Акустичний витратомір

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения расхода жидкой среды и скорости потока в магистральных тр убопроводах. Известен акустический расходомер, содержащий кроме основного электроакустического тракта, корректирующий акустический канал, образующий совместно с усилителем и генератором, возбуждающим преобразователи, свое синхрокольцо, коммутатор, счетный триггер, первый интегратор, одно-вибратор, амплитудный модулятор, второй интегратор (Киясбейли А.Ш. и др. Частотно-временные ультразвуковые расходомеры и счетчики. - М.: Ма шиностроение, 1984. - С.15). В таких расходомерах преобразователи измерительного участка основного акустического тракта и корректирующего акустического канала возбуждаются одновременно с частотой "синхрокольца", а принятые импульсы через коммутатор поступают на триггер, с вы хода которого напряжение постоянной амплитуды и длительности осредняется первым интегратором, вырабатывающим напряжение которое подается на управляющий вход амплитудного модулятора. На другой вход амплитудного модулятора поступают импульсы тарированной длительности с частотой "синхрокольца". С выхода амплитудного модулятора импульсы, нормированные по частоте, амплитуде и длительности поступают на второй интегратор, выходное напряжение которого определяется выражением распространения одного из указанных сигналов вдоль указанного пути, средства, определяющие разность между временами распространения обоих указанных сигналов в противоположных направлениях, средства для формирования сигнала, соответствующего квадрату указанного времени распространения и средства для формирования сигнала пропорционального частному от деления на пропорционального скорости и приблизительно протекания среды в соответствии с отношением где длина указанного пути (Заявка Франции №2284119 (7527051), кл. G01P5/18, G01F1/66, опубл. 02.09.76, приоритет США №502518 от 03.09.74). Согласно описанию аналога "скорость протекания среды определяется путем измерения разности времен распространения через перемещающуюся среду двух ультразвуковых сигналов, которые распространяются одновременно в виде строго заданных серий, причем одна из серий распространяется по пути имеющем стандартную составляющую, совпадающую с направлением протекания среды, в то время как другая серия, идентичная первой, распространяется по пути, имеющем составляющую, противоположную направлению протекания среды. Время прохождения каждой серии через среду выражается в виде сдвига фаз". Чтобы избежать ошибки изменения расхода от изменения скорости распространения ультразвука в среде аналог содержит средства для формирования сигнала соответствующего квадрату указанного времени распространения и средства для формирования сигнала пропорционального и является осредненным для скорости потока независимо от скорости ультразвука в контролируемой среде. Однако существенным недостатком ультразвукового расходомера, работающего по принципу осреднения напряжения для скорости потока независимо от скорости распространения ультразвука, является наличие в нем, кроме основного электроакустического тракта, корректирующего акустического канала, что существенно усложняет конструкцию и сдерживает практическое применение расходомера. Кроме сложности устройства известного аналога ему присуща недостаточная точность коррекции из-за участия возб уждающего генератора в синхропроцессах, организованных на основе импульсной схемы "синхрокольца" и наличие преобразователей второго электроакустического тракта. Известен ультразвуковой расходомер, содержащий пару преобразователей, которые расположены на магистрали таким образом, чтобы между этими преобразователями образовался путь распространения энергии, одна из составляющих которой излучается в аксиальном направлении, а другая составляющая в попеременном направлении по отношению к магистрали, средства передачи, которые посредством указанных преобразователей обеспечивают одновременную передачу пары одинаковых сигналов в противоположных направлениях вдоль указанного пути, средства приема, которые принимают сигналы указанных преобразователей, средства формирующие сигнал, соответствующий времени частному от деления и приблизительно пропорционального скорости протекания среды в соответствии с о тношением где - длина пути распространения. Однако, формула изобретения признает приблизительную пропорциональность скорости частному от деления и в соответствии с вышеприведенным отношением уменьшает, но не исключает изменение скорости распространения ультразвука от температуры и солевого состава среды и по этой причине вносит погрешность в измерение, что является существенным недостатком расходомера. Кроме того электронная схема измерителя расходомера громоздка, сложна функционально, емка по элементной базе, что также является недостатком и сдерживает практическую реализацию расходомера. