Ультразвуковое устройство определения профиля скорости потока и расхода жидкости
Предлагаемое техническое решение относится к области ультразвуковой измерительной техники, в частности, к устройствам для измерения параметров потока жидких сред в трубопроводах. Техническим результатом заявляемой полезной модели является расширение функциональных возможностей устройства определения расхода жидкости. Технический результат достигается тем, что в устройство, содержащие ультразвуковые преобразователи, один из которых соединен через коммутационный блок с выходным усилителем модуля передачи, а другой через коммутационный блок с входным усилителем и аналого-цифровым преобразователем модуля приема, микроконтроллер, кварцевый генератор тактовых импульсов, индикатор, запоминающее устройство, блок питания, отличающееся тем, что дополнительно введены формирователь импульсов, вход которого соединен с микроконтроллером, а выход с выходным усилителем, буферное оперативное запоминающее устройство, вход которого соединен с аналого-цифровым преобразователем, а выход с микроконтроллером, и модуль быстрого преобразования Фурье, соединенный с микроконтроллером.
Полезная модель относится к области ультразвуковой измерительной техники, в частности, к устройствам для измерения параметров потока жидких сред в трубопроводах.
Известно устройство, реализующее способ определения профиля скорости потока жидкости в сечении трубопровода [1]. Устройство состоит из пары ультразвуковых преобразователей, механизма перемещения преобразователей и электронной схемы определения разности времени прохождения сигнала по и против потока. Способ определения профиля скорости потока заключается в том, что с помощью ультразвукового излучения измеряют среднюю скорость потока по определенным направлениям через определенные углы относительно центральной оси, определяют зависимость скорости от угла, рассчитывают по уравнениям Салами зависимость скорости от угла по тем же направлениям, сравнивают полученную зависимость с расчетными, выбирают из расчетных зависимостей ту, которая наиболее близка к полученной экспериментально, находят соответствующее ей определенное аналитическое уравнение Салами, которое и будет описывать профиль потока данной жидкости в данном трубопроводе с высокой точностью. Недостатком известного устройства являются ограниченные функциональные возможности, необходимость механического перемещения датчиков и большие трудозатраты.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство, реализующее способ измерения времени распространения звукового сигнала в текучей среде и способ измерения скорости потока текучей среды [2]. Устройство по данному изобретению состоит из ультразвукового преобразователя, действующего в качестве передающего устройства, и второго преобразователя, действующего в качестве приемного устройства и расположенным на фиксированном расстоянии от первого преобразователя, соединенного через коммутационный блок с цифроаналоговым преобразователем (ЦАП) с выходным усилителем в передатчике и входным усилителем с аналого-цифровой преобразователь (АЦП) в приемнике; микроконтроллером с кварцевым генератором тактовых импульсов, соединенного с устройством ввода-вывода (интерфейс RS-232 и индикатор) и блоком питания. В изобретении звуковой сигнал, передаваемый первым преобразователем, состоит по меньшей мере из одного импульса, передаваемого на заранее определенной звуковой частоте Fa , а звуковой сигнал, принимаемый вторым преобразователем, содержит серию характеристический колебаний, амплитуда которых вначале растет на протяжении нескольких периодов, а затем уменьшается на протяжении нескольких последующих периодов, огибающая характеристических колебаний имеет колокообразную форму, причем
способ состоит из выборки принимаемого сигнала с частотой выборки F e, преобразования в цифровую форму выборочного принимаемого звукового сигнала и поиска первого значащего перехода через ноль характеристических колебаний принимаемого звукового сигнала посредством анализа выбираемого и преобразуемого в цифровую форму принимаемого звукового сигнала. Недостатком прототипа является ограниченные функциональные возможности, обусловленные недостаточным быстродействием, вследствие того, что сигналы управления ЦАП и АЦП микроконтроллеру приходится обрабатывать одновременно, что снижает быстродействие. Так же описанное выше устройство служит для измерения интегральной скорости потока, но не позволяет оценить неоднородность потока.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является расширение функциональных возможностей устройства определения расхода жидкости. Технический результат достигается тем, что в устройство, содержащие ультразвуковые преобразователи, один из которых соединен через коммутационный блок с выходным усилителем модуля передачи, а другой через коммутационный блок с входным усилителем и аналого-цифровым преобразователем модуля приема, микроконтроллер, кварцевый генератор тактовых импульсов, индикатор, запоминающее устройство, блок питания, отличающееся тем, что дополнительно введены формирователь импульсов, вход которого соединен с микроконтроллером, а выход с выходным усилителем, буферное оперативное запоминающее устройство, вход которого соединен с аналого-цифровым преобразователем, а выход с микроконтроллером, и модуль быстрого преобразования Фурье, соединенный с микроконтроллером.
Введение формирователя импульсов и буферного оперативного запоминающего устройства позволило увеличить быстродействие и разрешение оцифровки ультразвукового сигнала в устройстве. Введение модуля быстрого преобразования Фурье позволило вычислять спектр сигнала, и по характеристикам спектра ультразвукового сигнала восстанавливать информацию о профиле скорости потока жидкости и расход жидкости.
