КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ОБЪЕМНОГО РАСХОДА ЖИДКОСТИ (ВАРИАНТЫ) И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК G01F1/712 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в различных отраслях промышленности для измерения объемного расхода и профиля скорости потока жидкости.

Известен способ измерения объемного расхода жидкости [1, с.535], основанный на измерении времени перемещения какой-либо характерной части (метки) потока на контрольном участке пути.

Известно устройство измерения объемного расхода жидкости [1, с.536], содержащее устройство формирования метки и два детектора метки, расположенных в потоке жидкости на известном расстоянии друг от друга.

Известен корреляционный способ измерения объемного расхода жидкости [1, с. 556] , выбранный в качестве прототипа и основанный на определении времени прохождения потоком базового расстояния между двумя преобразователями, воспринимающими случайно распределенные неоднородности какого-либо параметра потока. При этом время прохождения неоднородностями базового расстояния определяется по положению максимума взаимокорреляционной функции сигналов преобразователей.

Известно устройство корреляционного измерения объемного расхода жидкости [1, с.556], выбранное в качестве прототипа и содержащее два преобразователя, размещенных в двух сечениях потока жидкости на известном расстоянии друг от друга, устройство задержки, перемножитель, интегратор и измерительный прибор.

Недостатком этого способа и реализующего его устройства является низкая точность измерения объемного расхода жидкости, обусловленная тем, что не учитывается влияние профиля скорости контролируемого потока жидкости.

Решаемая техническая задача - повышение точности измерения объемного расхода жидкости.

Решаемая техническая задача в корреляционном способе измерения объемного расхода жидкости (его первом варианте), включающем размещение в двух разнесенных на расстояние L сечениях расходоизмерительного участка преобразователей, воспринимающих неоднородности параметров потока жидкости, определение взаимокорреляционной функции сигналов преобразователей и определение скорости потока жидкости по положению максимума взаимокорреляционной функции, достигается тем, что в двух разнесенных на расстояние L сечениях расходоизмерительного участка размещают М пар преобразователей, воспринимающих неоднородности параметров потока жидкости, определение взаимокорреляционной функции производят для каждой j-й пары преобразователей, где j∈{1,2,...,M}, определение скорости потока жидкости u_j = L/τ_mj, по положению τ_mj максимума взаимокорреляционных функций R_jj(τ) производят в М точках, после чего по измеренным значениям скорости u_j аппроксимацией восстанавливают профиль скорости потока жидкости u(S), где S - площадь сечения расходоизмерительного участка, и по найденному профилю скорости потока жидкости u(S) определяют значение объемного расхода жидкости
Решаемая техническая задача в корреляционном способе измерения объемного расхода жидкости (его втором варианте), включающем размещение в двух разнесенных на расстояние L сечениях расходоизмерительного участка преобразователей, воспринимающих неоднородности параметров потока жидкости, определение взаимокорреляционной функции сигналов преобразователей и определение скорости потока жидкости по положению максимума взаимокорреляционной функции, достигается тем, что в двух разнесенных на расстояние L сечениях расходоизмерительного участка размещают М пар преобразователей, воспринимающих неоднородности параметров потока жидкости, перед определением взаимокорреляционной функции осуществляют суммирование сигналов s_ij(t) всех j∈{1,2,...,M} преобразователей, расположенных в каждом из сечений i∈{1,2} расходоизмерительного участка, определение скорости потока жидкости u_j = L/τ_mj производят в М точках по положению τ_mj локальных максимумов взаимокорреляционной функции R′(τ) суммарных сигналов двух групп преобразователей, после чего по измеренным значениям скорости u_j аппроксимацией восстанавливают профиль скорости потока жидкости u(S), где S - площадь сечения расходоизмерительного участка, и по найденному профилю скорости потока жидкости u(S) определяют значение объемного расхода жидкости
Решаемая техническая задача в устройстве корреляционного измерения объемного расхода жидкости, содержащем две группы преобразователей, воспринимающих неоднородности параметров потока жидкости, размещенных на заданном расстоянии друг от друга и соединенных со вторичным измерительным прибором, достигаются тем, что каждая группа преобразователей содержит по М>1 преобразователей, объединенных электрически, а вторичный измерительный прибор содержит последовательно соединенные двухканальную схему согласования, вычислитель взаимокорреляционной функции и блок обработки и индикации.

