RU2178148C2 - Domestic ultrasonic flowmeter-gas meter - Google Patents

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: flowmeter includes measuring section of pipe-line with pressure transducer and two ultrasonic converters, analog commutator, reference generator, timer, former of probing pulses, receiving amplifier, comparator, flip- flop, pulse counter, addition circuit, subtraction circuit, N storages connected in parallel and linked to second commutator, unit determining type of gas atmosphere, unit of code of standard density, code divider, pulse generator, logic circuit determining instant phase of oscillations of reference generator at moment of termination of counting, M reservoir capacitors connected to outputs of converter of supply levels and M commutator connected in parallel, input of each commutator being connected to reservoir capacitor and output of each commutator being linked to supply circuit of each unit through proper ripple filter. Meter displays raised precision thanks to reduction of measurement results to normal conditions by temperature, pressure and density of gas and high reliability due to long-term operation without replacement of power supply source. EFFECT: raised precision and high operational reliability of meter. 2 dwg

Description

Изобретение относится к технике измерения расхода газа, в частности к бытовым ультразвуковым счетчикам для измерения расхода газа с приведением результатов измерения к нормальным условиям по температуре, давлению и плотности газа, и может найти применение в жилищно-коммунальном хозяйстве, в отраслях газовой промышленности для точного учета расхода газа. The invention relates to techniques for measuring gas flow, in particular to household ultrasonic meters for measuring gas flow, bringing the measurement results to normal conditions in temperature, pressure and gas density, and can find application in housing and communal services, in gas industries for accurate metering gas flow rate.

Известно устройство - бытовой ультразвуковой расходомер - счетчик для измерения объемного расхода газа, приведенного по давлению и температуре к нормальным условиям, содержащий мерный участок трубопровода с датчиком давления и с двумя встроенными ультразвуковыми преобразователями, соответственно связанными с первым и вторым входом аналогового коммутатора, третий вход которого связан с выходом опорного генератора через таймер, четвертый вход - со вторым выходом таймера через формирователь зондирующих импульсов, а выход коммутатора подключен к первому входу арифметического устройства через последовательно соединенные приемный усилитель, компаратор, триггер, вторым входом связанный со вторым выходом таймера, счетчик импульсов, счетным входом подключенный к выходу опорного генератора, а выходом - к схеме сложения, и схему вычитания, причем выход датчика давления подключен ко второму входу арифметического устройства [1] . A device is known - a household ultrasonic flow meter - a counter for measuring the volumetric flow of gas, reduced by pressure and temperature to normal conditions, containing a measuring section of the pipeline with a pressure sensor and with two built-in ultrasonic transducers, respectively associated with the first and second input of the analog switch, the third input of which connected to the output of the reference generator through a timer, the fourth input to the second output of the timer through the probe pulse generator, and the output of the switch connected to the first input of the arithmetic device through a series-connected receiving amplifier, a comparator, a trigger, a second input connected to the second output of the timer, a pulse counter, a counting input connected to the output of the reference generator, and the output to the addition circuit, and a subtraction circuit, and the output of the pressure sensor connected to the second input of the arithmetic device [1].

Однако известное устройство обладает тем недостатком, что может использоваться для измерения расхода, приведенного к значениям при опорной температуре лишь для одного определенного состава газа. При переходе, например, от измерения природного газа к измерению паров сжиженного газа необходимо введение поправочных коэффициентов или коэффициентов пересчета. Известное устройство обладает также тем недостатком, что оно фактически приводит измеренный объем газа к нормальным условиям только по температуре и давлению и не приводит измеренный объем газа к нормальным условиям по стандартной плотности. Поэтому из-за того, что известное устройство не позволяет проводить измерения разных газов и не позволяет приводить при этом результаты измерений разных газов к одним и тем же одинаковым или нормальным условиям по температуре, давлению и плотности, существует как проблема недостаточно высокой точности измерений расхода газа, так и проблема поверки устройств по известному техническому решению стандартными средствами поверки, в которых в качестве рабочей среды используется воздух. Именно из-за отсутствия связи между газами через нормальные условия, известное устройство не позволяет проводить калибровку и аттестацию счетчиков в процессе их массового производства, так как по общепринятым стандартам по условиям техники безопасности запрещено использовать взрывоопасные газы, в частности метан, для калибровки и аттестации счетчиков в процессе их массового выпуска и для периодической поверки в процессе их эксплуатации. However, the known device has the disadvantage that it can be used to measure the flow reduced to values at a reference temperature for only one specific gas composition. When switching, for example, from measuring natural gas to measuring liquefied gas vapors, it is necessary to introduce correction factors or conversion factors. The known device also has the disadvantage that it actually leads the measured gas volume to normal conditions only in temperature and pressure and does not bring the measured gas volume to normal conditions in standard density. Therefore, due to the fact that the known device does not allow measurements of different gases and does not allow to bring the results of measurements of different gases to the same or normal conditions in temperature, pressure and density, there is a problem of insufficiently high accuracy of gas flow measurements , and the problem of verifying devices according to a known technical solution by standard means of verification, in which air is used as a working medium. It is because of the lack of communication between the gases through normal conditions that the known device does not allow the calibration and certification of meters in the process of mass production, since, according to generally accepted standards for safety conditions, it is forbidden to use explosive gases, in particular methane, for calibration and certification of meters in the process of their mass release and for periodic verification in the process of their operation.

Наиболее близкое техническое решение обладает тем недостатком, что оно имеет недостаточно высокую точность измерений из-за сравнительно невысокой разрешающей способности дискретного метода измерений распространения ультразвука по потоку газа и против него, реализуемого путем подсчета количества импульсов опорного генератора, частоту которого невозможно выбрать достаточно большой по двум причинам, Во-первых, выбор достаточно высокого значения частоты опорного генератора [≥(100-200) МГц] затруднителен по причинам возникающих высокочастотных наводок на измерительные цепи бытового счетчика, т. к. интенсивность наводок, с одной стороны, пропорциональна квадрату частоты и расстоянию между радиоэлементами, а с другой стороны, электроника счетчика должна иметь миниатюрное исполнение в виде большой интегральной микросхемы, что необходимо из условий обеспечения массового выпуска счетчиков. Во-вторых, увеличение частоты опорного генератора пропорционально увеличивает ток, потребляемый электронной схемой, что снижает ресурс долговременного срока работы счетчика от автономного источника питания. Экспериментальные исследования, проведенные в процессе разработки ультразвуковых бытовых счетчиков газа, показали, что по вышеизложенным причинам частоту опорного генератора нецелесообразно и затруднительно выбирать выше 20-40 МГц. Разрешение времен распространения ультразвука не превышает в этом случае 50-25 нс, что ограничивает точность измерений на уровне 3-5%, в особенности при измерении малых расходов газа в диапазоне 0,04-0,2 м³/час.The closest technical solution has the disadvantage that it does not have a sufficiently high measurement accuracy due to the relatively low resolution of the discrete method of measuring the propagation of ultrasound in the gas flow and against it, implemented by counting the number of pulses of the reference generator, the frequency of which cannot be chosen large enough for two reasons, First, the choice of a sufficiently high value of the frequency of the reference oscillator [≥ (100-200) MHz] is difficult for reasons arising high different pickups on the measuring circuits of the household meter, since the pickup intensity, on the one hand, is proportional to the square of the frequency and the distance between the radio elements, and on the other hand, the meter’s electronics must have a miniature design in the form of a large integrated circuit, which is necessary from the conditions of mass release counters. Secondly, an increase in the frequency of the reference generator proportionally increases the current consumed by the electronic circuit, which reduces the long-term life of the meter from an autonomous power source. Experimental studies conducted during the development of ultrasonic household gas meters have shown that for the above reasons, the frequency of the reference generator is impractical and difficult to choose above 20-40 MHz. The resolution of the propagation times of ultrasound does not exceed 50-25 ns in this case, which limits the accuracy of the measurements to 3-5%, especially when measuring low gas flow rates in the range of 0.04-0.2 m ³ / h.

Другим недостатком является то, что в известном устройстве не обеспечивается долговременный срок работы счетчика без замены источника питания, т. к. все микросхемы и радиоэлектронные компоненты имеют непрерывный режим работы без обеспечения энергосбережения. Another disadvantage is that the known device does not provide long-term operation of the meter without replacing the power source, since all microcircuits and electronic components have a continuous mode of operation without energy saving.