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является акустический расходомер, содержащий два обратимых электроакустических преобразователя, установленных на противоположных стенках трубопровода, возбуждающий генератор, формирователь стробимпульсов, подавитель шума, двухканальную схему стробирования, каждый канал которой содержит последовательно соединенные линию задержки, формирователь строб-импульсов, ключ и усилитель, подключенные первыми входами ключей к выходам формирователя строб-импульсов, последовательно соединенного с третьей линией задержки, а выходы ключей подключены к входам линий задержки соответствующи х каналов, триггер, подключенный входом к второму выходу возбуждающего генератора, схему 2И-2ИЛИ, первый и второй входы элементов которой подключены соответственно к потенциальным выходам линий задержки двухканальной схемы стробирования, третий вход - к входу триггера, а выход - к первому входу третьей линии задержки, второй вход которой подключен к выходу триггера, оперативное запоминающее устройство, подключенное выходом к цифровому преобразователю, при этом первый и второй обратимые электроакустические преобразователи соединены с выходами усилителей двухканальной схемы стробирования и через подавитель шумов низкого уровня - с первым выходом возбуждающего генератора, преобразователь временных интервалов, суммирующий счетчик объемного расхода, индикатор мгновенного объемного расхода, аналоговый преобразователь и двухканальный синхропроцессор, каждый канал которого содержит автоциркулятор пилообразного напряжения, причем первые входы автоциркуляторов пилообразного напряжения подключены к выходам соответствующего ключа двухканальной схемы стробирования, их вторые входы подключены к выходу преобразователя временного интервала, а выходы - к входам оперативного запоминающего устройства, второй, третий и четвертый выходы которого подключены соответственно к входам суммирующего счетчика объемного расхода, индикатора мгновенного объемного расхода и аналогового преобразователя, при этом вход преобразователя временных интервалов подключен к выходу ключа и входу первой линии задержки (А.с. SU №1462109, кл. G01F1/66, Бюл. №8, 1989). Точностные характеристики расходомеров являются первостепенным фактором их оценки. Поэтому расходомеры, в которых погрешность обусловлена нестабильностью скорости распространения ультразвука в измеряемой среде, ограничены в практическом применении. Рассматриваемый в качестве прототипа акустический расходомер не учитывает изменение скорости распространения ультразвука в среде, например, из-за изменения температуры среды, ее солевого состава. В результате, по этой причине, прототипу присуща ошибка измерений 3 - 4%. В основе изобретения лежит задача создания акустического расходомера, в котором введение нового конструктивного признака обеспечивает устранение погрешности, вносимой в выходной сигнал измерения изменением скорости распространения ультразвука в среде, что повышает точность измерения. Поставленная задача решается тем, что в акустический расходомер, содержащий два обратимых электроакустических преобразователя, установленных на противоположных стенках трубопровода, возбуждающий генератор, формирователь строб-импульсов, подавитель шума, двухканальную схему стробирования, каждый канал которой содержит последовательно соединенные линию задержки, формирователь строб-импульсов, ключ и усилитель, подключенные первыми входами ключей к выходам формирователя строб-импульсов, последовательно соединенного с третьей линией задержки, а выходы ключей подключены к входам линий задержки соответствующи х каналов, триггер, подключенный входом к второму выходу возбуждающего генератора, схему 2И-2ИЛИ, первый и второй входы элементов которой подключены соответственно к потенциальным выходам линий задержки двухканальной схемы стробирования, третий вход к входу триггера, а выход - к первому входу третьей линии задержки, второй вход которой подключен к выходу триггера, оперативное запоминающее устройство, подключенное выходом к цифровому преобразователю, при этом первый и второй обратимые электроакустические преобразователи соединены с выходами усилителей двухканальной схемы стробирования и через подавители шумов низкого уровня - с первым выходом возбуждающего генератора, преобразователь временных интервалов, суммирующий счетчик объемного расхода, индикатор мгновенного объемного расхода, аналоговый преобразователь и двухканальный синхропроцессор, каждый канал которого содержит автоциркулятор пилообразного напряжения, причем первые входы автоциркуляторов пилообразного напряжения подключены к выходам соответствующе го ключа двухканальной схемы стробирования, их вторые входы подключены к выходу преобразователя временного интервала, а выходы - к входам оперативного запоминающего устройства, второй, третий и четвертый вы ходы которого подключены соответственно к входам суммирующего счетчика объемного расхода, индикатора мгновенного объемного расхода и аналогового преобразователя, при