На фиг. 1 изображено устройство корреляционного измерения объемного расхода жидкости.

На фиг.2 показана блок-схема устройства, реализующего первый заявляемый вариант способа корреляционного измерения объемного расхода жидкости.

На фиг.3 показана блок-схема устройства, реализующего второй заявляемый вариант способа корреляционного измерения объемного расхода жидкости.

На фиг. 4 показаны взаимокорреляционные функции сигналов пар преобразователей.

На фиг.5 показана взаимокорреляционная функция суммарных сигналов первой и второй групп преобразователей.

На фиг. 6 показан вариант двухканальной схемы согласования 7 для случая использования в устройстве корреляционного измерения объемного расхода жидкости кондуктометрических преобразователей.

На фиг. 7 изображен фрагмент расходоизмерительного участка для случая измерения объемного расхода жидкости в открытых каналах по профилю скорости потока u(S) и уровню жидкости h.

В приложении 1 приведен алгоритм работы блока обработки и индикации первого варианта устройства корреляционного измерения объемного расхода жидкости.

В приложении 2 приведен алгоритм работы блока обработки и индикации второго варианта устройства корреляционного измерения объемного расхода жидкости.

Устройство (фиг. 1) содержит преобразователи первой группы 1_j и второй группы 2_j, no M преобразователей в каждой группе, две соединительные линии 3 и вторичный измерительный прибор 4. Преобразователи первой группы 1_j и второй группы 2_j установлены в двух сечениях расходоизмерительного участка 5. Количество пар преобразователей М определяется необходимой точностью измерения профиля скорости u(S) потока жидкости. Вторичный измерительный прибор 4 в первом варианте устройства (фиг.2) содержит два аналоговых коммутатора 6, двухканальную схему согласования 7, вычислитель взаимокорреляционной функции 8, блок обработки и индикации 9. Вторичный измерительный прибор 4 во втором варианте устройства (фиг.3) содержит двухканальную схему согласования 7, вычислитель взаимокорреляционной функции 8, блок обработки и индикации 9.

В первом варианте устройства преобразователи первой группы 1_j и второй группы 2_j при помощи соединительных линий 3 соединены со входами первого и второго аналогового коммутатора 6 соответственно. Выходы аналоговых коммутаторов 6 соединены со входами двухканальной схемы согласования 7, выходы которой соединены со входами вычислителя взаимокорреляционной функции 8. Выход вычислителя взаимокорреляционной функции 8 соединен со входом блока обработки и индикации 9.

Во втором варианте устройства преобразователи первой группы 1_j и второй группы 2_j соответственно объединены электрически при помощи двух соединительных линий 3. Выходы соединительных линий 3 соединены со входами двухканальной схемы согласования 7, выходы которой соединены со входами вычислителя взаимокорреляционной функции 8. Выход вычислителя взаимокорреляционной функции 8 соединен со входом блока обработки и индикации 9.

Заявляемое устройство соответствует устройству, реализующему второй заявляемый вариант способа корреляционного измерения объемного расхода жидкости (фиг.1, фиг.3).

В качестве преобразователей первой группы 1_j и второй группы 2_j могут быть использованы преобразователи, воспринимающие неоднородности какого-либо параметра (температуры, проводимости, концентрации или др.) потока жидкости, например, кондуктометрические преобразователи [2, с.232], воспринимающие флуктуации проводимости.

Аналоговые коммутаторы 6 могут быть выполнены по стандартным схемам, опубликованным в источниках информации или выпускаемых промышленностью.

Возможный вариант двухканальной схемы согласования 7 при использовании в качестве преобразователей первой группы 1_j и второй группы 2_j кондуктометрических преобразователей первой группы 10_j и второй группы 11_j соответственно показан на фиг.6. Двухканальная схема согласования 7 содержит генератор ВЧ-сигнала 12, два преобразователя ток-напряжение 13, два детектора 14.

Вычислитель взаимокорреляционной функции 8 осуществляет вычисление корреляционного интеграла

где x(t) и y(t) - сигналы преобразователей первой группы 1_j и второй группы 2_j соответственно; Т - интервал наблюдения.

