УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ВОДЫ В ОТКРЫТОМ РУСЛЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК G01F1/66 

Изобретение относится к ультразвуковой технике измерения и может быть применено для измерения скорости и расхода воды в больших открытых каналах и реках.

Известны способ и устройство для измерения расхода воды в открытых руслах путем измерения горизонтальной скорости потока на ширине потока с помощью двух ультразвуковых преобразователей, устанавливаемых на откосах обоих берегов.

Бывает, когда в расходомере имеется один канал измерения горизонтальной скорости, т.е. с помощью одной пары ультразвуковых преобразователей, или несколько каналов измерения горизонтальной скорости потока на различных глубинах потока. Последний называется многоканальным ультразвуковым расходомером.

Так, например, известен многоканальный расходомер, разработанный и выпускаемый фирмой США Ultraflux типа UF-2100 CO.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где показаны на:
фиг. 1 и 2 известные способы организации каналов измерения и принцип измерения горизонтальной скорости потока на различных глубинах потока;
фиг. 3 - траектория распространения ультразвукового луча в движущейся среде;
фиг. 4 - поясняющая способ измерений расстояния между двумя ультразвуковыми преобразователями и скорости потока по данному изобретению;
фиг. 5 - конструкция комбинированного ультразвукового преобразователя по данному изобретению;
фиг. 6 - один из примеров устройства ультразвукового расходомера по данному изобретению.

На фиг. 1 и 2 показаны известный способ организации канала измерения горизонтальной скорости потока посредством многоканального расходомера и принцип измерения скорости потока.

Как показано на фиг. 1, по откосу обоих берегов русла на различных глубинах потока h установлены ультразвуковые преобразователи (в дальнейшем сокращено преобразователем) (1A, 1B), (2A, 2B), (3A, 3B) ..., так, чтобы пара преобразователей смотрели друг на друга под углом к направлению движения потока.

Горизонтальную среднюю скорость потока измеряют следующим образом (см. фиг. 2).

Излучает преобразователь (1A) в направление преобразователя (1B), т.е. в направление потока, и измеряют время распространения ультразвука от (1A) до (1B) t_AB. Точно также измеряют время распространения от (1B) до (1A) t_BA.

Считают, что время распространения ультразвука t_AB и t_BA равны:
, (1)
где L - геометрическое расстояние между преобразователями (1A) и (1B);
C - скорость ультразвука в воде, когда скорость потока равна нулю;
V - составляющая на линии L осредненной горизонтальной скорости потока т.е.
Из соотношения (1) выводят общеизвестную рабочую формулу измерения скорости потока:

где d = L cos ϕ.
Формулу (2) (применяемая в UF-2100 CO) иногда называют формулой разности частоты Δf.
Таким способом измеряют горизонтальную осредненную скорость потока в различных глубинах и вычисляют расход воды Q:

где B_i - ширина потока воды на i горизонте, т.е. в глубине, где производятся измерения
Формула (3) является из простых приближенного интегрирования. Известны более точные формулы вычисления расхода воды.

Какую бы формулу вычисления расхода не использовали, в конечном итоге погрешность измерения δ_Q определяется погрешностью измерения скорости потока и методической погрешностью вычисления расхода.

Кроме выше приведенной формулы измерения скорости потока (2), также широко применяется формула разности времен:
, (4)

Вместо скорости ультразвука подставляют

и, учитывая получаем следующую рабочую формулу измерения скорости потока:
(5)
Формула (4) и формула (2) совершенно идентичны между собой:

Из формулы (5) или (2) видно, что погрешность измерения скорости потока состоит из суммы составляющих погрешностей измерения расстояния δ_L,δ_d и времени распространения δ_t:

Современная техника измерения интервала времени позволяет обеспечить погрешность δ_t пренебрежимо малой, а расстояние d измеряется на земле и поэтому также можно обеспечить довольно высокую точность.

