Ультразвуковой расходомер

Полезная модель относится к ультразвуковым расходомерам, которые могут быть использованы для измерения объемного расхода жидкостей, газов, газожидкостных смесей и жидкостей, содержащих нерастворенные твердые частицы. Ультразвуковой расходомер, содержащий измерительную камеру, установленную в потоке текучей среды, N - пар входных и выходных датчиков, установленных на измерительной камере, возбудитель, первое коммутирующее устройство, соединенное с датчиками и возбудителем и установленное между датчиками и возбудителем с возможностью выборочного соединения датчиков с возбудителем, причем возбудитель поочередно возбуждает каждый входной и выходной датчик, приемник, соединенный с первым коммутирующим устройством, первое коммутирующее устройство, установленное с возможностью соединения каждого датчика с приемником, и второе коммутирующее устройство, соединенное с возбудителем и приемником. Коммутирующие устройства выполнены в виде ключей Г-образной структуры, непосредственно с выходом возбудителя соединено согласующее сопротивление (Z1), непосредственно к входу приемника включено согласующее сопротивление (Z2), приблизительно равное (Z1), сопротивление любого ключа (Rкл) много меньше согласующих сопротивлений (Z1, Z2), причем согласующие сопротивления по величине не превышают утроенное сопротивление датчиков согласно соотношению Rкл<<Z1Z2<3|Zдатчика|, первое коммутирующее устройство выполнено в виде 2N ключей, количество которых равно количеству датчиков и каждый ключ соединен последовательно с одним датчиком, все последовательно соединенные с датчиками ключи включены (соединены) в одну точку, которая является точкой соединения еще, по меньшей мере, двух ключей второго коммутирующего устройства, первый из которых подключен к выходу возбудителя с согласующим сопротивлением (Z1), а второй - ко входу приемника с согласующим сопротивлением (Z2). 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

Полезная модель относится к ультразвуковым расходомерам, которые могут быть использованы для измерения объемного расхода жидкостей, газов, газожидкостных смесей и жидкостей, содержащих нерастворенные твердые частицы.

Известно устройство для прохождения сигналов ультразвуковой частоты через контролируемую среду в трубопроводе, содержащее источник сигналов ультразвуковой частоты, как минимум «N» - управляемых ключей, как минимум «M» - первых ультразвуковых пьезоэлектрических преобразователей, установленных на трубопроводе с контролируемой средой и подсоединенных своими соответствующими выводами к соответствующим выводам одних из, как минимум, «» - соответствующих управляемых ключей, «M» - вторых ультразвуковых пьезоэлектрических преобразователей, установленных на трубопроводе с контролируемой средой и подсоединенных своими соответствующими выводами к соответствующим вторым выводам других из, как минимум, «N» - соответствующих управляемых ключей, усилитель, схему управления, подсоединенную своими соответствующими выходами к соответствующим управляющим входам, как минимум «N» - управляемых ключей, и к входу источника сигналов ультразвуковой частоты, причем устройство снабжено схемой развязки, подсоединенной своим входом к выходу источника сигналов ультразвуковой частоты и своим выходом к соответствующим первым выводам, как минимум, «N» - управляемых ключей и к входу усилителя (заявка на изобретение РФ 2012107407, G01F 1/66, 2012 г.).

Недостатком устройства является значительная погрешность измерения расхода. Этот недостаток вызван различием группового времени задержки (далее ГВЗ) прохождения сигналов по и против потока контролируемой среды в трубопроводе при отсутствии движения контролируемой среды. Указанная погрешность обусловлена тем, что выход схемы развязки непосредственно соединен с входом усилителя. Зондирующий сигнал большой по отношению к принятому амплитуды воздействует на вход усилителя и, следовательно, вызывает его насыщение. В результате увеличивается нелинейность усилителя, что в свою очередь, приводит к возникновению неидентичности ГВЗ акустических сигналов, направляемых по и против потока текучей среды, а значит, увеличивается погрешность измерения расхода. Кроме того, в устройстве не предусмотрены средства согласования выходного сопротивления схемы развязки с входным сопротивлением ультразвуковых пьезоэлектрических преобразователей. Рассогласование указанных сопротивлений между собой приводит к возникновению отличия ГВЗ сигналов, направленных по и против потока контролируемой среды, как минимум, пропорционального разности сопротивлений пьезоэлектрических преобразователей. Кроме того, рассогласование выходного сопротивления схемы развязки и входного сопротивления пьезоэлектрических преобразователей приводит к снижению коэффициента передачи сигнала от схемы развязки до усилителя расходомера, а следовательно - к ухудшению соотношения сигнал/шум на выходе усилителя и увеличению как минимум случайной составляющей погрешности измерения расхода. Погрешность формирования ГВЗ сигналов по и против потока контролируемой среды (при неподвижной среде) приводит к увеличению систематической составляющей погрешности измерения расхода, которая для времяимпульсных расходомеров прямо пропорциональна разности ГВЗ сигналов, направленных по и против потока при неподвижной среде.

