow by controlling the inputs of the comparator with a signal gating device, namely, closing the inputs of the peak detector and the comparator after the termination of the strobe pulse, which reduces the effect of increasing noise interference on the measurement accuracy. However, the likelihood of a false triggering of the comparator due to external interference remains high enough, which leads to the need for a precision setting of the voltage reference on the comparator. In addition, the device does not take into account the possible instability of the amplitude of the information signal of a random nature, due to the instability of the electrical parameters of the elements of the electric circuit of the flowmeter and piezoelectric elements, both generating an ultrasonic wave in the liquid under study and receiving it and converting it into an electric signal.

Необходимость учета возможности увеличения амплитуды информационного сигнала на входе компаратора объясняется тем, что в процессе преобразования компаратором входного информационного синусоидального сигнала в последовательность однополярных прямоугольных импульсов в случае увеличения амплитуды входного сигнала происходит сдвиг фронтов выходного сигнала компаратора, т.е. возникает эффект «дрейф нуля», что приводит к ошибке в определении времени прохождения зондирующего сигнала. Поскольку время прохождения сигнала по потоку и против потока исследуемой среды очень мало и составляет от нескольких долей наносекунды до нескольких сот наносекунд, то ошибка, обусловленная увеличением амплитуды информационного сигнала, будет ощутимой, что снижает точность измерений.The need to take into account the possibility of increasing the amplitude of the information signal at the input of the comparator is explained by the fact that when the comparator converts the input information sinusoidal signal into a sequence of unipolar rectangular pulses, in the case of an increase in the amplitude of the input signal, the fronts of the output signal of the comparator shift, i.e. the “zero drift” effect occurs, which leads to an error in determining the transit time of the probe signal. Since the transit time of the signal along the flow and against the flow of the medium under study is very short and ranges from several fractions of a nanosecond to several hundred nanoseconds, the error due to an increase in the amplitude of the information signal will be noticeable, which reduces the measurement accuracy.

Наиболее близким к предлагаемому является ультразвуковой расходомер, содержащий генератор зондирующих импульсов, приемно-усилительный тракт, компаратор, информационный вход которого подключен к выходу приемно-усилительного тракта, управляемый коммутатор, схему формирования уровня, схему 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 (патент на полезную модель РФ, №68148, G06F 1/00, 10.11.2007).Closest to the proposed is an ultrasonic flow meter containing a probe pulse generator, a receiving-amplifying path, a comparator, the information input of which is connected to the output of the receiving-amplifying path, a controlled switch, a level formation circuit, a time measurement circuit, the output of which is the output of the device, while the first and second inputs and outputs of the switch are connected respectively to the outputs and inputs of the first and second piezoelectric transducers, the first input of the switch is connected to the output of the probe pulse generator, and the second input is the control one, the output of the switch is connected to the input of the receiver-amplifier path, in addition, the output of the probe pulse generator is connected to the first input of the time measurement circuit, the second input of which and the first input of the level formation circuit are connected to the output of the comparator, and the output of the level formation circuit is connected to the input of the installation of the reference signal of the comparator, while the second input of the level formation circuit is the input of the installation of the circuit to its initial state (patent for Utility Model of the Russian Federation, No. 68148, G06F 1/00, 10/10/2007).

Наиболее близкий к предлагаемому ультразвуковой расходомер, по сравнению с вышеописанным аналогом, обеспечивает повышение точности измерения расхода жидкости путем устранения погрешности, обусловленной нестабильностью амплитуды информационного сигнала.Closest to the proposed ultrasonic flow meter, in comparison with the analogue described above, it improves the accuracy of measuring fluid flow by eliminating the error caused by the instability of the amplitude of the information signal.

Однако, оба аналога имеют общий недостаток, а именно: они не позволяют при измерении расхода жидких сред учесть ошибку, вносимую «эффектом Допплера».However, both analogues have a common drawback, namely: they do not allow the error introduced by the "Doppler effect" to be taken into account when measuring the flow rate of liquid media.

Это объясняется следующим. Как видно из описания работы устройств, в известных устройствах пьезоэлектрические преобразователи преобразуют ультразвуковой сигнал в электрический, у которого отрицательная полуволна всегда первая. Кроме того, в обоих аналогах заявленного устройства компаратор начинает работу с высоким уровнем напряжения, т.е. анализ сигнала на информационном входе компаратора начинается с первой положительной полуволны выходного сигнала пьезоэлектрического преобразователя.This is explained by the following. As can be seen from the description of the operation of the devices, in known devices, piezoelectric transducers convert an ultrasonic signal into an electric signal, in which the negative half-wave is always the first. In addition, in both analogues of the claimed device, the comparator starts operation with a high voltage level, i.e. analysis of the signal at the information input of the comparator begins with the first positive half-wave of the output signal of the piezoelectric transducer.

Кроме того, в ближайшем к предлагаемому устройству ультразвуковом расходомере, компаратор после первого сравнения электрического сигнала на его информационном входе с заданным высоким уровнем напряжения переходит на сравнение входного информационного сигнала с нулевым уровнем напряжения. В результате, отрицательные полуволны информационного электрического сигнала, в том числе и первая отрицательная полуволна, отсекаются.In addition, in the ultrasonic flowmeter closest to the proposed device, the comparator after the first comparison of the electric signal at its information input with a given high voltage level switches to comparing the input information signal with a zero voltage level. As a result, the negative half-waves of the information electric signal, including the first negative half-wave, are cut off.

Таким образом, оба аналога при определении расхода жидкой среды анализируют только положительные полуволны электрических сигналов.Thus, both analogues, when determining the flow rate of a liquid medium, analyze only positive half-waves of electrical signals.

«Эффект Допплера» заключается в изменении длины волны λ (или частоты колебаний), воспринимаемой наблюдателем, при движении источника волн и наблюдателя относительно друг друга. При приближении источника к наблюдателю λ уменьшается (а частота колебаний увеличивается), а при удалении λ растет(а частота колебаний уменьшается) на величину λ-λ₀=λ₀×V/ν, где λ₀ - длина волны источника, ν - скорость распространения волны, V - относительная скорость движения источника. Эффект Допплера позволяет измерять скорость движения источника излучения. («Новая иллюстрированная энциклопедия» Да-Жа, М.: ООО «ТД «Издательство Мир книги», 2006, с.165). Таким образом, поскольку жидкость, расход которой определяют, движется, то при измерении ее расхода всегда присутствует «эффект Допплера». В результате, в соответствии с «эффектом Допплера», формируемый пьезоэлектрическим преобразователем сигнал содержит информацию о расходе жидкой среды с учетом скорости ее движения.The “Doppler effect" consists in changing the wavelength λ (or the oscillation frequency) perceived by the observer when the wave source and the observer move relative to each other. As the source approaches the observer, λ decreases (and the oscillation frequency increases), and as λ moves away, it increases (and the oscillation frequency decreases) by λ-λ ₀ = λ ₀ × V / ν, where λ ₀ is the source wavelength, ν is the velocity wave propagation, V is the relative velocity of the source. The Doppler effect allows you to measure the speed of the radiation source. ("New Illustrated Encyclopedia" Yes-Ja, M .: LLC TD Trading House World of Books, 2006, p.165). Thus, since the liquid whose flow rate is determined is moving, the “Doppler effect” is always present when measuring its flow rate. As a result, in accordance with the “Doppler effect”, the signal generated by the piezoelectric transducer contains information on the flow rate of the liquid medium taking into account its speed.

