жидкостный осциллятор и способ измерения величины, относящейся к объему жидкости, протекающей через такой жидкостный осциллятор

Формула изобретения

1. Жидкостный осциллятор, который симметричен относительно продольной плоскости симметрии, в которой находится направление потока текучей среды, осциллятор, содержащий средство для генерирования двумерной струи текучей среды, которая колеблется в поперечном относительно указанной продольной плоскости симметрии направлении, два ультразвуковых преобразователя, расположенных на разных поперечных плоскостях, средство, во-первых, для генерирования ультразвукового сигнала в потоке текучей среды, проходящей от одного из указанных преобразователей по направлению к другому, и, во-вторых, для приема указанного ультразвукового сигнала в качестве модулированного колебаниями струи текучей среды, и средство для обработки принятого сигнала так, чтобы детектировать относящееся к объему количество, касающееся текучей среды, которая протекает через указанный жидкостный осциллятор, отличающийся тем, что ультразвуковые преобразователи находятся в продольной плоскости симметрии.

2. Жидкостный осциллятор по п.1, отличающийся тем, что включает в себя средство для излучения и приема ультразвукового сигнала поочередно из каждого из ультразвуковых преобразователей и средство, соответствующее каждому принятому ультразвуковому сигналу, и для последующих пар ультразвуковых сигналов для определения значения величины, которая является характеристикой скорости распространения указанного ультразвукового сигнала в качестве модифицированного потоком текучей среды и для установления из него относящегося к объему количества, применимого к текучей среде, которая протекает через указанный жидкостный осциллятор.

3. Жидкостный осциллятор по п.1 или 2, отличающийся тем, что ультразвуковые преобразователи расположены в разных поперечных плоскостях, верхний из указанных преобразователей расположен выше по течению от средства для генерирования двумерной струи текучей среды, другой преобразователь является нижерасположенным преобразователем.

4. Жидкостный осциллятор по п.2, отличающийся тем, что характеристика величины скорости распространения ультразвукового сигнала является временем распространения указанного сигнала.

5. Жидкостный осциллятор по п.2, отличающийся тем, что характеристика величины скорости распространения ультразвукового сигнала является фазой распространения указанного сигнала.

6. Жидкостный осциллятор по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что средство для генерирования колеблющейся двумерной струи текучей среды образовано отверстием для входа текучей среды с поперечным размером или шириной d и высотой h и содержит колебательную камеру, подсоединенную одним из своих концов к отверстию для входа жидкости, а противоположным концом - к отверстию для выхода текучей среды, указанные отверстия находятся в указанной продольной плоскости симметрии и по меньшей мере одно препятствие, расположенное в указанной колебательной камере между отверстием для входа и отверстием для выхода текучей среды.

7. Жидкостный осциллятор по пп.3 и 6, отличающийся тем, что верхний преобразователь расположен выше по течению от отверстия для входа текучей среды.

8. Жидкостный осциллятор по п.6, отличающийся тем, что препятствие имеет фронтальную часть с полостью, обращенной к отверстию для входа текучей среды.

9. Жидкостный осциллятор по пп.3 и 6, отличающийся тем, что нижерасположенный преобразователь прикреплен к препятствию.

10. Жидкостный осциллятор по пп.8 и 9, отличающийся тем, что нижерасположенный преобразователь расположен в полости препятствия.

11. Жидкостной осциллятор по любому из пп.6 - 10, отличающийся тем, что он включает в себя выше по течению от препятствия проход для текучей среды, определяемый двумя стенками, перпендикулярными продольной плоскости симметрии и удаленными друг от друга на расстояние h.

12. Жидкостный осциллятор по п.11, отличающийся тем, что он включает в себя выше по течению от отверстия для входа текучей среды вытянутый в продольном направлении канал, образованный по меньшей мере частью прохода для текучей среды, указанный канал имеет постоянную ширину d, которая перпендикулярна расстоянию h.

13. Жидкостный осциллятор по п.12, отличающийся тем, что канал имеет на одном из своих концов расположенное ниже по течению отверстие нижнего течения, которое соответствует отверстию для входа текучей среды, а на другом конце, расположенном выше по течению - отверстие верхнего течения, которое в плоскости, параллельной направлению потока текучей среды и перпендикулярной продольной плоскости симметрии, выполнено сходящимся по форме, при этом его ширина постепенно сужается конусообразно до ширины d.

14. Жидкостный осциллятор по пп.3 и 12, отличающийся тем, что верхний преобразователь расположен выше по течению от канала.

15. Жидкостный осциллятор по любому из пп.12 - 14, отличающийся тем, что включает в себя два впускных отверстия, расположенных симметрично относительно продольной плоскости симметрии и открывающихся в проход, расположенный выше по течению от канала, и в пустое пространство, образующее другую часть прохода для текучей среды и расположенное выше по течению от канала.

16. Жидкостный осциллятор по пп.3 и 15, отличающийся тем, что верхний преобразователь расположен выше по течению от пустого пространства.

17. Жидкостный осциллятор по любому из пп.1 - 16, отличающийся тем, что ультразвуковые преобразователи расположены на одной и той же стороне в направлении, перпендикулярном продольному направлению потока текучей среды, и находятся в продольной плоскости симметрии.

18. Жидкостный осциллятор по пп.11 и 17, отличающийся тем, что оба ультразвуковых преобразователя прикреплены к одной и той же из стенок, определяющих проход для текучей среды.

19. Жидкостный осциллятор по любому из пп.1 - 16, отличающийся тем, что ультразвуковые преобразователи сдвинуты в направлении, перпендикулярном продольному направлению потока текучей среды, и находятся в продольной плоскости симметрии.

20. Жидкостный осциллятор по пп.11 и 19, отличающийся тем, что каждый из ультразвуковых преобразователей прикреплен к соответствующей одной из стенок, определяющих проход для текучей среды.

21. Способ измерения относящегося к объему количества текучей среды, протекающей через жидкостный осциллятор, в котором струя жидкости колеблется в поперечном направлении относительно продольной плоскости симметрии, указанный способ состоит из последовательных этапов: излучают ультразвуковой сигнал в поток текучей среды из ультразвукового преобразователя, принимают указанный ультразвуковой сигнал в качестве модулированного колебаниями струи текучей среды, используя еще один ультразвуковой преобразователь, причем оба преобразователя помещены в разных поперечных плоскостях и обрабатывают принятый сигнал так, чтобы определить указанное относящееся к объему количество текучей среды, которая протекает через осциллятор, отличающийся тем, что осуществляют излучение ультразвукового сигнала в направлении, которое находится в продольной плоскости симметрии.

22. Способ по п.21, отличающийся тем, что осуществляют излучение ультразвукового сигнала в направлении потока текучей среды, текущей через жидкостный осциллятор.

23. Способ по п.22, отличающийся тем, что после приема ультразвукового сигнала и на его основании осуществляют детектирование частоты колебаний, которая равна удвоенной частоте колебаний струи текучей среды, посредством этого осуществляют усовершенствование чувствительности измерения.

24. Способ по п.23, отличающийся тем, что осуществляют излучение ультразвукового сигнала в противоположном направлении к потоку текучей среды, текущей через жидкостный осциллятор.

25. Способ по любому из пп.21 - 24, отличающийся тем, что для малых относящихся к объему количеств текучей среды, протекающей через жидкостный осциллятор, осуществляют по принятому ультразвуковому сигналу, чья скорость распространения модифицирована потоком текучей среды, определяют первое значение характеристики величины указанной скорости распространения принятого ультразвукового сигнала, повторяют упомянутые выше этапы после изменения функций излучателя и приемника ультразвуковых преобразователей, определяют второе значение указанной характеристики величины скорости распространения другого ультразвукового сигнала, и выводят из них измерение малого относящегося к объему количества текучей среды.

26. Способ по п.25, отличающийся тем, что значение характеристики величины скорости распространения ультразвукового сигнала является временем распространения указанного сигнала.