Основной задачей предлагаемого изобретения является повышение точности при одновременном обеспечении долговременного срока работы счетчика без замены источника питания. The main objective of the invention is to increase accuracy while ensuring long-term life of the meter without replacing the power source.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в бытовой ультразвуковой расходомер - счетчик для измерения объемного расхода газа, приведенного к нормальным условиям, введены генератор интервальных импульсов, логическая схема определения мгновенной фазы колебаний опорного генератора в момент прекращения счета и последовательно включенные энергонезависимый источник питания, преобразователь уровней питания, М накопительных конденсаторов, каждый из которых подсоединен параллельно к одному из М выходов преобразователя уровней питания, и М параллельно включенных коммутаторов, управляющий вход каждого из которых и управляющий вход преобразователя уровней питания связаны с соответствующим выходом таймера, вход каждого коммутатора подключен к накопительному конденсатору соответствующего выхода преобразователя уровней питания, выход - к цепи питания каждого функционального блока через соответствующий сглаживающий фильтр, а выход генератора интервальных импульсов связан с управляющим входом опорного генератора через таймер, при этом цепи питания генератора интервальных импульсов, опорного генератора и таймера подключены к источнику питания непосредственно, а в качестве таймера применен формирователь временной диаграммы сигналов, причем логическая схема определения мгновенной фазы колебаний опорного генератора в момент прекращения счета подключена параллельно счетчику импульсов и ее входы связаны с выходом триггера и опорного генератора, а выходы подсоединены ко входам младших разрядов схемы сложения и схемы вычитания. The solution of this problem is achieved by the fact that in the household ultrasonic flow meter - a counter for measuring the volumetric gas flow reduced to normal conditions, an interval pulse generator, a logic circuit for determining the instantaneous phase of oscillations of the reference generator at the time of termination of counting, and a non-volatile power supply, level converter power supply, M storage capacitors, each of which is connected in parallel to one of the M outputs of the pit level converter I and M switches connected in parallel, the control input of each of which and the control input of the power level converter are connected to the corresponding timer output, the input of each switch is connected to the storage capacitor of the corresponding output of the power level converter, the output is connected to the power circuit of each function block through the corresponding smoothing filter and the output of the interval pulse generator is connected to the control input of the reference generator via a timer, while the power supply circuit of the generator is inter shaft pulses, the reference oscillator and the timer are directly connected to the power source, and a signal timing diagram is used as a timer, the logic circuit for determining the instantaneous phase of oscillations of the reference oscillator at the time of termination of counting is connected in parallel with the pulse counter and its inputs are connected to the output of the trigger and the reference oscillator , and the outputs are connected to the inputs of the least significant bits of the addition circuit and the subtraction circuit.

На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства, на фиг. 2 приведены временные диаграммы его работы. In FIG. 1 presents a block diagram of the proposed device, in FIG. 2 shows the timing diagrams of his work.

Бытовой ультразвуковой расходомер-счетчик газа содержит (см. фиг. 1) мерный участок 1 трубопровода с датчиком 2 давления и с двумя встроенными ультразвуковыми преобразователями 3 и 4, соответственно связанными с первым и вторым входом аналогового коммутатора 5, третий вход которого связан с выходом опорного генератора 6 через таймер 7, четвертый вход - со вторым выходом таймера 7 через формирователь 8 зондирующих импульсов, а выход коммутатора подключен к первому входу арифметического устройства 9 через последовательно соединенные приемный усилитель 10, компаратор 11, триггер 12, вторым входом связанный со вторым выходом таймера 7, счетчик 13 импульсов, счетным входом подключенный к выходу опорного генератора 6, а выходом - к схеме 14 сложения, и схему 15 вычитания, выход датчика 2 давления подключен ко второму входу арифметического устройства 9, причем в него введены последовательно соединенные N параллельно включенных блоков 16 памяти и второй коммутатор 17, а также последовательно связанные блок 18 определения типа газовой среды, блок 19 кода стандартной плотности, делитель 20 кодов и суммирующе-регистрирующее устройство 21, при этом выход схемы 14 сложения подключен к входам каждого из N блоков 16 памяти и к входу блока 18 определения типа газовой среды, выход которого связан с управляющим входом второго коммутатора 17, соединенного выходом с третьим входом арифметического устройства 9, кодовый выход которого подключен ко второму входу делителя 20 кодов. The household ultrasonic gas flow meter contains (see Fig. 1) a measured section of the pipeline 1 with a pressure sensor 2 and with two built-in ultrasonic transducers 3 and 4, respectively connected to the first and second input of the analog switch 5, the third input of which is connected to the output of the reference generator 6 through timer 7, the fourth input with the second output of timer 7 through the shaper 8 of the probe pulses, and the output of the switch is connected to the first input of the arithmetic device 9 through a series-connected receiving starter 10, comparator 11, trigger 12, the second input connected to the second output of timer 7, a pulse counter 13, a counting input connected to the output of the reference generator 6, and the output to the addition circuit 14, and the subtraction circuit 15, the output of the pressure sensor 2 is connected to the second input of the arithmetic device 9, and N series-connected memory blocks 16 and the second switch 17, as well as the gas medium type determination block 18, the standard density code block 19, the code divider 20, and the sum a registering device 21, wherein the output of the addition circuit 14 is connected to the inputs of each of N memory blocks 16 and to the input of the gas medium type determination unit 18, the output of which is connected to the control input of the second switch 17 connected to the output of the third input of the arithmetic device 9, whose code output is connected to the second input of the 20 code divider.

В бытовой ультразвуковой расходомер-счетчик газа также введены генератор 22 импульсов, логическая схема 23 определения мгновенной фазы колебаний опорного генератора 6 в момент прекращения счета и последовательно включенные энергонезависимый источник 24 питания, преобразователь 25 уровней питания, М накопительных конденсаторов 26, каждый из которых подсоединен параллельно к одному из М выходов преобразователя 25 уровней питания, и М параллельно включенных коммутаторов 27, управляющий вход каждого из которых и управляющий вход преобразователя 25 уровней питания связаны с соответствующим выходом таймера 7, вход каждого коммутатора 27 подключен к накопительному конденсатору 26 соответствующего выхода преобразователя 25 уровней питания, выход - к цепи питания каждого функционального блока 5-23 через соответствующий сглаживающий фильтр Rф, Сф (на фиг. 1 показан только для коммутатора 27. М с подключением его выхода к логической схеме 23), а выход генератора 22 импульсов связан с управляющим входом опорного генератора 6 через таймер 7, при этом цепи питания генератора 22 импульсов, опорного генератора 6 и таймера 7 подключены к источнику 24 питания непосредственно, а в качестве таймера 7 применен формирователь 7 временной диаграммы сигналов, причем логическая схема 23 определения мгновенной фазы колебаний опорного генератора 6 в момент прекращения счета подключена параллельно счетчику импульсов 13 и ее входы связаны с выходом триггера 12 и опорного генератора 6, а выходы подсоединены ко входам младших разрядов схемы 14 сложения и ко входам младших разрядов схемы 15 вычитания. A pulse generator 22, a logic circuit 23 for determining the instantaneous phase of oscillations of the reference generator 6 at the time of termination of counting, and a non-volatile power supply 24, a converter 25 of power levels, M storage capacitors 26, each of which is connected in parallel, are also introduced into a household ultrasonic gas flow meter-gas to one of the M outputs of the converter 25 power levels, and M parallel-connected switches 27, the control input of each of which and the control input of the converter I have 25 power levels associated with the corresponding output of timer 7, the input of each switch 27 is connected to a storage capacitor 26 of the corresponding output of the converter 25 power levels, the output is connected to the power circuit of each function block 5-23 through the corresponding smoothing filter Rf, Сф (in Fig. 1 shown only for the switch 27. M with the connection of its output to the logic circuit 23), and the output of the pulse generator 22 is connected to the control input of the reference generator 6 through a timer 7, while the power circuit of the pulse generator 22, the reference g the nerator 6 and the timer 7 are directly connected to the power source 24, and a signal generator 7 is used as a timer 7, the logic circuit 23 for determining the instantaneous oscillation phase of the reference oscillator 6 at the time of termination of the count is connected in parallel with the pulse counter 13 and its inputs are connected to the output the trigger 12 and the reference oscillator 6, and the outputs are connected to the inputs of the least significant bits of the addition circuit 14 and to the inputs of the least significant bits of the subtraction circuit 15.

Ультразвуковой расходомер - счетчик газа работает следующим образом. Ultrasonic flow meter - gas meter operates as follows.

Измерение скорости потока и расхода газа осуществляется на основе излучения ультразвуковых сигналов в поток измеряемого газа, их распространения по потоку газа и против него, последующего приема, обратного преобразования в электрический сигнал с дальнейшей обработкой. Для этого формирователь 8 зондирующих импульсов по запускающим импульсам таймера 7 формирует импульсы с фиксированной амплитудой и заданной длительностью, равной половине длительности периода резонансной частоты одного из двух идентичных ультразвуковых преобразователей 3 или 4. Это необходимо для получения максимального коэффициента передачи ультразвукового сигнала через газ мерного участка 1 газопровода с преобразователями 3 и 4. Длительность и период повторения зондирующих импульсов, а также вся временная диаграмма сигналов и последовательность работы ультразвукового счетчика газа формируется, синхронизируется и стабилизируется запускающими импульсами таймера 7 (фиг. 2а), работа которого, в свою очередь, синхронизируется высокостабильными колебаниями кварцевого генератора 22 импульсов. Период повторения Т_п зондирующих импульсов формирователя 8 выбран достаточно большим и равным нескольким сотням миллисекунд и более, что необходимо как для возобновления очередного цикла работы устройства после полного затухания ультразвуковых реверберационных помех, каждый раз возникающих в мерном участке 1 газопровода между преобразователями 3 и 4 после очередного излучения в измеряемый газ ультразвукового зондирующего импульса, так и для обеспечения минимального энергопотребления с целью обеспечения долговременного срока работы счетчика без замены источника питания.The measurement of the flow rate and gas flow rate is based on the emission of ultrasonic signals into the flow of the measured gas, their propagation through the gas stream and against it, subsequent reception, reverse conversion into an electrical signal with further processing. To do this, the probe pulse generator 8 from the trigger pulses of the timer 7 generates pulses with a fixed amplitude and a given duration equal to half the duration of the resonance frequency period of one of two identical ultrasonic transducers 3 or 4. This is necessary to obtain the maximum transmission coefficient of the ultrasonic signal through the gas of the measuring section 1 gas pipeline with converters 3 and 4. The duration and repetition period of the probe pulses, as well as the entire time diagram of the signals after The operation sequence of the ultrasonic gas meter is formed, synchronized and stabilized by the triggering pulses of the timer 7 (Fig. 2a), the operation of which, in turn, is synchronized by the highly stable oscillations of the 22 pulse crystal oscillator. The repetition period T _{p of the} probe pulses of the shaper 8 is chosen to be sufficiently large and equal to several hundred milliseconds or more, which is necessary both to resume the next cycle of the device after the ultrasonic reverberation noise is completely attenuated, each time occurring in the measured section 1 of the gas pipeline between transducers 3 and 4 after the next radiation into the measured gas of an ultrasonic probe pulse, and to ensure minimum energy consumption in order to ensure long-term operation counter without replacing the power supply.