Алгоритм работы блока обработки и индикации 9 для первого и второго вариантов устройства приведен в приложениях 1 и 2 соответственно.

Рассмотрим осуществление способа измерения объемного расхода жидкости (его первого варианта) с помощью устройства, показанного на фиг.2. В двух сечениях расходоизмерительного участка, разнесенных на заданное базовое расстояние L, размещают М пар преобразователей первой группы 1_j и второй группы 2_j, воспринимающих неоднородности параметров потока жидкости. Выходные сигналы преобразователей первой группы 1_j и второй группы 2_j через аналоговые коммутаторы 6 и двухканальную схему согласования 7 поступают на входы вычислителя взаимокорреляционной функции 8, в котором производится определение взаимокорреляционной функции R_jj(τ) для каждой j-й пары преобразователей. Двухканальная схема согласования 7 служит для преобразования выходного сигнала (сопротивления, тока) преобразователей 1_j и 2_j в напряжение. Массивы оценок взаимокорреляционных функций R_jj(τ) поступают в блок обработки и индикации 9, работающий по алгоритму, приведенному в приложении 1. В блоке обработки и индикации 9 производится поиск и определение положения τ_mj максимума взаимокорреляционной функции R_jj(τ) по оси задержек τ, по формуле u_j = L/τ_mj определяется значение скорости u_j потока жидкости в М точках, по измеренным значениям скорости u_j аппроксимацией восстанавливается профиль скорости потока жидкости u(S) и по найденному профилю скорости потока жидкости u(S) определяется значение объемного расхода жидкости Q и производится его индикация.

Рассмотрим осуществление способа измерения объемного расхода жидкости (его второго варианта) с помощью устройства, показанного на фиг.3. В двух сечениях расходоизмерительного участка, разнесенных на заданное базовое расстояние L, размещают М пар преобразователей первой группы 1_j и второй группы 2_j, воспринимающих неоднородности параметров потока жидкости. Преобразователи в каждом сечении расходоизмерительного участка объединяют электрически при помощи соединительных линий 3. При этом осуществляется суммирование сигналов s_ij(t) всех j∈{1,2,...,M} преобразователей, расположенных в каждом из сечений i∈{1,2} расходоизмерительного участка. Суммарные сигналы и преобразователей первой группы 1_j и второй группы 2_j соответственно через двухканальную схему согласования 7 поступают на входы вычислителя взаимокорреляционной функции 8. Двухканальная схема согласования 7 служит для преобразования выходного сигнала (сопротивления, тока) преобразователей 1_j и 2_j в напряжение. Массив оценки взаимокорреляционной функции R′(τ) поступает в блок обработки и индикации 9, работающий по алгоритму, приведенному в приложении 2. В блоке обработки и индикации 9 производится поиск и определение положения τ_mj локальных максимумов взаимокорреляционной функции R′(τ) для каждой j-й пары преобразователей, по формуле u_j = L/τ_mj определяется значение скорости u_j потока жидкости в М точках, по измеренным значениям скорости u_j аппроксимацией восстанавливается профиль скорости потока жидкости u(S) и по найденному профилю скорости потока жидкости u(S) определяется значение объемного расхода жидкости Q и производится его индикация.

Покажем, что предлагаемые способы позволяют достичь решения поставленной технической задачи - повысить точность измерения объемного расхода жидкости.

В известном корреляционном расходомере ([1, с.556]), реализующем способ корреляционного измерения объемного расхода жидкости, в каждом контрольном сечении расходоизмерительного участка размещается по одному электроду. В качестве первичных преобразователей могут быть использованы преобразователи, реагирующие либо на локальные характеристики течения (термоанемометрические, электролитические преобразователи), либо на интегральные значения измеряемого параметра по всему сечению потока или его части (ультразвуковые, диэлектрические, магнитоэлектрические преобразователи). При этом в первом случае измеряемый корреляционным методом расход жидкости будет определяться скоростью потока жидкости вблизи датчика, во втором случае - скоростью перемещения составляющих потока жидкости, имеющих наибольшую энергию и дающих наибольший вклад во взаимокорреляционную функцию. В обоих случаях фактически остается неопределенной функциональная связь измеренной и среднерасходной скорости потока жидкости, что приводит к погрешности измерения объемного расхода жидкости.

