ПАТЕНТОВЕДЕНИЕ. Аналогом пм является Патент 2248526
 Скачать 343.64 Kb.
|
|
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является устройство по Патент № 2160887 от 23.06.1999 Автор(ы): Лукьянова Т.П., Семенович А.В., Григорович В.В., Рябцев А.В., Лукьянов А.Д., Лебедев А.Г. являющееся прототипом ПМ. Ультразвуковой времяимпульсный расходомер содержит измерительный участок трубопровода с закрепленными на нем двумя пьезоэлектрическими преобразователями, включенными в соответствующие синхрокольца, состоящие из последовательно соединенных коммутатора, усилителя, компаратора, схема ИЛИ и первого одновибратора, выход которого соединен с входом второго одновибратора, а также через две схемы И с входами соответственно первого и второго формирователей зондирующих импульсов (ФЗИ). Пьезоэлектрические преобразователи подключены к выходам соответствующих ФЗИ и соответствующим входам коммутатора, третий вход которого связан с вторыми входами схем И и выходом устройства микропроцессорного управления (ЭВМ). Для адаптации порога срабатывания компаратора к уровню принимаемого сигнала в расходомер введены последовательно соединенные третья схема И, счетчик импульсов, регистр последовательного приближения, вычитающее устройство и ЦАП. Изобретение обеспечивает повышение надежности в работе и точности измерения расхода жидких сред. Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения расходов различных жидких сред Недостатком прототипа, так же, как и аналогов, является низкая надежность и повышенная погрешность определения скорости потока измеряемой жидкости из-за наличия фиксированного порога срабатывания формирователя импульсов. При фиксированном пороге срабатывания происходят срывы автоциркуляции импульсов, а время задержки в электронных цепях формирователя импульсов изменяется при изменении амплитуды принимаемых импульсов в широких пределах, что увеличивает погрешность измерения. Задача настоящего изобретения - создание ультразвукового расходомера, в котором путем адаптации порога срабатывания компаратора к уровню принимаемого сигнала повышается надежность работы и точность измерения расхода жидкости. Задача решается тем, что в ультразвуковой расходомер, содержащий измерительный участок трубопровода с калиброванным сечением и закрепленными на нем двумя обратимыми сопряженными пьезоэлектрическими преобразователями, включенными в соответствующие синхрокольца, состоящие из последовательно соединенных коммутатора, усилителя, компаратора, схемы ИЛИ и первого одновибратора, выход которого соединен со входом второго одновибратора, а также через две схемы И с входами соответственно первого и второго формирователей зондирующих импульсов, а пьезоэлектрические преобразователи подключены к выходам соответствующих формирователей зондирующих импульсов и соответствующим входам коммутатора, третий вход которого связан с вторыми входами схем И и выходом устройства микропроцессорного управления, второй выход которого соединен с вторым входом схемы ИЛИ, а вход подключен к выходу второго одновибратора и второму входу компаратора, введены последовательно соединенные третья схема И, счетчик импульсов, регистр последовательного приближения, вычитающее устройство и цифроаналоговый преобразователь, выход которого соединен с третьим входом компаратора, причем вход третьей схемы И связан с выходом счетчика импульсов, второй вход схемы И соединен с выходом второго одновибратора, а второй вход счетчика связан с вторым входом регистра последовательного приближения и вторым выходом устройства микропроцессорного управления, третий выход которого соединен с третьим входом регистра последовательного приближения, второй выход которого подключен к второму входу устройства микропроцессорного управления, четвертые выходы которого подсоединены к вторым входам вычитающего устройства. Формула изобретения Ультразвуковой расходомер, содержащий измерительный участок трубопровода с калиброванным сечением и закрепленным на нем двумя обратимыми сопряженными пьезоэлектрическими преобразователями, включенными в соответствующие синхрокольца, состоящие из последовательно соединенных коммутатора, усилителя, компаратора, схемы ИЛИ и первого одновибратора, выход которого соединен с входом второго одновибратора, а также через две схемы И с входами соответственно первого и второго формирователей зондирующих импульсов, а пьезоэлектрические преобразователи подключены к выходам соответствующих формирователей зондирующих импульсов и соответствующим входам коммутатора, третий вход которого связан с вторыми входами схем И и выходом устройства микропроцессорного управления, второй выход которого соединен с вторым входом схемы ИЛИ, а вход подключен к выходу второго одновибратора и второму входу компаратора, отличающийся тем, что в него введены последовательно соединенные третья схема И, счетчик импульсов, регистр последовательного приближения, вычитающее устройство и цифроаналоговый преобразователь, выход которого соединен с третьим входом компаратора, причем вход третьей схемы И связан с выходом счетчика импульсов, второй вход схемы И - с выходом второго одновибратора, а второй вход счетчика импульсов - с вторым входом регистра последовательного приближения и вторым выходом устройства микропроцессорного управления, третий выход которого соединен с третьим входом