В первом, например, нечетном периоде измерений осуществляется генерирование, излучение, прием и обработка ультразвукового сигнала при его распространении по потоку газа. В этом случае таймер 7, синхронизируемый высокостабильным генератором 22 импульсов, формирует на своем первом выходе сигнал управления (на фиг. 2 не показан) аналоговым коммутатором 5, который при этом переключается таким образом, что выход формирователя 8 зондирующих импульсов подсоединяется к ультразвуковому преобразователю 3, а преобразователь 4 соединяется со входом приемного усилителя 10 (фиг. 1). Через небольшой промежуток времени, превышающий длительность переходных процессов после переключения аналогового коммутатора 5, таймер 7 формирует на своем втором выходе импульс, устанавливающий в момент времени t₃ триггер 12 в состояние, которое обозначается как уровень "1" (фиг. 2б). Этот же импульс поступает на вход формирователя 8 зондирующих импульсов 7 и переводит его в момент времени t₃ в активное состояние формирования импульса длительностью t₃-t₄ (фиг. 2в), который с выхода формирователя 8 поступает через коммутатор 5 на ультразвуковой преобразователь 3. Акустический сигнал, возбуждаемый при этом преобразователем 3, распространяется в мерном участке 1 трубопровода по потоку газа и принимается ультразвуковым преобразователем 4, в котором преобразуется в электрический сигнал, поступающий через коммутатор 5 на приемный усилитель 10. Усиленный сигнал с выхода приемного усилителя 10 (фиг. 2г) поступает на вход компаратора 11, который при превышении сигналом порогового уровня U_n в момент времени t₇ (фиг. 2г) вырабатывает на своем выходе импульс превышения порога. В течение промежутка времени t₃-t₇, равного временной задержке от начала зондирующего импульса до формирования компаратором 11 импульса превышения порога, т. е. фактически равного времени распространения ультразвука по потоку газа, триггер 12 находится в состоянии "1" (фиг. 2б), разрешая работу счетчика 13 импульсов (фиг. 2д), на счетный вход которого поступают импульсы от высокостабильного опорного генератора 6 (фиг. 1). По импульсу превышения порога, поступающему с компаратора 11 на триггер 12, последний устанавливается в момент времени t₇ в состояние "0" (фиг. 2б), что прекращает в момент времени t₇ работу счетчика 13 импульсов (фиг. 2д). Выходной код счетчика 13 импульсов, соответствующий измеренной временной задержке t₃-t₇, равной времени распространения ультразвукового сигнала по потоку газа, поступает на кодовые входы старших разрядов схемы 15 вычитания и на кодовые входы старших разрядов схемы 14 сложения. Однако измерение временных интервалов посредством счетчика 13 импульсов имеет ограниченную точность, т. к. производится с точностью до длительности одного периода τ_оп опорного генератора 6. Достижение более высокой точности измерений времени распространения ультразвука как по потоку газа, так и против него осуществляется следующим образом.In the first, for example, an odd period of measurements, the generation, emission, reception and processing of an ultrasonic signal during its propagation through the gas stream is carried out. In this case, the timer 7, synchronized by the highly stable pulse generator 22, generates at its first output a control signal (not shown in FIG. 2) by the analog switch 5, which switches in such a way that the output of the probe pulse generator 8 is connected to the ultrasonic transducer 3, and the converter 4 is connected to the input of the receiving amplifier 10 (Fig. 1). After a short period of time longer than the duration of the transient processes after switching the analog switch 5, the timer 7 generates a pulse at its second output, which sets trigger 12 at time t ₃ to the state, which is denoted as level "1" (Fig. 2b). The same pulse is fed to the input of the shaper 8 of the probe pulses 7 and translates it at time t ₃ into the active state of the pulse formation of duration t ₃ -t ₄ (Fig. 2c), which from the output of the shaper 8 passes through the switch 5 to the ultrasonic transducer 3. The acoustic signal excited by the transducer 3 in this case propagates in the measured portion 1 of the pipeline through the gas flow and is received by the ultrasonic transducer 4, in which it is converted into an electrical signal supplied through the switch 5 to the receiver th amplifier 10. The amplified signal from the output of the receiving amplifier 10 (Fig. 2d) is fed to the input of the comparator 11, which, when the signal exceeds the threshold level U _n at time t ₇ (Fig. 2d), generates an output pulse exceeding the threshold. For a period of time t ₃ -t ₇ equal to the time delay from the beginning of the probe pulse until the comparator 11 generates a pulse exceeding the threshold, that is, practically equal to the propagation time of ultrasound along the gas stream, trigger 12 is in state “1” (Fig. 2b ), allowing the operation of the counter 13 pulses (Fig. 2e), the counting input of which receives pulses from a highly stable reference generator 6 (Fig. 1). According to the threshold exceeding pulse, coming from the comparator 11 to the trigger 12, the latter is set at time t ₇ to the state “0” (Fig. 2b), which stops the operation of the pulse counter 13 at time t ₇ (Fig. 2e). The output code of the counter 13 pulses corresponding to the measured time delay t ₃ -t ₇ equal to the propagation time of the ultrasonic signal through the gas stream, is fed to the code inputs of the upper bits of the subtraction circuit 15 and to the code inputs of the higher bits of the addition circuit 14. However, measurement of time intervals by the pulse counter 13 has limited accuracy, t. K. Is made up to a duration of one period τ _op reference oscillator 6. The achievement of higher accuracy measurements of ultrasound propagation time as the gas flow and against it as follows.

По перепаду импульса с уровня "1" в состояние "0" триггер 12 одновременно запускает в работу логическую схему 23 определения мгновенной фазы колебаний высокочастотного опорного генератора 6 в момент времени t₇ прихода ультразвукового сигнала. Логическая схема 23 измеряет по существу длительность импульса от момента времени t₇ прихода ультразвукового сигнала до момента времени t₈ поступления первого из импульсов опорного генератора 6 (фиг. 2д), т. е. схема 23 измеряет временной интервал t₇-t₈ (фиг. 2е). Логика работы схемы 23 такая, что на промежуток времени t₇-t₈ включается заряд накопительной емкости, входящей в состав схемы 23, и величина напряжения заряда при этом преобразуется в цифровой код, пропорциональный длительности временного интервала t₇-t₈. Полученный цифровой код преобразуется затем в дополнительный цифровой код, пропорциональный длительности временного интервала t_доп= τ_оп-(t₇-t₈), где τ_оп - длительность одного периода колебаний опорного генератора 6, т. е. интервал t_доп - фактически становится равным промежутку времени от последнего периода опорного генератора 6, сосчитанного в момент времени t₉ (фиг. 2д) счетчиком 13 импульсов, до времени t₇ (фиг. 2г, д) прихода ультразвукового сигнала, причем накопительная емкость, преобразователь "напряжение"-->"цифровой код"-->"дополнительный цифровой код" являются составными частями логической схемы 23 определения мгновенной фазы. Дополнительный цифровой код подается с выхода схемы 23 на кодовые входы младших разрядов схемы 15 вычитания и на кодовые входы младших разрядов схемы 14 сложения, более точно дополняя тем самым результаты измерений, полученные посредством счетчика 13 импульсов.According to the pulse difference from the level "1" to the state "0", the trigger 12 simultaneously starts the logic 23 for determining the instantaneous phase of the oscillations of the high-frequency reference generator 6 at the time t _{7 of the} arrival of the ultrasonic signal. The logic circuit 23 essentially measures the duration of the pulse from the time t _{7 of the} arrival of the ultrasonic signal to the time t _{8 the} arrival of the first of the pulses of the reference oscillator 6 (Fig. 2e), i.e., the circuit 23 measures the time interval t ₇ -t ₈ (Fig . 2e). The logic of the circuit 23 is such that for a period of time t ₇ -t _{8 the} charge of the storage capacity included in the circuit 23 is turned on, and the magnitude of the charge voltage is converted into a digital code proportional to the length of the time interval t ₇ -t ₈ . The resulting digital code is then converted into an additional digital code proportional to the duration of the time interval t _add = τ _op - (t ₇ -t ₈ ), where τ _op is the duration of one oscillation period of the reference oscillator 6, i.e., the interval t _add - actually becomes equal to the time interval from the last period of the reference generator 6, counted at time t ₉ (Fig. 2e) by the pulse counter 13, to the time t ₇ (Fig. 2d, d) of the arrival of the ultrasonic signal, and the storage capacitance, voltage converter is >"digitalcode"->"optional digital code "are components of the logic circuit 23 determining the instantaneous phase. An additional digital code is supplied from the output of circuit 23 to the code inputs of the least significant bits of the subtraction circuit 15 and to the code inputs of the least significant bits of the addition circuit 14, thereby more accurately supplementing the measurement results obtained by the pulse counter 13.