Известна передающая и приемная схема для ультразвукового расходомера, содержащая по меньшей мере два ультразвуковых измерительных преобразователя (TR1, TR2), установленных для передачи и приема ультразвуковых сигналов в противоположных направлениях на измерительном участке, источник сигналов для управляемой генерации электрических сигналов для передачи на ультразвуковые измерительные преобразователи (TR1, TR2), средства детектирования для получения замеров времени передачи, необходимых для расчета расхода, который нужно измерить, усилитель, имеющий первый инвертирующий вход для соединения с одним ультразвуковым измерительным преобразователем (TR1, TR2), второй неинвертирующий вход для соединения с источником сигнала, выход для соединения со средствами детектирования, цепь обратной связи (Z2) между выходом и первым входом, а также переключающие средства (S1, S2) для поочередного функционального соединения одного из ультразвуковых измерительных преобразователей (TR1, TR2) с первым входом усилителя. В других вариантах схемы измерительный преобразователь (TR1, TR2) соединен последовательно с одним переключающим средством (S1, S2), эти соединенные последовательно измерительный преобразователь и переключающее средство (TR1, S1; TR2, S2) включены параллельно; либо измерительный преобразователь (TR1, TR2) функционально соединен с первым входом усилителя и включен между первым входом усилителя и источником опорного напряжения; либо измерительный преобразователь (TR1, TR2) функционально соединен с первым входом усилителя и включен между первым входом усилителя и источником опорного напряжения. Каждый измерительный преобразователь (TR1, TR2) соединен параллельно с одним переключающим средством (S1, S2), эти соединенные параллельно измерительный преобразователь и переключающее средство (TR1, S1; TR2, S2) включены последовательно. В схеме используется ультразвук с частотой 500 кГц - 2 МГц. В схеме используется измерительная труба с N-измерительными преобразователями, где N> или =2. (патент РФ 2200938, G01F 1/66, 2003 г).

Недостатком передающей и приемной схемы для ультразвукового расходомера является существенное отличие ГВЗ сигналов, направленных по и против потока контролируемой среды на измерительном участке. Указанное отличие ГВЗ обусловлено тем, что измерительные преобразователи так или иначе включены в цепь обратной связи усилителя (приемника). Комплексные сопротивления измерительных преобразователей неизбежно отличаются друг от друга. Поэтому амплитуда формируемых зондирующих сигналов, которая в зависимости от схемы включения TR1 и TR2 оказывается либо пропорциональной, либо обратно пропорциональной сопротивлению преобразователей, неизбежно будет различной для сигналов, направляемых по и против потока контролируемой среды. Различие амплитуд зондирующих сигналов в силу неидеальности (наличия нелинейности) усилителя приведет к возникновению разности времен задержки формируемых зондирующих сигналов, а значит - к увеличению смещения нуля расходомера и росту погрешности измерения расхода.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является ультразвуковой расходомер, содержащий измерительную камеру, установленную в потоке текучей среды, N - пар входных и выходных датчиков, установленных на измерительной камере, возбудитель, первое коммутирующее устройство, соединенное с датчиками и возбудителем и установленное между датчиками и возбудителем с возможностью выборочного соединения датчиков с возбудителем, причем возбудитель поочередно возбуждает каждый входной и выходной датчик, приемник, соединенный с первым коммутирующим устройством, первое коммутирующее устройство, установленное с возможностью соединения каждого датчика с приемником, и второе коммутирующее устройство, соединенное с возбудителем и приемником. Измерительная камера выполнена в виде муфты. Коммутирующие устройства выполнены в виде мультиплексоров. В других вариантах: второй выходной датчик связан со вторым входным датчиком, первый возбудитель установлен с возможностью выборочного соединения со вторым входным датчиком, и со вторым выходным датчиком, первый возбудитель возбуждает второй входной датчик и второй выходной датчик; второй возбудитель, связан со вторыми входным и выходным датчиками; второй мультиплексор, соединен со вторыми входным и выходным датчиками (патент РФ 2449248, G01F 1/66, 2012 г.).