этом вход преобразователя временных интервалов подключен к выходу ключа и входу первой линии задержки, согласно изобретению введен автоматический регулятор опорного напряжения, подключенный установочным входом к второму выходу возбуждающего генератора, двумя другими входами к выходам ключей двухканальной схемы стробирования, а выходом - к третьему входу оперативного запоминающего устройства. В результате использования данного изобретения обеспечивается получение технического результата, заключающегося в устранении погрешности, вносимой в выходной сигнал измерения изменением скорости распространения ультразвука в среде путем автоматического отслеживания опорным напряжение за ее изменением. При помощи автоматического регулятора опорного напряжения отслеживание за изменением скорости распространения ультразвука в среде осуществляется накоплением регулятором потенциала опорного напряжения в каждом периоде возбуждения электроакустических преобразователей, записи этого потенциала на одном из входов ячеек памяти оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), сопоставлением с потенциалом накапливаемого напряжения действующем на других входах этих ячеек, при этом где - половина временного интервала между принятыми сигналами в направлении потока и против него; - разностный временной интервал; - время распространения ультразвука подлине базы измерения по потоку; - минимальное время распространения ультразвука по длине базы измерения Момент достижения уровня отображается импульсом (см. фиг.4, графики В случае увеличения распространения ультразвука скорости разностный временной интервал где скорость потока, уменьшается, уменьшается и время накопления потенциала а следовательно, и уровень и наоборот, при уменьшении скорости распространения ультразвука увеличивается и а, следовательно, и уровень Таким образом, потенциал и потенциал впрямую зависят от скорости распространения ультразвука. При наступлении равенства этих потенциалов выдается импульс объемного расхода весом Сопоставим отношение в тре х точках диапазона скорости распространения ультразвука в среде. В расчета х принято Из приведенных в таблице данных видно, что погрешность измерений от нестабильности скорости распространения ультразвука не превышает 0,24%, т.е. при изменении времени и разностного временного интервале автоматически изменяется уровень в то время как погрешность временных схем лежит в пределах 4,8% (Киясбейли А.Ш. Частотновременные ультразвуковые расходомеры и счетчики. - М.: Ма шиностроение, 1984. - С.14). Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена функциональная схема акустического расходомера; на фиг.2 - времяимпульсная диаграмма стробирования принимаемых сигналов; на фиг.3 - временные диаграммы формирования автоциркуляторами пилообразных напряжений; на фиг.4 - временные диаграммы накопления ячейками памяти потенциалов на фиг.5 - временные диаграммы накопления регулятором опорного напряжения Расходомер содержит электроакустический тракт 1 с накладными электроакустическими преобразователями 2, 3, установленными на противоположных стенках тр убопровода, подключенными через подавители шумов низкого уровня 4 к возбуждающему генератору 5, двухканальную схему стробирования 6, каждый канал которой состоит из последовательно соединенных первой 7 и второй 8 линий задержки, первого 9 и второго 10 формирователей стробимпульсов, ключей 11, 12 и приемных усилителей 13, 14 соответственно, подключенную входами приемных усилителей 13, 14 к электроакустическим преобразователям 2, 3, при этом выходы ключей 11, 12 соединены со входами линий задержки 7, 8, формирователь строб-импульсов 15, последовательно соединенный с третьей линией задержки 16, подключенный выходами к первым входам ключей 11, 12, триггер 17 подключенный входом к второму выходу возбуждающего генератора 5, а выходом к установочному входу линии задержки 16, логическую схему "2И-2ИЛИ" 18, подключенную первыми входами к второму выходу возбуждающего генератора 5, вторыми входами - к потенциальным выходам линий задержки 7, 8, а выходом - ко второму входу линии задержки 16, преобразователь временных интервалов 19, подключенный первым входом к выходу ключа 11, вторым входом - к выходу ключа 12 двухканальной схемы стробирования 6, двухканальный синхропроцессор 20, каждый канал которого содержит по автоциркулятору пилообразного напряжения 21, 22, подключенному первыми входами: один - к выходу ключа 11, другой - к выходу ключа 12 двухканальной схемы стробирования 6, а вторыми входами - к выходу преобразователя временных интервалов 19, оперативное запоминающее устройство 20, подключенное первым входом к выходу автоциркулятора 21, вторым входом к выходу автоциркулятора 22, цифровой преобразователь 24, аналоговый преобразователь 25, суммирующий счетчик объемного расхода 26, индикатор мгновенного объемного расхода 27, подключенный входами к выходам оперативного запоминающего устройства 23, автоматический