СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТЕЙ В ДВИЖУЩЕЙСЯ СРЕДЕ Российский патент 2001 года по МПК G01S15/00 G01F1/66 

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике, и может быть использовано для измерения скоростей потоков жидкостей и газов как в открытых средах (реки, моря и т.п.), так и в закрытых (каналы, скважины, трубопроводы и т. п.), а также для прецизионного измерения расходов и точного весового учета количества различных жидких и газообразных сред, протекающих по трубопроводам.

Известен ряд способов измерения скорости потока, основанных на исключении из процесса измерения скорости распространения звука (ультразвука) в среде. В частности, известен ультразвуковой способ измерения скорости потока среды [1], заключающийся в излучении ультразвуковых импульсов в направлении потока и против него, симметрично под заданным углом. Недостатком его является наличие сложного электромеханического канала для определения эквивалентой акустической базы.

Известен также звуковой способ, реализованный в приборе для измерения скорости перемещения в трубопроводе жидкости или газа [2], основанный на исключении скорости звука из процесса измерения, заключающийся в том, что размещают в потоке источник звука между двумя приемниками звука, расположенными на одинаковых от него расстояниях, определяют текущее значение скорости потока среды по разности фаз колебаний в приемниках, определяют скорость звука в этой же среде путем пропускания ее по разветвлению трубопровода, измерения разности фаз, колебаний между излучателем и приемником звука, монтированных на равных расстояниях от начала разветвления, внесение коррекции в результате измерения скорости потока среды по результату измерения скорости звука.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ, реализованный в [2].

Достоинством этого способа является исключение нестабильной скорости распространения звука из процесса измерения скорости потока.

Недостатком его является наличие ручной коррекции по исключению влияния скорости звука на результат измерения скорости потока среды, что существенно сокращает сферу его применения.

Технической задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является создание конструктивных условий для точного (без коррекции) определения скоростей перемещения среды и распространения звука на одном и том же отрезке движения потока среды через времена запаздывания и базовые расстояния, с целью обеспечения точного учета массового (весового) расхода жидких и газообразных сред.

Техническим результатом, достигаемым с помощью данного изобретения является универсальность способа, пригодного для широкого перечня жидких и газообразных сред и возможность использования текущего значения скорости звука для более точного измерения массового (весового) расхода перемещаемой среды, поскольку известно, что скорость звука зависит от плотности среды.

Поставленная техническая задача решается путем размещения в потоке источника непрерывного, гармонического, симметрично излучаемого звука вдоль и против потока между приемниками звука, отстоящими от источника на базовые расстояния Do, Dn, преобразования принятых звуковых сигналов в электрические, формирования узких импульсов в моменты перехода принятых электрических сигналов через нуль, формирования времен запаздывания T_о и T_п, вычисления скоростей потока среды и распространения звука в среде по базовым расстояниям и временам запаздывания.

Сопоставительный анализ заявленного способа с прототипом показывает, что предлагаемый способ отличается от известного способа-прототипа следующими признаками.

1. Размещают приемники звука на разных базовых расстояниях D_о и D_п.

2. Формируют узкие импульсы в моменты перехода передаваемого и принятых электрических сигналов через нуль.

3. Измеряют цифровым способом времена запаздывания T_о и T_п между узкими импульсами передаваемого и принимаемых электрических сигналов.

4. Вычисляют скорости потока среды и распространения звука в среде по базовым расстояниям и временам запаздывания.

Таким образом, предлагаемый способ соответствует критерию изобретения "новизна".

Заявленный способ измерения скоростей значительно проще способов измерения скоростей в серийно выпускаемых расходомерах. Отрезок трубопровода из немагнитного материала с диаметром совпадающим с диаметром стального трубопровода, например, в расходомере воды типа ИР-45, отрезок газопровода с диафрагмами и датчиками давления типа "Сапфир", например, в измерителе расхода газа и тепла типа ИРГТ-2 во много раз сложнее трех штуцеров на трубопроводе с тонкими стержнями из некоррозируемого материла (например, из нержавеющей стали). Следовательно, расходомер, реализованный на основе предлагаемого способа, будет иметь гораздо меньшую себестоимость по сравнению с серийно выпускаемыми.

Таким образом, заявленное изобретение соответствует условию промышленной применимости.