27. Способ по п.25, отличающийся тем, что значение характеристики величины скорости распространения ультразвукового сигнала является фазой распространения указанного сигнала.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к жидкостному осциллятору и способу измерения величины, относящейся к объему текучей среды (жидкости или газа), протекающей через указанный жидкостный осциллятор.

Известно применение жидкостных осцилляторов для измерения относящейся к объему величины (количества) жидкости или газа, например расхода, если измеряется частота осцилляций (колебаний) или объема, если подсчитывается количество колебаний. Такой жидкостный осциллятор описан, например, в патентной заявке Франции N 9205301 и основан на детектировании частоты осцилляций двумерной жидкостной струи в колебательной камере.

Жидкостная струя образуется, когда поток жидкости или газа проходит через щель, открывающуюся в колебательную камеру, и осциллирует в поперечном направлении относительно плоскости продольной симметрии жидкостного осциллятора. В колебательной камере размещается препятствие, оно имеет полость на своей фронтальной части, эта полость размещается на пути жидкостной струи так, чтобы указанная струя омывала стенки камеры во время осцилляции. Измерение расхода выполняется, например, с помощью детектирования струи, омывающей дно камеры, когда она осциллирует с частотой колебаний струи, пропорциональной расходу жидкости или газа.

Из патентной заявки GB-A-2120384 известно, что жидкостный осциллятор работает на отчасти отличном принципе, т.к. он является осциллятором с эффектом Коада (Coanda), но его конечной целью остается измерение относящегося к объему количества жидкости или газа посредством детектирования частоты осцилляции струи жидкости или газа. Этот жидкостный осциллятор имеет три препятствия, находящиеся в колебательной камере, два из осцилляторов расположены на противоположных сторонах продольной плоскости симметрии сразу после отверстия для входа жидкости или газа в указанную камеру и взаимодействующие с боковыми стенками колебательной камеры для образования двух симметричных каналов, а третье препятствие расположено напротив отверстия для входа жидкости или газа, но ниже по течению от первых двух препятствий по бокам.

Во время своего омывающего движения струя жидкости или газа встречает одно из боковых препятствий и ударяется в него, поток жидкости или газа затем двигается вверх и проникает в канал, образованный между указанным боковым препятствием и одной из стенок колебательной камеры, посредством этого заставляя жидкость или газ снова вращаться.

Когда поток жидкости или газа достигает верхней зоны, расположенной близко к отверстию для входа жидкости или газа, где расположено основание струи, поток затем заставляет указанную струю изменить направление к другому боковому препятствию, и то же явление воспроизводится с указанным другим боковым препятствием. Жидкостный осциллятор включает также в себя два ультразвуковых преобразователя, расположенных на любой стороне расположения потока жидкости или газа так, что ультразвуковые сигналы излучались и принимались в плоскостях, которые являются по существу поперечными к продольному направлению потока жидкости или газа.

В описанном способе измерения один из преобразователей излучает по направлению к другому преобразователю, который расположен снизу от первого или на той же поперечной плоскости, что и первый, и излученный сигнал модулируется колебаниями струи в колебательной камере так, чтобы другой преобразователь принимал указанный ультразвуковой сигнал в качестве модулированного таким способом.

На основании принятого сигнала возможно детектировать частоту f колебаний струи и вывести отсюда расход или объем жидкости или газа, которая протекает через жидкостный осциллятор.

Это патентная заявка Великобритании затем разъясняет, что принятый сигнал является демодулированным и преобразованным в импульсный сигнал, где каждый импульс соответствует единице объема жидкости или газа, протекшей в виде струи во время своей осцилляции.

Этот способ измерения обеспечивает преимущество достижения хорошей повторяемости измерения в обычном диапазоне объемных скоростей потока для жидкостного осциллятора. Однако в некоторых случаях необходимо получить очень хорошую точность при измерении расхода или объема, и следовательно, это может быть выгодно иметь жидкостный осциллятор, чувствительность которого может быть легко улучшена сверх его обычного диапазона расходов.

К тому же известно, что жидкостный осциллятор не может измерять относящееся к объему количество жидкости или газа, когда расход жидкости является настолько низким, что более невозможно детектировать частоту колебаний струи жидкости или газа.

Для домашних установок известно, что большую часть времени расход текучей среды, например газа, является очень малым, обычно менее 200 л/ч. Поэтому особенно важно уметь измерять потоки с таким расходом, так же как и уметь измерять максимальные значения расхода, которые имеют место временами. К тому же необходимо также детектировать жидкостные утечки, когда они имеют место, и таким образом необходимо уметь различать скорость утечки, начиная с малых расходов.

Настоящее изобретение ищет средства преодоления недостатков предшествующего уровня техники посредством предложения конструкции жидкостного осциллятора, которая должна легко адаптироваться для более точного измерения относящегося к объему количества жидкости или газа сверх обычной величины расхода для указанного жидкостного осциллятора и которая является также легко адаптируемой для измерения малого относящегося к объему количества жидкости или газа, при котором колебания струи исчезают.

Изобретение также предлагает способ измерения, который приспособлен для измерения относящегося к объему количества жидкости или газа в каждом из описанных выше случаев.

Таким образом, настоящее изобретение предлагает жидкостный осциллятор, который является симметричным относительно продольной плоскости симметрии, осциллятор содержит:

средство для генерирования двумерной струи текучей среды, которая колеблется в поперечном направлении относительно указанной продольной плоскости симметрии;

два ультразвуковых преобразователя, расположенных на разных поперечных плоскостях, и

средство, во-первых, для генерирования ультразвукового сигнала в потоке жидкости или газа, проходящих от одного указанного преобразователя по направлению к другому, и, во-вторых, для приема указанного ультразвукового сигнала, который модулирован колебаниями струи жидкости или газа; и

средство для обработки принятого сигнала так, чтобы определить относящееся к объему количество жидкости или газа, которые протекают через указанный жидкостный осциллятор,

отличающееся тем, что указанные ультразвуковые преобразователи находятся по существу в продольной плоскости симметрии.

Новое расположение ультразвуковых преобразователей в жидкостном осцилляторе является большим преимуществом, во-первых, потому, что, выбирая размещение указанных преобразователей специально в плоскости симметрии или немного сдвинутыми от нее, возможно способствовать детектированию на частоте колебаний струи или на удвоенной частоте колебаний, посредством этого увеличивая чувствительность указанного жидкостного осциллятора, и, во-вторых, используя одинаковые преобразователи, расположенные таким образом и работающие на частоте колебаний или на удвоенной частоте колебаний, возможно измерить малые объемные количества жидкости или газа, для которых колебания струи являются слишком малыми для того, чтобы было возможно детектировать их частоту.

Жидкостный осциллятор, полученный таким образом, называется "объединенным" осциллятором, и он охватывает диапазон расходов, который шире, чем типовой диапазон расходов для обычных жидкостных осцилляторов.

Поэтому жидкостный осциллятор в себя включает:

средство для излучения и приема ультразвукового сигнала поочередно от каждого из ультразвуковых преобразователей; и

средство, относящееся к каждому принятому ультразвуковому сигналу и к последующим парам ультразвуковых сигналов, для определения значения величины, которая характеризует скорость распространения указанного ультразвукового сигнала, который модифицирован потоком жидкости или газа, и для получения из него относящегося к объему количества жидкости или газа, которые протекают через указанный жидкостный осциллятор.

Ультразвуковые преобразователи располагаются на различных поперечных плоскостях, верхний из указанных преобразователей расположен выше по течению от средства для генерирования двумерной струи жидкости или газа, а другой преобразователь является нижерасположенным преобразователем.

Явление колебания струи наблюдается в широком диапазоне расходов, охватывая и более высокие значения расхода, диапазон скоростей, для которых колебания струи являются слишком слабыми, чтобы быть детектированными, является относительно малым.

