СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСХОДА ПОТОКА ЖИДКОСТИ Российский патент 2005 года по МПК G01F1/704 G01F1/68 G01P5/10 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения расхода потока жидкости.

Известен меточный метод измерения расхода потока, согласно которому в нем создается тепловая метка за счет кратковременного разогрева резистора, выполненного в виде тонкой нити из высокоомного провода, размещенного в потоке перпендикулярно направлению его движения, и измеряется время переноса метки от резистора до регистратора - терморезистора, размещенного в потоке (А.с. 1719905 СССР, М. Кл. G 01 F 1/68, 15.03.92). Недостатком этого способа является низкая надежность, т.к. для его реализации предусматривается использование нагревательного и измерительного элементов, размещенных в потоке среды.

Наиболее близким по технической сущности является бесконтактный способ определения расхода потока двухфазной среды, включающий визуализацию структуры потока за счет его подсветки, разделение изображений отдельных фаз по различной интенсивности их следов на световом поле, покадровую регистрации через определенный интервал времени изображений отдельных элементов структурных фаз, используемых в качестве меток потока, и измерение межкадрового смещения положения меток, по которому определяют расход потока (А.с. СССР 964538, М. Кл. G 01 Р 3/486, Н 04 N 7/18, 07.10.82). Недостатком известного способа является ограниченная область применения только для потоков жидкости, в которой распределены визуализирующие частицы.

Целью изобретения является расширение области применения способа за счет обеспечения возможности определения расхода потока жидкости, в которой отсутствуют визуализирующие частицы.

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения расхода потока жидкости, включающем визуализацию структуры потока, покадровую регистрацию через определенный интервал времени меток потока и измерение межкадрового смещения положения меток, по которому определяют расход потока, осуществляют визуализацию структуры потока путем формирования по инфракрасному излучению поверхности потока ее термоизображения, выделяют на полученном термоизображении образованные локальными областями естественных флуктуаций температуры относительного ее фонового значения зоны с характерным температурным рельефом, например зоны с максимальными или минимальными температурами, и (или) зоны с температурой выше или ниже фоновой, в выделенных зонах, используемых в качестве меток потока, на смежных кадрах фиксируют профиль температур по параллельной оси потока линии, проходящей через центр метки, а межкадровое смещение метки определяют по перемещению сходных участков профилей температур на смежных кадрах.

Отличительными признаками предлагаемого способа определения расхода потока жидкости является то, что осуществляют визуализацию структуры потока путем формирования по инфракрасному излучению поверхности потока ее термоизображения, выделяют на полученном термоизображении образованные локальными областями естественных флуктуаций температуры относительно ее фонового значения зоны с характерным температурным рельефом, например зоны с максимальными или минимальными температурами, и (или) зоны с температурой выше или ниже фоновой, в выделенных зонах, используемых в качестве меток потока, на смежных кадрах фиксируют профиль температур по параллельной оси потока линии, проходящей через центр метки, а межкадровое смещение метки определяют по перемещению сходных участков профилей температур на смежных кадрах.

Благодаря этому расширяется область применения способа за счет обеспечения возможности определения расхода потока жидкости, в которой отсутствуют визуализирующие частицы.

На фиг.1 приведена блок-схема расходомера для осуществления способа; на фиг.2, 3 показаны смежные кадры, на которых представлены соответственно начальное и последующее термоизображения поверхности потока; на фиг.4, 5 приведены профили температур на термоизображениях поверхности потока по линии, параллельной оси потока, соответственно для смежных кадров фиг.2, 3.

Расходомер содержит тепловизионное устройство 1 для визуализации теплового поля поверхности потока 2 по ее инфракрасному излучению, включающее тепловизионную камеру 3, подключенный к ее выходу функциональный блок 4 и видеоконтрольное устройство 5, соединенное с первым выходом функционального блока 4. Измерительная схема расходомера включает вычислительное устройство 6, соединенное со вторым выходом функционального блока 4, и блок управления 7, один выход которого подключен к функциональному блоку 4, а другой - к вычислительному устройству 6.

В качестве тепловизионного устройства 1 для визуализации структуры потока по инфракрасному излучению его поверхности может быть использован серийный тепловизор, функциональный блок которого обеспечивает выделение на термоизображении поверхности потока зон с максимальными или минимальными температурами, и (или) зон с температурой выше или ниже фоновой температуры, а также построение профиля температур на термоизображении поверхности потока по линии.

Расходомер работает следующим образом.