В предлагаемых корреляционных способах измерения в расходоизмерительном участке размещают М пар преобразователей (фиг.1), при помощи которых определяют значения скорости u_j переноса неоднородностей потока жидкости между преобразователями 1_j и 2_j в М точках сечения потока жидкости, по найденным значениям скорости u_j аппроксимацией восстанавливают полный профиль скорости u(S), где S - площадь сечения расходоизмерительного участка. При этом объемный расход жидкости определяют по формуле:

Изменение параметров потока жидкости приводит к изменению профиля скорости u(S), что автоматически учитывается при определении расхода Q. Таким образом, объемный расход жидкости определяется с высокой точностью и не зависит от изменения параметров жидкости и характеристик элементов измерительного преобразователя.

Характерными особенностями ряда промышленных потоков (сточных вод и т.п. ) являются:
- открытый характер течения, изменение во времени сечения потока;
- изменение во времени профиля скорости;
- высокая степень загрязненности.

Для измерения расхода в открытых каналах в настоящее время применяются главным образом расходомеры переменного уровня ([1], с.215), в частности щелевые расходомеры. В этих приборах используется зависимость между расходом и высотой уровня в сосуде, в который жидкость непрерывно поступает и из которого она вытекает через отверстие на дне или в боковой стенке. Однако показания расходомеров переменного уровня существенно зависят от размеров отверстия истечения, его профиля, степени стесненности жидкости при ее подходе к отверстию, высоты уровня жидкости, ее вязкости и состояния выходной кромки. Для обеспечения точного измерения расхода требуется экспериментальная градуировка прибора.

Перспективным путем преодоления указанных трудностей является использование время-пролетного принципа измерения. Во время-пролетных методах измерения скорость потока рассчитывается по времени прохождения меткой известного базового расстояния. В качестве меток могут быть использованы скалярные и векторные субстанции потока: вещество, тепло, импульс, завихренность. Разновидностью время-пролетных методов измерения является корреляционный метод, в котором непосредственно измеряемым параметром является сдвиг по оси времени максимума взаимокорреляционной функции (ВКФ). Особенностью корреляционного метода является то, что в качестве метки могут быть использованы естественно возникающие неоднородности, распределенные по всему объему потока.

Использование время-пролетных методов измерения позволяет свести задачу нахождения расхода к высокоточным временным или частотным измерениям. Как следствие, обеспечивается некритичность к изменению свойств жидкости и коэффициентов преобразования датчиков, которое может быть вызвано старением или загрязнением чувствительных элементов, что практически снимает проблему периодической поверки и контроля показаний, присущую известным датчикам расхода.

Вместе с тем, применение время-пролетных методов для измерения расхода в открытых каналах (фиг.7) затруднено. Это связано с изменением уровня жидкости и необходимостью увеличения числа точек измерения скорости потока жидкости по высоте, что неизбежно приводит к усложнению конструкции расходомера.

В предложенном устройстве, реализующем способ корреляционного измерения объемного расхода жидкости (его второй вариант), преобразователи в каждом сечении расходоизмерительного участка объединены электрически, что позволяет существенно упростить конструкцию расходомера, уменьшив количество измерительных каналов от М до одного.

При параллельном соединении всех датчиков, расположенных в одном и том же контрольном сечении расходоизмерительного участка, на выходе соединительных линий 3 формируется суммарный сигнал:

Сигналы s_i(t) через двухканальную схему согласования 7 поступают на вычислитель взаимокорреляционной функции 8, где производится вычисление оценки функции взаимной корреляции (ВКФ):

Вынеся знаки суммы за интеграл, получаем

Суммарная ВКФ R′(τ) представляет собой сумму М² частных ВКФ R_jk(τ), образованных соответствующими парами сигналов (s_1j и s_2k). При выборе расстояния между парами преобразователей большим, чем интервал пространственной корреляции, значения ВКФ R_jk(τ),j,k∈{1,2 ..., M} в каждой точке τ будут статистически независимыми, а уровень фона η′ (см. фиг.4) суммарной ВКФ будет равен среднему геометрическому от уровня фона η_jk частных ВКФ (фиг.3). При η_jk≈η для ∀j,k∈{1,2 ..., M} имеем:

На полученный фон η′ накладываются максимумы частных ВКФ R_jj(τ), образованные коррелированными составляющими сигналов s_1j и s_2j и несущие информацию о времени τ_mj переноса неоднородностей потока жидкости между соответствующими преобразователями 1_j и 2_j. В результате, на нормированной ВКФ суммарных сигналов s₁ и s₂ амплитуда максимума будет ослаблена в среднем в М раз по сравнению с амплитудой максимума нормированной ВКФ j-й пары преобразователей.

В качестве основного ограничения на область применимости корреляционного метода измерения выступает требование различимости максимума ВКФ на фоне ложных максимумов, обусловленных прежде всего конечной шириной спектра входных сигналов, затуханием сигнала, связанным с диффузией и разрушением метки, и конечным временем наблюдения Т.

При разработке устройства корреляционного измерения объемного расхода жидкости с предварительным суммированием сигналов нескольких преобразователей задача различимости корреляционных максимумов сводится к выполнению следующих условий:
1. Обнаружение корреляционных пиков на фоне ВКФ некоррелированных составляющих:

где R_mj - максимальное значение коэффициента корреляции R_mj = R_jj(τ_mj) j-й пары преобразователей (фиг.3); η_j - фоновый уровень ВКФ R_jj(τ); M - число пар преобразователей; λ = (R_mj)_max/(R_mj)_min - диапазон изменения R_mj. Множитель 2 в формуле (7) учитывает наложение на максимум R_mj фона η′ cуммарной ВКФ.

2. Различимость корреляционных максимумов, образованных сигналами s_1j(t) и s_2j(t) пар преобразователей, по оси задержек τ. Для надежного разрешения корреляционных пиков необходимо, чтобы провал между ними составлял величину большую, чем уровень фона η′ (фиг4):
p_j-≥η′; p_j+≥η′. (8)
Если условие (8) не выполняется, близлежащие пики ВКФ могут образовать один общий максимум. Выполнения условия (8) добиваются выбором расстояний между парами преобразователей, при которых достигаются различные времена переноса метки τ_mj≠τ_mk, j,k∈{1,2 ..., M}, j≠k для всего диапазона изменения расхода Q.

В качестве преобразователей первой группы 1_j и второй группы 2_j могут быть использованы контактные кондуктометрические преобразователи [2, с.232]. Известно [2, с.226], что проводимость водных растворов зависит от температуры:
γ = γ₀[1+(T-T₀)β], (9)
где γ - электрическая проводимость, Т - температура электролита, β - температурный коэффициент проводимости. Значения β равны: 0,016 К^-1 для кислот, 0,019 К^-1 для оснований, 0,024 К^-1 для солей. Кондуктометрический преобразователь располагают вблизи подогревателя. При этом флуктуации скорости потока вблизи преобразователя, обусловленные турбулентным характером течения, а также температурные неоднородности самого потока приведут к флуктуациям электрической проводимости участка потока жидкости вблизи преобразователя. Измерение проводимости осуществляют (см. фиг.6) на высокой частоте (порядка нескольких МГц), что позволяет ослабить влияние загрязнения поверхности датчиков и уменьшает эффект поляризации электродов измерительного преобразователя.

Возможный вариант двухканальной схемы согласования 7 при использовании в качестве преобразователей первой группы 1_j и второй группы 2_j кондуктометрических преобразователей показан на фиг.6. Сигнал высокой частоты с генератора ВЧ-сигнала 12 подается на кондуктометрические преобразователи первой группы 10_j и второй группы 11_j. Выходные сигналы i₁(t) и i₂(t) кондуктометрических преобразователей первой группы 10_j и второй группы 11_j соответственно через преобразователи ток-напряжение 13 поступают на входы детекторов 14, где осуществляется выделение огибающей флуктуационного сигнала кондуктометрических преобразователей.

Произведено компьютерное моделирование предложенных корреляционных способов измерения объемного расхода жидкости при помощи пакета графического программирования Lab View 5.1. Получены результаты, подтверждающие возможность создания устройства на базе предложенного способа измерения.