Заявленный способ измерения скоростей имеет гораздо большую область применения по сравнению с прототипом. Если прототип применяется для измерения скорости потока среды, например, в трубопроводе, до предлагаемый способ применим как для измерения скоростей потоков перемещаемых сред в трубопроводах, так и в естественных условиях (реки, моря, каналы, атмосфера и т.п.) в широком перечне жидких и газообразных сред, (вода, пар, нефтепродукты, природный газ, воздух, кислород и др.). Возможность измерения текущих значений скорости потока среды и скорости звука, ультразвука) на одном и том же отрезке потока позволяет с высокой точностью измерять массовый (т.е. с учетом текущей плотности) расход перемещаемой среды, используя зависимость скорости распространения звука от плотности среды. Кроме того, в отличие от прототипа заявленный способ определяет главные характерные скорости потока на участке измерения (скорость перемещения потока, скорость звука) автоматически безручной коррекции, что позволяет организовать производство нового поколения расходометров более дешевых и с большими возможностями.

Таким образом, поскольку в заявленном способе отличительные признаки обеспечивают новый положительный эффект, то предлагаемое техническое решение удовлетворяет критерию "существенные отличия".

Проведем теперь анализ изобретательского уровня предложенного способа измерения скоростей потока перемещаемой среды. Отличительный признак 1 среди большого количества вариантов размещения излучателя по отношению к приемникам звука встречается редко. Он близок, но не совпадает с похожим признаком в прототипе, где приемники расположены на равных расстояниях от излучателя, что соответствует частному случают в заявленном способе, когда D_о= D_п. В патенте России N 2121699 [3] приемники расположены несимметрично при одном базовом расстоянии, а излучение в пункте измерения производится несимметрично только в прямом направлении. Таким образом, этот признак является новым.

Признак 2 не является новым и широко распространен в импульсной и вычислительной технике.

Признак 3 полностью совпадает с аналогичным признаком в [3], а также широко известен во многих технических решениях.

Признак 4 является новым, т.к. в научной и патентной литературе не обнаружены математические формулы вычисления на одном и том же участке практически одновременно текущих значений скоростей потока и звука. Эти формулы являются основой алгоритма микропроцессора.

Сочетание всех трех признаков обеспечивает новое качество, недостижимое в прототипе: получать точные значения текущих скоростей потока среды и распространения звука в среде. Способов измерения скорости потока известно много, способы измерения текущей скорости распространения звука разработаны к настоящему времени слабо.

Вышеприведенный анализ позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого способа критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 приведен чертеж размещения излучателя и приемников звука относительно перемещаемой среды, на фиг. 2 - осциллограммы прохождения звуковых сигналов через перемещаемую среду, на фиг. 3 дан пример технической реализации.

Перечень приемов предлагаемого способа заключается в следующем.

1. Размещают приемники звука на разных базовых расстояниях D_о и D_п.

2. Преобразуют принятие звуковые сигналы в электрические.

3. Формируют узкие импульсы в моменты перехода через нуль излучаемого и принятых электрических сигналов.

4. Измеряют времена запаздывания T_о и T_п между моментами посылки и приема.

5. Вычисляют скорости потока среды V_с и распространения звука V_з по базовым расстояниям D_o, D_п и временам запаздывания T_о и T_п.

Прием 1 предлагаемого способа реализуется следующим образом. По направлению движения потока среды 1 со скоростью V_с на жестком основании располагают излучатель звука 2 и два приемника звука 3, 4, отстоящие от излучателя на базовые расстояния D_о и D_п (фиг. 1). Гармоническую звуковую волну излучают в 1 против и вдоль направления движения среды (фиг.2а). Волна распространяется по среде со скоростью V_з. Принимают излучаемую волну в 3 и 4 (фиг. 2б,в). К приемнику 3, расположенному в прямом направлении, волна подходит с временем запаздывания T_п (см. фиг. 2б). В обратном направлении, распространяется проинвертированная волна (из-за симметрии излучения), которая подходит к приемнику 4 с временем запаздывания T_о (фиг. 2в).

Прием 2 в заявленном способе, практически, совпадает с прототипом и заключается в преобразовании принятых звуковых сигналов в электрические. Поскольку вид осциллограмм электрических сигналов аналогичен звуковым (см. фиг. 2б,в), то на фиг. 2 они не приводятся.

Прием 3 в заявленном способе заключается в формировании узких импульсов в моменты перехода излучаемого (фиг. 2г) и принимаемых сигналов (фиг. 2д,е) через нуль.

Прием 4 в заявленном способе заключается в формировании сначала временных интервалов, равных временам запаздывания T_о и T_п (фиг. 2ж,з), а затем измерении их цифровым способом путем счета стробируемых импульсов и запоминания результата на время вычисления согласно операции 5 заявленного способа (фиг. 2и,к).