Инфракрасное излучение поверхности потока жидкости 2 воспринимается тепловизионной камерой 3 тепловизионного устройства 1 и преобразуется в электрические сигналы, которые после усиления и обработки в функциональном блоке 4 поступают в видеоконтрольное устройство 5, где производится покадровая регистрация через определенный интервал времени τ термоизображения поверхности потока жидкости 2. По сигналу от блока управления 7 с помощью функционального блока 4 на термоизображении поверхности потока жидкости 2 производится выделение зон с характерным температурным рельефом: зон с максимальными и минимальными температурами, и (или) зон с температурой выше или ниже фоновой температуры Т_ф. Указанные зоны образуются из существующих на поверхности потока жидкости 2 локальных областей естественных флуктуаций температуры, возникающих под действием теплового движения и молекулярных сил. Пространственно-временные масштабы изменчивости этих зон составляют от долей миллиметра до размеров, соизмеримых с шириной потока и от долей секунды до десятков секунд и более, что позволяет использовать выделенные на термоизображении поверхности потока зоны в качестве меток потока.

На смежных кадрах (фиг.2, 3) представлены термоизображения поверхности потока жидкости 2, полученные через интервал времени τ , на которых показано смещение метки потока - выделенной зоны с характерным профилем температур из положения S на начальном кадре (фиг.2) в положение S₁ на следующем кадре (фиг.3) при движении потока.

Для определения межкадрового смещения положения метки по сигналам с блока управления 7 функциональным блоком 4 обеспечивается построение профиля температур на термоизображениях (фиг.2, 3) поверхности потока жидкости 2 по линии, параллельной оси потока ОО₁, проходящей через центр метки. Отмеченная линия на фиг.2 занимает положение АВ, а на фиг.3 - A₁B₁. Профили температур по линиям АВ и A₁B₁), воспроизводимые видеоконтрольным устройством 5, имеют вид, представленный соответственно на фиг.4 и фиг.3, где показаны изменения температуры Т относительно ее фонового значения Т_ф от начального пикселя к последующим на линейке пикселов J_O..._{JN термоизображений поверхности потока жидкости (фиг.2, 3).}

При движении потока жидкости характерный участок профиля температур, соответствующий пикселю J_K (фиг.4), будет смещен в положение, соответствующее пикселю J_K+L (фиг.3). Из сравнения положений сходных участков профилей температур определяется их межкадровое смещение, а следовательно, и межкадровое смещение положения метки потока, составляющее L пикселов. В вычислительном устройстве 6 по полученному межкадровому смещению положения метки на термоизображении поверхности потока жидкости 2 с учетом масштабного коэффициента и времени смены кадров τ определяется местная скорость потока жидкости на его поверхности по линии, соответствующей линии АВ на термоизображении поверхности потока. Аналогичным образом по межкадровому смещению положения других выделенных на термоизображениях зон с характерным профилем температур определяются местные скорости на поверхности потока жидкости вдоль линий, параллельных оси потока, расположенных на различных расстояниях от нее. Далее по полученным значениям местных скоростей потока по ее поверхности с учетом теоретических или экспериментальных зависимостей, связывающих скорости на поверхности потока с распределением скоростей по его глубине, определяется расход потока жидкости.

К достоинствам способа относится расширение области применения за счет обеспечения возможности определения расхода потока жидкости без визуализирующих частиц.

В процессе измерения расхода осуществляют визуализацию структуры потока путем формирования по инфракрасному излучению поверхности потока ее термоизображения. На полученном термоизображении выделяют образованные локальными областями естественных флуктуаций температуры относительно ее фонового значения зоны с характерным температурным рельефом (с максимальными или минимальными температурами, и (или) зоны с температурой выше или ниже фоновой). В выделенных зонах, используемых в качестве меток потока, на смежных кадрах фиксируют профиль температур по параллельной оси потока линии, проходящей через центр метки. По перемещению сходных участков профилей температур на смежных кадрах измеряют межкадровое смещение метки, по которому определяют расход потока. Изобретение имеет расширенную область применения за счет обеспечения возможности измерения расхода потока жидкостей, не содержащих визуализирующие частицы. 5 ил.

Способ определения расхода потока жидкости, включающий визуализацию структуры потока, покадровую регистрацию через определенный интервал времени меток потока и измерение межкадрового смещения положения меток, по которому определяют расход потока, отличающийся тем, что осуществляют визуализацию структуры потока путем формирования по инфракрасному излучению поверхности потока ее термоизображения, выделяют на полученном термоизображении образованные локальными областями естественных флуктуаций температуры относительно ее фонового значения зоны с характерным температурным рельефом, например, зоны с максимальными или минимальными температурами, и (или) зоны с температурой выше или ниже фоновой, в выделенных зонах, используемых в качестве меток потока, на смежных кадрах фиксируют профиль температур по параллельной оси потока линии, проходящей через центр метки, а межкадровое смещение метки определяют по перемещению сходных участков профилей температур на смежных кадрах.