Следовательно, в этом малом диапазоне возможно использовать преобразователи, которые являются высоко резонирующими и поэтому имеют относительно простую конструкцию.

Например, величина, представляющая скорость распространения ультразвукового сигнала, может быть временем распространения указанного сигнала. С другой стороны, указанная величина может быть фазой указанного сигнала.

В воплощении изобретения жидкостный осциллятор содержит:

средство для генерирования двумерной колеблющейся струи, это средство образуется отверстием для входа жидкости или газа с поперечными размерами шириной d и высотой h,

колебательную камеру, подсоединенную одним из своих концов к указанному отверстию входа жидкости или газа, а своим противоположным концом - к отверстию для выхода текучей среды, указанные отверстия находятся в указанной продольной плоскости симметрии, и

по меньшей мере, одно препятствие, расположенное в указанной колебательной камере между входным отверстием и выпускным отверстием.

Другими отличительными особенностями жидкостного осциллятора являются:

верхний преобразователь расположен выше входного отверстия жидкости или газа;

препятствие имеет фронтальную часть, в которой образована полость напротив входного отверстия для жидкости или газа;

нижерасположенный преобразователь расположен в полости препятствия.

Другими отличительными особенностями изобретения являются:

осциллятор имеет выше по течению от препятствия проход для жидкости или газа, который определяется двумя стенками, которые перпендикулярны продольной плоскости симметрии и которые удалены на расстояние h,

осциллятор имеет выше по течению от отверстия для входа жидкости или газа вытянутый в продольном направлении канал, образованный по меньшей мере частью прохода для жидкости или газа, указанный канал имеет в основном постоянную ширину d, измеренную в перпендикулярном направлении относительно расстояния h,

канал имеет на одном из своих концов отверстие нижнего течения, которое соответствует входному отверстию для жидкости или газа, а на своем противоположном конце - отверстие верхнего течения, которое в плоскости, параллельной направлению потока жидкости или газа и перпендикулярной продольной плоскости симметрии, является сужающимся по форме, его ширина сходится конусом к величине d,

он имеет два впускных отверстия, расположенные симметрично относительно продольной плоскости симметрии и открывающиеся в проход, находящийся выше по течению от канала,

два боковых прохода, вытянутых в направлении, которое в основном параллельно продольной плоскости симметрии и, в частности, продольному направлению канала, каждый содержит впускное отверстие для жидкости, каждый из указанных проходов подсоединен, во-первых, одним концом к общей первой камере, перпендикулярной указанной плоскости, и, во-вторых, противоположным концом - к общей второй камере, параллельной указанной первой камере, указанная первая камера снабжена источником подачи жидкости или газа,

пустое пространство, образующее другую часть прохода для жидкости или газа, находится выше по течению канала, и два впускных отверстия для жидкости или газа открываются в указанное пустое пространство,

верхний преобразователь расположен выше по течению от пустого пространства,

ультразвуковые преобразователи расположены на той же стенке в направлении, перпендикулярном продольному направлению потока жидкости или газа, и находятся в продольной плоскости симметрии,

оба ультразвуковых преобразователя прикреплены к одной и той же стенке, определяющей проход для жидкости или газа,

ультразвуковые преобразователи сдвинуты в направлении, перпендикулярном продольному направлению потока жидкости или газа, и находятся в продольной плоскости симметрии, и

каждый из ультразвуковых преобразователей прикреплен к соответствующей одной из стенок, определяющих проход для жидкости или газа.

Изобретение также предоставляет способ измерения относящегося к объему количества жидкости или газа, протекающих через жидкостный осциллятор, в котором струя колеблется в поперечном направлении относительно продольной плоскости симметрии, указанный способ заключается в последовательных этапах:

излучение ультразвукового сигнала в поток жидкости или газа ультразвукового преобразователя,

прием указанного ультразвукового сигнала, модулированного колебаниями струи, используя другой ультразвуковой преобразователь,

обработка принятого сигнала так, чтобы определить указанное относящееся к объему количество жидкости или газа, которое протекло через осциллятор, способ, отличающийся тем, что заключается в излучении ультразвукового сигнала в направлении, которое по существу находится в продольной плоскости симметрии.

Преимуществом является то, что, располагая ультразвуковые преобразователи точно в продольной плоскости симметрии жидкостного осциллятора и излучая ультразвуковой сигнал в указанной плоскости и в направлении потока жидкости или газа, указанный ультразвуковой сигнал, который является модулированными колебаниями струи и распространяется (захватывается) в указанной продольной плоскости симметрии, подвергается воздействию, главным образом, частоты 2f, где f представляет собой частоту колебаний указанной струи жидкости или газа. Поэтому, определяя частоту 2f, возможно удвоить чувствительность жидкостного осциллятора по сравнению с его обычным диапазоном расходов, т.е. расходов, для которых колебания струи являются определяемыми. Эта частота 2f не может быть детектирована с помощью способа, приведенного в патентной заявке GB-A-2120384.

Напротив, при желании использовать объединенный жидкостный осциллятор для охвата наиболее широкого возможного диапазона расходов без поиска усовершенствования чувствительности осциллятора, нет необходимости в расположении ультразвуковых преобразователей точно в продольной плоскости симметрии. Ультразвуковые преобразователи являются затем по существу выровненными с продольной плоскостью симметрии таким способом, чтобы наклон относительно продольного направления указанной плоскости симметрии составлял от 1 до 2^o.

Данные преобразователи расположены, таким образом, для измерения относящегося к объему количества жидкости или газа с высоким расходом, т.е. когда колебания струи являются достаточно сильными, чтобы их частота была детектирована, это дает возможность излучать ультразвуковой сигнал в направлении потока жидкости или газа через жидкостный осциллятор. Ультразвуковой сигнал, модулированный колебаниями струи и захваченный, затем подвергается воздействию, главным образом, частоты колебаний f указанной струи. При таком расположении преобразователей предпочтительным является излучение ультразвукового сигнала в направлении, противоположном направлению потока жидкости или газа через жидкостный осциллятор, с целью улучшения детектирования частоты колебаний f, перед ситуацией, когда ультразвуковой сигнал распространяется в том же направлении, что и направление потока жидкости или газа.

Располагая преобразователи в таком выгодном положении, также возможно измерить относящееся к объему количество жидкости или газа при низком значении расхода, т. е. когда колебания струи являются слишком малыми для детектирования, а способ согласно изобретению тогда содержит последовательные этапы:

излучение ультразвукового сигнала из одного из преобразователей по направлению к другому в направлении, которое по существу находится в продольной плоскости симметрии,

прием указанного ультразвукового сигнала, чья скорость распространения модифицирована потоком жидкости или газа,

определение первого значения амплитуды, характеризующей указанную скорость распространения принятого ультразвукового сигнала,

повторение вышеуказанных этапов после изменения функций излучателя и приемника ультразвуковых преобразователей и определения второго значения указанной амплитуды, характеризующей скорость распространения другого ультразвукового сигнала, и

получения из этих измерений малого относящегося к объему количества жидкости или газа.

Изобретение особенно выгодно в области измерения газа.