В известных устройствах, как было описано выше, пьезоэлектрические элементы преобразуют ультразвуковой сигнал в электрический сигнал, у которого отрицательная полуволна всегда первая, а анализ зондирующего ультразвукового сигнала, преобразованного в электрический, начинается с его первой положительной полуволны. Поскольку, как было показано выше, «эффект Допплера» может выражаться как в увеличении частоты колебаний (сигнал сжимается), так и в снижении (сигнал расширяется), то, в результате, начало следующей за отрицательной полуволной положительной полуволны электрического сигнала смещается во времени, что вносит погрешность в ошибку измерения. При стационарном процессе, т.е. когда скорость движения жидкости постоянна и место расположения пьезоэлементов постоянно, эта ошибка одинакова и также постоянна для обоих пьезопреобразователей и компенсируется при вычислении расхода контролируемой жидкой среды. Однако, время прохождения сигнала по потоку и против потока исследуемой среды очень мало и составляет от нескольких долей наносекунды до нескольких сот наносекунд. Поэтому при нестационарном процессе, а именно: в условиях изменяющейся во времени скорости движущегося потока жидкости, ошибка, вносимая «эффектом Допплера», становится заметной и потеря информации из-за непринятия во внимание первой отрицательной полуволны электрического сигнала снижает точность конечных результатов определения скорости движения жидкости. Тем более, что в этом случае, благодаря «эффекту Допплера», информацию об изменении скорости движения контролируемой жидкости несет в себе весь сигнал в целом, а в известных способах часть этой информации теряется.In known devices, as described above, the piezoelectric elements convert the ultrasonic signal into an electric signal, in which the negative half-wave is always the first, and the analysis of the probing ultrasonic signal converted to electric begins with its first positive half-wave. Since, as shown above, the "Doppler effect" can be expressed both in an increase in the oscillation frequency (the signal is compressed) and in a decrease (the signal expands), then, as a result, the beginning of the positive half-wave of the electric signal following the negative half-wave shifts in time, which introduces an error in the measurement error. In a stationary process, i.e. when the fluid velocity is constant and the location of the piezoelectric elements is constant, this error is the same and also constant for both piezoelectric transducers and is compensated when calculating the flow rate of a controlled liquid medium. However, the transit time of the signal along the flow and against the flow of the medium under study is very short and ranges from several fractions of a nanosecond to several hundred nanoseconds. Therefore, in an unsteady process, namely: in the case of a time-varying speed of a moving fluid flow, the error introduced by the “Doppler effect” becomes noticeable and the loss of information due to disregarding the first negative half-wave of an electric signal reduces the accuracy of the final results of determining the fluid velocity . Moreover, in this case, thanks to the "Doppler effect", the entire signal as a whole carries information about the change in the speed of the controlled fluid, and in known methods a part of this information is lost.

Таким образом, выявленные в результате патентного поиска аналог и наиболее близкий к предлагаемому ультразвуковые расходомеры при осуществлении не обеспечивают достижение технического результата, заключающегося в повышении точности измерения расхода жидких сред путем устранения погрешности, обусловленной «эффектом Доплера».Thus, the analogue and the ultrasonic flowmeters closest to the proposed one, detected as a result of a patent search, do not provide a technical result in improving the accuracy of measuring the flow rate of liquid media by eliminating the error caused by the "Doppler effect".

Предлагаемые полезные модели «Ультразвуковой расходомер (варианты)» решают задачу создания соответствующего расходомера, осуществление которого позволяет достичь технического результата, заключающегося в повышении точности измерения расхода жидких сред путем устранения погрешности, обусловленной «эффектом Допплера».The proposed utility models “Ultrasonic flowmeter (options)” solve the problem of creating an appropriate flowmeter, the implementation of which allows to achieve a technical result consisting in increasing the accuracy of measuring the flow rate of liquid media by eliminating the error caused by the “Doppler effect”.

По первому варианту сущность полезной модели заключается в том, что ультразвуковой расходомер содержит генератор зондирующих импульсов, первый и второй пьезоэлектрические преобразователи, приемно-усилительный тракт, инвертор, компаратор, управляемый коммутатор, схему формирования уровня, схему измерения времени, выход которой является выходом устройства, при этом пьезоэлектрические преобразователи идентично подключены к первому и второму входам-выходам управляемого коммутатора, первый вход которого подключен к выходу генератора зондирующих импульсов, а второй вход является управляющим, выход коммутатора подключен к входу приемно-усилительного тракта, выход которого через инвертор подключен к информационному входу компаратора, 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.According to the first option, the essence of the utility model is that the ultrasonic flow meter contains a probe pulse generator, first and second piezoelectric transducers, a receiving-amplifying path, an inverter, a comparator, a controlled switch, a level formation circuit, a time measurement circuit, the output of which is the output of the device, the piezoelectric transducers are identically connected to the first and second inputs and outputs of the managed switch, the first input of which is connected to the output of the generator pulses, and the second input is the control one, the output of the switch is connected to the input of the receive-amplifier path, the output of which through the inverter is connected to the information input of the comparator, in addition, the output of the probe pulse generator is connected to the first input of the time measuring circuit, the second input of which is the first input level formation circuits are connected to the output of the comparator, and the output of the level formation circuit is connected to the installation input of the reference signal of the comparator, while the second input of the level formation circuit is It is the input of setting the circuit to its initial state.

Технический результат достигается следующим образом.The technical result is achieved as follows.

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 по потоку и против него и преобразуют принятую ультразвуковую волну в электрический синусоидальный сигнал в виде периодических затухающих синусоидальных колебаний.The probe pulse generator, due to communication with the first input of the control switch, provides the generation of an exciting pulse for piezoelectric transducers, which alternately generate an ultrasonic wave in the liquid under investigation and against it and convert the received ultrasonic wave into an electric sinusoidal signal in the form of periodic damped sinusoidal oscillations.

Излучение ультразвуковой волны по потоку и против него позволяет определить скорость жидкости в проточной части, а следовательно, и ее расход, так как известно, что разность времен прохождения ультразвуковых волн в обоих направлениях прямо пропорциональна скорости потока.Ultrasonic wave radiation from and against the flow allows us to determine the fluid velocity in the flow part, and therefore its flow rate, since it is known that the difference in the transit times of ultrasonic waves in both directions is directly proportional to the flow velocity.

При этом, благодаря тому, что первый и второй пьезоэлектрические преобразователи идентично подключены соответственно к первому и второму входам-выходам управляемого коммутатора, электрические сигналы, полученные в результате преобразования пьезоэлементами принятой ультразвуковой волны, имеют одинаковую полярность, а именно: первая полуволна электрического сигнала расположены ниже оси симметрии синусоидального сигнала (первая полуволна отрицательная).Moreover, due to the fact that the first and second piezoelectric transducers are identically connected respectively to the first and second inputs and outputs of the controlled switch, the electrical signals obtained as a result of the conversion of the received ultrasonic wave by the piezoelectric elements have the same polarity, namely: the first half-wave of the electrical signal is located below axis of symmetry of the sinusoidal signal (the first half-wave is negative).

Благодаря связи с первым входом схемы измерения времени, генератор зондирующих импульсов одновременно с подачей возбуждающего импульса на соответствующий пьезопреобразователь запускает схему измерения времени, фиксируя, тем самым, начало отсчета времени прохождения через исследуемую жидкость ультразвуковой волны, формируемой соответствующим пьезоэлектрическим преобразователем.Due to the connection with the first input of the time measuring circuit, the probe pulse generator simultaneously with the supply of the exciting pulse to the corresponding piezoelectric transducer starts the time measuring circuit, thereby fixing the start of the countdown of the passage of the ultrasonic wave generated by the corresponding piezoelectric transducer through the studied fluid.

Управляемый коммутатор под воздействием сигнала управления, поступающего на его управляющий вход, обеспечивает возможность поочередного возбуждения сигналом с генератора зондирующих импульсов одного из двух пьезоэлектрических преобразователей, каждый из которых, в результате, формирует в жидкой среде ультразвуковую волну, и передачу на приемно-усилительный тракт расходомера другим пьезоэлектрическим преобразователем электрического синусоидального сигнала, полученного в результате преобразования им принятой ультразвуковой волны.A controlled switch, under the influence of a control signal supplied to its control input, provides the possibility of alternately exciting a signal from a probe pulse generator of one of two piezoelectric transducers, each of which, as a result, forms an ultrasonic wave in a liquid medium and transfers it to the receiving-amplifying path of the flowmeter another piezoelectric transducer of an electric sinusoidal signal obtained by converting the received ultrasonic waves .