Недостатком схемы является недостаточно высокая точность измерения за счет смещения нуля расходомера и значительного уровня шума. Указанное смещение нуля возникает из-за отсутствия средств выравнивания выходного сопротивления возбудителя и входного сопротивления приемника, которые поочередно, с помощью второго коммутирующего устройства подключаются к датчикам. Комплексные сопротивления датчиков не идентичны. Анализируя прохождение сигнала от выхода возбудителя до входа приемника средствами теории четырехполюсников можно показать, что при неподвижной контролируемой среде минимум разности времен задержки сигналов по и против потока достигается в случае равенства выходного сопротивления возбудителя и входного сопротивления приемника. Разность времен задержки при неподвижной контролируемой среде определяет смещение нуля расходомера, а, следовательно, и погрешность измерения расхода контролируемой среды. Таким образом, неравенство выходного сопротивления возбудителя и входного сопротивления приемника увеличивает погрешность измерения расхода контролируемой среды.

Задачей, решаемой полезной моделью, является повышение точности измерения расхода, как за счет снижения систематической составляющей погрешности (за счет значительного уменьшения смещения нуля) так и за счет снижения случайной составляющей погрешности (т.е. за счет снижения уровня шума).

Поставленная задача решается в ультразвуковом расходомере, содержащем измерительную камеру, установленную в потоке текучей среды, N-пар входных и выходных датчиков, установленных на измерительной камере, возбудитель, первое коммутирующее устройство, соединенное с датчиками и возбудителем и установленное между датчиками и возбудителем с возможностью выборочного соединения датчиков с возбудителем, причем возбудитель поочередно возбуждает каждый входной и выходной датчик, приемник, соединенный с первым коммутирующим устройством, первое коммутирующее устройство, установленное с возможностью соединения каждого датчика с приемником, и второе коммутирующее устройство, соединенное с возбудителем и приемником, коммутирующие устройства выполнены в виде ключей Г-образной структуры, непосредственно с выходом возбудителя соединено согласующее сопротивление (Z1), непосредственно к входу приемника подключено согласующее сопротивление (Z2), приблизительно равное (Z1), сопротивление любого ключа (Rкл) много меньше согласующих сопротивлений (Z1, Z2), причем согласующие сопротивления по величине не превышают утроенное сопротивление датчиков согласно соотношению Rкл<<Z1Z2<3|Zдатчика|, первое коммутирующее устройство выполнено в виде 2N ключей, количество которых равно количеству датчиков и каждый ключ соединен последовательно с одним датчиком, все последовательно соединенные с датчиками ключи включены (соединены) в одну точку, которая является точкой соединения еще двух ключей второго коммутирующего устройства, первый из которых подключен к выходу возбудителя с согласующим сопротивлением (Z1), а второй - ко входу приемника с согласующим сопротивлением (Z2).

Согласующее сопротивление (Z1) может быть соединено последовательно с выходом возбудителя и первым ключом второго коммутирующего устройства.

Согласующее сопротивление (Z1) может быть соединено параллельно с выходом возбудителя, который подключен к первому ключу второго коммутирующего устройства.

Согласующее сопротивление (Z2) может быть соединено последовательно с входом приемника и вторым ключом второго коммутирующего устройства.

Согласующее сопротивление (Z2) может быть соединено параллельно с входом приемника, который подключен ко второму ключу второго коммутирующего устройства.