Самым трудным является измерение геометрического расстояния L, т.к. преобразователи находятся в воде, причем при установке их невозможно сделать сухим русло (река). Поэтому расстояние L измеряют косвенным методом и часто погрешность измерения L, т.е. δ_L становится заметной, причем косвенное измерение трудоемко.

Из-за заметной погрешности δ_L погрешность измерения скорости потока становится заметной и, следовательно, погрешность измерения расхода будет расти.

Настоящее изобретение преследует цель обеспечения точного и в то же время простого способа измерения расстояния между преобразователями, образующими канала измерения горизонтальной скорости потока в многоканальном ультразвуковом расходомере и на его основе обеспечить более точный способ измерения скорости потока и тем самым повысить точность измерения расхода воды в открытом русле, а также соответствующее устройство, обеспечивающее способ измерения.

Сущность способа измерения расстояния между двумя УЗ- преобразователями и скоростью потока заключается в следующем.

Кроме двух преобразователей (1A) и (1B), устанавливаемых на откосах берегов, дополнительно устанавливается еще один преобразователь (1C) на расстоянии l от преобразователя (1A), причем l << L. Три преобразователя (1A), (1C) и (1B) излучают и принимают ультразвуковые импульсы по направлению потока и против него и производят измерения времен распространения ультразвука t_AB, t_CB, t_BA и, используя эти данные, вычисляют (измеряют) горизонтальную скорость по формуле разности времен, а также при необходимости измеряют расстояние между двумя преобразователями (1A) и (1B) и, подставив его в известную формулу, вычисляют горизонтальную скорость потока и расход воды.

Для реализации способа измерения на одном берегу устанавливают комплексный УЗ-преобразователь, состоящий из двух преобразователей, один из которых выполнен в виде полого цилиндра, а другой в виде круглого цилиндра, который прикреплен на конце трубки, другим концом которой прикреплен внутри полого цилиндра первого преобразователя, причем расстояние между приемопередающей поверхностью обоих преобразователей поддерживается равным l.

Таким образом, настоящее изобретение позволяет производить измерения скорости потока, одновременно измеряя расстояние между двумя преобразователями с помощью ультразвука с высокой точностью, и не требуется трудоемкая работа по измерению расстояния между погруженными в воду двумя преобразователями и тем самым повысить точность измерения расхода воды в открытых руслах.

Для пояснения способа измерения расстояния и скорости потока по настоящему изобретению поясним траекторию распространения ультразвукового луча в движущей среде, т.е. потоке.

Как показано на фиг. 3, излученный ультразвуковой луч преобразователем (1A) под углом ϕ не достигает преобразователя (1B), а попадает в точку "в". Наоборот, ультразвуковой луч, излученный преобразователем (1B) под углом ϕ достигает точку "а", а не преобразователь (1A). Таким образом ультразвуковой луч отклоняется потоком. Ультразвуковой луч из (1A) самым первым достигает 1B, излученный под углом α > ϕ, проходя траекторию L. Наоборот, излученный ультразвуковой луч преобразователем (1B) под углом β > α достигает (1A) самым первым. Этот луч описывает траекторию L₂. Длины траекторий L₁ и L₂ не равны между собой и с геометрическим расстоянием L, причем L₂ > L₁. Время распространения луча из (1A) в (1B) и из (1B) в (1A) будет:
, (6)
так как L₂ > L₁, то t_BA > t_AB,
разность времен Δt = t_BA - t_AB пропорциональна скорости потока Чем больше скорость тем угол излучения α будет больше ϕ, а угол β будет меньше ϕ, т.е. разница между L₁ и L₂ будет расти.

Однако доказано, что соотношение (6) совпадает с соотношением (1), т.е.

(7)
не будем приводить доказательства соотношения (7)). Длина траекторий L₁ и L₂ равна длине прямых линий, показанных пунктирной линией на фиг. 4.

Таким образом, скорость звука C и скорость потока V в действительности не складывается, только как-бы существует суперпозиция скоростей. Скорость звука C зависит только от свойства среды (например, от температуры, давления и т.п., следовательно, от упругости, плотности и т.п. среды).