Другой возможной альтернативой выполнения логической схемы 23 является применение в качестве ее мгновенно работающего УВХ (устройства выборки-хранения), которое по мгновенной фазе опорного генератора 6 в момент времени t₇ формирует на своем выходе код, пропорциональный длительности временного интервала t_доп. Таким образом, логическая схема 23 определения мгновенной фазы опорного генератора 6 фактически определяет более точное время t₇ прихода ультразвукового сигнала, что может осуществляться как по мгновенной фазе опорного генератора 6, так и путем измерения дополнительного временного интервала t_доп.Another possible alternative to the execution of the logic circuit 23 is the use of an instantly operating I / O (sampling-storage device), which, based on the instantaneous phase of the reference generator 6 at the time t _7, generates at its output a code proportional to the duration of the time interval t _ext . Thus, the logic 23 for determining the instantaneous phase of the reference oscillator 6 actually determines a more accurate time t _{7 of the} arrival of the ultrasonic signal, which can be carried out both by the instantaneous phase of the reference oscillator 6 and by measuring an additional time interval t _ext .

Мгновенную фазу запуска в работу опорного генератора 6 как и фазу запуска в работу счетчика 13 импульсов относительно фазы опорных колебаний генератора 6 нет необходимости учитывать благодаря тому, что с выхода генератора 22 импульсов через таймер 7 на управляющий вход опорного генератора 6 подаются синхронизирующие импульсы, с высокой точностью синфазно запускающие в работу опорный генератор 6 с одного и того же периода в момент времени t₃ (фиг. 2д). Для устранения возможного влияния амплитуды опорного генератора 6 на результаты счета и с учетом того, что генератор 6 является кварцевым генератором, синхронизирующие импульсы, поступающие с таймера 7, включают в работу опорный генератор 6 со строго заданной стабильной предустановкой, по времени равной τ_пред≈ 500μкS ≈ 5•10^-4 c до начала работы счетчика 13, т. е. синхронный запуск в работу опорного генератора 6 производится до начала измерений, что осуществляется предимпульсом (на фиг. 2 не показан) таймера 7. В свою очередь таймер 7 запускается в работу высокостабильным кварцевым генератором 22 импульсов, имеющим сравнительно невысокую частоту (≈32 кГц), что обеспечивает его малое энергопотребление. Кроме того, для получения еще более точной синхронизации момента времени t₃ запуска в работу формирователя 8 зондирующих импульсов (фиг. 2в) с запуском в работу в это же время t₃ счетчика 13 импульсов (фиг. 2д) с опорного генератора 6 через таймер 7 на вход формирователя 8 зондирующих импульсов дополнительно к запускающим импульсам таймера 7 в момент времени t₃ подмешиваются опорные колебания, что обеспечивает четкую синхронизацию начала счета с началом излучения зондирующего импульса. Таким образом, фаза запуска в работу счетчика 13 импульсов является строго стабильной относительно мгновенной фазы колебаний опорного генератора 6, а также относительно временного положения зондирующего импульса, поэтому эти фазовые соотношения являются постоянными и нет необходимости их учитывать, что способствует получению высокой точности измерений. Сочетание же непрерывного режима работы малопотребляющего генератора 22 импульсов с прерывистым режимом высокочастотного кварцевого опорного генератора 6, имевшего умеренное потребление и имеющего сравнительно большую скважность запуска в работу, а также сочетание работы счетчика 13 импульсов с работой логической схемы 23 определения мгновенной фазы колебаний опорного генератора 6 в момент прихода ультразвукового сигнала обеспечивают высокую точность измерений при малом энергопотреблении.The instantaneous start-up phase of the reference oscillator 6 as well as the start-up phase of the pulse counter 13 relative to the phase of the reference oscillations of the generator 6 need not be taken into account because synchronizing pulses are fed from the output of the pulse generator 22 through a timer 7 to the control input of the reference oscillator 6, with a high accuracy in-phase starting the reference generator 6 from the same period at time t ₃ (Fig. 2e). To eliminate the possible influence of the amplitude of the reference oscillator 6 on the counting results and taking into account the fact that the oscillator 6 is a quartz oscillator, the synchronizing pulses coming from the timer 7 include the reference oscillator 6 with a strictly defined stable preset in time equal to τ _pre ≈ 500 μkS ≈ 5 • 10 ^-4 s before the start of operation of counter 13, i.e., synchronous start-up of the reference generator 6 is carried out before the start of measurements, which is carried out by a pre-pulse (not shown in Fig. 2) of timer 7. In turn, timer 7 starts at operation of a highly stable 22-pulse crystal oscillator having a relatively low frequency (≈32 kHz), which ensures its low power consumption. In addition, to obtain even more accurate synchronization of the time t _{3 of the} start-up of the probe shaper 8 of the probe pulses (Fig. 2c) with the start-up of the t ₃ pulse counter 13 (Fig. 2e) at the same time from the reference oscillator 6 via a timer 7 in addition to the triggering pulses of the timer 7 at the time moment t _3, reference vibrations are mixed at the input of the shaper 8 of the probe pulses, which ensures a clear synchronization of the beginning of the count with the start of the radiation of the probe pulse. Thus, the start-up phase of the pulse counter 13 is strictly stable with respect to the instantaneous phase of oscillations of the reference oscillator 6, as well as with respect to the temporary position of the probe pulse, therefore these phase relations are constant and there is no need to take them into account, which contributes to obtaining high measurement accuracy. The combination of the continuous mode of operation of a low-power generator of 22 pulses with the intermittent mode of a high-frequency quartz reference oscillator 6, which had moderate consumption and has a relatively high duty cycle, as well as the combination of the counter 13 pulses with the operation of the logic circuit 23 for determining the instantaneous phase of oscillations of the reference oscillator 6 in the moment of arrival of the ultrasonic signal provides high measurement accuracy with low power consumption.

