СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ ТЕЧЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК G01P5/10 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для использования в гидрологии в переносных измерителях скорости течения в природных водах.

Известны термоанемометрические способы измерения скорости течения, в которых используется зависимость коэффициента теплообмена датчиков температуры со средой от скорости течения [1, 2].

Эти способы ограничены по точности из-за зависимости коэффициента теплообмена не только от скорости течения, но и от физических параметров воды (теплопроводности, теплоемкости, плотности и кинематической вязкости, изменяющихся от температуры и давления), режима течения (ламинарное или турбулентное) и состояния поверхности датчика.

Эти параметры практически невозможно учесть при градуировке и проконтролировать в процессе измерения скорости течения в природных водах.

В основу изобретения поставлена задача создания способа измерения скорости течения, совокупностью существенных признаков которого достигается новое свойство - возможность определения и использования текущей градуировочной характеристики термоанемометра непосредственно в среде и в процессе рабочих измерений, что обеспечивает технический результат изобретения - повышение точности измерений.

Эта задача решается тем, что термоанемометр со сферической диаграммой направленности или с другой известной симметричной в вертикальной плоскости диаграммой направленности, состоящий из двух идентичных по геометрическим размерам и разных по теплоемкости датчиков температуры, совместно с измерителем скорости собственных движений перемещают вертикально по глубине с переменной скоростью, фиксируют во времени t отсчеты текущей вертикальной скорости V_z(t), текущих температур θ₁(t) первого и θ₂(t) второго датчиков температуры и определяют скорость V_x горизонтального течения в случае сферической диаграммы направленности термоанемометра по формуле

где градуировочная характеристика термоанемометра по модулю вектора скорости V(t) в виде степенного полинома

α(t) - текущий коэффициент теплообмена датчиков температуры со средой, который определяют по известной формуле

где

где m₁, с₁, S₁ - соответственно теплоемкость и площадь поверхности теплообмена первого датчика температуры;

m₂, с₂, S₂ - соответственно теплоемкость и площадь поверхности теплообмена второго датчика температуры;

b_i - коэффициенты градуировочной характеристики термоанемометра, определяемые из системы уравнений

i=j+S, , , ,

где b_j b_S - произведение двух коэффициентов b_j и b_S, сумма индексов j и S которых равна i;

m - число произведений;

c_i, определяют из решения системы линейных алгебраических уравнений вида

,

Если термоанемометр имеет не сферическую, а другую известную симметричную диаграмму направленности вида ρ(φ) в вертикальной плоскости xoz, где , то нахождение величин с_i производят за несколько итераций решения системы линейных алгебраических уравнений вида

,

,

где ρ(φ_r,t) - значение ρ(φ) после r-го определения V_xr в момент времени t;

l - число итераций, при котором значение V_x стабилизируется.

Общими существенными признаками для прототипа и заявленного способа являются использование термоанемометра с двумя датчиками температуры с одинаковыми конструктивными размерами и разными параметрами термической инерции, отсчет текущих значений температур датчиков и использование зависимости скорости от коэффициента теплообмена. Отличие состоит в процедурах вертикального перемещения термоанемометра совместно с измерителем вертикальной скорости, в определении коэффициентов градуировочной характеристики термоанемометра, аппроксимируемой полиномом любой степени, и в определении скорости горизонтального течения для сферической и несферической диаграммы направленности термоанемометра.

Сущность способа состоит в следующем.

Переносные измерители скорости V_x горизонтальных течений в реках и водоемах обычно опускаются на различные глубины для измерения скорости течений на заданных горизонтах. Если прибор устанавливается стационарно на подвеске к бую, то он подвержен колебаниям по глубине из-за перемещений буя на волне или в потоке. Если это колебательное движение, то скорость перемещения всегда переменна. Таким образом, измерители течения в процессе использования совершают движения, в том числе принудительные. Если скорость этих движений контролировать, то ее можно использовать для текущей градуировки термоанемометра в рабочей среде и в процессе рабочих измерений.

Наиболее просто осуществить и проконтролировать вертикальные перемещения прибора. Например, определение вертикальной скорости перемещений прибора можно осуществить, дифференцируя глубину нахождения прибора, измеряемую датчиком гидростатического давления или обратным эхолотом.

При использовании датчиков глубины и вертикальных ускорений вертикальную скорость можно определить, интегрируя вертикальное ускорение и привязывая нуль интегратора по датчику глубины, когда глубина не изменяется или меняет знак.

В предлагаемом способе измерение вертикальной скорости перемещения термоанемометра может выполняться любым известным методом, удобным для конкретного применения.

