АКУСТИЧЕСКИЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ И НАПРАВЛЕНИЯ ПОТОКА ЖИДКОСТИ ИЛИ ГАЗА И УСТРОЙСТВО (ЕГО ВАРИАНТЫ) ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2008 года по МПК G01P5/24 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения скорости и направления потока жидкости или газа. Оно может быть использовано для измерения скорости и направления ветра, течения в море.

Известны акустические способы измерения скорости и направления потока жидкости или газа и реализующие их устройства, основанные на использовании нескольких пар разнесенных в пространстве на измерительных базах излучателей-приемников акустических сигналов, организации встречного прохождения акустических сигналов по измерительным базам, определении скорости звука в среде и составляющих проекции вектора скорости потока на измерительные базы по разности времен прохождения акустических сигналов в разных направлениях [1-4].

Точность этих средств измерения ограничена влиянием на результат измерения временной задержки сигналов в передающих и приемных трактах, включая задержки в акустических преобразователях, которые существенно зависят от температуры и давления, и изменяются со временем. Кроме того, в результат измерения входит скорость звука в среде, которую определяют с ограниченной точностью из-за тех же задержек сигналов в приемо-передающих трактах.

Известно устройство для измерения скорости течения, в котором для повышения точности путем независимого косвенного измерения скорости звука и внесения поправок на времена задержек акустических сигналов в приемо-передающих трактах по градуировочным зависимостям задержек от температуры и давления, используют как измерители интервалов времени передачи акустических сигналов, так и измерители относительной электрической проводимости, температуры и гидростатического давления [5].

Это устройство и лежащий в основе его работы акустический способ измерения скорости течения приняты в качестве прототипов для каждого из изобретений, входящих в заявленную группу. Выбор прототипа определен тем, что заявленное техническое решение и средство того же назначения [5] решают одну и ту же задачу. При этом прототип является наиболее близким к заявленному изобретению по технической сущности и совокупности признаков, так как содержит признаки, в большей степени по сравнению с другими влияющие на достижение технического результата, ожидаемого от использования изобретения.

Для заявленного способа общим с прототипом является: использование разнесенных в пространстве акустических излучателей-приемников, излучение и прием акустических сигналов, фиксация времен прохождения сигналов на акустических трассах и вычисление скорости потока в заданной системе координат.

Устройство-прототип, как и заявленное решение, содержит акустические излучатели-приемники, размещенные в пространстве, усилители на прием, преобразователи временных интервалов в код, генератор опорной частоты и микропроцессор, связанные между собой.

Недостатком прототипа является то, что он не обеспечивает необходимой точности измерения. При этом такое техническое решение сложно и требует сложных периодических градуировок.

В основу изобретения поставлена задача создания акустического способа измерения скорости и направления потока жидкости или газа, а также устройства для его осуществления, которые обеспечивают исключение из результата измерения скорости звука и скорости потока временных задержек в приемо-передающих трактах на акустических трассах. Указанный технический результат повышает точность измерений.

Поставленная задача решается тем, что в способе с использованием разнесенных в пространстве акустических излучателей-приемников, включающем излучение и прием акустических сигналов, фиксацию времен прохождения сигналов на акустических трассах и вычисление скорости звука и составляющих вектора скорости потока в заданной системе координат, согласно изобретению акустические излучатели-приемники размещают по одному в вершинах неправильного четырехугольника, лежащего в плоскости потока, таким образом, чтобы в диаграмме направленности каждого из них находились три других. Каждым излучателем облучают одновременно три приемника, фиксируют двенадцать времен прохождения сигналами акустических трасс, включающих пары приемо-передающих трактов и измерительные базы в потоке между излучателем и приемником, вычисляют угол ϕ между направлением вектора скорости потока и осью абсцисс в приборной системе координат, скорость звука в среде С и модуль вектора скорости потока v по выражениям:

где

A₁=L₁₂+L₁₄cosα₁₄-L₂₃cosα₂₃-L₃₄cosα₃₄;

B₁=L₁₄sinα₁₄-L₂₃sinα₂₃-L₃₄sinα₃₄;

A₂=-L₁₂+L₁₃cosα₁₃-L₂₄cosα₂₄+L₃₄cosα₃₄;

B₂=L₁₃sinα₁₃-L₂₄sinα₂₄+L₃₄sinα₃₄;

T₁=τ₁₂-τ₁₄-τ₃₂+τ₃₄;

T₂=τ₁₂-τ₁₃-τ₄₂+τ₄₃;

T₃=τ₂₁-τ₂₃-τ₄₁+τ₄₃;

T₄=τ₂₁-τ₂₄-τ₃₁+τ₃₄;

где τ_ij - время прохождения сигнала по трассе i-го излучателя и j-го приемника,

α_ij - угол между направлением трассы от i-го излучателя к j-му приемнику и осью абсцисс, совпадающей по направлению с 12-й трассой;

L_ij - длина измерительной базы ij-трассы в среде.