Через промежуток времени, равный периоду повторения Т_п зондирующих импульсов (на фиг. 2 период Т_п условно принят за интервал t₁-t₁'; t₂-t₂'; t₃-t₃'. . . и т. д. ), который составляет для бытовых газовых счетчиков несколько сотен миллисекунд и более, формируется второй, например, четный период измерений, при котором осуществляется генерирование, излучение, прием и обработка ультразвукового сигнала при его распространении против потока газа. В этом случае таймер 7, синхронизируемый высокостабильным генератором 22 импульсов, переключает аналоговый коммутатор 5 таким образом, что выход формирователя 8 зондирующих импульсов подсоединяется к ультразвуковому преобразователю 4, а преобразователь 3 соединяется со входом приемного усилителя 10. В аналогичной последовательности работы для нечетного периода измерений таймер 7 формирует на своем втором выходе импульс, устанавливающий в момент времени t₃' триггер 12 в состояние, которое обозначается как уровень "1" (фиг. 2и), при котором счетчик 13 импульсов переводится в счетный режим. Этот же импульс в момент времени t₃' переводит формирователь 8 зондирующих импульсов в активное состояние формирования импульса длительностью t₃'-t₄' (фиг. 2к), который с выхода формирователя 8 через коммутатор 5 поступает в этом случае на ультразвуковой преобразователь 4 (фиг. 1). Акустический сигнал, возбуждаемый при этом преобразователем 4, распространяется в мерном участке 1 трубопровода против потока газа и принимается ультразвуковым преобразователем 3, в котором преобразуется в электрический сигнал, поступающий через коммутатор 5 на приемный усилитель 10. Усиленный сигнал с выхода приемного усилителя 10 (фиг. 2л) поступает на вход компаратора 11, который при превышении сигналом порогового уровня U_п в момент времени t₁' (фиг. 2л) вырабатывает на своем выходе импульс превышения порога. В течение промежутка времени t₃'-t₇', равного временной задержке от начала зондирующего импульса до формирования компаратором 11 импульса превышения порога, т. е. фактически равного времени распространения ультразвука против потока газа, триггер 12 находится в состоянии "1" (фиг. 2и), разрешая работу счетчика 13 импульсов (фиг. 2м), на счетный вход которого поступают импульсы от высокостабильного опорного генератора 6. По импульсу превышения порога, поступающему с компаратора 11 на триггер 12, последний устанавливается в момент времени t₇' в состояние "0" (фиг. 2и), что прекращает в момент времени t₇' работу счетчика 13 импульсов (фиг. 2м). Выходной код счетчика 13 импульсов, соответствующий измеренной временной задержке (t₃'-t₇'), в этом случае равной времени распространения ультразвукового сигнала против потока газа, поступает на кодовые входы старших разрядов схемы 15 вычитания и на кодовые входы старших разрядов схемы 14 сложения. Однако и в этом цикле работы счетчика измерение временных интервалов посредством счетчика 13 импульсов имеет ограниченную точность, т. к. производится также с точностью до длительности одного периода τ_оп опорного генератора 6. Достижение более высокой точности осуществляется запуском в работу логической схемы 23 определения мгновенной фазы колебаний кварцевого опорного генератора 6 в момент времени t₇' прихода ультразвукового сигнала в описанной выше последовательности. Полученный цифровой код, несущий информацию о более точном значении времени распространения ультразвука против потока газа, подается с выхода логической схемы 23 на кодовые входы младших разрядов схемы 15 вычитания и на кодовые входы младших разрядов схемы 14 сложения, более точно дополняя тем самым результаты измерений, полученные посредством счетчика 13 импульсов.After a period of time equal to the repetition period T _{p of the} probe pulses (in Fig. 2, the period T _{p is} conventionally taken for the interval t ₁ -t ₁ '; t ₂ -t ₂ '; t ₃ -t ₃ '..., Etc. .), which amounts to several hundred milliseconds or more for household gas meters, a second, for example, even measurement period is formed, during which the generation, emission, reception and processing of the ultrasonic signal when it propagates against the gas stream is carried out. In this case, the timer 7, synchronized by the highly stable pulse generator 22, switches the analog switch 5 in such a way that the output of the probe pulse generator 8 is connected to the ultrasonic transducer 4, and the converter 3 is connected to the input of the receiving amplifier 10. In a similar sequence for an odd measurement period, the timer 7 generates a pulse at its second output, which sets the trigger 12 at time t ₃ 'to a state that is denoted as level "1" (Fig. 2i), at which 13 pulses are converted to counting mode. The same pulse at time t ₃ 'puts the shaper 8 of the probe pulses in the active state of the pulse formation of duration t ₃ ' -t ₄ '(Fig. 2k), which from the output of the shaper 8 through the switch 5 then goes to the ultrasonic transducer 4 ( Fig. 1). The acoustic signal excited by the transducer 4 in this case propagates in the measuring section 1 of the pipeline against the gas flow and is received by the ultrasonic transducer 3, in which it is converted into an electric signal supplied through the switch 5 to the receiving amplifier 10. The amplified signal from the output of the receiving amplifier 10 (Fig. 2l) enters the input of the comparator 11, which, when the signal exceeds the threshold level U _p at time t ₁ '(Fig. 2l), generates an output pulse exceeding the threshold. For a period of time t ₃ '-t ₇ ' equal to the time delay from the beginning of the probe pulse until the comparator 11 generates a pulse exceeding the threshold, that is, practically equal to the propagation time of the ultrasound against the gas stream, trigger 12 is in the state “1” (FIG. . 2n), allowing the pulse counter 13 closed (FIG. 2m), to the counting input of which receives impulses from a highly stable reference oscillator 6. pulse threshold is exceeded, incoming from the comparator 11, the trigger 12, the latter is set at time t ₇ 'consisting in ue "0" (Fig. 2u) that terminates at time t ₇ 'operation of the pulse counter 13 (Fig. 2m). The output code of the counter 13 pulses corresponding to the measured time delay (t ₃ '-t ₇ '), in this case equal to the propagation time of the ultrasonic signal against the gas stream, is fed to the code inputs of the upper bits of the subtraction circuit 15 and to the code inputs of the high bits of the addition circuit 14 . However, in this operation cycle counter for measuring time pulse counter means 13 has limited accuracy, t. K. Also produced up to the duration of one period τ _op reference oscillator 6. The achievement of higher accuracy is carried out in the starting operation of the logical circuit 23 detects the instantaneous phase oscillations of the quartz reference oscillator 6 at the time t ₇ 'arrival of the ultrasonic signal in the above sequence. The obtained digital code, which carries information on a more accurate value of the propagation time of ultrasound against the gas flow, is fed from the output of the logic circuit 23 to the code inputs of the lower bits of the subtraction circuit 15 and to the code inputs of the lower bits of the addition circuit 14, thereby more accurately complementing the measurement results obtained by means of a counter 13 pulses.

Следовательно, в нечетные и четные периоды работы счетчика на кодовые входы старших разрядов схемы 15 вычитания и схемы 14 сложения поступают коды со счетчика 13 импульсов, а на кодовые входы младших разрядов этих же схем 15 и 14 поступают коды с логической схемы 23 определения мгновенной фазы. Таким образом, на входах схем сложения 14 и вычитания 15 формируются полные кодовые последовательности, соответствующие точным значениям измеряемых величин времен распространения ультразвука как по потоку газа, так и против него. Схема 15 вычитания производит вычисление кодовых значений разности Δt времен распространения ультразвука против потока газа t_p2= (t₇'-t₃') и по потоку газа t_p1= (t₇-t₃), т. е. вычисляется значение Δt= [(t₇'-t₃')-(t₇-t₃)] = t_p2-t_p1, а схема 14 сложения производит вычисление кодовых значений суммы t_Σ времен распространения ультразвука по потоку t_p1= (t₇-t₃) и против него t_p2= (t₇'-t₃'), т. е. вычисляется значение t_Σ = [(t₇-t₃)+(t₇-t₃)] = t_p1+t_p2. Выходной код, соответствующий сумме τ_Σ, поступает с выхода схемы 14 сложения на N параллельно включенных блоков 16.1, 16.2, . . . 16N памяти и на вход блока 18 определения типа газовой среды. Выходной код, соответствующий разности Δt, с выхода схемы 15 вычитания поступает на первый вход арифметического устройства 9.Therefore, in odd and even periods of operation of the counter, codes from the counter 13 of pulses are received at the code inputs of the upper bits of the subtraction circuit 15 and addition circuit 14, and codes from the logic circuit 23 for determining the instantaneous phase are received at the code inputs of the lower bits of the same circuits 15 and 14. Thus, at the inputs of addition circuits 14 and subtraction 15, complete code sequences are formed corresponding to the exact values of the measured values of the propagation times of ultrasound both in the gas flow and against it. The subtraction circuit 15 calculates the code values of the difference Δt of the propagation times of ultrasound against the gas flow t _p2 = (t ₇ '-t ₃ ') and the gas flow t _p1 = (t ₇ -t ₃ ), i.e., the value Δt = [(t ₇ '-t ₃ ') - (t ₇ -t ₃ )] = t _p2 -t _p1 , and the addition circuit 14 calculates the code values of the sum t _{Σ of} the ultrasound propagation times t _p1 = (t ₇ -t ₃ ) and against it t _p2 = (t ₇ '-t ₃ '), that is, the value t _Σ = [(t ₇ -t ₃ ) + (t ₇ -t ₃ )] = t _p1 + t _p2 . The output code corresponding to the sum of τ _Σ comes from the output of the addition circuit 14 to N parallel connected blocks 16.1, 16.2,. . . 16N of the memory and to the input of the gas medium type determination unit 18. The output code corresponding to the difference Δt, from the output of the subtraction circuit 15 is fed to the first input of the arithmetic device 9.