Из соотношения (7) следует,
(8)
Настоящее изобретение, используя вышеописанное явление, предлагает способ измерения ультразвуком расстояния между двумя преобразователями и измерения скорости потока.

Подробное описание способа измерения.

Как показано на фиг. 4, кроме двух преобразователей (1A) и (1B), установленных на откосах берега, устанавливается еще один преобразователь (1C) на расстоянии l от преобразователя (1A). Далее приводят в действие преобразователи (1A) и (1C) и излучают ультразвуковой импульс, а преобразователь (1B) в режиме приема и измеряют время пробега ультразвукового импульса от (1A) и (1C) до (1B), т.е. t_AB и t_CB. Одновременно излучает преобразователь (1B) в направление преобразователей (1C) и (1A) и измеряют время пробега ультразвукового импульса t_BC и t_BA.

Тогда времена пробега будут равны:
; (9)
, (10)
(т.к. l << L, то можно считать, что скорость звука C везде одинакова).

Из соотношения (9) получим формулу измерения L₁:
;
(11)
или из соотношения (10) получим выражения L₂:
(12)
Таким образом, измеренные значения L₁ и L₂ не равны с геометрическим расстоянием L. Только при скорости потока, равной нулю (V=0), будет L₁ = L₂ = L, но остановить поток в реках или каналах не можем (невозможно).

Для нахождения значения L необходимо умножить (1 + V/C) на L₁ или (1-V/C) на L₂ [см. формулу (8)], поэтому необходимо найти выражение (1 + V/C) или (1 - V/C).

Для нахождения V/C используем рабочую формулу вычисления скорости потока (5):

(т.к. ).

В это выражение подставим L₁ вместо L, а значение C следующим выражением:
, (13)
тогда

Подставив это выражение в (8), получим формулу изменения L:
(14)
Точно таким же образом получим
(14')
Можно получить формулу измерения расстояния L по другому:

V²/C² - пренебрежимо малая величина и можно пренебречь. Вместо L₁ и L₂, используя выражение (11) и (12), получим:
(15)
Выражения (14) и (15) совершенно одинаковы между собой, однако в качестве рабочей формулы измерения расстояния L удобнее и проще выражение (14).

Таким способом измеряемое значение L можно подставить в рабочую формулу измерения скорости потока (2) или (5).

(16)
Окончательно преобразуя формулу (16), получим более простую и точную рабочую формулу измерения скорости потока:
, (17)
(т.к. из (16)

Рабочая формула измерения (17) имеет следующие достоинства по сравнению с известными формулами (5) и (16):
- трудно измеряемая величина L отсутствует. Короткое расстояние l << L можно измерить прямым способом и точно;
- нет члена умножения и сложения бремени пробега.

Это очень важное преимущество рабочей формулы (17).

Во всех известных и предлагаемой формулах времени пробега ультразвукового импульса t_AB, t_BA, t_CB ... являются чистым временем пробега (распространения) ультразвука, а измеренные значения времени отличаются от чистого и содержат время задержки τ, возникающее в электронных схемах, кабелях (для большого открытого русла длина кабеля может достигать сотни метров), в самих У3-преобразователях и систематическую погрешность измерения интервала времени Δt, т.е.

обеспечить τ = τ₁= τ₂= τ₃ не представляет трудности, например, путем регулировки длины кабелей, соединяющих преобразователи с измерительными блоками. Так как t_AB, t_CB, t_BA отличаются между собой незначительно, то систематическая погрешность измерителя интервала времени также мало отличается.

В этом случае, как видно из формулы (17), имеются члены, только вычитающие измеренные интервалы времени t'_AB, t'_CB и t'_BA. Поэтому, подставляя эти значения в формулу (17), получим:


В результате, использование рабочей формулы измерения скорости потока по настоящему изобретению (17) позволяет дополнительно повысить точность измерения горизонтальной скорости потока
(Случайные погрешности измерения времен пробега полностью не компенсируются, но значительно уменьшаются в результате вычитания).