Предполагая плавные, постепенные изменения скорости среды и постоянство скорости звука в пределах интервала D_о+D_п, упрощенные (полученные без операции интегрирования) выражения для скоростей принимают вид
V_з - V_с = D_о/T_о, (1)
V_з + V_с = D_п/T_п. (2)
При вычитании (1) из (2) получим
V_с = 0,5 (D_п/T_п - D_о/T_о, (3)
а при сложении
V_з = 0,5 (D_п/T_п + D_о/T_о). (4)
При неподвижной среде условиях распространения звука в обратном и прямом направлениях одинаковые. Исходя из постоянства скоростей на малом отрезке времени, V_з в этом случае постоянная и тогда D_п = V_зT_п, а D_о = V_зT_о, т.е. коэффициентом пропорциональности между расстоянием и временем запаздывания является скорость звука. Тогда, из (3) и (4), следует
V_с = (V_з - V_з)/2 = 0, (5)
V_з = (V_з + V_з)/2 = V_з, (6)
что соответствует очевидному физическому смыслу и подтверждает правильность выведенных соотношений (3) и (4) для текущих скоростей потока среды и звука.

Простота аналитических выражений (3) и (4) для скоростей среды упрощает алгоритм вычисления, программируемый в микропроцессоре. Следует отметить, что соотношения для вычисления скоростей потока среды будут давать заметную погрешность, если интервалы измеряемых времен запаздывания будут соизмеримы с временем быстрых (крутых) перепадов этих скоростей. В скорости звука V_з наличие таких перепадов практически невозможно, а в скорости потока среды V_с возможно наличие перепадов за время, не менее единиц секунд (характерные времена открытия вентилей и задвижек). При периодизации измерения времен запаздывания в предлагаемом способе, равном 20 мс (период колебания промышленной сети переменного напряжения) измеряемые T_п и T_о будут меньше 20 мс. Тогда за время одного самого малого интервала в перепаде скорости V_с произойдет 50 измерений. Такого количества точек измерения на зависимости V_с от времени достаточно для точного измерения текущего значения V_с. На больших интервалах времени точность измерения будет еще выше. В связи с вышеизложенным усложнение формул (3) и (4) из-за учета переменного характера скорости V_с на интервале времени T_о + T_п (например, путем интегрирования скорости по времени) в первом приближении нецелесообразно.

Таким образом, прием 5 предлагаемого способа заключается в реализации на микропроцессоре алгоритма, заложенного в формулах (3) и (4). Микропроцессор должен работать в режиме реального времени и за отведенное для вычисления время вычислять текущие значения V_с и V_з (фиг. 2л, м), которые целесообразно запоминать на время периодизации (на фиг. 2л,м не показано). Пример увеличения скорости V_с отражен на фиг. 2. T_о и T_п возрастают (фиг. 2б,в и и,к), V_с возрастает (фиг. 2л), V_з не изменяется (фиг. 2м).

Заявленный способ измерения скоростей потока перемещаемой среды может быть реализован устройством, структурная схема которого приведена на фиг. 3. На трубопроводе 1 размещаются излучатель звука 2 в виде нерезонансного штыревого вибратора и два штыревых вибратора-приемника 3 и 4, отстоящих от излучателя 2 на базовые расстояния D_о и D_п. Под действием переменного магнитного поля в вибраторе возбуждаются вынужденные звуковые гармонические колебания, которые распространяются в прямом и обратном направлениях со скоростью V_з по перемещаемому по трубопроводу потоку со скорость V_с (см. фиг. 2а). Через времена запаздывания T_о и T_п звуковые колебания достигают приемных вибраторов 3 и 4 и возбуждают в них звуковые колебания (см. фиг. 2б,в), которые преобразуются в электрические сигналы по форме совпадающие со звуковыми. В блоках формирователей 5, 6 эти сигналы сначала сравниваются с нулевым напряжением, а затем в моменты перехода сигнала фиг. 2б через нуль с минуса на плюс и сигнала фиг. 2в с плюса на минус формируются узкие положительные импульсы (см. фиг. 2д, е), которые с большой точностью определяют указанные моменты перехода через нуль. В блоке формирователя 7 из переменного напряжения сети с частотой колебаний 50 Гц, питающей возбудитель магнитного поля в излучателе 2, также генерируется узкий положительный импульс (см. фиг. 2г), который также с повышенной точностью отмечает моменты перехода звукового сигнала-возбудителя фиг. 2а через нуль с минуса на плюс. На триггерах 8, 9 из сформированных узких импульсов образуются широкие импульсы (фиг. 2ж,з), длительности которых соответственно равны T_о и T_п. В управляемых электронных счетчиках 10 и 11 происходит счет простробированных калиброванных высокочастотных импульсов (период Т) в течение времен T_о и T_п, запоминание результатов счета Ц_о и Ц_п на время вычислений в микропроцессоре и сброс результатов счета по истечении этого времени (см. фиг. 2и,к). Микропроцессор 12, получающий входную информацию в виде цифровых кодов Ц_о и Ц_п, пропорциональных временам T_о и T_п по программе, реализующей алгоритм, заложенный в формулах (3) и (4), вычисляет текущие значения скорости потока V_с и скорости звука V_з (см. фиг. 2л,м), которые выводятся на индикаторы 13, 14.