Список литературы
1. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества: Справочник. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1989. - 701 с. : ил.

2. Левшина Е. С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин: (Измерительные преобразователи). Учеб. пособие для вузов. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1983. - 320 с.: ил.

3. Турбулентность: принципы и применения. / Под ред. У. Фроста, Т. Моулдена. - М.: "Мир", 1980. - 535 с.

Использование: в измерительной технике, в различных отраслях промышленности для измерения объемного расхода и профиля скорости потока жидкости. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения объемного расхода жидкости. Сущность изобретения: корреляционный способ измерения объемного расхода жидкости включает размещение в двух разнесенных на расстояние L сечениях расходоизмерительного участка М пар преобразователей, воспринимающих неоднородности параметров потока жидкости, определение взаимокорреляционных функций R_jj(τ) сигналов каждой j-й пары преобразователей, где j∈{1,2,...,M}, определение в М точках скорости потока жидкости u_j = L/τ_mj по положению τ_mj максимума взаимокорреляционных функций R_jj(τ), восстановление аппроксимацией по измеренным значениям скорости u_j, где j∈{1,2,...,M}, профиля скорости потока жидкости u(S), где S - площадь сечения расходоизмерительного участка, и определение по найденному профилю скорости потока жидкости u(S) значения объемного расхода жидкости Предложен второй вариант способа и устройство корреляционного измерения объемного расхода жидкости. 3 с.п. ф-лы, 7 ил.

1. Корреляционный способ измерения объемного расхода жидкости, включающий размещение в двух разнесенных на расстояние L сечениях расходоизмерительного участка преобразователей, воспринимающих неоднородности параметров потока жидкости, определение взаимокорреляционной функции сигналов преобразователей и определение скорости потока жидкости по положению максимума взаимокорреляционной функции, отличающийся тем, что в двух разнесенных на расстояние L сечениях расходоизмерительного участка размещают М пар преобразователей, воспринимающих неоднородности параметров потока жидкости, определение взаимокорреляционной функции производят для каждой j-й пары преобразователей, где j∈{1,2,...,M}, определение скорости потока жидкости u_j = L/τ_mj, по положению τ_mj максимума взаимокорреляционных функций R_jj(τ) производят в М точках, после чего по измеренным значениям скорости u_j аппроксимацией восстанавливают профиль скорости потока жидкости u(S), где S - площадь сечения расходоизмерительного участка, и по найденному профилю скорости потока жидкости u(S) определяют значение объемного расхода жидкости
2. Корреляционный способ измерения объемного расхода жидкости, включающий размещение на расстояние L сечениях расходоизмерительного участка преобразователей, воспринимающих неоднородности параметров потока жидкости, определение взаимокорреляционной функции сигналов преобразователей и определение скорости потока жидкости по положению максимума взаимокорреляционной функции, отличающийся тем, что в двух разнесенных на расстояние L сечениях расходоизмерительного участка размещают М пар преобразователей, воспринимающих неоднородности параметров потока жидкости, перед определением взаимокорреляционной функции осуществляют суммирование сигналов s_ij (t) всех j∈{1,2,...,M} преобразователей, расположенных в каждом из сечений j∈{1,2,} расходоизмерительного участка, определение скорости потока жидкости u_j = L/τ_mj производят в М точках по положению τ_mj, локальных максимумов взаимокорреляционной функции R′(τ) суммарных сигналов и двух групп преобразователей, после чего по измеренным значениям скорости u_j аппроксимацией восстанавливают профиль скорости потока жидкости u(S), где S - площадь сечения расходоизмерительного участка, и по найденному профилю скорости потока жидкости u(S) определяют значение объемного расхода жидкости
3. Устройство корреляционного измерения объемного расхода жидкости, содержащее две группы преобразователей, воспринимающих неоднородности параметров потока жидкости, размещенных на заданном расстоянии друг от друга и соединенных со вторичным измерительным прибором, отличающееся тем, что каждая группа преобразователей содержит по М>1 преобразователей, объединенных электрически, а вторичный измерительный прибор содержит последовательно соединенные двухканальную схему согласования, вычислитель взаимокорреляционной функции и блока обработки и индикации.