Согласно первому варианту в устройстве для акустического измерения скорости и направления потока жидкости и газа, содержащем размещенные в пространстве акустические излучатели-приемники, выходы которых через усилители на прием соединены со стоповыми входами преобразователей временных интервалов в код, у которых входы сигналов опорной частоты соединены с выходом генератора опорной частоты, а цифровые выходы соединены с входом микропроцессора, выход которого является выходом устройства, новым является то, что акустические излучатели-приемники по одному размещены в вершинах неправильного плоского четырехугольника таким образом, чтобы в диаграмме направленности каждого из них находились три других, и оно содержит генератор импульсных сигналов, выход которого подключен к стартовым входам всех преобразователей временных интервалов в код и к входу коммутатора, у которого выходы подключены к входам акустических излучателей-приемников, а адресный вход подключен к одному из выходов микропроцессора.

Согласно второму варианту в устройстве для акустического измерения скорости и направления потока жидкости или газа, содержащем размещенные в пространстве акустические излучатели-приемники, выходы которых соединены с усилителями на прием, и микропроцессор, выход которого является выходом устройства, новым является то, что акустические излучатели-приемники по одному размещены в вершинах неправильного плоского четырехугольника таким образом, чтобы в диаграмме направленности каждого из них находились три других, и оно содержит четырехразрядный регистр на прием, у которого единичные входы разрядов подключены к выходам усилителей на прием, а выход подключен к входу микропроцессора, один из выходов которого подключен к входу четырехразрядного регистра на излучение, единичные выходы разрядов которого через усилители на излучение соединены с входами акустических излучателей-приемников.

На фиг.1 показана примерная схема размещения акустических излучателей-приемников в вершинах неправильного четырехугольника в плоскости потока и схема акустических трасс. На фиг.2 представлена схема формирования проекций вектора скорости на направления акустических трасс.

Сущность способа состоит в следующем.

Четыре акустических излучателя-приемника размещают в вершинах неправильного четырехугольника, например, так, как это показано на фиг.1. Расстояния между вершинами образуют шесть баз, которые попарно не равны (L_ij≠L_sk).

Излучатель-приемник содержит или один обратимый акустический преобразователь, или два: один на передачу, другой на прием.

Каждый излучатель имеет диаграмму направленности, в которой находятся три приемника.

Каждый i-й излучатель посылает импульсно-модулированный сигнал на три приемника, и фиксируются времена τ_ij прохождения сигнала по трассам от i-го излучателя к j-му приемнику, включающие времена задержек в приемно-передающих трактах: в излучателе - τ_ui, в приемнике - τ_пj.

Для фиксируемых времен прохождения сигналами двенадцати акустических трасс можем записать

,

где τ_u1, τ_u2, τ_u3, τ_u4 - задержки излучателей,

τ_n1, τ_n2, τ_n3, τ_n4 - задержки приемников,

С - скорость звука в среде,

v_ij - проекции вектора скорости потока на направление ij-й трассы, ; .

Для исключения задержек в приемопередающих трактах проводим следующие сложения и вычитания уравнений системы (1)

Для определения скорости звука в среде проведем следующие преобразования:

Поскольку , то в последнем выражении можно пренебречь и записать

, откуда

Далее выразим проекции v_ij на направления акустических трасс вектора скорости потока, заданного в полярной системе координат модулем v и углом ϕ.

Примем, что направление трассы 12 соответствует ϕ=0.

Исходя из схемы векторов на фиг.2, для проекций v_ij получим

V₁₂=vcosϕ,

Из выражений 2 получим

Подставляя выражение v_ij из системы уравнений 4 в уравнения 5, получим

Суммы в круглых скобках выражений 6 и 7 являются конструктивными константами, которые обозначим

Выражения 6 и 7 приводятся к виду

Введем обозначение

Проведем преобразования

A₁cosϕ-pA₂cosϕ=pB₂sinϕ-В₁sinϕ,

(A₁-pA₂)cosϕ=(pB₂-B₁)sinϕ,

,

окончательно получим

Зная С из выражения 3 и ϕ из выражения 12, определяем скорость потока по выражению 9

и(или) по выражению 10

Целесообразно за конечный результат принять среднюю величину

Таким образом, изложенный акустический способ измерения скорости потока жидкостей и газов обеспечивает независимость результата измерения от задержек сигналов в трактах излучения и приема, что повышает точность измерений и(или) позволяет уменьшить размеры измерительных баз.