Как видно из рабочей формулы (17), на погрешность измерения скорости потока в основном влияют погрешности измерения l и d. Расстояние d измеряют на земле, а не в воде и имеет небольшую погрешность, например, δ_d= 0,2% .
Погрешность измерения l, т. е. δ_l будет входить в погрешность в двойном размере 2δl, так как в формулу входит l². Поэтому расстояние l следует выбирать исходя из допустимой погрешности δ_l следующим образом:
Т.к. l = (t_AB - t_CB)C, то
l+Δl = (t_AB-t_CB)C+γ(Δt2AB

+Δt2BA)^1/2C,
Δl = lδ_l≈ γ•1,4•Δt•C;
где γ - коэффициент стьюдента и выбираем γ ≈ 3,Δt ≈ Δt_AB≈ Δt_BA- абсолютная погрешность измерения времени t_AB и t_CB.

Откуда получаем формулу выбора расстояния l между двумя преобразователями (1A) и (1C):
(18)
где C_max - ожидаемая максимальная скорость звука в воде открытого русла,
δ°l

- допустимая погрешность длины l.

Например, если даны δ_l= 0,05% = 5 • 10^-4;
l ≥ 4 • 10^-8 • 1.5 • 10³/5 • 10^-4 = 0,12m.

Расстояние l = 10 ≈ 20 cm можно измерить с погрешностью 0,05%, что также не представляет трудности.

Вышеприведенные способы измерения L и можно использовать двояко.

Первый способ применения.

На откосе одного берега устанавливают комбинированные из двух преобразователей (1A) и (1C) У3-преобразователи в различных глубинах, а на другом берегу - одинарные преобразователи (1B_i) и производятся измерения по формуле горизонтальных скоростей потока в различных глубинах потока , после чего вычисляется значение расхода воды.

Второй способ применения.

При организации стационарного ультразвукового расходоизмерительного пункта и при гарантии, что расстояния между преобразователями остаются постоянными в течение времени, можно использовать одинарные преобразователи (1A_i) и (1B_i), но используя один комбинированный преобразователь (1A и 1C), производится измерение расстояния L_i и записывают в память вычислительного устройства скорости потока и расхода воды ультразвукового расходомера.

Для этого поочередно устанавливают комбинированный преобразователь в точках установки преобразователей (1lA_i) и вычисляют L_i по формуле (14) или (14').

В этом случае скорость потока измеряется по общеизвестной формуле (2) или (5).

На фиг. 5 показано устройство комбинированного преобразователя, реализующего способ измерения скорости потока и расстояния L_i.

Первый преобразователь (1A) (условно для измерения скорости потока) выполнен в виде втулки полого цилиндра, например, из пьезокерамики, диаметр которого равен DA, и заключен в корпус 7A, также выполненный в виде втулки полого цилиндра. В центральную полость корпуса 7A закреплена трубка 8 и на ее другом конце закреплен корпус второго преобразователя 7C, внутри которого заключен преобразователь (1C), выполненный в виде обычной цилиндрической втулки шайбы на заданном расстоянии l от преобразователя (1A). Для точной регулировки l корпус 7c может быть соединен с трубкой 8 резьбовым соединением 5.

Для повышения КПД преобразователей (1A) и (1C), а также для обеспечения короткого ультразвукового импульса задняя полость их заполнена демпфирующим веществом, например, порошками окиси вольфрама 6.

Диаметр корпуса 7c второго преобразователя (1C) должен быть меньше диаметра DA.

На фиг. 5 обозначено: 9 - высокочастотные кабельные линии, соединенные с (1A) и (1C), а 10 - кольцо для крепления комбинированного преобразователя к устройству крепления преобразователей, устанавливаемому на откосе берега открытого русла.

На фиг. 6 показана в качестве примера блок-схема ультразвукового многоканального расходомера для открытого русла с применением комбинированных ультразвуковых преобразователей (1A 1C)i, реализующего предложенный способ измерения.