На фиг.1 показана блок-схема заявляемого ультразвукового устройства определения профиля скорости потока и расхода жидкости. Устройство состоит из электронной схемы, которая связана с двумя ультразвуковыми преобразователями 1 и 2, расположенньми на расстоянии друг от друга в трубопроводе 3 по которому протекает текучая среда (жидкость). Два преобразователя 1 и 2 соединены с коммутационным блоком 4, который включает в себя два переключателя 5 и 6, позволяющих использовать каждый преобразователь в качестве передающего устройства и в качестве приемного устройства поочередно. Модуль передачи 10 и модуль приема 14 соединены соответственно с переключателями 5 и б, коммутационного блока 4. Модуль передачи 10 содержит выходной усилитель 8 и "формирователь импульсом 9. Модуль приема содержит входной усилитель 11, аналого-
цифровой преобразователь 12, который осуществляет преобразование в цифровую форму принимаемого сигнала и передачу данных в буферное оперативно запоминающее устройство 13. Формирователь импульсов 9 и буферное оперативно запоминающее устройство 13 соединены с микроконтроллером 16. Микроконтроллер 16 включает в себя кварцевый генератор тактовых импульсов 19, запоминающее устройство 17 и способен взаимодействовать с модулем быстрого преобразования Фурье 18 и устройством ввода-вывода 15 (индикатор, RS-232).
На фиг.2 представлена диаграмма, изображающая временную форму излучаемого ультразвукового сигнала p(t), где t - время в мкс.
На фиг.3 представлена диаграмма, изображающая спектр излучаемого ультразвукового сигнала S(f), где f - частота сигнала в МГц.
На фиг.4 представлена диаграмма изображающая, спектр принимаемого ультразвукового сигнала S(f), где пунктиром показан спектр сигнала, распространяющийся по потоку, сплошной линией - спектр сигнала, распространяющийся против потока.
Устройство работает следующим образом. Управляющий сигнал от микроконтроллера 16, подается на формирователь импульсов 9, который формирует одиночный прямоугольный импульс. Сигнал усиливается выходным усилителем 8 и через коммутационный блок 4 подается на ультразвуковой преобразователь 1, который в данном цикле является излучателем. Импульсный сигнал излучается ультразвуковым преобразователем 1 в трубопровод и принимается ультразвуковым преобразователем 2, который в данном цикле является приемником, сигнал с которого через коммутационный блок 4 подается на входной усилитель 11 для его оцифровки в аналого-цифровом преобразователе 12. Данные оцифровки накапливаются в буферном оперативно-запоминающем устройстве 13. По завершению оцифровки, микроконтроллер передает данные из буферного оперативного запоминающего устройства 13 в модуль быстрого преобразования Фурье, где вычисляется спектр полученного сигнала и запоминается в запоминающем устройстве 17. Затем по сигналу микроконтроллера происходит переключение коммутационного блока 4, ультразвуковой преобразователь 2 становится излучателем, а ультразвуковой преобразователь 1 - приемником. Повторяется аналогичный цикл, по окончании которого в запоминающем устройстве 17 хранятся два спектра сигналов - при потоке по направлению и против распространения ультразвука.
Форма и спектр ультразвукового импульса, излучаемого в трубопровод, вследствие волноводного распространения ультразвукового сигнала между стенками трубопровода в неоднородном потоке на приемном преобразователе зависят от профиля потока и определяются суперпозицией сигналов, распространяющихся под разными углами, сигнал
представляет собой сумму нормальных волн (мод). Скорость распространения каждой из мод и, соответственно, относительное положение локальных максимумов в спектре, определяются профилем скорости потока жидкости. Разница между скоростями распространения мод позволяет определить профиль скорости потока. С изменением профиля изменяются углы изгиба лучей и соответственно время распространения сигнала между излучателем и приемником.
По характеристикам спектров ультразвукового сигнала (положения характерных максимумов) восстанавливается информация о профиле скорости потока жидкости и расход жидкости.
Источники информации:
1. Способ определения профиля скорости потока жидкости в сечении трубопровода. Пат. РФ №2142642 C1, G 01 P 5/00 G 01 F 1/66, 1997.
2. Способ измерения времени распространения звукового сигнала в текучей среде и способ измерения скорости потока текучей среды. Пат. РФ №2182335, С2 G 01 P 5/24 G 01 F 1/66, 1997.
Устройство, содержащие ультразвуковые преобразователи, один из которых соединен через коммутационный блок с выходным усилителем модуля передачи, а другой через коммутационный блок с входным усилителем и аналого-цифровым преобразователем модуля приема, микроконтроллер, кварцевый генератор тактовых импульсов, индикатор, запоминающее устройство, блок питания, отличающееся тем, что дополнительно введены формирователь импульсов, вход которого соединен с микроконтроллером, а выход с выходным усилителем, буферное оперативное запоминающее устройство, вход которого соединен с аналого-цифровым преобразователем, а выход с микроконтроллером и модуль быстрого преобразования Фурье, соединенный с микроконтроллером.