Таймер 7 управляется высокостабильными колебаниями генератора 22 импульсов и фактически формирует, как упоминалось выше, всю временную диаграмму сигналов, определяющую последовательность работы счетчика. Кроме основных режимов работы, описанных выше, таймер 7 формирует временные сигналы, обеспечивающие периодический порядок включения и отключения питания каждого блока счетчика, что обеспечивает долговременный срок работы счетчика без замены источника питания при высокой точности измерений. Так, таймер 7 периодически включает в работу преобразователь 25 уровней питания, который включается в работу на короткие промежутки времени перед каждым циклом измерений и заряжает при этом накопительные конденсаторы 26.1-26. М. Подзарядка накопительных конденсаторов 26.1-26. М, обеспечивающих питание большей части блоков счетчика, осуществляется в промежутках времени t₁-t₂ (фиг. 2ж) для нечетных периодов работы и в промежутках t₁'-t₂' (фиг. 2о) для четных периодов работы. Из-за больших помех, возникающих в промежутках времени t₃-t₄ (фиг. 2в) и в промежутках времени t₃'-t₄' (фиг. 2к) по причине сравнительно большой амплитуды зондирующих импульсов, подзарядка накопительных конденсаторов, обеспечивающих питание приемного тракта, в том числе усилителя 10, компаратора 11 и логической схемы 23 определения мгновенной фазы осуществляется в промежутках времени t₅-t₆ (фиг. 2з) для нечетных периодов работы и в промежутках времени t₅'-t₆' (фиг. 2п) для четных периодов работы счетчика. Кратковременные, но для обеспечения функционирования блоков счетчика достаточные по длительности включения в работу того или другого блока осуществляются по импульсам таймера 7, подаваемым на коммутаторы 27.1. . . 27. М. Включение того или другого блока в работу следует из временной диаграммы сигналов, приведенной на фиг. 2б-2е и на фиг. 2и-2н. Так, например, питание на генератор 8 зондирующих импульсов полается после момента t₂ подзарядки соответствующего накопительного конденсатора 26.8 (на фиг. 1 не показан) и отключается после момента t₄. В качестве примера на фиг. 2ж и па фиг. 2о показано некоторое снижение уровня питания на том же накопительном конденсаторе 26.8 за время формирования зондирующих импульсов формирователем 8 в промежутках t₃-t₄ (фиг. 2в) и t₃'-t₄' (фиг. 2к). Логическая схема 23 определения мгновенной фазы включается в работу, например, путем открытия коммутатора 27. М и подключения конденсатора 26. М к цепи питания RфСф логической схемы 23 после моментов времени t₆ (фиг. 2з) и t₆' (фиг. 2п) и отключается с некоторой выдержкой после моментов времени t₈ (фиг. 2e) и t₈' (фиг. 2н).The timer 7 is controlled by highly stable oscillations of the pulse generator 22 and actually forms, as mentioned above, the entire time diagram of the signals that determines the sequence of the counter. In addition to the main operating modes described above, the timer 7 generates temporary signals that provide a periodic order of turning on and off the power of each counter unit, which ensures a long-term operation of the counter without replacing the power source with high measurement accuracy. So, the timer 7 periodically turns on the power level converter 25, which is switched on for short periods of time before each measurement cycle and charges the storage capacitors 26.1-26. M. Charging storage capacitors 26.1-26. M, providing power to most of the counter blocks, is carried out in time intervals t ₁ -t ₂ (Fig. 2g) for odd periods of work and in intervals t ₁ '-t ₂ ' (Fig. 2o) for even periods of work. Due to the large interference arising at time intervals t ₃ -t ₄ (Fig. 2c) and at time intervals t ₃ '-t ₄ ' (Fig. 2k) due to the relatively large amplitude of the probe pulses, charging the storage capacitors providing power the receiving path, including the amplifier 10, the comparator 11 and the instantaneous phase determination logic 23, is carried out at time intervals t ₅ -t ₆ (FIG. 2h) for odd periods of operation and at time intervals t ₅ ′ -t ₆ ′ (FIG. 2p) for even periods of operation of the counter. Short-term, but to ensure the functioning of the counter blocks, sufficient for the duration of inclusion in the operation of one or another block are carried out according to the pulses of the timer 7 supplied to the switches 27.1. . . 27. M. The inclusion of one or another block in the work follows from the timing diagram of the signals shown in FIG. 2b-2e and in FIG. 2i-2n. So, for example, the power to the probe pulse generator 8 is supplied after the charging time t _{2 of the} corresponding storage capacitor 26.8 (not shown in Fig. 1) and is turned off after the time t ₄ . As an example in FIG. 2g and pa fig. 2o shows a slight decrease in the power level at the same storage capacitor 26.8 during the formation of probe pulses by the shaper 8 in the intervals t ₃ -t ₄ (Fig. 2c) and t ₃ '-t ₄ ' (Fig. 2k). The logic circuit 23 for determining the instantaneous phase is included in the work, for example, by opening the switch 27. M and connecting the capacitor 26. M to the power supply circuit RfСф of the logic circuit 23 after time instants t ₆ (Fig. 2h) and t ₆ '(Fig. 2p) and turns off with some shutter speed after time instants t ₈ (Fig. 2e) and t ₈ '(Fig. 2n).

Наличие в цепях питания фильтров RфСф того или иного блока является желательным, но необязательным и продиктовано лишь необходимостью обеспечения устойчивого и высокоточного режима работы счетчика в целом. The presence of one or another block in the power supply circuits of the RfSf filters is desirable, but optional and is dictated only by the need to ensure a stable and high-precision mode of operation of the meter as a whole.

Питание же основных блоков, формирующих временную диаграмму сигналов счетчика, осуществляется от источника (энергонезависимого) 24 питания напрямую. К этим блокам относятся генератор 22 импульсов, потребляющий ток не более нескольких микроампер, таймер 7, потребляющий не более десяти микроампер, и высокостабильный опорный генератор 6, который в ждущем режиме работы имеет потребление менее одного микроампера. Малопотребляющие режимы работы этих блоков в сочетании с коммутацией цепей питания остальных блоков счетчика и в сочетании с четкой синхронизацией работы всех блоков обеспечивают высокоточную долговременную работу счетчика до десяти и более лет без замены литиевого источника питания емкостью 10-12 амперчасов. The power of the main units forming the timing diagram of the counter signals is provided directly from the (non-volatile) 24 power supply. These blocks include a pulse generator 22, consuming a current of no more than several microamps, a timer 7, consuming no more than ten microamps, and a highly stable reference generator 6, which in standby mode has a consumption of less than one microampere. Low-power modes of operation of these units in combination with switching power circuits of the remaining counter units and in combination with clear synchronization of the operation of all units provide high-precision long-term operation of the counter for up to ten years or more without replacing a lithium power source with a capacity of 10-12 ampere hours.

Выходной код, соответствующий сумме τ_Σ, с выхода схемы 14 сложения поступает, как упоминалось выше, на N параллельно включенных блоков 16.1, 16.2, . . . 16. N памяти и на вход блока 18 определения типа газовой среды. Работа блоков 16.1, 16.2, . . . 16. N, блока 18 как и вся дальнейшая работа устройства осуществляется по определенному алгоритму, функционирование которого следует из анализа уравнений ультразвукового расходомера - счетчика газа.The output code corresponding to the sum of τ _Σ , from the output of the addition circuit 14, is supplied, as mentioned above, to N parallel connected blocks 16.1, 16.2,. . . 16. N memory and the input of the block 18 determining the type of gas medium. The work of blocks 16.1, 16.2,. . . 16. N, block 18, as well as all further work of the device is carried out according to a certain algorithm, the functioning of which follows from the analysis of the equations of the ultrasonic flow meter - gas meter.

Объемный расход Q газа в единицу времени при рабочей температуре и давлении Р равен:
Q= S•v, (1)
где S - площадь поперечного сечения мерного участка 1 трубопровода;
v - скорость потока газа.The volume flow rate Q of gas per unit time at operating temperature and pressure P is equal to:
Q = S • v, (1)
where S is the cross-sectional area of the measured section 1 of the pipeline;
v is the gas flow rate.

Исходя из массы газа, проходящего через мерный участок 1 трубопровода в единицу времени, определим объемный расход Q₀ газа, приведенный к значению стандартной плотности газа ρ₀ при опорных температуре и давлении:

где ρ- плотность газа в рабочих условиях;
Q - объемный расход газа в рабочих условиях в соответствии с выражением (1).Based on the mass of gas passing through the measured section 1 of the pipeline per unit time, we determine the volumetric flow rate Q _{0 of} gas reduced to the standard gas density ρ ₀ at reference temperature and pressure:

where ρ is the gas density under operating conditions;
Q is the volumetric gas flow rate under operating conditions in accordance with expression (1).

Времена распространения t_p1 и t_p2 ультразвука по потоку газа и против него можно представить в виде:

где L - акустическая база или длина мерного участка трубопровода;
С - скорость ультразвука в газе.The propagation times t _p1 and t _{p2 of} ultrasound along the gas flow and against it can be represented as:

where L is the acoustic base or the length of the measured section of the pipeline;
C is the speed of ultrasound in a gas.

В этом случае выражение (1) для объемного расхода газа с учетом уравнений (3) представляется в виде:

где S - площадь поперечного сечения трубопровода;
v - средняя по сечению трубопровода скорость потока газа.In this case, expression (1) for the volumetric gas flow taking into account equations (3) is represented in the form:

where S is the cross-sectional area of the pipeline;
v is the average gas flow rate over the cross section of the pipeline.

Для бытового ультразвукового расходомера диаметр сечения трубопровода выбирается таким образом, чтобы течение газа можно было рассмотреть как однородное и несжимаемое по всей длине мерного участка трубопровода. Это условие выполняется, если v² << С² [2] .For a household ultrasonic flowmeter, the diameter of the pipeline section is selected so that the gas flow can be considered uniform and incompressible along the entire length of the measured section of the pipeline. This condition is satisfied if v ² << C ² [2].

Легко убедиться, что для обычного бытового трубопровода с диаметром 20 мм при максимальном расходе газа 10 м³/ч, отношение v²/C²≈4•10^-4. Следовательно, выражение (4) с достаточно высокой степенью точности можно вычислять в виде:

где А - геометрический параметр мерного участка 1 трубопровода.It is easy to see that for an ordinary household pipeline with a diameter of 20 mm with a maximum gas flow rate of 10 m ³ / h, the ratio v ² / C ² ≈4 • 10 ^-4 . Therefore, expression (4) with a fairly high degree of accuracy can be calculated in the form:

where A is the geometric parameter of the measured section 1 of the pipeline.

Скорость ультразвука в газе для частот ниже 10⁶ Гц может быть выражена по формуле:

где χ - показатель адиабаты газовой среды.The speed of ultrasound in a gas for frequencies below 10 ⁶ Hz can be expressed by the formula:

where χ is the adiabatic index of the gaseous medium.