Измеритель скоростей состоит из электромеханического блока (ЭМБ), включающего три гильзы, укрепленные на трубопроводе, с излучателем звука 2 и приемниками звука 3, 4. Измерительно-вычислительный блок (ИББ) полностью электронный и может быть реализован на микросхемах широкого применения. Источник калиброванных импульсов может быть выполнен, например, на базе кварцевого генератора (микросхема К155А3, см. рис. 1, 30 в справочнике [4]). Узлы формирования узких импульсов 5, 6, 7, формирователи временных интервалов 8, 9, счетчики 10, 11 - на микросхемах набора К155. Микропроцессор 12 может быть реализован на микросхемах наборов К1802 или К1810 [4, 5]. Узлы 13, 14 целесообразно выполнить на ИЖК (индикаторы на жидких кристаллах).

С целью оптимизации целесообразно моделирование ИВБ на аналогоцифровой (гибридной) вычислительной системе [6]. Так, в случае применения гибридной вычислительной системы (ГВС) "Русалка", на аналоговой части ГВС набираются узлы: формирователи узких импульсов 5, 6, 7, формирователи временных интервалов 8, 9, счетчики 10, 11, цепи стробирования и источник калиброванных импульсов. Результаты измерения Ц_о и Ц_п через крейт "Камак" подаются на цифровую часть ГВС (IBM PC), где реализуется вычислительный процесс (прием 5 способа) по определению текущих значений скоростей V_с и V_з. Индикацию результатов измерения можно наблюдать на дисплее ГВС (IBM PC) или на индикаторных модулях крейта "Камак" [6]. Машинное моделирование полезно также для учета рельных зависимостей плотности перемещаемой среды от скорости звука [7] при отработке новых конструкций расходомеров транспортируемой массы среды.

Список источников
1. Чернобай И. А. , Шатковский А.И., Ультразвуковой способ измерения скорости потока и расходомер для его осуществления, АС СССР N 1068716, кл. G 01 F 1/66, 1984 г.

2. Батранин Ю.Е., Прибор для измерения скорости перемещения в трубопроводе жидкости или газа, АС СССР N 85906, кл. G 01 F 1/66, G 01 S 15/00, 1960.

3. Прокофьев Е.В., Сибирякова Л.Л. Способ измерения расстояния, Пат. RU N 2121699, кл. G 01 S 13/76, 1998 г.

3. Шило В.Л., Популярные цифровые микросхемы. - Челябинск: 1988 г.

5. Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы / Под ред. С.В. Якубовского. - 2-е изд., перераб. - М.: Радио и связь, 1984 г., 432 с.

6. Шор И.Я., Левин М.Г. Справочник пользователя аналоговых и аналого-цифровых вычислительных систем. - Кишинев: Штиница, 1985 г.

7. Эберт Г., Краткий справочник по физике. - М., 1963 г.

Способ измерения скоростей в движущейся среде основан на исключении из процесса измерения скорости распространения звука в среде путем размещения в потоке среды излучателя звука между двумя приемниками звука, преобразовании принятых звуковых сигналов в электрические и определении скорости потока среды и скорости распространения звука в среде, в котором приемники звука размещают на базовых расстояниях Do и Dп от излучателя, формируют узкие импульсы в моменты перехода через нуль излучаемого и принятых сигналов, измеряют времена запаздывания То и Тп между узкими импульсами излучаемого и принятых сигналов, вычисляют текущие значения скорости потока среды Vc = 0,5 (Dп/Тп - Do/To), и скорости распространения звука в среде Vз = 0,5 (Dп/Тп + Do/To). Технический результат заключается в универсальности способа, пригодного для широкого перечня жидких и газообразных сред и возможности использования текущего значения скорости звука для более точного измерения массового расхода помещаемой среды. 2 ил.

Способ измерения скоростей в движущейся среде, основанный на исключении из процесса измерения скорости распространения звука в среде путем размещения в потоке среды излучателя звука между двумя приемниками звука, преобразовании принятых звуковых сигналов в электрические и определении скорости потока среды и скорости распространения звука в среде, отличающийся тем, что приемники звука размещают на базовых расстояниях Do и Dп от излучателя, формируют узкие импульсы в моменты перехода через нуль излучаемого и принятых сигналов, измеряют времена запаздывания То и Тп между узкими импульсами излучаемого и принятых сигналов, вычисляют текущие значения скорости потока среды Vc по формуле
Vc = 0,5(Dп/Тп - Do/То),
а скорости распространения звука в среде Vз по формуле
Vз = 0,5(Dп/Тп - Do/То).