Выполнение коммутирующих устройств в виде ключей Г-образной структуры увеличивает степень изоляции разомкнутых выводов ключа, что позволяет снизить уровень помех на выходе разомкнутого ключа. Это, в свою очередь, уменьшает уровень шума на выходе приемника. Кроме того, каждый из датчиков расходомера является объемным резонатором, то есть каждый из датчиков способен запасать значительное количество акустической энергии. В результате после завершения зондирующего сигнала датчик продолжает формировать постепенно затухающий паразитный гармонический сигнал, скорость затухания которого определяется величиной добротности датчика. Указанный паразитный сигнал имеет спектр, практически совпадающий со спектром полезного сигнала в тракте расходомера, то есть находится в полосе пропускания фильтров приемника, поэтому его частотная селекция не представляется возможной. Увеличение затухания сигнала в разомкнутых ключах Г-образной структуры снижает уровень проникающего через разомкнутый ключ паразитного сигнала, тем самым снижается уровень помехи от паразитного сигнала на входе приемника, следовательно улучшается соотношение сигнал/помеха на выходе приемника. Наличие второго коммутирующего устройства, выполненного в виде ключей, соединенных последовательно с выходом возбудителя и с входом приемника, обеспечивает защиту приемника от воздействия зондирующего сигнала большой амплитуды, то есть повышает линейность приемника и способствует достижению идентичного ГВЗ сигналов, принятых по и против потока контролируемой среды. Таким образом, вклад приемника в смещение нуля расходомера окажется минимальным даже при приеме сигналов с небольшим относительно зондирующего сигнала временем задержки.

Согласующее сопротивление (Z1) включено последовательно непосредственно с выходом возбудителя, если (Z1) соединено с возбудителем, который содержит усилитель напряжения с низким выходным сопротивлением, и согласующее сопротивление (Z1) включено параллельно непосредственно к выходу возбудителя, если возбудитель содержит усилитель с высоким выходным сопротивлением. Согласующее сопротивление (Z2) включено параллельно входу приемника, если приемник имеет большое собственное входное сопротивление, согласующее сопротивление (Z2) включено последовательно с входом приемника, если приемник имеет низкое входное сопротивление. Величину выходного сопротивления возбудителя и входного сопротивления приемника следует при оценивании соотносить с величиной сопротивления датчика.

Последовательное или параллельное соединение согласующих сопротивлений (Z1, Z2) зависит соответственно от собственного сопротивления на выходе возбудителя и на входе приемника, как было доказано выше. Добавление согласующих сопротивлений Z1 и Z2 обеспечивает выравнивание выходного сопротивления возбудителя и входного сопротивления приемника. Равенство указанных сопротивлений является необходимым условием обеспечения равенства ГВЗ сигналов, направляемых по и против потока жидкости в измерительной камере, то есть минимизирует погрешность измерения, обусловленную смещением нуля расходомера. Кроме того, согласующие сопротивления (Z1, Z2) оказываются общими для сигналов, направляемых по и против потока контролируемой среды. Таким образом, неизбежно имеющееся отличие (Z1) от (Z2) оказывает минимальное влияние на разность ГВЗ сигналов, направляемых по и против потока текучей среды. Сопротивление любого ключа (Rкл), которое для ключей, выполненных на транзисторах, является величиной существенно нелинейной, должно быть много меньше согласующих сопротивлений (Z1, Z2) для того, чтобы его нелинейность не влияла на смещение нуля расходомера.

Увеличение согласующего сопротивления Z1<<Z2<3|Zдатчика|, приводит к улучшению соотношения согласующего линейного сопротивления с паразитным и нелинейным сопротивлением замкнутого ключа. С другой стороны коэффициент затухания сигнала в разомкнутом ключе обратно пропорционален величине согласующего сопротивления, которое, с точки зрения коэффициента передачи помех на вход приемника, выступает для ключа в роли нагрузки. Кроме того, увеличение согласующего сопротивления в диапазоне выше сопротивления датчиков приводит к снижению коэффициента передачи сигнала с выхода возбудителя на вход приемника. Таким образом, увеличение согласующего сопротивления (сверх величины сопротивления датчиков) ведет к снижению смещения нуля расходомера за счет роста линейности системы и, с другой стороны, увеличивает уровень шума на выходе приемника. То есть снижает систематическую погрешность измерения расхода за счет увеличения случайной погрешности измерения. В таком случае для величины согласующего сопротивления имеет место оптимум, ограниченный снизу величиной в несколько сопротивлений ключа, а сверху - величиной в несколько сопротивлений датчика. В пределах указанного оптимума сохраняется приемлемый для работы расходомера коэффициент передачи сигнала с выхода возбудителя на вход приемника, и, следовательно, приемлемое соотношение сигнал/шум при обеспечении достаточной степени линейности суммы сопротивления замкнутого ключа и согласующего сопротивления.