В дальнейшем изобретение поясняется не ограничивающими его наилучшими вариантами его воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:

фиг. 1 является схематическим видом продольного сечения в продольной плоскости P симметрии воплощения жидкостного осциллятора, согласно изобретению,

фиг. 2 является схематическим видом изображенного на фиг. 1 жидкостного осциллятора по плоскости P1,

фиг. 3 является схематическим видом сечения A воплощения жидкостного осциллятора, изображенного на фиг. 1,

фиг. 4 является схематическим видом по плоскости P1, изображающим вариант воплощения жидкостного осциллятора, изображенного на фиг. 2,

фиг. 5 изображает первый вариант воплощения расположения ультразвуковых преобразователей, изображенных на фиг. 1,

фиг. 6 изображает второй вариант воплощения расположения ультразвуковых преобразователей, изображенных на фиг. 1,

фиг. 7 изображает третий вариант воплощения расположения ультразвуковых преобразователей, изображенных на фиг. 1,

фиг. 8 изображает четвертый вариант воплощения расположения ультразвуковых преобразователей, изображенных на фиг. 1,

фиг. 9 является схематическим видом по плоскости P1, фиг. 1, второго воплощения жидкостного осциллятора согласно изобретению,

фиг. 10 изображает блок-схему, изображающую часть электронной схемы, используемой для измерения объема газа, протекающего через жидкостный осциллятор,

фиг. 11 является подробным видом в большем масштабе электронного блока 100, изображенного на фиг. 10,

фиг. 12 изображает модулированный ультразвуковой сигнал, который усилен усилителем 102, изображенным на фиг. 11,

фиг. 13 изображает ультразвуковой сигнал фиг. 12 после того, как он отфильтрован схемой 104 на фиг. 11,

фиг. 14 изображает ультразвуковой сигнал фиг. 13 после того, как он отфильтрован электронным блоком 106 на фиг. 11,

фиг. 15 изображает ультразвуковой сигнал фиг. 14 после его прохождения через электронный блок усиления 108 и через электронный блок 112 пикового детектирования,

фиг. 16 изображает работу, выполняемую над пиком электронным блоком 112 пикового детектирования,

фиг. 17 изображает калибровочную кривую для жидкостного осциллятора согласно изобретению.

Как изображено на фиг. 1 и 2 и обозначено общим номером 1, жидкостный осциллятор согласно изобретению применим, например, для измерения (расхода) домашнего газа, и он имеет продольную плоскость P симметрии, которая расположена вертикально и которая соответствует плоскости на фиг. 1.

Следует заметить, что жидкостный осциллятор может также работать в таком положении, что его плоскость P является горизонтальной или даже в другом положении без нарушения измерения относящегося к объему количества текучей среды (например, расхода или истинного объема). Текучей средой, протекающей через указанный жидкостный осциллятор, является газ, но ею может быть также жидкость, например вода.

Жидкостный осциллятор, изображенный на фиг. 1, имеет отверстие 10 для вертикальной подачи газа, которое центрировано относительно продольной плоскости P симметрии и открывается в "верхнюю" первую горизонтальную камеру 12, которая имеет большой размер и расположена симметрично относительно указанной плоскости P. Сечение потока указанной верхней камеры 12 является прямоугольным по форме и параллельным продольной плоскости P симметрии, через сечение протекает поток газа, который поступает через отверстие 10 для стремительного накопления в секции, например до 4-кратного, для того чтобы разрушить турбулентную структуру потока с помощью снижения его скорости.

Верхняя камера 12 имеет два противоположных "конечных" отверстия 12а и 12b, каждое открывается в соответствующий вертикальный боковой проход 14 или 16 (как изображено на фиг. 2 и 3) прямоугольного в сечении потока, идентичного сечению потока в указанной первой камере 12. Два вертикальных боковых прохода 14 и 16 симметричны друг другу относительно продольной плоскости P симметрии.

Каждый боковой проход 14 (16) связан, во-первых, на "верху" своего конца 14а (16а), который совпадает с соответствующим концом 12а (12b) верхней первой камеры 12, и, во-вторых, своим противоположным или "нижним" концом 14b (16b) с "нижней" второй камерой 18, которая идентична первой камере 12, как изображено на фиг. 1. Верхняя и нижняя камеры 12 и 18 симметричны друг другу относительно плоскости P1, изображенной на фиг. 1, и параллельны друг другу, но возможно также, что объем нижней камеры 18 меньше.

Каждый из двух вертикальных боковых проходов 14 и 16 содержит отверстие для входа газа и имеет отверстия 14с, 16c в средней части сечения потока, параллельного продольной плоскости P симметрии (фиг. 2). Боковые проходы 14 и 16 газа открыты посредством их боковых отверстий 14с и 16c в пустое пространство 20, расположенное на полпути между нижней и верхней камерами 18 и 12. Пустое пространство 20, которое образует среднюю камеру меньшего размера, чем камера 12, имеет длинный "поперечный" размер, который перпендикулярен продольной плоскости P симметрии и определяется вдоль указанного размера, во-первых, "вышележащей по течению" оконечной стенкой 22 и, во-вторых, нижележащей оконечной стенкой 24. Стенки 22 и 24 удалены друг от друга на расстояние, соответствующее продольному размеру боковых отверстий 14с и 16с. Канал 26 при совмещении с продольной плоскостью P симметрии проходит сквозь нижележащую стенку 24. Этот канал 26 называется "основным" каналом и имеет поперечное сечение или ширину d, которая в основном постоянная вдоль всего продольного размера или "длины" канала. Длина канала предпочтительно больше, чем 10d, для того, чтобы достичь хорошей точности в измерении относящегося к объему количества газа с низкими расходами, т.е. когда колебания струи газа являются слишком слабыми для того, чтобы можно было детектировать их частоту. Как изображено на фиг. 2, расположенное выше по течению отверстие 26а основного канала 26 имеет форму, которая сужается в плоскости P1. Каждая часть вышерасположенного отверстия 26а, которое находится на одной стороне или на другой стороне плоскости P, имеет сужающийся профиль, например, в основном круглый, посредством этого приводя к постепенному сужению ширины указанного отверстия до ширины d основного канала 26.

В варианте воплощения изобретения, изображенном на фиг. 4, отверстия для входа газа или вертикальные боковые проходы 14 и 16 (не изображенные на этом чертеже) открываются через боковые отверстия 14с и 16с в соответствующие горизонтальные "впускные газовые" каналы 15 и 17. Сечение потока каждого горизонтального канала сужается постепенно. Два газовых канала 15 и 17 симметричны относительно плоскости P и встречаются в зоне 19, расположенной на указанной плоскости P сразу выше по течению от верхнего отверстия 26а основного канала. Горизонтальные каналы определяются, во-первых, общей "вышележащей" оконечной стенкой 21, которая проецируется в нижнем направлении, и, во-вторых, "нижележащей" оконечной стенкой 23. Как описано выше, основной канал 26 находится в продольной плоскости P симметрии на нижележащей стенке. Газовые впускные каналы 15 и 17 и основной канал 26, таким образом, образуют горизонтальный проход для газа, который определен сверху и снизу верхней стенкой и нижней стенкой (не показаны на плане на фиг. 4), которые удалены (друг от друга) на высоту h.

Жидкостный осциллятор, изображенный на фиг. 1 и 2, включает в себя средство для генерирования двумерной струи газа, которая колеблется в поперечном направлении относительно продольной плоскости P симметрии. Это средство образовано с помощью входного отверстия в "колебательную" камеру 32, отверстие которой совпадает с нижним отверстием 26b основного канала и является прямоугольным по форме. Колебательная камера 32 имеет один из своих концов соединенный с нижним отверстием 26b основного канала, а свой противоположный конец - соединенный с отверстием 24 для входа газа шириной больше d. Отверстия для входа газа и его выхода 26b и 34 находятся в плоскости P.

Жидкостной осциллятор также включает в себя препятствие 36 высотой h, расположенное в центре колебательной камеры 32 между впускным отверстием 26b газа и выпускным отверстием 34 газа. Горизонтальный проход для газа, расположенный сверху от препятствия 36, образован частично пустым пространством 20 и каналом 26 и определяется выше и ниже соответственно "верхней" стенкой 28 и "нижней" стенкой 30 (фиг. 1). Эти две стенки 28 и 30 отделены друг от друга на высоту h. Такое препятствие 36 уже описано в патентной заявке Франции N 9205301. Препятствие 36 имеет фронтальную часть 36а, в которой сформирована полость 37, называемая "центральной" полостью, которая расположена напротив отверстия 26b колебательной камеры 32.