Приемно-усилительный тракт выделяет высокочастотную составляющую, соответствующую ультразвуковому сигналу, формируемому в исследуемой среде соответствующим пьезоэлектрическим преобразователем, и передает на вход инвертора усиленный полезный синусоидальный сигнал в виде периодических затухающих синусоидальных колебаний. Благодаря связи выхода инвертора с информационным входом компаратора, на информационный вход компаратора поступает инвертированный сигнал, содержащий в себе информацию о времени прохождения исследуемой жидкости ультразвуковой волной направления по потоку или против него. При этом его первая полуволна всегда расположена выше оси симметрии синусоидального сигнала (первая полуволна положительная).The receiving-amplifying path isolates the high-frequency component corresponding to the ultrasonic signal generated in the medium under study by the corresponding piezoelectric transducer, and transmits to the inverter input an amplified useful sinusoidal signal in the form of periodic damped sinusoidal oscillations. Due to the connection of the inverter output with the information input of the comparator, an inverted signal is received at the information input of the comparator, which contains information about the transit time of the liquid under investigation by an ultrasonic directional wave or against it. Moreover, its first half-wave is always located above the axis of symmetry of the sinusoidal signal (the first half-wave is positive).

Вход установки в исходное состояние схемы формирования уровня обеспечивает после включения напряжения питания ее установку в состояние, при котором на ее выходе устанавливается напряжение, соответствующее исходному уровню порогового сигнала компаратора. Схема формирования уровня, за счет связи ее выхода со входом установки опорного напряжения компаратора, устанавливает на нем уровень 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 в этот момент времени значения исходного уровня опорного сигнала на компараторе на нулевое.The input of the installation to the initial state of the level formation circuit provides, after switching on the supply voltage, its installation in a state in which a voltage corresponding to the initial level of the threshold signal of the comparator is set at its output. The level formation circuit, due to the connection of its output with the input of the reference voltage setting of the comparator, sets the threshold signal level on it. Due to the connection of the output of the comparator with the first input of the level formation circuit, it is possible to fix by the circuit the moment of exceeding the reference voltage by the amplitude of the information signal at the first input of the comparator and change at this time the value of the initial level of the reference signal on the comparator to zero.

Компаратор формирует на своем выходе последовательность импульсов одинаковой амплитуды, содержащую информацию о времени прохождения ультразвуковой волной одного из направлений: по потоку или против него. При этом, поскольку в исследуемом синусоидальном сигнале первая полуволна всегда расположена выше оси симметрии синусоидального сигнала (первая полуволна положительная), то компаратор формирует импульсы, начиная с первой полуволны исследуемого электрического сигнала.The comparator generates at its output a sequence of pulses of the same amplitude, containing information about the transit time of an ultrasonic wave in one of the directions: along the flow or against it. In this case, since the first half-wave in the studied sinusoidal signal is always located above the axis of symmetry of the sinusoidal signal (the first half-wave is positive), the comparator generates pulses starting from the first half-wave of the studied electric signal.

Согласно изложенному ранее, при измерении расхода движущейся жидкой среды всегда присутствует «эффект Допплера», который снижает или повышает частоту исследуемого электрического сигнала. В результате, в соответствии с «эффектом Допплера», в заявленном устройстве электрический сигнал, полученный в результате преобразования ультразвуковой волны, содержит информацию о расходе жидкой среды с учетом скорости ее движения. Известно, что для преобразования ультразвуковой волны в электрический сигнал широко применяют пьезоэлементы. При работе в классическом режиме подключения (подключение пьезоэлектрических преобразователей идентично, например, «минус» - земля, «плюс» - к нагрузке) из-за особенностей работы пьезоэлектрического элемента первая полуволна формируемого им электрического сигнала всегда отрицательная. В этом случае, при использовании для измерения расхода жидких сред только положительных значений информационного сигнала, естественно, первая отрицательная полуволна отбрасывается, что приводит не только к снижению точности полученных результатов, но и к потере полезной информации, содержащейся в преобразованном сигнале.According to the above, when measuring the flow rate of a moving liquid medium, there is always a "Doppler effect", which reduces or increases the frequency of the investigated electrical signal. As a result, in accordance with the "Doppler effect", in the claimed device, the electrical signal obtained by converting an ultrasonic wave contains information about the flow rate of the liquid medium, taking into account its speed. It is known that piezoelectric elements are widely used to convert an ultrasonic wave into an electrical signal. When operating in the classical connection mode (the connection of the piezoelectric transducers is identical, for example, “minus” - ground, “plus” - to the load) due to the peculiarities of the piezoelectric element, the first half-wave of the electric signal generated by it is always negative. In this case, when using only positive values of the information signal for measuring the flow rate of liquid media, naturally, the first negative half-wave is discarded, which leads not only to a decrease in the accuracy of the results obtained, but also to a loss of useful information contained in the converted signal.

В заявленном устройстве, благодаря введению инвертора, на вход компаратора поступает исследуемый электрический сигнал, у которого первая полуволна сигнала всегда положительная. В результате компаратор формирует на своем выходе последовательность импульсов одинаковой амплитуды, начиная с первой полуволны исследуемого электрического сигнала. Следовательно, формируемая на выходе компаратора последовательность импульсов несет в себе информацию о времени прохождения ультразвуковыми волнами обоих направлений по потоку и против него с учетом скорости движения потока, т.е. с учетом «эффекта Допплера». При этом, по сравнению с прототипом, одновременно устраняется ошибка, вносимая в результат измерения «эффектом Допплера».In the claimed device, due to the introduction of an inverter, the studied electric signal is fed to the input of the comparator, in which the first half-wave of the signal is always positive. As a result, the comparator generates at its output a sequence of pulses of the same amplitude, starting with the first half-wave of the electrical signal under study. Consequently, the train of pulses generated at the output of the comparator carries information about the time it takes for the ultrasonic waves to travel in both directions along and against the stream, taking into account the speed of the stream, i.e. taking into account the "Doppler effect". Moreover, in comparison with the prototype, the error introduced into the measurement result by the “Doppler effect” is simultaneously eliminated.

Так же из вышеизложенного следует, что в заявленном устройстве обеспечивается возможность изменения уровня порогового напряжения компаратора во время преобразования сигнала, а именно, с исходного положительного уровня на нулевой. 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. При этом, на выходе компаратора спад первого импульса и передние фронты и спады последующих прямоугольных импульсов, независимо от величины амплитуды информационного сигнала, формируются в моменты перехода положительной полуволны синусоидального информационного сигнала через нуль, что исключает дрейф нуля выходного сигнала компаратора. Отсюда следует, что, в заявленном устройстве при нестабильности амплитуды синусоидального сигнала, которая выражается в случайном характере увеличения амплитуды полезного сигнала, информация о длительности формируемых импульсов не теряется, поскольку формирование прямоугольной последовательности импульсов идет по нулевому уровню. В результате исключается ошибка, вносимая в результат измерения эффектом «дрейф нуля», что не искажает информацию, содержащуюся в исследуемом электрическом сигнале, о времени прохождения ультразвуковыми волнами обоих направлений по потоку и против него, с учетом скорости движения потока, т.е. с учетом «эффекта Допплера», а следовательно, повышает точность результатов измерения расхода жидких сред.It also follows from the foregoing that the claimed device provides the ability to change the threshold voltage level of the comparator during signal conversion, namely, from the initial positive level to zero. As a result, it is possible to set the reference signal to a zero level on the comparator after the first comparison of the increasing portion of the amplitude of the first half-wave of a sinusoidal signal with the value of the initial reference signal of the comparator. At the same time, at the output of the comparator, the decay of the first pulse and the leading edges and decays of subsequent rectangular pulses, regardless of the magnitude of the amplitude of the information signal, are formed at the moments when the positive half-wave of the sinusoidal information signal passes through zero, which eliminates the zero drift of the output signal of the comparator. It follows that, in the claimed device, when the amplitude of the sinusoidal signal is unstable, which is expressed in the random nature of the increase in the amplitude of the useful signal, information about the duration of the generated pulses is not lost, since the formation of a rectangular sequence of pulses proceeds at zero level. As a result, the error introduced into the measurement result by the “zero drift” effect is eliminated, which does not distort the information contained in the electrical signal under study about the time the ultrasonic waves travel in both directions along and against the stream, taking into account the speed of the stream, i.e. taking into account the "Doppler effect", and therefore increases the accuracy of the measurement results of the flow of liquid media.