Возможны различные варианты реализации способа.

На фиг.3 представлена структурная схема первого варианта измерителя скорости и направления потока с импульсными акустическими сигналами и параллельными каналами преобразования временных интервалов в код. На фиг.4 представлена структурная схема второго варианта измерителя скорости и направления потока с импульсными акустическими сигналами и преобразователем временных интервалов на базе микропроцессора.

Первый вариант устройства содержит блок из четырех акустических преобразователей (излучателей-приемников) 1 (БАП), коммутатор 2 (К), генератор импульсных сигналов 3 (ГИС), блок усилителей на прием 4 (БУ), генератор опорной частоты 5 (ГОЧ), блок преобразователей временных интервалов в код 6 (БПВК) и микропроцессор 7 (МП).

Блок 1 состоит из четырех акустических преобразователей, размещенных в вершинах неправильного четырехугольника на плоскости, блок 4 состоит из четырех параллельных усилителей на прием, блок 6 состоит из четырех параллельных преобразователей временных интервалов в код.

Электрические входы акустических преобразователей блока 1 соединены с выходами коммутатора 2, на вход которого подан выход генератора импульсных сигналов 3 и адрес - вход которого соединен с выходом микропроцессора 7.

Выход генератора опорной частоты 5 подан на входы опорной частоты преобразователей временных интервалов в код блока 6.

Электрические выходы акустических преобразователей поданы на усилители импульсных сигналов блока 4, выходы которых соединены с входами стоповых сигналов преобразователей временных интервалов в код блока 6, входы стартовых сигналов которых соединены с выходом генератора импульсных сигналов 3.

Выводы преобразователей блока 6 поданы на цифровые входы микропроцессора 7.

Блок акустических преобразователей 1 характеризуется конструктивными параметрами A₁, B₁, A₂, B₂, которые из геометрических размеров схемы расположения преобразователей вычисляются по формулам 8.

Устройство работает следующим образом. Генератор импульсных сигналов 3 вырабатывает сигнал запуска акустического преобразователя, который коммутатором 2 по команде микропроцессора 7 адресуется i-му акустическому преобразователю, излучающему акустический сигнал в потоке в направлении трех других акустических преобразователей. Одновременно этот сигнал является стартовым для всех преобразователей временных интервалов в код блока 6.

Сигнал запуска проходит передающий тракт i-го излучателя за время τ_ui, базовое расстояние в потоке за время , приемный тракт j-го приемника и усилитель за время τ_nj и в качестве стопового сигнала поступает на входы преобразователей временных интервалов τ_ij в код. В каждом такте акустический сигнал воспринимается тремя акустическими преобразователями, проходит три канала усиления на три преобразователя время-код.

Код временных интервалов τ_ij поступает на микропроцессор.

Цикл измерения содержит четыре такта и дает 12 отсчетов τ_ij, ; ; при i≠j, соответствующих системе уравнений 1.

Далее угол ϕ между направлением скорости потока и лучом от акустического преобразователя 1₁ к акустическому преобразователю 1₂ определяется микропроцессором по выражению 12 с использованием выражений 2, 4, 11.

Скорость потока определяется по выражению 15 с использованием выражений 2, 3, 13 и 15.

Второй вариант устройства, реализующего акустический способ измерения скорости и направления потока, структурная схема которого представлена на фиг.4, целесообразен при использовании высокопроизводительного микропроцессора, способного выполнить функции преобразования временных интервалов в код и необходимые вычислительные операции.

В состав устройства входят блок акустических преобразователей 1 (БАП), блок усилителей излучателей 2 (БУИ), блок усилителей приемников 3 (БУП), регистр излучения 4 (РИ), регистр приема 5 (РП) и микропроцессор 6 (МП).

Регистр излучения 4 имеет четыре разряда, каждый разряд по выходу соединен с входом одного из усилителей излучателей 2.

Регистр излучения 4 предназначен для селекции одного из четырех акустических преобразователей на передачу появлением сигнала «1» в соответствующем разряде регистра.

Регистр приема 5 служит для фиксации прихода сигнала в соответствующем канале установкой сигнала «1» в соответствующем разряде.

Отрезок времени между появлением «1» в i-м разряде РИ и появлением «1» в j-м разряде РП соответствует фиксируемому значению τ_ij.