Структура коммутирующего устройства расходомера выполнена таким образом, что все ключи в каждом канале прохождения сигнала от выхода возбудителя к входу приемника включены последовательно: по одному ключу последовательно с каждым входным и выходным датчиком плюс общий ключ последовательно с выходом возбудителя плюс общий ключ на входе приемника. При измерении времени задержки по и против потока оказывается, что сигнал проходит через четыре общих для каждого канала зондирования последовательно включенных ключа. Таким образом, при направлении сигнала по и против потока используется один и тот же «набор» ключей, меняется только порядок прохождения сигналом ключей, включенных последовательно с датчиками. В результате неизбежно существующее различие сопротивлений ключей оказывает минимальное влияние на величину разности ГВЗ сигналов, направляемых по и против потока жидкости, то есть на смещение нуля расходомера.

Проведенные патентные исследования показали, что предложенное техническое решение является новым. Испытания опытного образца показали, что данное техническое решение промышленно применимо.

На рис. 1 представлена функциональная схема ультразвукового расходомера с одним акустическим каналом, в котором согласующее сопротивление Z1 включено последовательно с выходом возбудителя, а согласующее сопротивление Z2 подключено параллельно входу приемника;

- на рис. 2 представлена функциональная схема ультразвукового расходомера с одним акустическим каналом, в которой согласующее сопротивление Z1 включено параллельно выходу возбудителя, а согласующее сопротивление Z2 включено последовательно с входом приемника;

- на рис. 3 представлена функциональная схема ультразвукового расходомера с одним акустическим каналом, в которой согласующее сопротивление Z1 включено последовательно с выходом возбудителя и согласующее сопротивление Z2 включено последовательно с входом приемника;

- на рис. 4 представлена функциональная схема ультразвукового расходомера с одним акустическим каналом, в которой согласующее сопротивление Z1 подключено параллельно с выходом возбудителя и согласующее сопротивление Z2 подключено параллельно к входу приемника;

- на рис. 5 в качестве примера представлена функциональная схема ультразвукового расходомера с тремя акустическими каналами;

- на рис. 6 в качестве примера приведен ключ с Г-образной структурой.

Ультразвуковой расходомер (рис. 1) содержит измерительную камеру 1, установленную в потоке текучей среды 2, возбудитель 3, приемник 4, первое согласующее сопротивление 5 (Z1), второе согласующее сопротивление 6 (Z2), второе коммутирующее устройство, состоящее из двух ключей 7 и 8, первое коммутирующее устройство, состоящее из N пар ключей 9 и 10, входные датчики 11 и выходные датчики 12, процессор 13. Согласующее сопротивление 5 (Z1) может быть соединено последовательно с выходом возбудителя 3 и первым ключом 7 второго коммутирующего устройства (рис. 1, 3). Согласующее сопротивление 5 (Z1) может быть соединено параллельно с выходом возбудителя 3, который подключен к первому ключу 7 второго коммутирующего устройства (рис. 2, 4). Согласующее сопротивление 6 (Z2) может быть соединено последовательно с входом приемника 4 и вторым ключом 8 второго коммутирующего устройства (рис. 2, 3). Согласующее сопротивление (Z2) может быть соединено параллельно с входом приемника 4, который подключен ко второму ключу 8 второго коммутирующего устройства (рис. 1, 4).