Возможность установки требуемого уровня опорного напряжения на компараторе, благодаря связи выхода схемы формирования уровня со входом установки опорного напряжения компаратора, и связи выхода компаратора с первым входом схемы формирования уровня, обеспечивающей возможность фиксации схемой формирования уровня момента превышения опорного напряжения амплитудой информационного сигнала на первом входе компаратора и изменения в этот момент времени значения исходного уровня опорного сигнала на компараторе на нулевое, позволяет на информационном входе компаратора ограничить амплитуду колебаний электрического сигнала с учетом шумовых помех. В результате в формируемой последовательности импульсов сохраняется достоверность информации о расходе жидкой среды с учетом скорости ее движения, т.е. с учетом «эффекта Допплера», а следовательно, повышается точность результатов измерения расхода жидких сред.The ability to set the required level of the reference voltage on the comparator, due to the connection of the output of the leveling circuit with the input of the reference voltage setting of the comparator, and the connection of the output of the comparator with the first input of the leveling circuit, which allows the circuit to fix the moment when the reference voltage exceeds the amplitude of the information signal at the first input of the comparator and changes at this moment in time of the value of the initial level of the reference signal on the comparator to zero, allows for info At the input input of the comparator, limit the amplitude of the oscillations of the electrical signal, taking into account noise interference. As a result, the accuracy of the information on the flow rate of the liquid medium is kept in the generated pulse sequence taking into account its speed, i.e. taking into account the "Doppler effect", and therefore, increases the accuracy of the measurement results of the flow of liquid media.

Из вышеизложенного следует, что, благодаря «эффекту Допплера», электрический сигнал, полученный в результате преобразования ультразвуковой волны, содержит информацию о расходе жидкой среды с учетом скорости ее движения. Ошибка, вносимая «эффектом Допплера», обусловленная потерей информации из-за непринятия во внимание первой отрицательной полуволны электрического сигнала, снижает точность конечных результатов определения расхода жидкой среды, поскольку время прохождения сигнала по потоку и против потока исследуемой среды очень мало и составляет от нескольких долей наносекунды до нескольких сот наносекунд. Особенно это заметно при нестационарном процессе, а именно: в условиях изменяющейся во времени скорости движущегося потока жидкости. Поскольку в заявленном устройстве преобразуют ультразвуковую волну в синусоидальный электрический сигнал таким образом, что его первая полуволна всегда положительная, благодаря возможности инвертирования информационного сигнала перед поступлением его на информационный вход компаратора, обеспечивается возможность формирования последовательности импульсов, содержащей информацию о времени прохождения ультразвуковыми волнами обоих направлений, начиная с первой полуволны исследуемого синусоидального сигнала, а это, в свою очередь, позволяет формировать последовательность импульсов, несущую в себе информацию о времени прохождения ультразвуковыми волнами обоих направлений по потоку и против него с учетом скорости движения потока, т.е. с учетом «эффекта Допплера». Иначе говоря, в заявленном расходомере при измерении расхода жидких сред используют всю информацию, содержащуюся в электрическом сигнале, полученном в результате преобразования ультразвуковой волны, что повышает точность результатов.From the above it follows that, thanks to the "Doppler effect", the electrical signal obtained as a result of the conversion of an ultrasonic wave contains information about the flow rate of a liquid medium taking into account its speed. The error introduced by the "Doppler effect", caused by the loss of information due to the neglect of the first negative half-wave of the electric signal, reduces the accuracy of the final results of determining the flow rate of the liquid medium, since the time it takes for the signal to pass through the stream and against the stream of the medium under study is very short and amounts to several fractions nanoseconds to several hundred nanoseconds. This is especially noticeable during an unsteady process, namely: in the conditions of the speed of a moving fluid flow that varies with time. Since the claimed device converts an ultrasonic wave into a sinusoidal electric signal in such a way that its first half-wave is always positive, due to the possibility of inverting the information signal before it arrives at the information input of the comparator, it is possible to generate a pulse train containing information about the transit time by ultrasonic waves in both directions, starting from the first half-wave of the studied sinusoidal signal, and this, in turn, This allows you to generate a sequence of pulses that carry information about the time of the ultrasonic waves in both directions of flow and against it with the speed of the flow, i.e., taking into account the "Doppler effect". In other words, in the claimed flowmeter, when measuring the flow rate of liquid media, all the information contained in the electrical signal obtained by converting the ultrasonic wave is used, which increases the accuracy of the results.

В результате, по сравнению с прототипом, в котором «эффект Допплера» выступал как отрицательный фактор, понижающий точность результатов измерения расхода жидкой среды, в заявленном расходомере является положительным фактором, позволяющим повысить точность конечных результатов измерения.As a result, in comparison with the prototype, in which the "Doppler effect" acted as a negative factor that reduces the accuracy of the measurement results of the flow rate of the liquid medium, in the claimed flow meter is a positive factor that improves the accuracy of the final measurement results.

По второму варианту сущность полезной модели заключается в том, что ультразвуковой расходомер содержит генератор зондирующих импульсов, первый и второй пьезоэлектрические преобразователи, приемно-усилительный тракт, компаратор, управляемый коммутатор, схему формирования уровня, схему измерения времени, выход которой является выходом устройства, при этом один из пьезоэлектрических преобразователей подключен к соответствующим входам-выходам управляемого коммутатора электродом противоположной полярности, по отношению к другому преобразователю, первый вход управляемого коммутатора подключен к выходу генератора зондирующих импульсов, а второй вход является управляющим, выход коммутатора подключен к входу приемно-усилительного тракта, выход которого подключен к информационному входу компаратора, 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.According to the second option, the essence of the utility model is that the ultrasonic flow meter contains a probe pulse generator, the first and second piezoelectric transducers, a receiving-amplifying path, a comparator, a controlled switch, a level formation circuit, a time measurement circuit, the output of which is the output of the device, while one of the piezoelectric transducers is connected to the corresponding inputs and outputs of the controlled switch with an electrode of opposite polarity, in relation to the other to the browser, the first input of the managed switch is connected to the output of the probe pulse generator, and the second input is the control, the output of the switch is connected to the input of the receiving-amplifier path, the output of which is connected to the information input of the comparator, in addition, the output of the probe pulse generator is connected to the first input of the measurement circuit time, the second input of which and the first input of the level formation circuit are connected to the output of the comparator, and the output of the level formation circuit is connected to the input of the reference signal setup la comparator, the second input of the level generating circuit is an input circuit a reset state.

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 по потоку и против него и преобразуют принятую ультразвуковую волну в электрический синусоидальный сигнал в виде периодических затухающих синусоидальных колебаний.The technical result is achieved as follows. The probe pulse generator, due to communication with the first input of the control switch, provides the generation of an exciting pulse for piezoelectric transducers, which alternately generate an ultrasonic wave in the liquid under investigation and against it and convert the received ultrasonic wave into an electric sinusoidal signal in the form of periodic damped sinusoidal oscillations.

Поскольку один из пьезоэлектрических преобразователей подключен к соответствующим входам-выходам управляемого коммутатора электродом противоположной полярности, по отношению к другому преобразователю, то, по сравнению с классическим подключением пьезопреобразователей, каждый из пьезопреобразователей в процессе преобразования ультразвуковой волны формирует инвертированный синусоидальный электрический сигнал. В этом случае первая полуволна синусоидального электрического сигнала всегда будет расположена выше оси симметрии синусоидального сигнала (положительной).Since one of the piezoelectric transducers is connected to the corresponding inputs and outputs of the controlled switch with an electrode of opposite polarity, with respect to the other transducer, then, compared to the classical connection of piezoelectric transducers, each of the piezoelectric transducers generates an inverted sinusoidal electric signal during the conversion of the ultrasonic wave. In this case, the first half-wave of the sinusoidal electric signal will always be located above the axis of symmetry of the sinusoidal signal (positive).