На одном берегу установлены комбинированные преобразователи (1A, 1_C1), (1_A2, 1_C2), (1_A3, 1_C3) ... (1_An, 1_Cn), а на другом берегу - одинарные преобразователи (1_B1), (1_B2), (1_B3) ... (1_Bn) и (1_Ai, 1_Ci) и (1_Bi) образуют измерительный канал горизонтальной осредненной скорости потока в i-ой глубине потока.

Комбинированные преобразователи (1_Ai, 1_Ci) соединены с выходом коммутатора (11), входы которого соединены с генератором импульса (13), возбуждающего преобразователя, и с усилителем-формирователем (14), предназначенным для усиления приемного сигнала преобразователей (1_Ai, 1_Ci) и формирующим прямоугольный импульс для управления измерителем интервала времени (15).

Коммутатор (11), в свою очередь, соединен с вычислительно-управляющим устройством (например, микропроцессором) (16), который также соединен с синхрогенератором (12) и радиоприемо-передающим устройством (17), а также с выходом измерителя интервала времени (15).

Точно таким же образом соединены между собой преобразователи (1_Bi), коммутатор (11'), генератор импульса (13'), усилитель-формирователь импульса (14') и радиоприемопередающее устройство (18), только отсутствуют измеритель интервала времени (15), вычислительно-управляющее устройство (16).

Расходомер работает следующим образом.

В соответствии с заданными алгоритмом и программой и работой синхрогенератора коммутатор (11) подключается с генератором импульса (13) и комбинированные преобразователи (1_Ai, 1_Ci) излучают ультразвуковые импульсы в направление (1_Bi). Одновременно (17) передает сигнал к (18), командующий коммутатором (11'), который соединяет (1_Bi) с усилителем-формирователем импульса (14'), т.е. переключается в режим приема.

В момент подачи импульса в преобразователь (1_Ai, 1_Ci) начинает счет времени измеритель интервала времени (15). При достижении ультразвукового импульса преобразователя (1_Bi) радиоприемопередающее устройство (18) посылает сигнал о приеме, и выходной сигнал (17) приостанавливает счет времени (15).

Таким образом заканчивается процесс измерения времени распространения (пробега) ультразвукового импульса от (1_Ai 1_Ci) до (1_Bi), т.е. t_(AB)i, t_CBi). Эти значения записываются в память вычислительно-управляющего устройства (16), и (16) выдает командный сигнал через (17) и (18) к коммутатору (11'), который подключается к генератору импульса (13') (или тактовым импульсам синхронизатора 12') и производится излучение ульразвукового импульса от преобразователя (1_Bi). Начало подачи импульса к преобразователю (1_Bi) передается через (18), (17) - к измерителю интервала времени (15), а коммутатор (11) переключается в режим приема. Приемный сигнал комбинированного преобразователя (1_Ai, 1_Ci) через (14) подается к (15) и прекращается счет времени, и тем самым заканчивается измерение времени t_(BC)i и t_(BA)i. Эти значения записываются в (16).

Вычислительно-управляющее устройство (16), в котором заранее записаны постоянные параметры для вычисления расхода (например, ширины потока i-ой глубины, d, шаги глубины измерения горизонтальной скорости потока и т.п.), производит вычисление горизонтальный скоростей потока по рабочей формуле (17) и на их основе интеграла, т.е. расход воды.

Вышеприведенная блок-схема является одним из примеров и не является предметом патентования сама блок-схема электронной части.

На фиг. 6 обозначена (19) платформа для крепления преобразователей (1_Ai, 1_Ci) и (1_Bi).