Каждая пара, состоящая из входного и выходного датчика, образует один акустический канал. Возбудитель 3 может быть выполнен в виде синтезатора сигнала, управляемого командами процессора 13, с возможностью фильтрации и усиления формируемого сигнала. Возбудитель 3 может быть реализован в виде устройства, обеспечивающего фильтрацию и усиление сигналов в аналоговой форме, сформированных процессором 13. Приемник 4 может быть выполнен в виде усилителя напряжения с низким уровнем собственного шума, оборудованного средствами фильтрации (например - полосовой) принятого сигнала. Приемник 4 может быть оборудован средствами регулирования усиления под управлением процессора 13. Измерительная камера 1 может быть выполнена любым образом, например, в виде прямого цилиндра, на котором под углом к оси цилиндра установлены датчики 11 и 12. При этом в каждом акустическом канале расходомера пара датчиков 11 и 12 может быть расположена как напротив друг друга, обеспечивая приемопередачу акустического сигнала прямого прохождения, так и с возможностью приемопередачи отраженного, в том числе и неоднократно, акустического сигнала. Акустические каналы многоканального расходомера (то есть расходомера, содержащего более одной пары датчиков, N>1) могут быть расположены как в одной плоскости (сечении измерительной камеры), так и в нескольких, в том числе пересекающихся плоскостях (сечениях). Процессор 13 может быть выполнен в виде автономного процессора с необходимым периферийным оборудованием, микропроцессора, микроконтроллера, цифрового процессора обработки сигналов, программируемой логической микросхемы (ПЛИС), специализированной интегральной микросхемы или любого другого подобного устройства.

На рис. 1, 2, 3 и 4 представлены расходомеры с одним акустическим каналом, содержащим один входной датчик 11 и один выходной датчик 12. На рис. 5 представлен расходомер с тремя акустическими каналами, первый акустический канал образован входным датчиком 11.1 и выходным датчиком 12.1, второй -датчиками 11.2 и 12.2, третий - датчиками 11.3 и 12.3 соответственно. При этом первое коммутирующее устройство 9 и 10 состоит из трех пар ключей 9.1, 9.2, 9.3 и 10.1, 10.2, 10.3 соответственно. На рис. 6 приведен пример ключа Г-образной структуры.

Ультразвуковой расходомер работает следующим образом. В каждом акустическом канале расходомер поочередно выполняет измерение времени задержки сигнала в направлении по потоку текучей среды (Т1), затем -против потока текучей среды (Т2). Кроме того, расходомер рассчитывает или измеряет разность времен задержки акустического сигнала (Т) с помощью процессора 13. Процедура измерения величин {Т1, Т2, Т} повторяется с максимально возможным темпом, например, десятки раз в секунду. Полученные результаты измерения подвергаются в процессоре 13 постобработке, включающей в себя фильтрацию. По полученным отфильтрованным величинам {Т1, Т2, T} для каждого акустического канала и известным геометрическим размерам измерительной камеры расходомер рассчитывает величину объемного расхода текучей среды.

Рассмотрим процедуру измерения времени задержки сигнала по потоку (Т1) в первом акустическом канале, образованном первым входным 11 и выходным 12 датчиками первого акустического канала. Процессор 13 формирует зондирующий сигнал. При этом сигналы управления ключами сформированы процессором 13 таким образом, что ключи 7 и 9 замкнуты, остальные ключи разомкнуты. Сформированный возбудителем 3 зондирующий сигнал через замкнутые ключи поступает на входной датчик 11. Входной датчик 11 преобразует электрический сигнал в акустический и направляет акустический сигнал в первом акустическом канале через текучую среду в сторону выходного датчика 12. По окончании формирования зондирующего сигнала процессор 13 формирует сигналы управления ключами таким образом, что ключи 7 и 9 размыкаются, а ключи 8 и 10 - замыкаются. В силу того, что ключ 8 во время формирования зондирующего сигнала был разомкнут, приемник 4 не подвергается перегрузке.

Явление увлечения акустических колебаний потоком среды приводит к тому, что скорость перемещения акустического сигнала оказывается равной сумме скорости звука в среде и проекции скорости потока на ось первого акустического канала.