Управляемый коммутатор под воздействием сигнала управления, поступающего на его управляющий вход, обеспечивает возможность поочередного возбуждения сигналом с генератора зондирующих импульсов одного из двух пьезоэлектрических преобразователей, который, в результате, формирует в жидкой среде ультразвуковую волну, и передачу на приемно-усилительный тракт расходомера другим пьезоэлектрическим преобразователем электрического синусоидального сигнала, полученного в результате преобразования им принятой ультразвуковой волны.A controlled switch, under the influence of a control signal supplied to its control input, provides the possibility of alternating excitation by a signal from a probe pulse generator of one of two piezoelectric transducers, which, as a result, generates an ultrasonic wave in a liquid medium, and transmission to the receiver-amplifier path of the flowmeter by another piezoelectric a transducer of an electric sinusoidal signal obtained as a result of its conversion of a received ultrasonic wave.

Приемно-усилительный тракт выделяет высокочастотную составляющую, соответствующую ультразвуковому сигналу, формируемому в исследуемой среде соответствующим пьезоэлектрическим преобразователем, и передает на информационный вход компаратора усиленный полезный синусоидальный сигнал в виде периодических затухающих синусоидальных колебаний, содержащий в себе информацию о времени прохождения исследуемой жидкости ультразвуковой волной направления по потоку или против него. При этом его первая полуволна всегда расположена выше оси симметрии синусоидального сигнала (первая полуволна положительная).The receiving-amplifying path isolates the high-frequency component corresponding to the ultrasonic signal generated in the test medium by the corresponding piezoelectric transducer, and transmits to the comparator information input an amplified useful sinusoidal signal in the form of periodic damped sinusoidal oscillations, which contains information about the time the liquid under investigation travels with an ultrasonic directional wave along the direction flow or against it. Moreover, its first half-wave is always located above the axis of symmetry of the sinusoidal signal (the first half-wave is positive).

Наличие входа установки в исходное состояние схемы формирования уровня обеспечивает возможность установки ее после включения напряжения питания в состояние, при котором на ее выходе устанавливается напряжение, соответствующее исходному уровню порогового сигнала компаратора. Схема формирования уровня, за счет связи ее выхода со входом установки опорного напряжения компаратора, устанавливает на нем уровень 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 в этот момент времени значения исходного уровня опорного сигнала на компараторе на нулевое.The presence of the installation input in the initial state of the level formation circuit makes it possible to install it after turning on the supply voltage to a state in which a voltage corresponding to the initial level of the threshold signal of the comparator is set at its output. The level formation circuit, due to the connection of its output with the input of the reference voltage setting of the comparator, sets the threshold signal level on it. Due to the connection of the output of the comparator with the first input of the level formation circuit, it is possible to fix by the circuit the moment of exceeding the reference voltage by the amplitude of the information signal at the first input of the comparator and change at this time the value of the initial level of the reference signal on the comparator to zero.

Согласно изложенному выше, при измерении расхода движущейся жидкой среды всегда присутствует эффект Допплера, который снижает или повышает частоту исследуемого электрического сигнала. В результате, в соответствии с эффектом Допплера, в заявленном устройстве электрический сигнал, полученный в результате преобразования ультразвуковой волны, содержит информацию о расходе жидкой среды с учетом скорости ее движения. Известно, что для преобразования ультразвуковой волны в электрический сигнал широко применяются пьезоэлементы. При работе в классическом режиме подключения (подключение пьезоэлектрических преобразователей идентично, например, «минус» - земля, «плюс» - к нагрузке) из-за особенностей работы пьезоэлектрического элемента первая полуволна формируемого им электрического сигнала всегда отрицательная. В этом случае, при использовании для измерения расхода жидких сред только положительных значений информационного сигнала, естественно, первая отрицательная полуволна отбрасывается, что приводит не только к снижению точности полученных результатов, но и к потере полезной информации, содержащейся в преобразованном сигнале.According to the above, when measuring the flow rate of a moving liquid medium, the Doppler effect is always present, which reduces or increases the frequency of the investigated electrical signal. As a result, in accordance with the Doppler effect, in the claimed device, the electric signal obtained by converting an ultrasonic wave contains information about the flow rate of the liquid medium taking into account its speed. It is known that piezoelectric elements are widely used to convert an ultrasonic wave into an electrical signal. When operating in the classical connection mode (the connection of the piezoelectric transducers is identical, for example, “minus” - ground, “plus” - to the load) due to the peculiarities of the piezoelectric element, the first half-wave of the electric signal generated by it is always negative. In this case, when using only positive values of the information signal for measuring the flow rate of liquid media, naturally, the first negative half-wave is discarded, which leads not only to a decrease in the accuracy of the results obtained, but also to a loss of useful information contained in the converted signal.

Как было показано выше, в заявленном устройстве, благодаря тому, что один из пьезоэлектрических преобразователей подключен к соответствующим входам-выходам управляемого коммутатора электродом противоположной полярности, на вход компаратора исследуемый электрический сигнал поступает в инвертированном виде, т.е. первая полуволна сигнала всегда положительная. В результате компаратор формирует на своем выходе последовательность импульсов одинаковой амплитуды, начиная с первой полуволны исследуемого электрического сигнала. Следовательно, формируемая на выходе компаратора последовательность импульсов несет в себе информацию о времени прохождения ультразвуковыми волнами обоих направлений по потоку и против него с учетом скорости движения потока, т.е. с учетом эффекта Допплера.As shown above, in the claimed device, due to the fact that one of the piezoelectric transducers is connected to the corresponding inputs and outputs of the controlled switch with an electrode of opposite polarity, the studied electrical signal is input in inverted form to the input of the comparator, i.e. the first half-wave of the signal is always positive. As a result, the comparator generates at its output a sequence of pulses of the same amplitude, starting with the first half-wave of the electrical signal under study. Consequently, the train of pulses generated at the output of the comparator carries information about the time it takes for the ultrasonic waves to travel in both directions along and against the stream, taking into account the speed of the stream, i.e. taking into account the Doppler effect.

Из вышеизложенного следует, что, благодаря эффекту Допплера, электрический сигнал, полученный в результате преобразования ультразвуковой волны, содержит информацию о расходе жидкой среды с учетом скорости ее движения. Ошибка, вносимая эффектом Допплера, обусловленная потерей информации из-за непринятия во внимание первой отрицательной полуволны электрического сигнала, снижает точность конечных результатов определения расхода жидкой среды, поскольку время прохождения сигнала по потоку и против потока исследуемой среды очень мало и составляет от нескольких долей наносекунды до нескольких сот наносекунд. Особенно это заметно при нестационарном процессе, а именно: в условиях изменяющейся во времени скорости движущегося потока жидкости. Поскольку в заявленном устройстве преобразуют ультразвуковую волну в синусоидальный электрический сигнал таким образом, что его первая полуволна всегда положительная, благодаря тому, что один из пьезоэлектрических преобразователей подключен к соответствующим входам-выходам управляемого коммутатора электродом противоположной полярности, обеспечивается возможность формирования последовательности импульсов, содержащей информацию о времени прохождения ультразвуковыми волнами обоих направлений, начиная с первой полуволны исследуемого синусоидального сигнала, а это, в свою очередь, позволяет формировать последовательность импульсов, несущую в себе информацию о времени прохождения ультразвуковыми волнами обоих направлений по потоку и против него с учетом скорости движения потока, т.е. с учетом «эффекта Допплера». Иначе говоря, в заявленном расходомере при измерении расхода жидких сред используют всю информацию, содержащуюся в электрическом сигнале, полученном в результате преобразования ультразвуковой волны, что повышает точность результатов.From the foregoing, it follows that, due to the Doppler effect, the electrical signal obtained by converting an ultrasonic wave contains information about the flow rate of a liquid medium taking into account its speed. The error introduced by the Doppler effect, caused by the loss of information due to the neglect of the first negative half-wave of the electric signal, reduces the accuracy of the final results of determining the flow rate of the liquid medium, since the time it takes for the signal to pass through the flow and against the flow of the medium under investigation is very short and ranges from a few fractions of a nanosecond to several hundred nanoseconds. This is especially noticeable during an unsteady process, namely: in the conditions of the speed of a moving fluid flow that varies with time. Since the claimed device converts an ultrasonic wave into a sinusoidal electric signal in such a way that its first half-wave is always positive, due to the fact that one of the piezoelectric transducers is connected to the corresponding inputs and outputs of the controlled switch with an electrode of opposite polarity, it is possible to generate a pulse sequence containing information about transit time of ultrasonic waves in both directions, starting with the first half-wave of a sinusoidal signal, and this, in turn, allows you to generate a sequence of pulses that carries information about the time the ultrasonic waves travel in both directions along and against the stream, taking into account the speed of the stream, i.e. taking into account the "Doppler effect". In other words, in the claimed flowmeter, when measuring the flow rate of liquid media, all the information contained in the electrical signal obtained by converting the ultrasonic wave is used, which increases the accuracy of the results.