Изобретение относится к ультразвуковой технике измерений. Способ заключается в том, что измеряют горизонтальные скорости потока на различных глубинах с помощью ультразвуковых преобразователей, установленных на обоих откосах берегов русла, а затем вычисляют расход потока. При измерении используют три преобразователя, которые устанавливают под определенным углом ϕ по отношению к направлению потока для определения средней скорости потока. Измеряют расстояние между первым преобразователем и вторым преобразователем путем измерения разности времен прохождения ультразвуковых импульсов по потоку и против потока. Одновременно измеряют время прохождения ультразвукового импульса, излучаемого первым преобразователем, до второго преобразователя, время прохождения ультразвукового импульса, излучаемого третьим ультразвуковым преобразователем, до второго преобразователя, время прохождения ультразвукового импульса, излучаемого вторым преобразователем, до третьего преобразователя и время прохождения ультразвукового импульса, излучаемого вторым преобразователем, до первого преобразователя. Затем вычисляют горизонтальную скорость потока. Предложенное устройство имеет генератор импульса, приемный усилитель, формирователь импульса, измеритель интервала времени, коммутатор и вычислительно-управляющее устройство. Изобретение направлено на повышение точности измерения. 2 с. 1 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Способ измерения с помощью ультразвука расхода потока в открытом русле, заключающийся в том, что измеряют горизонтальные скорости потока на различных i-ых глубинах с помощью ультразвуковых преобразователей, установленных на обоих откосах берегов русла, а затем вычисляют расход потока, отличающийся тем, что на i-ой глубине устанавливают первый (1А) и второй (1В) преобразователи под определенным углом ϕ по отношению к направлению потока для определения средней скорости потока, измеряют расстояние L_i между первым (1А) преобразователем и вторым (1В) преобразователем путем измерения разности времен прохождения ультразвуковых импульсов по потоку и против потока, при этом на i-ой глубине устанавливают еще один (1С) ультразвуковой преобразователь на расстоянии l от первого (1А) ультразвукового преобразователя, одновременно измеряют время t_AB прохождения ультразвукового импульса, излучаемого первым (1А) преобразователем, до второго (1В) преобразователя, время t_CB прохождения ультразвукового импульса, излучаемого еще одним (1С) ультразвуковым преобразователем, до второго (1В) преобразователя, время t_BC прохождения ультразвукового импульса, излучаемого вторым (1В) преобразователем, до еще одного (1С) преобразователя и время t_BA прохождения ультразвукового импульса, излучаемого вторым (1В) преобразователем, до первого (1А) преобразователя, а затем вычисляют горизонтальную скорость потока на i-ой глубине по формуле

где
d = Li cosϕ,
l - расстояние между первым (1A) преобразователем и дополнительным (1С) преобразователем. 2. Способ измерения расхода по п. 1, отличающийся тем, что используют одинарные (1A) и (1В) ультразвуковые преобразователи и один комбинированный преобразователь, поочередно устанавливая комбинированный преобразователь в точках установки одинарного (1A) преобразователя, а расстояния L_i вычисляют по формуле

или

3. Устройство для ультразвукового измерения расхода потока, содержащее несколько пар ультразвуковых преобразователей, установленных на откосах берегов русла на различных глубинах, генератор импульса, приемный усилитель, формирователь импульса, измеритель интервала времени, коммутатор и вычислительно-управляющее устройство, отличающееся тем, что ультразвуковые преобразователи, устанавливаемые на откосе одного берега, выполнены в виде одинарных (1В) преобразователей, ультразвуковые преобразователи, устанавливаемые на откосе другого берега, выполнены в единой комбинированной конструкции, состоящей из ультразвуковых преобразователей (1А) и (1С), причем ультразвуковой преобразователь (1А) выполнен в виде полого цилиндра, в полости которого закреплена одним концом трубка, на другом конце которой на расстоянии l закреплен ультразвуковой преобразователь (1С), выполненный в виде цилиндра с наружным диаметром, меньшим диаметра полости полого цилиндра первого ультразвукового преобразователя, причем расстояние l определяется выражением
l > 2ΔtC_maxδ0L

,
где Δt - абсолютная погрешность измерения времени пробега импульса измерителем интервала времени;
С_max - ожидаемая максимальная скорость ультразвука в воде;
δ°L - допустимая относительная погрешность измерения l, определяемая допустимой погрешностью измерения скорости потока.