регистра последовательного приближения, второй выход которого подключен к второму входу устройства микропроцессорного управления, четвертые выходы которого подсоединены к вторым входам вычитающего устройства  Устройство работает в двух режимах: "Калибровка" и "Измерение". В режиме "Калибровка" происходит адаптация порога чувствительности компаратора 6 к уровню принимаемого сигнала. После этого следует режим "Измерение", при котором происходит измерение суммарного времени распространения N импульсов в электроакустическом тракте. В режиме "Калибровка" устройство микропроцессорного управления 14 на своем первом выходе формирует команду направления излучения, например, лог. "0", которая поступает на третий вход коммутатора 4 и вторые входы схем И 10 и 11, подготавливается расходомер для излучения и приема зондирующих импульсов против потока. При этом одновибратор 8 через схему И 11 подключается к входу формирователя зондирующих импульсов 13, а пьезоэлектрический преобразователь 2 через коммутатор 4 подключается к входу усилителя 5. Временные диаграммы работы расходомера в режиме "Калибровка" представлены на фиг. 2, а-г. После этого устройство микропроцессорного управления 14 на своих втором и третьем выходах формирует соответственно сигналы запуска (фиг. 2,б) и калибровки (фиг. 2,а), причем сигнал запуска поступает на вход сброса счетчика импульсов 16, тактовый вход регистра последовательного приближения 17 и второй вход схемы ИЛИ 7, а сигнал калибровки поступает на стартовый вход регистра последовательного приближения 17. По этим сигналам обнуляется счетчик импульсов 16 и начинается цикл преобразования регистра последовательного приближения 17, при этом на выходе старшего разряда Qn появляется напряжение низкого уровня, на всех остальных - высокого уровня. На четвертом выходе устройство микропроцессорного управления 14 формирует нулевой код, который поступает на второй вход вычитающего устройства 18. Таким образом, выходной код регистра последовательного приближения 17 через вычитающее устройство 18 без изменений поступает на вход цифроаналогового преобразователя 19, который формирует соответствующее аналоговое напряжение, поступающее на пороговый вход компаратора 6. Это напряжение на первом такте преобразования равно половине диапазона изменения сигнала на выходе усилителя 5. Как указывалось выше, импульс запуска с второго выхода устройства микропроцессорного управления 14 через схему ИЛИ 7 поступает на вход одновибратора 8, который формирует короткий импульс, поступающий через схему И 11 на вход формирователя зондирующих импульсов 13. Последний формирует мощный импульс, поступающий на вход пьезоэлектрического преобразователя 3, который преобразует электрический сигнал в акустический и излучает его в измеряемую жидкость. Пьезоэлектрический преобразователь 2 принимает акустический сигнал, преобразует его в электрический, который через коммутатор 4 поступает на вход усилителя 5. Принятый сигнал имеет форму радиоимпульса. Усиленный сигнал поступает на вход компаратора 6, где сравнивается с пороговым уровнем, задаваемым цифроаналоговым преобразователем 19. В случае превышения амплитуды сигнала порогового уровня на выходе компаратора 6 появляется импульс, который через схему ИЛИ 7 поступает на вход одновибратора 8, формирующего короткий импульс, который снова через схему И 11 поступает на вход формирователя зондирующих импульсов 13 и процесс автоциркуляции в синхрокольце продолжается. Одновременно короткий импульс с выхода одновибратора 8 поступает на вход одновибратора 9, который формирует сигнал строба длительностью, не превышающей время распространения сигнала в измеряемой жидкости (фиг. 2,в). Этот сигнал поступает на вход запрета компаратора 6 и запрещает его работу после прохождения первой полуволны входного радиоимпульса, что необходимо для защиты от помех. Сигнал строба с выхода одновибратора 9 через схему И 15 поступает также на тактовый вход счетчика импульсов 16. Под действием этих импульсов происходит заполнение счетчика 16 и в момент его переполнения формируется выходной сигнал - лог "1", который поступает на вход последовательных данных регистра 17 и первый вход схемы И 15, запрещая дальнейшее прохождение импульсов строба на вход счетчика 16. Если первоначально установленный на выходе цифроаналогового преобразователя 19 порог превышает амплитуду сигнала на входе компаратора 6, то процесс автоциркуляции в синхрокольце не происходит и, следовательно, импульсы строба на выходе одновибратора 9 не формируются, счетчик 16 остается незаполненным и его выходной сигнал также не формируется. Через время, необходимое для полного заполнения счетчика 16, устройство микропроцессорного управления 14 формирует на своем втором выходе следующий сигнал запуска. По этому сигналу обнуляется счетчик 16, а по входу последовательных данных регистра 17 записывается в старший разряд выходной сигнал счетчика 16 в зависимости от того был ли заполнен счетчик 16 или нет. Кроме того, на выходе последующего старшего разряда Qn-1 регистра 17 появляется напряжение низкого уровня, а на всех последующих младших разрядах остается напряжение высокого уровня. Таким образом, пороговое напряжение на входе компаратора 6 изменяется. Импульс запуска через схему ИЛИ 7 поступает также и на одновибратор 8 и процесс автоциркуляции