Таким образом, из вышеизложенного следует, что предлагаемые полезные модели «Ультразвуковой расходомер (варианты)» при осуществлении позволяют достичь технического результата, заключающегося в повышении точности измерения расхода жидких сред путем устранения погрешности, обусловленной «эффектом Доплера».Thus, from the foregoing, it follows that the proposed utility models "Ultrasonic flowmeter (options)" in the implementation can achieve a technical result, which consists in increasing the accuracy of measuring the flow rate of liquid media by eliminating the error caused by the "Doppler effect".

На фиг.1 изображена блок-схема заявленного ультразвукового расходомера по первому варианту; на фиг.2 изображена блок-схема заявленного ультразвукового расходомера по второму варианту; на фиг.3 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства по первому варианту; на фиг.4 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства по второму варианту.Figure 1 shows a block diagram of the claimed ultrasonic flow meter according to the first embodiment; figure 2 shows a block diagram of the claimed ultrasonic flow meter according to the second embodiment; figure 3 is a timing diagram explaining the operation of the device according to the first embodiment; figure 4 is a timing chart explaining the operation of the device according to the second embodiment.

Ультразвуковой расходомер по первому варианту содержит генератор 1 зондирующих импульсов (ГЗИ), пьезоэлектрические преобразователи 2, 3 (ПЭП), управляемый коммутатор 4 (КОМ), приемно-усилительный тракт 5 (ПУТ), компаратор 6 (К), схему формирования уровня 7 (СФУ) и схему измерения времени 8 (СИВ), инвертор 9 (НЕ). 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 входу инвертора 9, 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 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.The ultrasonic flowmeter according to the first embodiment contains a probe pulse generator (GZI) 1, piezoelectric transducers 2, 3 (PEP), a controlled switch 4 (COM), a receiving-amplifying path 5 (PUT), a comparator 6 (K), a level formation circuit 7 ( SFU) and a time measuring circuit 8 (SIV), inverter 9 (NOT). The first and second inputs-outputs of KOM 4 are connected respectively to the outputs-inputs of the first 2 and second 3 probes. The first input of KOM 4 is connected to the output of GZI 1, and the second input is the control. The output of KOM 4 is connected to the input of the PUT 5, the output of which is connected to the input of the inverter 9, the output of which is connected to the information input K 6. In addition, the output of the GZI 1 is connected to the first input of the SIV 8, the second input of which and the first input of the SFU 7 are connected to the output To 6. The output of the SFU 7 is connected to the input of the installation of the reference signal K 6, while the second input of the SFU 7 is the input of the installation of the circuit 7 in the initial state. The output of the SIV 8 is the output of the device.

Схема формирования уровня 7 может быть выполнена аналогично приведенной в патенте на полезную модель РФ, №68148, G06F 1/00, 10.11.2007, и содержит D - триггера, S - и D - входы которого через первый резистор подключены к источнику питания, С - вход является первым входом схемы 7, R - вход является входом установки схемы 7 в исходное состояние, а инверсный Q - выход соединен с делителем напряжения из соединенных последовательно второго и третьего резисторов, при этом средняя точка делителя является выходом схемы 7. Кроме того, делитель напряжения выполнен с постоянной времени не более половины длительности первой положительной полуволны синусоидального сигнала на информационном входе компаратора 6.The level 7 formation scheme can be performed similarly to that provided in the patent for a utility model of the Russian Federation, No. 68148, G06F 1/00, 11/10/2007, and contains D - triggers, S - and D - whose inputs are connected to a power source through the first resistor, C - the input is the first input of the circuit 7, R - the input is the input of setting the circuit 7 to its initial state, and the inverse Q - output is connected to the voltage divider from the second and third resistors connected in series, while the midpoint of the divider is the output of the circuit 7. In addition, voltage divider is made with constant time, not more than half the duration of the first positive half-wave of a sinusoidal signal at the information input of the comparator 6.

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 одноименными электродами - идентично: отрицательные электроды соединены с землей, а положительные подключены к входам-выходам управляемого коммутатора 4.Piezoelectric transducers 2, 3 are placed in a pipe segment at a certain angle to the axis of the pipeline with the studied fluid (not shown in Fig. 1). Piezoelectric transducers 2, 3, in accordance with the claimed device connections, are connected to the corresponding inputs and outputs of the switch 4 with the same electrodes - identical: negative electrodes are connected to the ground, and positive ones are connected to the inputs and outputs of the managed switch 4.

Управляемый коммутатор 4 может быть выполнен, например, на микросхеме ADG736, которая содержит в себе два аналоговых ключа. При этом первый вход-выход коммутатора 4 является первым входом-выходом первого аналогового ключа и вторым входом-выходом второго аналогового ключа. Второй вход-выход коммутатора 4 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.Managed switch 4 can be performed, for example, on the ADG736 chip, which contains two analog keys. In this case, the first input-output of the switch 4 is the first input-output of the first analog key and the second input-output of the second analog key. The second input-output of the switch 4 is the second input-output of the first analog key and the first input-output of the second analog key. Key management inputs are connected. The input of the first analog key is connected to GZI 1, and the output of the second analog key is connected to PUT 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.PUT 5 extracts from the incoming signal a high-frequency component corresponding to an ultrasonic wave generated by one of the probes (2 or 3). PUT can be performed, for example, on a chip operational amplifier AD-8031.

Инвертор может входить в состав ПУТ, который в этом случае может быть выполнен на микросхеме операционного усилителя АД-8031, включенного по схеме инвертирующего усилителя.The inverter can be part of the PUT, which in this case can be performed on the chip of the operational amplifier AD-8031, connected according to the inverting amplifier circuit.

Временное управление работой устройства может осуществляться, например, от внешней схемы синхронизации, которая может быть выполнена, например, на микросхеме 74 НС4040.Temporary control of the operation of the device can be carried out, for example, from an external synchronization circuit, which can be performed, for example, on the microcircuit 74 NS4040.

Ультразвуковой расходомер по второму варианту содержит пьезоэлектрические преобразователи 10, 11 (ПЭП), управляемый коммутатор 12 (КОМ), приемно-усилительный тракт 13 (ПУТ), компаратор 14 (К), схему формирования уровня 15 (СФУ), генератор зондирующих импульсов 16 (ГЗИ) и схему измерения времени 17 (СИВ). Первый и второй входы-выходы КОМ 12 подключены соответственно к выходам-входам первого 10 и второго 11 ПЭП. Первый вход КОМ 12 подключен к выходу ГЗИ 16, а второй вход является управляющим. Выход КОМ 12 подключен к входу ПУТ 13, выход которого подключен к информационному входу К 14. Кроме того, выход ГЗИ 16 подключен к первому входу СИВ 17, второй вход которой и первый вход СФУ 15 подключены к выходу К 14. Выход СФУ 15 подключен к входу установки опорного сигнала К 14, при этом второй вход СФУ 15 является входом установки схемы 15 в исходное состояние. Выход СИВ 17 является выходом устройства.The ultrasonic flowmeter according to the second embodiment contains piezoelectric transducers 10, 11 (PEP), a controlled switch 12 (COM), a receiving-amplifying path 13 (PUT), a comparator 14 (K), a level formation circuit 15 (SFU), a probe pulse generator 16 ( GZI) and the time measurement scheme 17 (SIV). The first and second inputs and outputs of KOM 12 are connected respectively to the outputs and inputs of the first 10 and second 11 probes. The first input of KOM 12 is connected to the output of the GZI 16, and the second input is the control. The output of KOM 12 is connected to the input of the PUT 13, the output of which is connected to the information input K 14. In addition, the output of the GZI 16 is connected to the first input of the SIV 17, the second input of which and the first input of the SFU 15 are connected to the output K 14. The output of the SFU 15 is connected to the input of the installation of the reference signal K 14, while the second input of the SFU 15 is the input of the installation of the circuit 15 in the initial state. The output of the SIV 17 is the output of the device.