Устройство работает следующим образом. В каждом такте микропроцессор устанавливает на РИ код со значением «1» в i-м разряде. При этом 1_i-й акустический преобразователь посылает импульсный сигнал на три других акустических преобразователя.

Принятые ими сигналы через усилители БУП в разное время поступают на входы j-х разрядов РП и устанавливают в них значение «1».

Микропроцессор 6 преобразует в код и фиксирует временные интервалы τ_ij.

Эти значения далее используются для вычисления скорости звука, направления и скорости течения аналогично вышеизложенному.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №690392 кл. G01Р 5/08, опубл. 05.10.79. Бюл. №37. Акустический измеритель скорости течения. Авторы: В.М.Кушнир, Ю.Н.Колтаков.

2. Принципы построения технических средств исследования океана. - М.: Наука, 1981, 324 с., С.29-31.

3. Современные методы и средства измерения гидрологических параметров океана. / Парамонов А.Н., Кушнир В.М., Забурдаев В.И. - Киев: Наукова думка, 1979., 248 с., С.139.

4. Акустический измеритель скорости и направления ветра Wind Sonic SDY-12 фирмы Gill Instruments, проспект 144 фирмы Gill Instruments, International Environmental technology, vol.13 Jssue 5, September/October 2003, P.43/.

5. Авторское свидетельство СССР №1136081, кл. G01Р 5/00. Устройство для измерения скорости течения. Кушнир В.М. Опубл. 23.01.85 Бюл. №3 (прототип).

Изобретение может быть использовано для измерения скорости и направления ветра, течения в море. Четыре акустических излучателя-приемника устройств для осуществления способа размещены в вершинах неправильного четырехугольника, лежащего в плоскости потока таким образом, чтобы в диаграмме направленности каждого из них находились три других. Фиксируют двенадцать времен прохождения сигналами акустических трасс в потоке между парами излучателей и приемников. Вычисляют угол ϕ между направлением вектора скорости потока и осью абсцисс в приборной системе координат, скорость звука С в среде и модуль вектора скорости v потока по приводимым выражениям. Устройства по обоим вариантам содержат усилители на прием и микропроцессор. В первом варианте устройства имеются генератор импульсных сигналов, выход которого подключен к стартовым входам преобразователей временных интервалов в код, генератор опорной частоты. Устройство по второму варианту содержит четырехразрядный регистр на прием, у которого единичные входы разрядов подключены к выходам усилителей на прием, и четырехразрядный регистр на излучение, ко входу которого подключен один из выходов микропроцессора. Изобретение обеспечивает повышение точности за счет исключения из результата измерения временных задержек в приемо-передающих трактах на акустических трассах. 3 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Акустический способ измерения скорости и направления потока жидкости или газа с использованием разнесенных в пространстве акустических излучателей-приемников, включающий излучение и прием акустических сигналов, фиксацию времен прохождения сигналов на акустических трассах и вычисление скорости звука и составляющих вектора скорости потока в заданной системе координат, отличающийся тем, что акустические излучатели-приемники по одному размещены в вершинах неправильного четырехугольника в плоскости потока таким образом, чтобы в диаграмме направленности каждого из них находились три других, при этом каждым излучателем облучают одновременно три приемника, фиксируют двенадцать времен прохождения сигналами акустических трасс, включающих пары приемопередающих трактов и измерительные базы в потоке между излучателем и приемником, и вычисляют угол φ между направлением вектора скорости потока и осью абсцисс в приборной системе координат, скорость звука в среде С и модуль вектора скорости потока v по выражениям:

,

,

,

где ; ;

A₁=L₁₂+L₁₄cosα₁₄-L₂₃cosα₂₃-L₃₄cosα₃₄;

B₁=L₁₄sinα₁₄-L₂₃sinα₂₃-L₃₄sinα₃₄;

A₂=-L₁₂+L₁₃cosα₁₃-L₂₄cosα₂₄+L₃₄cosα₃₄;

B₂=L₁₃sinα₁₃-L₂₄sinα₂₄+L₃₄sinα₃₄;

T₁=τ₁₂-τ₁₄-τ₃₂+τ₃₄;

T₂=τ₁₂-τ₁₃-τ₄₂+τ₄₃;

T₃=τ₂₁-τ₂₃-τ₄₁+τ₄₃;

T₄=τ₂₁-τ₂₄-τ₃₁+τ₃₄;

;

где τ_ij - время прохождения сигнала по трассе i-го излучателя и j-го приемника, ; ;

α_ij - угол между направлением трассы от i-го излучателя к j-му приемнику и осью абсцисс, совпадающей по направлению с 12 трассой;

L_ij - длина измерительной базы ij-трассы в среде.