Достигнув выходного датчика 12, акустический сигнал преобразуется в электрическую форму. Через замкнутые ключи 10, 8 принятый электрический сигнал поступает на вход приемника 4. Пройдя приемник 4, усиленный и отфильтрованный принятый сигнал поступает на вход процессора 13, который осуществляет необходимую обработку сигнала и обеспечивает измерение времени задержки сигнала по потоку текучей среды (Т1). Затем процессор 13 формирует сигналы управления ключами так, что ключ 8 размыкается, ключ 7 - замыкается, ключ 10 - остается замкнутым. Остальные ключи - разомкнуты. Процедура измерения времени задержки повторяется с той разницей, что электрический сигнал преобразуется в акустический и направляется в первый акустический канал выходным датчиком 12, в направлении против потока. Принятый входным датчиком 11 акустический сигнал преобразуется в электрический и поступает через ключи 9, 8 и приемник 4 на вход процессора 13. В результате обработки принятого сигнала процессором 13 будет получена величина времени задержки сигнала против потока текучей среды (Т2), а совместная обработка принятых по и против потока сигналов позволит получить величину . Полученный набор мгновенных результатов измерения {Т1, Т2, } первого акустического канала подвергается обработке в процессоре 13, который вычисляет расход текучей среды.

Для расходомеров с количеством акустических каналов более одного, например, три акустических канала и N=3 (рис. 5), измерение происходит в каждом акустическом канале поочередно. После завершения измерения в последнем акустическом канале, процесс измерения повторяется циклически, начиная с первого канала. В результате можно получить массив, например из трех мгновенных результатов измерения {Т1, Т2, }₁, {Т1, Т2, }₂, {Т1, Т2, }₃. Все эти результаты измерений используются одновременно при расчете объемного расхода процессором 13. При расчете объемного расхода процессор 13 использует наряду с полученными массивами информацию о геометрических размерах как измерительной камеры 1 в целом, так и каждого акустического канала в частности. Завершив единичное измерение в первом акустическом канале процессор 13 циклически повторяет процедуру измерения {Т1, Т2, }_i для оставшихся акустических каналов. Отличие процесса измерения от описанного заключается только в том, что при зондировании и приеме процессор формирует сигналы управления ключами 9.2÷10.N таким образом, что поочередно происходит замыкание ключей, соединенных с датчиками работающего в данный момент акустического канала расходомера. При этом во время измерения Т1 в каждом акустическом канале к возбудителю 3 во время формирования зондирующего сигнала подключается входной датчик соответствующего акустического канала, а прием осуществляется с выходного датчика того же акустического канала. Во время измерения Т2 к возбудителю 3 подключается выходной датчик соответствующего акустического канала, а к приемнику 4 - входной датчик этого же канала.

Поставленная задача по снижению погрешности измерения расхода решается за счет того, что величины согласующих сопротивлений (Z1) и (Z2) выбирают таким образом, чтобы выходное сопротивление возбудителя с учетом подключенного к его выходу согласующего сопротивления (Z1) - (например, Rв+Z1) оказалось максимально близко к входному сопротивлению приемника (например, Rпр||Z2) с учетом подключенного к входу приемника согласующего сопротивления (Z2). В частности, если использовать возбудитель с низким собственным выходным сопротивлением, а в качестве приемника - усилитель с высоким выходным сопротивлением, оптимальным окажется Z1=Z2. Анализ передачи сигнала от возбудителя к приемнику при условии неподвижности среды в измерительной камере расходомера, то есть в предположении об эквивалентной электрической схеме, в которой между датчиками включена линия задержки с задержкой Т1=Т2=Т, показывает следующее. Минимум разности времен задержки (Т1-Т2) будет достигнут в случае равенства выходного сопротивления возбудителя с учетом подключенного (Z1) входному сопротивлению приемника с учетом подключенного (Z2). Например, (Rв+Z1)=(Rпр||Z2). То есть смещение нуля расходомера в таком случае окажется минимальным. Кроме того, если выбрать [(Rв+Z1)=(Rпр||Z2)]Zдатчика, коэффициент передачи сигнала от возбудителя к приемнику, в канале, образованном из возбудителя, ключей, датчиков, среды в измерительной камере и приемника окажется максимальным при условии соблюдения неравенства Rкл<<Rдатчика.