В ультразвуковом расходомере по варианту второму один из пьезоэлектрических преобразователей, например первый 10, подключен к соответствующим входам-выходам управляемого коммутатора 12 электродом противоположной полярности, по отношению ко второму преобразователю 11: положительный электрод первого 10 преобразователя соединен с отрицательным электродом второго 11 и с землей, а отрицательный электрод первого 10 преобразователя и положительный электрод второго 11 преобразователя подключены к соответствующим входам-выходам управляемого коммутатора 12.In the ultrasonic flowmeter of the second embodiment, one of the piezoelectric transducers, for example the first 10, is connected to the corresponding inputs and outputs of the controlled switch 12 with an electrode of opposite polarity, with respect to the second transducer 11: the positive electrode of the first 10 transducer is connected to the negative electrode of the second 11 and to the ground, and the negative electrode of the first 10 converter and the positive electrode of the second 11 converter are connected to the corresponding inputs and outputs of the controlled mutator 12.

Схема формирования уровня 15 может быть выполнена аналогично приведенной в патенте на полезную модель РФ, №68148, G06F 1/00, 10.11.2007, и содержит D - триггера, S - и D - входы которого через первый резистор подключены к источнику питания, С - вход является первым входом схемы 15, R - вход является входом установки схемы 15 в исходное состояние, а инверсный Q - выход соединен с делителем напряжения из соединенных последовательно второго и третьего резисторов, при этом средняя точка делителя является выходом схемы 15. Кроме того, делитель напряжения выполнен с постоянной времени не более половины длительности первой положительной полуволны синусоидального сигнала на информационном входе компаратора 14.The level 15 formation scheme can be performed similarly to that provided in the patent for a utility model of the Russian Federation, No. 68148, G06F 1/00, 11/10/2007, and contains D - triggers, S - and D - whose inputs are connected to a power source through the first resistor, C - the input is the first input of the circuit 15, R - the input is the input of setting the circuit 15 to its initial state, and the inverse Q - output is connected to the voltage divider from the second and third resistors connected in series, while the midpoint of the divider is the output of the circuit 15. In addition, voltage divider made with pic time, not more than half the duration of the first positive half-wave of a sinusoidal signal at the information input of the comparator 14.

Пьезоэлектрические преобразователи 10, 11 размещены в отрезке трубы под некоторым углом к оси трубопровода с исследуемой жидкостью (на фиг.2 не показано).Piezoelectric transducers 10, 11 are placed in a pipe segment at a certain angle to the axis of the pipeline with the test fluid (not shown in figure 2).

Управляемый коммутатор 12 может быть выполнен, например, на микросхеме ADG736, которая содержит в себе два аналоговых ключа. При этом первый вход-выход коммутатора 12 является первым входом-выходом первого аналогового ключа и вторым входом-выходом второго аналогового ключа. Второй вход-выход коммутатора 12 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 16, а выход второго аналогового ключа подключен к ПУТ 13. ПУТ 13 выделяет из поступающего на него сигнала высокочастотную составляющую, соответствующую ультразвуковой волне, формируемой одним из ПЭП (10 или 11). ПУТ 13 может быть выполнен, например, на микросхеме операционного усилителя АД-8031.Managed switch 12 can be performed, for example, on the ADG736 chip, which contains two analog keys. In this case, the first input-output of the switch 12 is the first input-output of the first analog key and the second input-output of the second analog key. The second input-output of the switch 12 is the second input-output of the first analog key and the first input-output of the second analog key. Key management inputs are connected. The input of the first analogue key is connected to the GZI 16, and the output of the second analogue key is connected to the PUT 13. The PUT 13 extracts from the incoming signal a high-frequency component corresponding to the ultrasonic wave generated by one of the probes (10 or 11). Put 13 can be performed, for example, on a chip operational amplifier AD-8031.

В обоих вариантах ультразвукового расходомера используют высокочастотные пьезоэлектрические преобразователи. Электрические параметры пьезоэлектрических преобразователей выбирают исходя из физических свойств исследуемой среды и электрических параметров других элементов электрической схемы расходомера.In both versions of the ultrasonic flow meter, high frequency piezoelectric transducers are used. The electrical parameters of the piezoelectric transducers are selected based on the physical properties of the medium under study and the electrical parameters of other elements of the electric circuit of the flow meter.

По первому варианту ультразвуковой расходомер, реализующий заявленный способ измерения расхода жидких сред, работает следующим образом.According to the first embodiment, an ultrasonic flow meter that implements the claimed method for measuring the flow rate of liquid media, works as follows.

Под действием стробирующего импульса (фиг.3г, t₁) коммутатор 4 подключает к ПУТ 5 второй 3 пьезоэлектрический преобразователь. ГЗИ 1 одновременно посылает сигнал (фиг.3а, t₁) на первый вход схемы измерения времени 6 и на вход второго 3 пьезоэлектрического преобразователя (фиг.3в, t₁), 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 электрический сигнал в виде периодических затухающих синусоидальных колебаний (фиг.3б, t₁), который через коммутатор поступает в ПУТ 5 (фиг.3д, t₁). ПУТ 5 выделяет из сигнала высокочастотную составляющую и усиливает (фиг.3е, t₁). Далее сигнал поступает на инвертор 9, инвертируется и поступает на информационный вход компаратора 6 (фиг.3ж, t₁). На входе установки опорного сигнала компаратора 6 схема формирования уровня 7 устанавливает заданный уровень опорного сигнала (фиг.3и, t₁-t₂). При превышении входным сигналом исходного уровня опорного схема 7 формирования уровня изменяет значение уровня опорного сигнала на нулевое (фиг.3и, t₃). Компаратор 6 преобразует двуполярный синусоидальный сигнал в последовательность однополярных прямоугольных импульсов одинаковой амплитуды (фиг.3з, 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.Under the influence of a gating pulse (Fig. 3d, t ₁ ), the switch 4 connects to the PCB 5 the second 3 piezoelectric transducer. GZI 1 simultaneously sends a signal (Fig. 3a, t ₁ ) to the first input of the time measuring circuit 6 and to the input of the second 3 piezoelectric transducer (Fig. 3c, t ₁ ), which generates an ultrasonic pulse propagating in the medium under study. The ultrasonic pulse overcomes the measuring section and is perceived by the first 2 piezoelectric transducer, which in this case is the receiver. As a result, at the output of the first 2 converter, an electrical signal is generated in the form of periodic damped sinusoidal oscillations (Fig.3b, t ₁ ), which through the switch enters the PCB 5 (Fig.3d, t ₁ ). PUT 5 extracts a high-frequency component from the signal and amplifies it (Fig. 3e, t ₁ ). Next, the signal is supplied to the inverter 9, inverted and fed to the information input of the comparator 6 (Fig.3zh, t ₁ ). At the input of the installation of the reference signal of the comparator 6, the level formation circuit 7 sets a predetermined level of the reference signal (Fig. 3i, t ₁ -t ₂ ). When the input signal exceeds the initial level of the reference circuit, the leveling circuit 7 changes the value of the reference signal level to zero (Fig.3i, t ₃ ). Comparator 6 converts a bipolar sinusoidal signal into a sequence of unipolar rectangular pulses of the same amplitude (Fig.3z, t ₁ , t ₂ , t ₃ , t ₄ ). In this case, at the output of the comparator 6, the first rectangular pulse is formed with a front that corresponds to the moment the signal is equal to the initial level of the reference signal, and the decline to the moment the sinusoidal signal passes through zero from zero in the positive region to the negative. Further, the fronts and decays of rectangular pulses are formed at the moments when the positive half-wave of the sinusoidal information signal passes through zero.

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.The generated pulse sequence is fed to the second input of the time measuring circuit 8, which fixes the time between sending and receiving the probe pulse, converting the sequence of rectangular pulses generated by the comparator 6 into a digital code corresponding to the time taken by the acoustic path signal.