регулятор опорного напряжения 28, подключенный первым входом к выходу ключа 11, вторым входом к выходу ключа 12 двухканальной схемы стробирования 6, установочным входом - ко второму выходу возбуждающего генератора 5, а выходом - к третьему входу оперативного запоминающего устройства 23, содержащего ячейки памяти 29, 30. Акустический расходомер работает следующим образом. В исходном состоянии закрыты ключи 11, 12 двухканальной схемы стробирования 6, триггер 17 в состоянии логического "0", на первых входах элементов "И" логической схемы "2И-2ИЛИ" 18, соединенных с потенциальными выходами линий задержки 7, 8 - высокие уровни, а на вторых входах - низкие, синхропроцессор 20, оперативное запоминающее устройство 23 и автоматический регулятор опорного напряжения 28 - в состоянии покоя, В некоторый момент времени импульс возбуждающего генератора 5 через подавители шумов низкого уровня 4 одновременно возбуждает электроакустические преобразователи 2, 3, акустические колебания которых распространяются встречно от одного излучателя к другому. С моментом возбуждения электроакустических преобразователей 2, 3, возбуждающий генератор 5 вырабатывает импульс "начало посылки акустических волн", который с его второго выхода установит в состояние логической единицы триггер 17, автоматический регулятор опорного напряжения 28 - в состояние накопления опорного напряжения (см. фиг.5, графики Накопление происходит токами равной силы, т.е. С единичного выхода триггера 17 на одном из входов линии задержки 16 установится высокий уровень, поэтому импульс "начало посылки акустических волн", через вторые входы элементов "И" логической схемы "2И-2ИЛИ" 18 с выхода последней, изменит состояние линии задержки 16 на время (см. графики по истечении которого эта линия примет предыдущее состояние, а формирователь строб-импульсов 15 выработает импульсы длительностью (см. фиг.2, график которые предназначены для стробирования сигналов, принятых из потока в момент пуска расходомера и в моменты сбоев в процессе его работы, т.е. линия задержки 16 и формирователь 15 включаются только в эти моменты. С выхода формирователя 15 строб-импульсы длительностью установят ключи 11, 12 двухканальной схемы стробирования 6 в состояние проводимости. По истечении времени с момента излучения акустических волн в поток, где (см. фиг.2, график импульс, принятый по потоку, пройдет открытый ключ 11 и с его выхода изменит состояние линии задержки 7 на время изменит состояние преобразователя временных интервалов 19 на время (см. фиг.3, график установит в состояние формирования первого восходящего фронта автоциркулятором пилообразных напряжений 21 синхропроцессор 20 (см. фиг.3, график За время автоматический регулятор опорного напряжения 28 накопит потенциал опорного напряжения опорного напряжения. Импульс, принятый по потоку, отключает ток накопления а импульс, принятый против потока, отключает ток накопления До момента приема импульса по потоку, т.е. в течение временного интервала накопление опорного напряжения происходит суммарным током а с момента приема этого импульса только током Но поскольку ток накопления уменьшается в 2 раза, то и скорость накопления замедляется в 2 раза (см. фиг.5, 2 - я диаграмма, участок графика поэтому за разностный временной интервал автоматический регулятор опорного напряжения 28 увеличит потенциал опорного напряжения только на величину что равноценно 1/2 разностного временного интервала если бы это накопление производилось суммой токов По истечении времени момента излучения ультразвука в поток, где импульс, принятый против потока, пройдет открытый ключ 12 и с его выхода переведет автоматический регулятор опорного напряжения 28 в состояние записи уровня накопленного опорного напряжения которое с выхода последнего, через вход оперативного запоминающего устройства 23 приложено к входным цепям опорного напряжения ячеек памяти 29, 30 ОЗУ. По окончании записи уровня автоматический регулятор опорного напряжения 28 переводится в исходное состояние. Кроме того, принятый против потока сигнал с выхода ключа 12 изменит состояние линии при этом трубопровода. - уровень исходный при где - диаметр который принят за В случае отсутствия потока, когда время распространения ультразвука встречно направленного, равно между собой, т.