Две вторичные полости 38 и 39 также находятся на фронтальной части 36а препятствия 36 симметрично относительно плоскости Р. Колебательная камера 32 имеет боковые стенки 40 и 42 такой формы, которая по существу совпадает с формой внешней стенки препятствия 36, посредством этого взаимодействуя с указанным препятствием для получения двух симметричных вторичных каналов C1 и C2, расположенных по обеим сторонам продольной плоскости P симметрии.

Ширина вторичных каналов C1 и C2 в основном постоянна для того, чтобы избежать возмущения потока газа. Вторичные каналы C1 и C2 обходят вокруг препятствия 36 и, обходя его, встречаются снова в нисходящем потоке в зоне 44, расположенной непосредственно выше выпускного отверстия 34 колебательной камеры 32. Это выпускное отверстие 34 открывается в вертикальный проход 46 в средней его части, как изображено на фиг. 1. Вертикальный проход 46 является, например, симметричным относительно продольной плоскости P симметрии, а сверху одного из его концов 46а имеется вертикальное выпускное отверстие 48 для газа, центрированное относительно указанной плоскости Р. Конфигурация, описанная со ссылками на фиг. 1 и 3, имеет преимущество удовлетворительной компактности жидкостного осциллятора.

Далее описывается движение потока газа в жидкостном осцилляторе. Вертикальный поток газа поступает к жидкостному осциллятору через отверстие 10 вертикальной подачи и проникает в верхнюю камеру 12 указанного жидкостного осциллятора, где он расщепляется на две части. Эти две части "основного" потока проходят горизонтально через верхнюю камеру 12 жидкостного осциллятора в противоположных направлениях перпендикулярно продольной плоскости P симметрии. Как изображено на фиг. 3, каждая часть потока проходит через конечное отверстие 12а (12b) верхней камеры 12 жидкостного осциллятора и проникает в один из вертикальных боковых проходов 14 (16), выполняя вращательное движение перед тем, как засосется в пустое пространство 20 через одно из боковых отверстий 14c (16c).

Эта конструкция сконструирована так, чтобы дать возможность газу избавиться от любых загрязняющих частиц, которыми он может быть наполнен (пыль и т. п. ), когда проходит через вертикальные боковые проходы 14 и 16, где под влиянием силы тяжести и вращательного движения потока такие частицы направляются по направлению к дну камеры 18 жидкостного осциллятора.

Когда две части потока газа проникают симметрично относительно плоскости P в пустое пространство 20, они встречаются на указанной плоскости P и всасываются в основной канал 26 через его верхнее отверстие 26а. Поток газа затем проходит вдоль основного канала 26 и преобразуется в колеблющуюся двумерную струю в направленном вниз отверстии 26b. В колебательной камере 32 поток газа чередуется между каналом C1 и каналом C2 прежде, чем достичь выпускного отверстия 34 и затем вытечь из вертикального прохода 46 по направлению к вертикальному выпускному отверстию 48 газа.

То, что вертикальный проход 46 вытянут вертикально к уровню, который находится ниже, чем колебательная камера 32, может служить для избавления газа от некоторых загрязняющих частиц, если они еще не были удалены. Как отмечено выше, жидкостный осциллятор может быть расположен в любом другом положении, в котором нет необходимости иметь нижнюю камеру 18 для удаления пыли из газа.

В соответствии с изобретением жидкостный осциллятор имеет два ультразвуковых преобразователя 52 и 54, которые в основном выровнены с его продольной плоскостью симметрии. Выгода удаления основной части загрязняющих частиц из газа заключается в избежании порчи преобразователей, посредством этого увеличивая срок их службы.

В воплощении изобретения, изображенном на фиг. 1-3, ультразвуковые преобразователи 52 и 54 сдвинуты на угол приблизительно 1.5^o от продольной плоскости P симметрии для того, чтобы реагировать по существу на частоту колебаний f струи газа в ультразвуковом сигнале, который модулирован колебаниями указанной струи газа. Этот угловой сдвиг служит для отличия частоты f от частоты 2f в модулированном ультразвуковом сигнале. Если угловой сдвиг превышает 2^o, то существует риск того, что ультразвуковые сигналы будут многократно отражаться в основном канале 26, посредством этого ухудшая качество сигнала, и в особенности, уменьшая соотношение сигнал/шум. В случае, если желательно улучшить чувствительность жидкостного осциллятора сверх его обычного диапазона расходов (например, 100 л/ч до 6000 л/ч), то для расширения детектирования частоты 2f необходимо поместить ультразвуковые преобразователи очень точно на продольную плоскость P симметрии, а также предпочтительно излучать ультразвуковой сигнал от вышерасположенного конца к нижерасположенному концу.

Как изображено на фиг. 1 и 2, ультразвуковые преобразователи 52 и 54 расположены напротив друг друга на различных поперечных плоскостях. Термин "поперечная плоскость" используется в описании для обозначения плоскости, перпендикулярной продольной плоскости P симметрии и направлению потока газа. Если ультразвуковые преобразователи размещены в одной и той же поперечной плоскости, как в предшествующих разработках, то они не могут подходить для измерения относящегося к объему количества газа при низких расходах, т.к. излученные ультразвуковые сигналы не могут захватывать информацию, касающуюся скорости потока газа.

Верхний преобразователь 52 расположен выше по течению от входного отверстия 26b, и более точно - выше пустого пространства 20. Как изображено на фиг. 1 и 2, расположенный выше преобразователь 52 является принимающим в верхнем конце стенки 22, и, таким образом, он защищен от потока газа. Нижерасположенный преобразователь 54 прикреплен на препятствие 36, и, точнее, он расположен в основной полости 37 указанного препятствия.

Как изображено на варианте воплощения на фиг. 4, расположенный выше преобразователь 52 расположен в средней части верхней оконечной стенки 21, т. е. в ее части, ближайшей к основному каналу 26, в то время как нижерасположенный преобразователь 54 прикреплен к препятствию 36, как описано выше.

В воплощении, описанном со ссылкой на фиг. 1 и 2, верхний и нижерасположенный преобразователи 52 и 54 расположены на одной и той же высоте относительно высоты h канала 26 жидкостного осциллятора. В варианте воплощения верхний и нижерасположенные ультразвуковые преобразователи могут быть расположены также на различных высотах относительно высоты h канала 26 жидкостного осциллятора, но они должны быть всегда напротив друг друга. Например, как изображено на фиг. 5, разница в высоте между верхним и нижерасположенным ультразвуковыми преобразователями может быть по существу равна h.

В другом варианте воплощения изобретения, как изображено на фиг. 6, верхний и нижерасположенный ультразвуковые преобразователи 52 и 54 также расположены на различных высотах, но верхний по течению преобразователь 52 смонтирован на дне впадины 53, образованной на стенке 30 дна жидкостного осциллятора, под пустым пространством 20. Нижерасположенный по течению преобразователь 54 смонтирован в верхней части впадины 54 в верхней стенке 28 жидкостного осциллятора по существу над препятствием 36. Верхний и нижерасположенный преобразователи расположены напротив друг друга.

В еще одном варианте, который изображен на фиг. 7, верхний и нижерасположенный ультразвуковые преобразователи 52 и 54 расположены на одной высоте и не напротив друг друга. Преобразователи смонтированы в соответствующих впадинах 53 и 55, причем оба изготовлены в верхней стенке 28 жидкостного осциллятора. Нижерасположенный преобразователь 54 расположен по существу над препятствием 36, а впадина 55, в которой он установлен, не простирается во всю длину канала 26 так, чтобы избежать возмущения струи газа. К тому же нижерасположенный преобразователь 54 должен находиться ниже по течению канала 26 так, чтобы ультразвуковые сигналы могли быть достаточно модулированы колебаниями струи газа. Путь, проходимый ультразвуковыми сигналами в продольной плоскости P симметрии, имеет, таким образом, V-образную форму.