Затем по стробирующему импульсу (фиг.3г, t₂), поступающему на управляющий вход коммутатора 4, КОМ 4 подключает к ПУТ 5 первый 2 пьезоэлектрический преобразователь. ГЗИ 1 одновременно посылает сигнал (фиг.3а, t₂) на первый вход СИВ 8 и на вход первого 2 ПЭП (фиг.3б, t₂). Далее работа устройства повторяется.Then, according to the gating pulse (Fig. 3d, t ₂ ) supplied to the control input of the switch 4, KOM 4 connects to the PUT 5 the first 2 piezoelectric transducer. GZI 1 simultaneously sends a signal (figa, t ₂ ) to the first input of SIV 8 and to the input of the first 2 probes (fig.3b, t ₂ ). Further, the operation of the device is repeated.

По второму варианту заявленный ультразвуковой расходомер, реализующий заявленный способ измерения расхода жидких сред, работает следующим образом.According to the second embodiment, the claimed ultrasonic flow meter that implements the claimed method for measuring the flow rate of liquid media, operates as follows.

Под действием стробирующего импульса (фиг.4г, t₁) коммутатор 12 подключает к ПУТ 13 второй 11 пьезоэлектрический преобразователь. ГЗИ 16 одновременно посылает сигнал (фиг.4а, t₁) на первый вход схемы измерения времени 17 и на вход второго 11 пьезоэлектрического преобразователя (фиг.4в, t₁), который формирует ультразвуковой импульс, распространяющийся в исследуемой среде. Ультразвуковой импульс преодолевает измерительный участок и воспринимается первым 10 пьезоэлектрическим преобразователем, являющимся в данном случае приемником. Поскольку пьезоэлектрические преобразователи 10, 11 подключены к соответствующим входам-выходам управляемого коммутатора электродом в противоположной полярности по отношению к друг другу, то в результате на выходе первого 10 преобразователя формируется электрический сигнал в виде затухающих синусоидальных колебаний с положительной первой полуволной (фиг.4б, t₁), который через коммутатор 12 поступает в ПУТ 13 (фиг.4д, t₁). ПУТ 13 выделяет из сигнала высокочастотную составляющую и усиливает. Далее сигнал поступает на информационный вход компаратора 14 (фиг.4е, t₁). На входе установки опорного сигнала компаратора 14 схема формирования уровня 15 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 14 преобразует двуполярный синусоидальный сигнал в последовательность однополярных прямоугольных импульсов одинаковой амплитуды (фиг.4ж, t₁ t₂, t₃, t₄). При этом на выходе компаратора 14 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.Under the action of a gating pulse (Fig.4g, t ₁ ), the switch 12 connects to the PCB 13 the second 11 piezoelectric transducer. GZI 16 simultaneously sends a signal (Fig. 4a, t ₁ ) to the first input of the time measuring circuit 17 and to the input of the second 11 piezoelectric transducer (Fig. 4c, t ₁ ), which generates an ultrasonic pulse propagating in the medium under study. The ultrasonic pulse overcomes the measuring section and is perceived by the first 10 piezoelectric transducer, which in this case is the receiver. Since the piezoelectric transducers 10, 11 are connected to the corresponding inputs and outputs of the controlled switch by an electrode in opposite polarity with respect to each other, as a result, the output of the first 10 transducer generates an electric signal in the form of damped sinusoidal oscillations with a positive first half-wave (Fig.4b, t ₁ ), which through the switch 12 enters the PUT 13 (Fig.4d, t ₁ ). PUT 13 extracts a high-frequency component from the signal and amplifies it. Next, the signal is fed to the information input of the comparator 14 (Fig.4E, t ₁ ). At the input of the installation of the reference signal of the comparator 14, the level formation circuit 15 sets a predetermined level of the reference signal (Fig. 4h, t ₁ -t ₂ ). When the input signal exceeds the initial level of the reference level formation circuit changes the value of the level of the reference signal to zero (figs, t ₃ ). The comparator 14 converts a bipolar sinusoidal signal into a sequence of unipolar rectangular pulses of the same amplitude (Fig.4g, t ₁ t ₂ , t ₃ , t ₄ ). At the same time, at the output of the comparator 14, the first rectangular pulse is formed with a front that corresponds to the moment the signal is equal to the initial level of the reference signal, and the decline to the moment the sinusoidal signal passes through zero from zero in the positive region to the negative. Further, the fronts and decays of rectangular pulses are formed at the moments when the positive half-wave of the sinusoidal information signal passes through zero.

Формируемая последовательность импульсов поступает на второй вход схемы измерения времени 17, которая фиксирует время между отправкой и приемом зондирующего импульса, преобразуя формируемую компаратором 14 последовательность прямоугольных импульсов в цифровой код, соответствующий времени прохождения сигналом акустического тракта.The generated pulse train arrives at the second input of the time measuring circuit 17, which fixes the time between sending and receiving the probe pulse, converting the sequence of rectangular pulses generated by the comparator 14 into a digital code corresponding to the transit time of the acoustic path signal.

Затем по стробирующему импульсу (фиг.4г, t₂), поступающему на управляющий вход коммутатора 12, КОМ 12 подключает к ПУТ 13 первый 10 пьезоэлектрический преобразователь. ГЗИ 16 одновременно посылает сигнал (фиг.4а, t₂) на первый вход СИВ 17 и на вход первого 10 ПЭП (фиг.4б, t₂). Далее работа устройства повторяется.Then, according to the gating pulse (Fig. 4d, t ₂ ) supplied to the control input of the switch 12, KOM 12 connects the first 10 piezoelectric transducer to the PUT 13. GZI 16 simultaneously sends a signal (figa, t ₂ ) to the first input of the SIV 17 and to the input of the first 10 probes (fig.4b, t ₂ ). Further, the operation of the device is repeated.

По первому и второму вариантам расходомера для получения на выходе компаратора прямоугольной последовательности импульсов, максимально соответствующей истинной форме полезного синусоидального сигнала на информационном входе компаратора, нулевой уровень опорного сигнала устанавливают равным напряжению на информационном входе компаратора при отсутствии электрического синусоидального сигнала.According to the first and second versions of the flow meter, in order to obtain a rectangular pulse train at the output of the comparator that best matches the true shape of the useful sinusoidal signal at the information input of the comparator, the zero level of the reference signal is set equal to the voltage at the information input of the comparator in the absence of an electric sinusoidal signal.

Claims

1. The ultrasonic flow meter comprises a probe pulse generator, first and second piezoelectric transducers, a receiving-amplifying path, an inverter, a comparator, a controlled switch, a level generating circuit, a time measurement circuit, the output of which is the output of the device, while the piezoelectric transducers are identically connected to the first and the second inputs and outputs of the managed switch, the first input of which is connected to the output of the probe pulse generator, and the second input is the control, the output to the mutator is connected to the input of the receiving-amplifying path, the output of which through the inverter is connected to the information input of the comparator, in addition, the output of the probe pulse generator is connected to the first input of the time measurement circuit, the second input of which and the first input of the level formation circuit are connected to the output of the comparator, and the output the level forming circuit is connected to the input of the setting of the reference signal of the comparator, while the second input of the level forming circuit is the input of setting the circuit to its initial state.

2. The ultrasonic flow meter contains a probe pulse generator, first and second piezoelectric transducers, a receiving-amplifying path, a comparator, a controlled switch, a level formation circuit, a time measurement circuit, the output of which is the output of the device, while one of the piezoelectric transducers is connected to the corresponding inputs the outputs of the managed switch with an electrode of opposite polarity, relative to the other Converter, the first input of the managed switch is connected to the output an ode to the probe pulse generator, and the second input is the control one, the output of the switch is connected to the input of the receiver-amplifier path, the output of which is connected to the information input of the comparator, in addition, the output of the probe pulse generator is connected to the first input of the time measurement circuit, the second input of which is the first input level formation circuits are connected to the output of the comparator, and the output of the level formation circuit is connected to the installation input of the reference signal of the comparator, while the second input of the level formation circuit is is Busy input setting circuit to the initial state.