импульсов в синхрокольце возобновляется, но уже при новом значении порогового напряжения на входе компаратора 6. Далее расходомер работает вышеописанным способом и в результате в регистре 17 устанавливается значение кода в разряде Qn-1. Аналогичным образом по известному принципу работы регистра последовательного приближения устанавливаются значения кода во всех остальных младших разрядах регистра 17, причем общее число тактов импульсов запуска равно количеству разрядов регистра 17. По окончании цикла преобразования на втором выходе регистра 17 формируется отрицательный перепад напряжения (фиг. 2,г), поступающий на второй вход устройства микропроцессорного управления 14. По этому сигналу устройство микропроцессорного управления 14 на четвертом выходе формирует код, поступающий на второй вход вычитающего устройства 18, который вычитается из выходного кода регистра 17. Выходной код вычитающего устройства 18 преобразуется в цифроаналоговом преобразователе 19 в аналоговое напряжение и поступает на пороговый вход компаратора 6. Таким образом, в регистре последовательного приближения 17 формируется код, соответствующий амплитуде сигнала на входе компаратора 6, а пороговое напряжение, формируемое цифроаналоговым преобразователем 19, заведомо меньше амплитуды сигнала при реально существующих в данный момент условиях эксплуатации на величину помехозащищенности, т.е. пороговый уровень адаптирован к реально существующей амплитуде входного сигнала. Это приводит к невозможности срыва процесса автоциркуляции при изменении в условиях эксплуатации расходомера физико-химических параметров измеряемой жидкости и, следовательно, изменении уровня принимаемого сигнала, что повышает надежность работы устройства. Кроме того, подстройка порога срабатывания к амплитуде принимаемого сигнала позволяет сделать время задержки в электронных цепях компаратора постоянной величиной, не зависящей от амплитуды принимаемого сигнала, что повышает точность измерения расходомера. После этого следует режим "Измерение", при котором происходит измерение суммарного времени распространения N импульсов в электроакустическом тракте при излучении импульсов в том же направлении, при котором происходит режим "Калибровка". Временные диаграммы работы расходомера в режиме "Измерение" представлены на фиг. 2, д-и.  В этом режиме устройство микропроцессорного управления 14 на втором выходе формирует сигнал запуска, поступающий через схему ИЛИ 7 на вход одновибратора 8, который вырабатывает короткие импульсы заданной длительности (фиг. 2, з). Импульсы с выхода одновибратора 8 через схему И 11 подаются на формирователь зондирующих импульсов 13, вырабатывающий мощный импульс заданной формы (фиг. 2, д), который поступает на передающий преобразователь 3. Принятый пьезоэлектрическим преобразователем 2 входной сигнал через коммутатор 4 и усилитель 5 поступает на вход компаратора 6 (фиг. 2,е), где сравнивается с раннее установленным в режиме "Калибровка" пороговым уровнем. На выходе компаратора 6 формируются импульсы превышения амплитуды входного сигнала над пороговым значением (фиг. 2,ж), которые через схему ИЛИ 7 поступают на вход одновибратора 8 и начинается процесс автоциркуляции импульсов в синхрокольце. Одновременно короткий импульс с выхода одновибратора 8 поступает на вход одновибратора 9, который формирует сигнал строба (фиг. 2,и), поступающий на вход запрета компаратора 6 и запрещает его работу после прохождения первой полуволны входного радиоимпульса, что повышает помехозащищенность расходомера. Сигнал с выхода одновибратора 9 поступает также на первый вход устройства микропроцессорного управления 14, которое измеряет время распространения пачки из N зондирующих импульсов против потока: Tn1=NT1. После этого расходомер переходит в режим "Калибровка", а затем режим "Измерение" при излучении зондирующих импульсов по потоку измеряемой жидкости. Для этого устройство микропроцессорного управления 14 формирует на первом выходе команду направления излучения по потоку (лог. "1"), которая в этом случае подключает одновибратор 8 через схему И 10 к входу формирователя зондирующих импульсов 12, а пьезоэлектрический преобразователь 3 через коммутатор 4 подключается к входу усилителя 5, подготавливая расходомер для излучения и приема зондирующих импульсов по потоку измеряемой жидкости. Затем расходомер в режимах "Калибровка" и "Измерение" работает аналогично вышеописанному при излучении зондирующих импульсов против потока. В результате устройство микропроцессорного управления 14 измеряет время распространения пачки из N зондирующих импульсов по потоку измеряемой жидкости: Tn2 = NT2 После измерения времени распространения против потока Tn1 и по потоку Tn2 устройство микропроцессорного управления 14 осуществляет обработку результатов измерения и вычисление по измеренным значениям интервалов времени по обоим направлениям расхода жидкости по вышеприведенной формуле. Затем процесс калибровки и измерения времени распространения зондирующих импульсов по обоим направлениям повторяется и т.д. Таким образом, ультразвуковой расходомер обеспечивает высокую надежность работы и измерения расхода жидкости с малой погрешностью в случае изменения в условиях эксплуатации физико-химических параметров измеряемой жидкости и чувствительности пьезоэлектрических преобразователей. |