Вариант, изображенный на фиг. 8, также служит для получения V-образной формы для ультразвуковых сигналов в продольной плоскости P симметрии, но с ультразвуковыми преобразователями, расположенными на разных высотах. Верхний преобразователь 52 смонтирован во впадине, образованной в оконечной стенке 22 так, чтобы быть напротив препятствия 36. Нижерасположенный преобразователь установлен таким же способом, как описано применительно к фиг. 7.

Можно заметить, что, размещая нижерасположенный преобразователь 54 выше или ниже препятствия 36, колебания струи газа возмущаются меньше, чем когда преобразователь размещен в центральной полости указанного препятствия, посредством этого улучшая качество ультразвукового сигнала, модулированного колебаниями указанной струи газа.

Также возможно наклонить верхний преобразователь 52 по направлению к стенке 30 дна жидкостного осциллятора.

Второе воплощение изобретения изображено частично на фиг. 9, и ссылкам на различные элементы на этом чертеже предшествует цифра 2. Можно сказать, что жидкостный осциллятор 201 находится "в линии", т.к. он имеет впускное отверстие 210 и выпускное отверстие 212, которые оба находятся на продольной плоскости P симметрии, а не так, как в воплощении, изображенном на фиг. 1-7, где движение потока газа осуществляется по кругу. Отверстие для подачи соединено с проходом 214, который имеет свой нижележащий конец открывающимся в первую камеру 216, которая находится на одной линии с указанным проходом на плоскости P. Первая камера имеет форму, которая расширяется в направлении потока до тех пор, пока он не доходит до уровня поперечной плоскости P2, т. е. перпендикулярно плоскости P, после которой он сужается так, чтобы соединиться с верхним концом 218а основного канала 218, имеющего те же особенности, что и основной канал 26, изображенный на фиг. 1 - 7. Первая камера также включает в себя обтекаемый элемент 220, расположенный по существу в середине ее и на линии плоскости P. Этот элемент имеет впадину 222, которая обращена вниз по потоку и которая принимает верхний ультразвуковой преобразователь 224, посредством этого защищая его от потока. Обтекаемый элемент 220 может также служить для успокоения потока газа.

Основной канал 218 находится на продольной плоскости P симметрии и открывается во вторую камеру 26, содержащую колебательную камеру, имеющую те же характеристики, что и камера 32, описанная выше применительно к фиг. 1-8. Эта колебательная камера включает в себя препятствие 228, идентичное препятствию 36, изображенному на фиг. 1-8. Препятствие 228 имеет центральную полость 230, расположенную напротив нижнего конца 218b основного канала 218, и также имеет две вторичные полости 231 и 232, находящиеся на обеих сторонах указанной центральной полости 230. Второй ультразвуковой преобразователь 234 является принимающим в центральной полости 230 так, чтобы два ультразвуковых преобразователя были в основном на линии продольной плоскости P симметрии.

Ниже следует описание со ссылками на фиг. 10-16 способа измерения, относящегося к объему количества газа так, чтобы объем газа, который протекает через жидкостный осциллятор, как описано выше со ссылками на фиг. 1-3.

В качестве примера диапазон измерения расходов газа был расширен от 5 до 6000 л/ч (счетчик газа для домашнего потребления).

Электронное устройство 60 изображено схематически на фиг. 10 и служит, во-первых, для питания разнообразных функциональных блоков, описанных ниже, электроэнергией и, во-вторых, для управления способом измерения объема газа. Электронное устройство 60 содержит микроконтроллер 62, подсоединенный к источнику электроэнергии 64, например батарее, и к кварцевому генератору 66, чья частота равна, например, 10 МГц и который также питается от источника электроэнергии 64. Микроконтроллер 62 также подсоединен к блоку 68 излучения и блоку 70 приема, каждый из которых питается от блока питания. Каждый из этих блоков содержит, например, операционный усилитель и преобразователь, конкретно цифроаналоговый преобразователь для блока 68 излучения и цифроаналоговый преобразователь для блока приема 70. Электронное устройство 60 включает в себя также схему 72 переключения, которая питается источником 64 питания и подсоединена, во-первых, к блокам 68 и 70 излучения и приема и, во-вторых, к двум ультразвуковым преобразователям 52 и 54.

Когда колебания струи газа в колебательной камере 32 слишком слабы для возможности их детектирования, т.е. когда расход газа ниже значения перехода (порога), который равен, например, 100 л/ч, то ультразвуковые преобразователи 52 и 54 используются для измерения расхода и, таким образом, объема газа следующим способом (при условиях низкого расхода):

верхний в потоке ультразвуковой преобразователь 52 излучает ультразвуковой сигнал по направлению к преобразователю 54, расположенному ниже по течению,

нижерасположенный по течению ультразвуковой преобразователь 54 принимает указанный ультразвуковой сигнал, чья скорость распространения с является модифицированной скоростью потока газа v_g (c+v_g),

первое значение определяется для величины, которая характеризует скорость распространения принятого ультразвукового сигнала, например, его время распространения,

функции излучателя и приемника ультразвуковых преобразователей 52 и 54 меняются,

нижерасположенный преобразователь 54 теперь излучает ультразвуковой сигнал по направлению к расположенному выше по течению преобразователю 52,

расположенный выше по течению ультразвуковой преобразователь 52 принимает этот ультразвуковой сигнал, который распространяется со скоростью (c-v_g), и

определяется второе значение для величины для времени распространения ультразвукового сигнала,

выводится измерение расхода газа, которое при объединении значений служит для получения измерения

общего объема газа, который прошел через жидкостный осциллятор.

Со ссылкой на фиг. 10 измерение инициируется следующим образом: устройство, задающее последовательность (не показано) команд микроконтроллера, активирует блок 68 излучения послать электрический сигнал на расположенный выше по течению преобразователь 52, а также активизирует источник питания 64 для установки переключающей схемы 72 так, чтобы блок 68 излучения подсоединился к расположенному выше по течению преобразователю 52 и так, чтобы блок 70 приема подсоединился к нижерасположенному по течению преобразователю 54. Электрический сигнал возбуждает расположенный выше по течению преобразователь 52, который излучает ультразвуковой сигнал в газ в направлении потока газа в особый момент времени, который определяется устройством синхронизации 66. Сигнал проходит через газ со скоростью с, в то время как сам газ протекает со скоростью v_g. После промежутка времени t1, измеренного устройством синхронизации 66, нижерасположенный по течению преобразователь 54 принимает ультразвуковой сигнал, который обнаруживается как распространяющийся со скоростью c+v_g.

Для измерения времени распространения t1 ультразвукового сигнала можно сослаться на европейскую патентную заявку N 0426309. Этот способ заключается последовательно в: генерировании и передаче ультразвукового сигнала, содержащего множество периодов импульсов, включая изменение фазы в сигнале; приеме ультразвукового сигнала; детектировании изменения фазы в принятом сигнале, так что момент, который соответствует указанному изменению фазы, дает возможность определить время распространения t1. Все необходимое для реализации этого способа описано в европейской патентной заявке N 0426309 и поэтому снова не описывается.

Затем устройство, задающее последовательность команд микроконтроллера 62, заставляет схему 72 переключения изменить соединения таким образом, чтобы блок 68 излучения был теперь подсоединен к нижерасположенному по течению преобразователю 54, в то время как блок 70 приема подсоединен к расположенному выше по течению преобразователю 52. Второй ультразвуковой сигнал излучается таким же способом нижерасположенным по течению преобразователем 54 по направлению к расположенному выше по течению преобразователю 52, так, чтобы проходить в противоположном потоку газа направлении, а блок синхронизации 66 определяет время t2, требуемое указанному ультразвуковому сигналу для прохождения способом, описанным в вышеупомянутой патентной заявке N 0426309.

Времена распространения t1 и t2 могут быть выражены следующими соотношениями: t1 = L/(c-v_g); t2 = L/(c+v_g),

арифметическое и логическое устройство (не изображено) микроконтроллера 62 вычисляет скорость газа v_g посредством следующего вычисления:



из которого расход газа измерение Q_m выводится так:

,

где S представляет собой внутреннее сечение канала 26.