е. а (см. фиг.5, график диаграмма 1). При наличии потока, когда время распространения ультразвука против потока причем Скорость потока в одном случае ускоряет время распространения ультразвука в другом случае замедляет Чтобы при наличии потока в каждом периоде зондирования контролируемой среды получить чистое время распространения ультразвука, достаточно длительность их распространения по потоку, увеличить на разностного временного интервала В заявленном расходомере это выражение реализуется через опорное напряжение вырабатываемое автоматическим регулятором задержки 8 на время установит в состояние формирования первого восходящего фронта автоциркулятор пилообразных напряжений 22 (см. фиг.3, график С потенциальных выходов линий задержки 7, 8 в течение и временных задержек линиями 7, 8 принятых из потока сигналов, закрыты элементы "И" логической схеми "2И-2ИЛИ" 18, а автоциркуляторы пилообразных напряжений 21, 22 формируют первые восходящие фронты. Длительность формирования определяется: для автоциркулятора пилообразных напряжений 21 временем а для автоциркулятора пилообразных напряжений 22 - временем, равным По истечении времени с момента запуска преобразователя временных интервалов 19 последний выдает импульс, который переключит автоциркуляторы пилообразных напряжений 21, 22 из состояния формирования первых восходящих фронтов, зеркально отображаемых с формированием первых ниспадающих фронтов (см. фиг.3, графики При отсутствии потока, когда длительность формирования восходящих и ниспадающих фронтов автоциркулятора пилообразных напряжений 21 равна длительности формирования восходящих и ниспадающих фронтов автоциркулятора пилообразных напряжений 22, а временная разность между импульсами на выходе автоциркуляторов за формирований При наличии потока, когда за формирований восходящих и ниспадающих фронтов автоциркуляторов 21, 22 временная разность между импульсами на выходе автоциркуляторов равняется и определяется скоростью потока и количеством формирований. С выхода автоциркулятора пилообразного напряжения 22, импульс заданного количества формирований, установит ячейку памяти 29 оперативного запоминающего устройства 23, в состояние накопления потенциалов (см. фиг.4, график момент 1), а спустя время импульс заданного количества формирований автоциркулятора пилообразного напряжения 21 переключит эту ячейку в состояние запоминания накопленного потенциала. По истечении времени с момента первого возбуждения электроакустических преобразователей 2, 3, следующий импульс "начало посылки акустических волн" с второго выхода генератора 5 вновь установит автоматический регулятор опорного напряжения 28 в состояние накопления суммарных токов опорного напряжения а импульс, принятый по потоку, переведет автоматический регулятор опорного напряжения 28 в состояние донакопления этого напряжения до уровня только током Донакопление происходит в течение разностного временного интервала (см. фиг.5, график диаграмма 2, участок Импульс, принятый против потока, переводит автоматический регулятор опорного напряжения 28 в состояние записи уровня который через вход оперативного запоминающего устройства 23 приложен к входным цепям опорного напряжения ячеек памяти 29, 30 ОЗУ и который является исходным для сравнения с напряжением (см. фиг.4, графики накапливаемого этими ячейками. По окончании записи уровня автоматический регулятор опорного напряжения 28 переводится в исходное состояние. По истечении времени (см. фиг.2, график с момента приема второго сигнала по потоку, импульс линии задержки 7 запустит формирователь 9, а по истечении времени с момента приема второго сигнала против потока, импульс линии задержки 8 запустит формирователь 10, строб-импульсы длительностью которых установят в состояние проводимости ключи 11, 12 соответственно (см. фиг.2, графики С выхода ключа 11 сигнал, принятый по потоку, вновь изменит состояние линии задержки 7 на время одновременно изменит состояние преобразователя временных интервалов 19 на время и установит автоциркулятор 21 в состояние формирований восходящих и ниспадающих фронтов, в которых длительность одного формирования а с выхода ключа 12 сигнал, принятый против потока, вновь изменит состояние линии задержки 8 на время задаст автоцирулятору 22 состояние формирований восходящих и ниспадающих фронтов, в которых длительность одного формирования равна За формирований с момента приема сигнала против потока автоциркулятор 22 выдаст импульс, который опять установит на время ячейку 29 оперативного запоминающего устройства 23 в состояние накопления потенциала, по истечении которого импульс автоциркулятора 21 переведет ячейку в состояние запоминания накопленного потенциала (см. фиг.4, график момент 2). Ячейки 29, 30 работают поочередно, а накапливаемые ими потенциалы (см. фиг.4, графики ограничены уровнем опорного напряжения который в каждом периоде распространения акустических волн прямо пропорционален длительности их распространения, представляющий собой сумму Чем выше скорость распространения ультразвука, тем меньше уровень накапливаемый автоматическим регулятором опорного напряжения 28, отнесенный к единице объемного расхода весом и наоборот. Таким образом, изменение скорости на величину компенсируется изменением на величину т.е. в расходомере реализована электронная компенсация погрешности измерения. Таким образом, введение в известный расходомер автоматического регулятора опорного напряжения позволяет устранить погрешность, вносимую в выходной сигнал измерения изменением скорости распространения ультразвука в среде и за счет этого повысить точность измерения.