Тогда с учетом выражений (2), (5) и (6) объемный расход газа, приведенный к значению при опорных температуре, давлении и стандартной плотности газа ρ_o, определяется по формуле:

Полученное выражение (7) является точным исходным уравнением предложенного бытового ультразвукового расходомера - счетчика газа. В соответствии с этим уравнением реализуется алгоритм работы расходомера - счетчика. Согласно уравнению (7) арифметическое устройство 9 производит операцию перемножения кодовых сигналов, пропорциональных разности временных интервалов (t_p2-t_p1), которые подаются на первый его вход с выхода схемы 15 вычитания, с кодовым сигналом, пропорциональным давлению Р, который подается на второй вход арифметического устройства 9 с выхода датчика 2 давления. Полученный результат умножается на постоянный множитель А и на значение показателя адиабаты χ, который для каждого вида газа выбирается посредством второго коммутатора 17 и корректируется с помощью блоков 16.1, 16.2, . . . , 16. N памяти по суммарной кодовой величине времени (t_p2 + t_p1) распространения ультразвука в газе, подаваемой с выхода схемы 14 сложения на входы блоков 16.1, 16.2, . . . , 16. N памяти. Блок 18 определения типа газовой среды также работает по коду суммарной величины (t_p1 + t_р2) и формирует на своих выходах один из N уровней сигнала, пропорционального типу газовой среды.Then, taking into account expressions (2), (5) and (6), the volumetric gas flow reduced to a value at reference temperature, pressure and standard gas density ρ _o is determined by the formula:

The resulting expression (7) is the exact initial equation of the proposed household ultrasonic flow meter - gas meter. In accordance with this equation, the flowmeter-counter operation algorithm is implemented. According to equation (7), the arithmetic device 9 performs the operation of multiplying code signals proportional to the difference in time intervals (t _p2 -t _p1 ), which are supplied to its first input from the output of the subtraction circuit 15, with a code signal proportional to the pressure P, which is supplied to the second the input of the arithmetic device 9 from the output of the pressure sensor 2. The result obtained is multiplied by a constant factor A and by the value of the adiabatic exponent χ, which for each type of gas is selected by means of the second switch 17 and adjusted using blocks 16.1, 16.2,. . . , 16. N memory by the total code value of the time (t _p2 + t _p1 ) of the propagation of ultrasound in the gas supplied from the output of the addition circuit 14 to the inputs of the blocks 16.1, 16.2,. . . , 16. N memory. Block 18 determining the type of gas medium also works by the code of the total value (t _p1 + t _p2 ) and generates at its outputs one of the N signal levels proportional to the type of gas medium.

Такое решение основано на том, что возможные значения скорости ультразвука в природном газе для известных различных месторождений [3] при 0^oС находятся в пределах (414-431) м/с. Скорость ультразвука в воздухе при 0^oС находится в пределах (328-335) м/с. В парах сжиженного газа с различной концентрацией пропана и бутана в смеси при 0^oС скорость ультразвука находится в пределах значений (207-226) м/с. Исходя из этого, можно определить, что в температурном диапазоне минус 50^oС до +50^oС области возможных значений скорости ультразвука в природном газе, воздухе и в парах сжиженного газа не перекрываются. Возможно измерение расхода других газов, т. к. каждый из них обладает своим значением скорости ультразвука [4] .This solution is based on the fact that the possible values of the ultrasound velocity in natural gas for various known fields [3] at 0 ^o C are in the range (414-431) m / s. The speed of ultrasound in air at 0 ^o C is in the range (328-335) m / s. In vapors of a liquefied gas with different concentrations of propane and butane in a mixture at 0 ^° C, the ultrasound speed is in the range of (207-226) m / s. Based on this, it can be determined that in the temperature range of minus 50 ^o С to + 50 ^o С the ranges of possible ultrasound speeds in natural gas, air and in liquefied gas vapors do not overlap. It is possible to measure the flow rate of other gases, because each of them has its own ultrasound velocity value [4].

В зависимости от уровня сигнала, поступающего на вход второго коммутатора 17 с выхода блока 18 определения типа газовой среды, осуществляется выбор вторым коммутатором 17 показателя адиабаты χ по кодовым сигналам одного из N параллельно включенных блоков 16.1, 16.2, . . . , 16. N памяти, каждый из которых на своем выходе формирует код, пропорциональный показателю адиабаты, в зависимости от суммарного времени (t_p1+t₂) распространения ультразвука в газе. Это обеспечивает высокую точность задания показателя адиабаты как функцию температуры газа.Depending on the level of the signal received at the input of the second switch 17 from the output of the gas medium type determining unit 18, the second switch 17 selects the adiabatic exponent χ from the code signals of one of the N parallel connected blocks 16.1, 16.2,. . . , 16. N memories, each of which, at its output, generates a code proportional to the adiabatic index, depending on the total time (t _p1 + t ₂ ) of ultrasound propagation in the gas. This ensures a high accuracy in setting the adiabatic index as a function of gas temperature.

Кроме того, каждый из N параллельно включенных блоков 16.1, 16.2, . . . , 16. N памяти содержат в памяти не точно свое, присущее данному газу для данной скорости ультразвука значение показателя адиабаты χ, а некоторое предварительно уточненное значение показателя адиабаты χ, умноженное на поправочный коэффициент k, связанный с изменением профиля потока газа через измерительный участок 1 трубопровода, т. е. значение kχ. Это обусловлено тем, что каждый газ имеет свою присущую ему кинематическую вязкость, поэтому с изменением типа газа возникает изменение профиля потока, приводящее к различным показаниям расхода для разных газов. Поэтому поправочный коэффициент k позволяет обеспечивать связь результатов измерений для разных газов между собой. In addition, each of the N parallel-connected blocks 16.1, 16.2,. . . , 16. N memories do not contain exactly their adiabatic exponent χ inherent in a given gas for a given ultrasound velocity, but some previously refined adiabatic exponent χ multiplied by a correction coefficient k associated with a change in the gas flow profile through the measuring section 1 of the pipeline , i.e., the value of kχ. This is due to the fact that each gas has its own kinematic viscosity, therefore, with a change in the type of gas, a change in the flow profile occurs, leading to different flow readings for different gases. Therefore, the correction coefficient k allows us to ensure the relationship of the measurement results for different gases with each other.

По уровню сигнала, поступающего с выхода блока 18, блок 19 кода стандартной плотности формирует на своем выходе параллельный кодовый сигнал стандартной плотности, соответствующий тому или другому газу. Например, при измерении расхода метана по суммарному времени (t_p1 + t_p2) распространения ультразвука в метане блок 18 определения типа газовой среды формирует на своем выходе такой уровень сигнала, что блок 19 кода формирует, в свою очередь, двоичный параллельный код, соответствующий стандартной плотности метана 0,72 г/см³.According to the level of the signal coming from the output of block 18, the standard density code block 19 generates at its output a parallel standard density code signal corresponding to one or another gas. For example, when measuring methane consumption by the total time (t _p1 + t _p2 ) of ultrasound propagation in methane, the gas medium type determination unit 18 generates at its output such a signal level that the code unit 19 forms, in turn, a binary parallel code corresponding to the standard the density of methane 0.72 g / cm ³ .

Следовательно, с учетом поправочного коэффициента k на изменение профиля потока газа и изменяемого показателя адиабаты χ как функции суммарного времени (t_p1 + t_p2), выражение, описывающее работу арифметического устройства 9, представляется формированием на выходе устройства 9 кодового сигнала, пропорционального массовому расходу газа:
Q_m= A•k•χ•P•(t_p2 -t_p1). (8)
С выхода арифметического устройства 9 код массового расхода газа подается на делитель 20 кодов, в котором делится на кодовый сигнал стандартной плотности измеряемого газа, поступающий с блока 19 кода стандартной плотности. Исходя из уравнения (8) и функции делителя 20 кодов, выходной кодовый сигнал делителя 20 кодов пропорционален объемному расходу газа, приведенному к нормальным условиям по давлению, температуре и стандартной плотности:

Реализованное устройством уравнение (9) аналогично исходному уравнению (7) и позволяет получить высокую точность измерений объемного расхода газа, приведенного к нормальным условиям.Therefore, taking into account the correction coefficient k for changing the gas flow profile and the variable adiabatic index χ as a function of the total time (t _p1 + t _p2 ), the expression describing the operation of the arithmetic device 9 is represented by the formation at the output of the device 9 of a code signal proportional to the gas mass flow rate :
Q _m = A • k • χ • P • (t _p2 -t _p1 ). (8)
From the output of the arithmetic device 9, the code of the mass flow rate of gas is supplied to a code divider 20, in which it is divided into a code signal of standard density of the measured gas coming from block 19 of the standard density code. Based on equation (8) and the function of the divider 20 codes, the output code signal of the divider 20 codes is proportional to the volumetric gas flow reduced to normal conditions for pressure, temperature and standard density:

Equation (9) implemented by the device is similar to the original equation (7) and allows one to obtain high accuracy in measuring the gas volumetric flow rate reduced to normal conditions.