Реализация комплексных согласующих сопротивлений Z1 и Z2, содержащих реактивности, компенсирующие реактивную составляющую сопротивления датчиков, позволяет минимизировать бесполезное для передачи мощности падение напряжения на реактивности датчиков, следовательно, увеличить мощность передаваемого от выхода возбудителя на вход приемника сигнала.

Таким образом, можно достичь заметного улучшения соотношения сигнал/шум. Использование сложных ключей с Г-образной структурой увеличивает затухание сигнала в разомкнутом ключе, и, следовательно, минимизирует вклад шума возбудителя и помех, возникающих из-за накопления энергии в датчиках (которые являются объемными резонаторами), в уровень шума на выходе приемника. То есть усложнение структуры ключей в составе расходомера приводит к уменьшению как случайной составляющей погрешности измерения, обусловленной шумом, так и систематической погрешности измерения расхода, обусловленной паразитными акустическими сигналами, которые формируются за счет запаса энергии в формировавшем зондирующий сигнал датчике. Выбор величины согласующего сопротивления в указанном динамическом диапазоне между сопротивлением ключа и несколькими сопротивлениями датчика позволяет оптимизировать линейность тракта, состоящего из возбудителя, ключей, согласующих сопротивлений, датчиков и приемника, сохраняя при этом приемлемый коэффициент передачи сигнала от возбудителя к приемнику, то есть - хорошее соотношение сигнал/шум на выходе приемника. Линейность тракта обеспечивает необходимую для минимизации смещения нуля расходомера идентичность ГВЗ сигналов, направленных по и против потока жидкости, а хорошее соотношение сигнал/шум - минимизирует случайную составляющую погрешности измерения расхода.

1. Ультразвуковой расходомер, содержащий измерительную камеру, установленную в потоке текучей среды, N - пар входных и выходных датчиков, установленных на измерительной камере, возбудитель, первое коммутирующее устройство, соединенное с датчиками и возбудителем и установленное между датчиками и возбудителем с возможностью выборочного соединения датчиков с возбудителем, причем возбудитель поочередно возбуждает каждый входной и выходной датчик, приемник, соединенный с первым коммутирующим устройством, первое коммутирующее устройство, установленное с возможностью соединения каждого датчика с приемником, и второе коммутирующее устройство, соединенное с возбудителем и приемником, отличающийся тем, что коммутирующие устройства выполнены в виде ключей Г-образной структуры, непосредственно с выходом возбудителя соединено согласующее сопротивление (Z1), непосредственно к входу приемника включено согласующее сопротивление (Z2), приблизительно равное (Z1), сопротивление любого ключа (Rкл) много меньше согласующих сопротивлений (Z1, Z2), причем согласующие сопротивления по величине не превышают утроенное сопротивление датчиков согласно соотношению Rкл<<Z1Z2<3|Zдатчика|, первое коммутирующее устройство выполнено в виде 2N ключей, количество которых равно количеству датчиков и каждый ключ соединен последовательно с одним датчиком, все последовательно соединенные с датчиками ключи включены (соединены) в одну точку, которая является точкой соединения еще двух ключей второго коммутирующего устройства, первый из которых подключен к выходу возбудителя с согласующим сопротивлением (Z1), а второй - ко входу приемника с согласующим сопротивлением (Z2).

2. Ультразвуковой расходомер по п. 1, отличающийся тем, что согласующее сопротивление (Z1) соединено последовательно с выходом возбудителя и первым ключом второго коммутирующего устройства.

3. Ультразвуковой расходомер по п. 1, отличающийся тем, что согласующее сопротивление (Z1) соединено параллельно с выходом возбудителя, который подключен к первому ключу второго коммутирующего устройства.

4. Ультразвуковой расходомер по п. 1, отличающийся тем, что согласующее сопротивление (Z2) соединено последовательно с входом приемника и вторым ключом второго коммутирующего устройства.

5. Ультразвуковой расходомер по п. 1, отличающийся тем, что согласующее сопротивление (Z2) соединено параллельно с входом приемника, который подключен ко второму ключу второго коммутирующего устройства.

РИСУНКИ