Микроконтроллер 62 сравнивает каждое измеренное значение расхода с заданным переходным значением расхода, которое хранится в его памяти для определения, когда должно быть сделано следующее измерение расхода, используя описанный выше способ или посредством определения частоты колебаний струи газа в колебательной камере 32 жидкостного осциллятора (условия высокого расхода). Если измеренное значение расхода газа ниже переходного расхода, то расход газа измеряется снова после заданного промежутка временного интервала, используя вышеуказанный способ.

Следует заметить, что жидкостный осциллятор, согласно настоящему изобретению называемый "объединенным" жидкостным осциллятором, делает возможным использование измерения времени распространения на ультразвуковом сигнале в потоке газа при значениях расхода, которые достаточно малы, чтобы избежать вносимых ошибок в измерения расхода из-за нестабильностей потока газа, эти нестабильности генерируются при переходе от ламинарного потока к турбулентному потоку. Измерение низких расходов, таким образом, имеет преимущество большей точности и повторяемости. К тому же, так как этот способ используется для охвата относительно узкого диапазона расходов, то можно использовать узкополосные ультразвуковые преобразователи, которые обычно имеют резонансную частоту 40 кГц, вместо того чтобы использовать преобразователи, которые более сложны, более дороги и которые резонируют на частоте 100 кГц.

Если измеренная скорость потока имеет значение, которое больше чем переходное значение расхода, то колебания струи газа являются достаточно сильными для детектирования их частоты (условия высокого значения расхода). При таких обстоятельствах устройство команд микроконтроллера 62 управляет схемой 72 переключения так, чтобы блок 68 излучения подсоединился к нижерасположенному по течению преобразователю 54, а блок 70 приема подсоединился к расположенному выше по течению преобразователю 52. Устройство команд заставляет также переключатель 74 работать так, чтобы сигнал, приходящий от расположенного выше по течению преобразователя 52, обрабатывался электронным устройством 100, которое можно видеть справа на фиг. 10. Это устройство описано ниже более подробно со ссылками на фиг. 11.

В условиях высокого расхода микроконтроллер 62 заставляет блок 68 излучения генерировать непрерывный электрический сигнал для возбуждения нижерасположенного ультразвукового преобразователя 54, например, квадроволновой сигнал с частотой f_u так, чтобы нижерасположенный преобразователь непрерывно излучал ультразвуковой сигнал с частотой f_u по направлению к расположенному выше преобразователю 54 в направлении, которое отклоняется приблизительно на 1.5^o от продольной плоскости P симметрии. Ультразвуковой сигнал, принятый верхним преобразователем, является сигналом с частотой f_u, модулированным частотами f и 2f, которые характеризуют явление колебания струи газа. Например, частота f_u может быть равна 40 кГц, а амплитуда сигнала электрического возбуждения может быть равна 20 мВ.

Заявитель мог наблюдать, что, излучая ультразвуковой сигнал против потока газа, возможно значительно сократить влияние гидродинамического давления струи, посредством этого сокращая энергию сигнала, которая принимается по отношению к частоте 2f. Например, наблюдается разность в 10 дБ по амплитуде сигнала, принятого на частоте f_u, и которая предназначена для того, чтобы можно было различать частоту f от частоты 2f в модулированном сигнале, в то же время используя электронное оборудование, которое является простым, дешевым и потребляющим немного энергии. Заявитель также наблюдал, что, испуская ультразвуковой сигнал против потока газа, модулированный ультразвуковой сигнал имеет периодичность во времени, посредством этого облегчая детектирование частоты f.

Таким образом, когда расположенный выше преобразователь 52 принимает ультразвуковой сигнал, модулированный колебаниями струи газа, этот сигнал сначала усиливается малошумящим аналоговым усилителем 102. Аналоговый усилитель 102 является неинвертирующим усилителем, сконструированным для подсоединения к электронной схеме, которая выполняет измерения в условиях низкого расхода и состоит из операционного усилителя A₁, чей неинвертирующий вход подсоединен, во-первых, к модулированному сигналу, который принят расположенным выше преобразователем 52, и, во-вторых, к земле через резистор R₁. Инвертирующий вход этого операционного усилителя A₁ подсоединен, во-первых, к земле через резистор R₂ и, во-вторых, - к выводу B₀ усилителя через другой резистор R₃. Модулированный и усиленный ультразвуковой сигнал затем имеет вид, изображенный на фиг. 12.

Обычная однополупериодная выпрямительная схема 104 изображена на фиг. 11 и содержит резистор R₄, включенный между выходом B₀ усилителя A₁ и инвертирующим вводом B₁ операционного усилителя A₂, чей неинвертирующий вход подключен к земле. Инвертирующий вход усилителя A₂ подсоединен к выходу В₂ указанного усилителя через две параллельные ветви: первая ветвь состоит из резистора R₅, включенного последовательно с обратно подсоединенным диодом, а вторая ветвь содержит диод D₂. Как обычно, когда разность U_B1- U_B2 больше, чем пороговое напряжение диода D₁, то он находится в проводящем состоянии, давая U_B3=(R₅/R₄)U_B2. Наоборот, когда значение U_B1-U_B2 падает меньше порогового напряжения диода D₁, то диод D₂ становится проводящим и U_B3=0, а выпрямленный сигнал имеет форму, показанную на фиг. 13.

Для того чтобы оставить только частоту генерации f струи газа, выпрямленный сигнал затем фильтруется электронным блоком 106, который действует как фильтр низких частот (второго порядка). Как изображено на фиг. 11, блок 106 имеет два резистора R₆ и R₈ и конденсатор C₁, образующий Т-фильтр, который подвергается действию отрицательной обратной связи, образованной резистором R₇ и конденсатором C₂ вместе с операционным усилителем A₃, чей неинвертирующий вход соединен с землей. Отфильтрованный сигнал, полученный в В₅, имеет вид, изображенный на фиг. 14.

Этот сигнал затем вводится в электронный блок усиления 108, который содержит два каскада: первый каскад 109, работающий как полосовой фильтр с коэффициентом усиления, например, 50 и имеющий частоту среза, лежащую в диапазоне от 0.5 Гц до 50 Гц, и второй каскад 110, работающий как низкочастотный фильтр с коэффициентом усиления, равным, например, 5, и частоту среза, равную 50 Гц.

Первый каскад содержит резистор R₉ и конденсатор C₃, включенный последовательно между выходом В₅ блока 106 и инвертирующим входом операционного усилителя A₄. Неинвертирующий вход усилителя A₄ подсоединен к земле, а его инвертирующий вход подсоединен к его выходу B₆ через конденсатор C₆ и резистор R₁₀, соединенные параллельно.

Второй каскад 110 после B₆ содержит резистор R₁₁, подсоединенный к инвертирующему входу операционного усилителя A₅, вход которого также соединен с выходом B₇ усилителя через резистор R₁₂ и конденсатор C₅, соединенные параллельно. Неинвертирующий вход усилителя A₅ подсоединен к земле.

Электронный блок 108 служит для сдвига сигнала от фильтра 106 так, чтобы поместить его с любой стороны от нуля, и для усиления указанного сигнала. Этот сигнал после усиления таким образом и появления его на В₇ подается в последующий блок 112, который преобразует его в импульсный сигнал, как изображено на фиг. 15.

Электронный блок 112 содержит операционный усилитель A₆, чей неинвертирующий вход подсоединен к выходу B₇ и чей инвертирующий вход соединен, во-первых, с выходом B₈ усилителя A₆ через резистор R₁₄, а во-вторых - к выходу обычной схемы повторителя, которая содержит операционный усилитель А₇. Из-за отрицательной обратной связи от схемы повторителя усилитель A₆ дает возможность усиливать сигналы с малой амплитудой больше, чем сигналы с большой амплитудой.