Выходной кодовый сигнал с выхода делителя 20 кодов подается на суммирующе-регистрирующее устройство 21, в котором производится накопление информации о суммарном объеме газа, прошедшем через мерный участок 1 трубопровода. Таким образом, в предложенном устройстве имеет место высокая точность при измерении различных газовых сред, причем все измеренные газы приводятся по объемному расходу к нормальным условиям по температуре, давлению и к стандартной плотности, характерной для каждого газа в нормальных условиях. Это позволяет связывать между собой результаты измерений объемного расхода разных газов и приводить эти результаты к одним и тем же одинаковым или нормальным условиям по температуре, давлению и плотности. В итоге достигается возможность калибровать, аттестовывать и поверять счетчики в процессе их массового производства на воздухе и распространять эти результаты на измерения объемных расходов других газов, что соответствует общепринятым стандартам. В принципе работы предложенного устройства заложены, как показано выше, алгоритмы, обеспечивающие связь результатов измерений и поверок по разным газам между собой. The output code signal from the output of the code divider 20 is supplied to a summing-recording device 21, in which information is accumulated on the total volume of gas passing through the measuring section 1 of the pipeline. Thus, in the proposed device there is a high accuracy when measuring various gaseous media, and all the measured gases are reduced by volumetric flow to normal conditions in temperature, pressure and standard density, typical of each gas under normal conditions. This allows you to relate to each other the results of measurements of the volumetric flow rate of different gases and bring these results to the same or normal conditions in temperature, pressure and density. As a result, it is possible to calibrate, certify and verify meters in the process of their mass production in air and to extend these results to measurements of volumetric flows of other gases, which corresponds to generally accepted standards. In principle, the operation of the proposed device incorporated, as shown above, algorithms that provide a connection between the results of measurements and calibrations for different gases among themselves.

Следовательно, в предложенном техническом решении повышается точность измерений при одновременном обеспечении долговременного срока работы счетчика без замены источника питания. Это достигается тем, что в устройство введены генератор интервальных импульсов, логическая схема определения мгновенной фазы колебаний опорного генератора в момент прекращения счета и последовательно включенные энергонезависимый источник питания, преобразователь уровней питания, М накопительных конденсаторов, каждый из который подсоединен параллельно к одному из М выходов преобразователя уровней питания, и М параллельно включенных коммутаторов, управляющий вход каждого из которых и управляющий вход преобразователя уровней питания связаны с соответствующим выходом таймера, вход каждого коммутатора подключен к накопительному конденсатору соответствующего выхода преобразователя уровней питания, выход - к цепи питания каждого функционального блока через соответствующий сглаживающий фильтр, а выход генератора интервальных импульсов связан с управляющим входом опорного генератора через таймер, при этом цепи питания генератора интервальных импульсов, опорного генератора и таймера подключены к источнику питания непосредственно, а в качестве таймера применен формирователь временной диаграммы сигналов, причем логическая схема определения мгновенной фазы колебаний опорного генератора в момент прекращения счета подключена параллельно счетчику импульсов и ее входы связаны с выходом триггера и опорного генератора, а выходы подсоединены ко входам младших разрядов схемы сложения и схемы вычитания. Therefore, in the proposed technical solution, the accuracy of the measurements is increased while ensuring the long-term life of the meter without replacing the power source. This is achieved by the fact that an interval pulse generator, a logic circuit for determining the instantaneous phase of oscillations of the reference generator at the time of termination of counting, and a non-volatile power source, a power level converter, M storage capacitors, each of which is connected in parallel to one of the M outputs of the converter, are introduced into the device power levels, and M switches connected in parallel, the control input of each of which and the control input of the power level converter are connected to the corresponding timer output, the input of each switch is connected to the storage capacitor of the corresponding output of the power level converter, the output is connected to the power circuit of each function block through the corresponding smoothing filter, and the output of the interval pulse generator is connected to the control input of the reference generator via a timer, while the power circuit interval pulse generator, reference generator and timer are directly connected to the power source, and the forms are used as a timer a timing signal diagram, the logic circuit for determining the instantaneous phase of oscillations of the reference oscillator at the time of termination of counting is connected in parallel with the pulse counter and its inputs are connected to the output of the trigger and the reference oscillator, and the outputs are connected to the inputs of the least significant bits of the addition circuit and the subtraction circuit.

Несмотря на некоторую сложность предложенного технического решения, все функциональные узлы и блоки ультразвукового расходомера - счетчика газа выполнены на основе микропроцессорного устройства, что позволяет получить его большую надежность при высокой точности измерений. Despite the some complexity of the proposed technical solution, all functional units and blocks of an ultrasonic flow meter - gas meter are based on a microprocessor device, which allows it to be more reliable with high measurement accuracy.

Источники информации
1. Ультразвуковой газовый расходомер. Патент Японии, (11) JP5061571 В4; (51) G 01 F 1/66; (40) 06.09.93.Sources of information
1. Ultrasonic gas flow meter. Japan Patent, (11) JP5061571 B4; (51) G 01 F 1/66; (40) 09/06/93.

2. Г. Г. Шишко, П. М. Енин. Учет расхода газа. Киев: "Урожай", 1993. 2. G. G. Shishko, P. M. Enin. Accounting for gas consumption. Kiev: Harvest, 1993.

3. Г. Шлихтинг. Теория пограничного слоя, М. : "Наука", 1974. 3. G. Schlichting. Theory of the boundary layer, M.: "Science", 1974.

4. Таблицы физических величин. Справочник. М. : "Атомиздат", 1976. 4. Tables of physical quantities. Directory. M.: "Atomizdat", 1976.

Claims (1)

Бытовой ультразвуковой расходомер-счетчик для измерения объемного расхода газа, приведенного по давлению и температуре к нормальным условиям, содержащий мерный участок трубопровода с датчиком давления и с двумя встроенными ультразвуковыми преобразователями, соответственно связанными с первым и вторым входами аналогового коммутатора, третий вход которого связан с выходом опорного генератора через таймер, четвертый вход - со вторым выходом таймера через формирователь зондирующих импульсов, а выход аналогового коммутатора через последовательно соединенные приемный усилитель, компаратор и триггер, вторым входом связанный со вторым выходом таймера, подключен к первому входу арифметического устройства, ко второму входу которого подключен выход датчика давления, счетчик импульсов, счетным входом подключенный к выходу опорного генератора, а выходом - к схеме сложения, схему вычитания, последовательно соединенные N параллельно включенных блоков памяти и второй коммутатор, а также последовательно связанные блок определения типа газовой среды, блок кода стандартной плотности, делитель кодов и суммирующе-регистрирующее устройство, при этом выход схемы сложения подключен к входам N блоков памяти и к входу блока определения типа газовой среды, выход которого связан с управляющим входом второго коммутатора, соединенного выходом с третьим входом арифметического устройства, кодовый выход которого подключен к второму входу делителя кодов, отличающийся тем, что в него введены генератор импульсов, логическая схема определения мгновенной фазы колебаний опорного генератора в момент прекращения счета и последовательно включенные преобразователь уровней питания источника питания, М накопительных конденсаторов, каждый из которых подсоединен к одному из М выходов преобразователя уровней питания, и М параллельно включенных коммутаторов, управляющий вход каждого из которых и управляющий вход преобразователя уровней питания связаны с соответствующим выходом таймера, вход каждого из указанных коммутаторов подключен к накопительному конденсатору соответствующего выхода преобразователя уровней питания, выход - к цепи питания каждого блока через соответствующий сглаживающий фильтр, а выход генератора импульсов связан с управляющим входом опорного генератора через таймер, при этом цепи питания генератора импульсов, опорного генератора и таймера подключены к источнику питания непосредственно, логическая схема определения мгновенной фазы колебаний опорного генератора в момент прекращения счета подключена параллельно счетчику импульсов и ее входы связаны с выходом триггера и опорного генератора, а выходы подсоединены ко входам младших разрядов схемы сложения и схемы вычитания. A household ultrasonic flow meter for measuring the volumetric flow rate of gas reduced by pressure and temperature to normal conditions, containing a measuring section of the pipeline with a pressure sensor and two built-in ultrasonic transducers, respectively connected to the first and second inputs of the analog switch, the third input of which is connected to the output the reference generator through the timer, the fourth input with the second output of the timer through the shaper of the pulse pulses, and the output of the analog switch after well connected receiver amplifier, comparator and trigger, the second input connected to the second output of the timer, connected to the first input of the arithmetic device, the second input of which is connected to the output of the pressure sensor, a pulse counter, the counting input connected to the output of the reference generator, and the output to the addition circuit , a subtraction circuit, N series-connected memory blocks and a second switch connected in series, as well as a gas medium type determination unit, a standard tight code block axes, a code divider and a summing-recording device, while the output of the addition circuit is connected to the inputs of N memory blocks and to the input of the gas medium type determination unit, the output of which is connected to the control input of the second switch connected to the third input of the arithmetic device, the code output of which connected to the second input of the code divider, characterized in that a pulse generator is introduced into it, a logic circuit for determining the instantaneous phase of oscillations of the reference generator at the time of termination of the count and subsequent specifically included power supply level converter, M storage capacitors, each of which is connected to one of the M outputs of the power level converter, and M switches connected in parallel, the control input of each of which and the control input of the power level converter are connected to the corresponding timer output, each input of these switches is connected to the storage capacitor of the corresponding output of the power level converter, the output is connected to the power circuit of each unit through the corresponding smoothing filter, and the output of the pulse generator is connected to the control input of the reference generator via a timer, while the power circuits of the pulse generator, reference generator and timer are directly connected to the power source, the logic circuit for determining the instantaneous phase of oscillations of the reference generator at the time of termination of counting is connected in parallel with the pulse counter and its inputs are connected to the output of the trigger and the reference generator, and the outputs are connected to the inputs of the least significant bits of the addition circuit and the subtraction circuit.

Images