Этот блок также включает в себя резистор R₁₅, подсоединенный к выходу B₈ усилителя A₆ и к точке B₉, а также включает в себя два диода D₃ и D₄, смонтированные "голова к хвосту" между точками B₉ и B₁₀. Точка B₁₀ подсоединена, во-первых, к земле через конденсатор C₆ и, во-вторых, к неинвертирующему входу схемы A₇ повторителя и к инвертирующему входу следующего операционного усилителя A₈. Выходной сигнал операционного усилителя A₈ (точка B₁₂) связан обратной связью с его неинвертирующим входом через резистор R₁₇. Неинвертирующий вход этого усилителя также соединен с диодами D₃ и D₄ через резистор R₁₆. Когда амплитуда напряжения U_B9- U_B10 увеличивается до превышения порога диода D₄, тогда диод проводит и значение сигнала напряжения в точке B₉ минус падение напряжения на диоде D₄ сохраняется на конденсаторе C₆. Дифференциальный усилитель A₈ затем сравнивает значение напряжения в точке В₁₁, заданное выражением



со значением напряжения на конденсаторе C₆ и производит сигнал с высоким значением, когда напряжение в точке В₉ больше, чем напряжение на конденсаторе C₆.

Когда достигается пик и амплитуда сигнала уменьшается, разность между значением сигнала в точке В₉ и значением сигнала, хранимого конденсатором C₆, падает ниже порогового для диода D₄ так, что диод D₄ становится непроводящим. Значение сигнала, хранимого на конденсаторе C₆, затем остается неизменным. Когда амплитуда сигнала в точке В₉ падает ниже значения сигнала, хранимого на конденсаторе C₆, тогда усилитель A₈ выдает сигнал низкого уровня, указывающий, что имеет место пик. Когда амплитуда сигнала падает ниже значения сигнала, хранимого на конденсаторе C₆ на величину, которая соответствует порогу для диода D₃ плюс напряжение в точке B₁₀, то диод D₃ начинает проводить и значение сигнала, которое хранится на конденсаторе C₆, падает до значения сигнала в точке В₉ минус падение напряжения на диоде D₃. Когда достигается и проходит отрицательный пик, то диод D₃ опять станет непроводящим, а усилитель A₈ будет показывать изменение состояния, когда сигнал в точке B₁₁ увеличивается до значения, которое выше значения сигнала, хранимого на конденсаторе C₆.

На фиг. 16 кривая 150 изображает изменение напряжения первого сигнала в точке В₉, а кривая 151 изображает, как изменяется напряжение на конденсаторе C₆. Сначала напряжение конденсатора 151 равно сигналу 150 минус значение Ud, которое соответствует падению напряжения на диоде D₄, так что усилитель A₈ выдает сигнал высокого уровня. Когда достигается пик в момент времени Т0, и в то время как напряжение сигнала 150 падает ниже порога диода D₄, напряжение на конденсаторе 151 остается неизменным. В момент времени Т1 напряжение сигнала 150 падает ниже напряжения, хранимого на конденсаторе 150 так, что выходной сигнал усилителя A₈ выдает сигнал низкого уровня. В момент времени Т2 разность между напряжением первого сигнала 150 и напряжением, хранимым на конденсаторе 151, становится больше, чем пороговое напряжение для диода D₄ так, что напряжение на конденсаторе опять отслеживает напряжение первого сигнала. Электронная схема, соответствующая блоку 112, таким образом, является пиковым детектором. Усилитель A₈ на фиг. 11 является компаратором с гистерезисом, который сравнивает значения двух напряжений 150 и 151, изображенных на фиг. 16. Таким образом, когда значения напряжения в точке B₁₁, т. е. U_B11 - напряжения на неинвертирующем входе усилителя A₈, больше, чем значение напряжения в точке B₁₀, т.е. U_B10 - напряжения на инвертирующем входе усилителя A₈, то усилитель A₈ выдает постоянное выходное напряжение, равное +Ucc, где Ucc является напряжением питания указанного усилителя, а напряжение в точке В₁₁ становится равным



Наоборот, и как изображено в момент Т1 на фиг. 16, когда U_B11 меньше U_B10, то выходное напряжение усилителя A₈ равно -Ucc, так что напряжение в точке B₁₁ становится равным



В результате выходной сигнал блока 112 имеет форму импульсного сигнала, в котором каждый импульс представляет собой единичный объем газа, омытый струей газа во время одного колебания (фиг. 15).

Электронный счетчик (фиг. 10), например, 16-битовый, служит для подсчета общего количества импульсов, посредством этого давая возможность микроконтроллеру выдавать объем газа, который протекает через жидкостный осциллятор.

Следует заметить, что если преобразователи 52 и 54 точно выровнены на продольной плоскости P симметрии для расширения энергии принятого сигнала на частоте 2f, то вышеописанная электронная схема 100 необходима для приспособления специально для детектирования именно этой частоты.

Когда колебания струи газа становятся слишком слабыми для своей детектируемой частоты, т.е. когда расход газа становится меньше, чем указанный выше расход передачи, то создается условие для использования ультразвуковых преобразователей 52 и 54 для измерения времени распространения ультразвуковых сигналов в потоке газа, как описано выше (условия низкого расхода). Для того чтобы решить, когда использовать условия низкого расхода или условия высокого расхода, возможно, например, измерить временной интервал между двумя последовательными импульсами и сравнить временной интервал, измеренный таким способом с заданным значением, которое соответствует переходному расходу. Если измеренный временной интервал превышает заданное значение, то ультразвуковые преобразователи используются поочередно в качестве излучателя и приемника.

Это также возможно для диапазона перекрытия, например, от 100 л/ч до 150 л/ч, в котором могут быть использованы оба рабочих условия для объединенного жидкостного осциллятора. Таким образом, если жидкостный осциллятор работает в условиях низкого расхода, то он может продолжать измерять расход таким способом до тех пор, пока не будет достигнуто верхнее значение диапазона перекрытия, в точке которого измерение переключается на условия высокого расхода. Аналогично, если жидкостный осциллятор работает в условиях высокого расхода, то необходимо, чтобы расход упал ниже нижнего значения диапазона перекрытия прежде, чем жидкостный осциллятор переключится на измерение при условиях низкого расхода.

Преимущество наличия диапазона перекрытия заставляет его иметь, несмотря на то, что необходимо будет переключать условия измерения снова обратно на предшествующие условия сразу после того, как имело место переключение.

Объединенный жидкостный осциллятор по настоящему изобретению может быть адаптирован для различных диапазонов расходов и способен, в частности, перекрывать расходы больше 6000 л/ч. Фиг. 17 является кривой калибровки для объединенного жидкостного осциллятора, работающего при условиях в диапазоне приблизительно от 10 л/ч до приблизительно 7000 л/ч. Кривая изображает относительную ошибку, допустимую для измерений в указанном диапазоне. Можно также видеть, что объединенный жидкостный осциллятор целиком подходит для целей измерения в таком большом диапазоне расходов.

Следует заметить, что изобретение также выгодно применять к другим типам жидкостных осцилляторов, например, тех, которые описаны в патентной заявке GB-A-1120384, которая основана на эффекте Коанда. Возможно предусмотреть использование объединенного жидкостного осциллятора согласно изобретению и для охвата диапазона расхода жидкости, выше которого колебания струи жидкости являются достаточно сильными, чтобы детектировать частоту их колебаний, а также для рабочих условий с низким расходом, как объяснено выше, исключительно для определения расхода утечки. Например, жидкостный осциллятор по изобретению может быть использован в качестве коммерческого измерителя расхода газа (диапазон расхода 0.25 м³/ч до 40 м³/ч) или в качестве промышленного измерителя расхода газа (диапазон расхода 1 м³/ч до 160 м³/ч), который способен измерять скорость утечки.

Также возможно увеличить чувствительность устройства измерения с помощью расположения ультразвуковых преобразователей точно в продольной плоскости симметрии жидкостного осциллятора.