При скорости горизонтального течения V_x и вертикальной скорости прибора V_z(t) скорость обтекания термоанемометра потоком равна

.

При сферической диаграмме направленности ρ(x, y)=ρ(φ)=1 термоанемометр воспринимает скорость V(t) с весом единица независимо от значений V_x и V_z.

При несферической диаграмме направленности, симметричной относительно осей ох и oz в плоскости xoz, можно записать ρ(φ), где φ - угол вектора скорости V(t) в плоскости xoz.

Предполагается, что значение ρ(φ) известно из конструкции термоанемометра или из градуировки до рабочих измерений и остается постоянным.

Известно [1, 2], что для термоанемометра с двумя датчиками температуры, у которых внешние геометрические размеры одинаковы и теплоемкости различны,

,

где m - масса, c - удельная теплоемкость, S - площадь внешней поверхности теплообмена,

текущий коэффициент теплообмена α(t) определяется из решения системы уравнений теплового баланса для двух датчиков температуры

где ;

θ₁(t), θ₂(t) - температура соответственно первого и второго датчиков, а и - производные этих температур, θ_c(t) - температура среды.

Далее предполагается, что градуировочная характеристика V=f(α) описывается с достаточной точностью полиномом степени n, т.е.

.

Для n=1

Предполагается, что на коротком интервале времени, достаточном для получения 2n+1 отсчетов разных вертикальных скоростей V_z(t) и температур датчиков θ₁(t) и θ₂(t) и вычисления производных и , коэффициенты b_i градуировочной характеристики термоанемометра и скорость V_x течения постоянны.

Решают систему относительно с₁, с₂, с₃ и c₄ известным методом и определяют b_i в последовательности

, , .

Определяют скорость V_x горизонтального течения для пяти моментов времени и осредняют по формуле

.

Для произвольного n

,

.

Обозначая произведение с_i двух коэффициентов b_j и b_S градуировочной характеристики термоанемометра, сумма индексов j и S которых равна i, получают

i=j+S, ,

где m - число произведений.

Обозначают .

Неизвестные c_i, определяют из решения системы линейных алгебраических уравнений вида

,

.

Далее определяют коэффициенты

b_i, .

Определяют скорость V_x горизонтального течения по формуле

,

.

Если диаграмма направленности термоанемометра не является сферической и в плоскости xoz описывается функцией ρ(φ), то вычисления V_x проводят в несколько итераций.

Первое вычисление выполняют при ρ(1), т.е. как изложено выше. Для второго приближения вычисляют ρ₁(φ, t) при для (2n+1) моментов времени по известным V_z(t) и первому приближенному значению V_x.

Используя ρ₁(φ, t), производят коррекцию квадратов значений вертикальной скорости умножением на .

При этом строки столбца свободных членов системы

будут иметь вид

,

.

Выполняют второе приближение, решая систему уравнений

относительно c_i и далее - b_i, и затем - V_x.

Выполняют итерации до получения устойчивого значения V_x.

Таким образом, для r-итерации строки столбца свободных членов системы уравнений будут иметь вид

,

,

где l - число итераций.

Литература

1. Гайский В.А., Гайский П.В. Анализ способов измерения профиля скорости потока термопрофилемерами. «Системы контроля окружающей среды». Сб. научн. тр. / НАН Украины, МГИ: - Севастополь, 2001. - С.22.

2. Патент Украины №49049 на изобретение, МПК7 G01P 5/10, опубл. 16.09.2002, бюл. №9. «Способ определения скорости потока». Авторы: Гайский В.А. и Гайский П.В. (прототип).

Изобретение относится к способам определения скорости течения и может быть использовано в гидрологии. Сущность: для реализации способа используют термоанемометр, состоящий из двух датчиков температуры с одинаковыми конструктивными размерами и разными параметрами термической инерции. Причем выбирают термоанемометр со сферической диаграммой направленности или с другой известной диаграммой направленности, симметричной в вертикальной плоскости. Также для реализации способа необходим измеритель скорости собственных движений термоанемометра. При этом совместно перемещают датчики и измеритель в вертикальном направлении с переменной скоростью. Фиксируют во времени отсчеты значений температур на выходах первого и второго датчиков. Одновременно с этим фиксируют вертикальные значения скоростей на выходе измерителя скорости собственных движений. Используя градуировочную зависимость скорости течения от коэффициента теплообмена датчиков со средой, вычисляют скорость горизонтального течения. Технический результат: повышение точности результатов.

Способ определения скорости течения, заключающийся в том, что используют термоанемометр, состоящий из двух датчиков температуры с одинаковыми конструктивными размерами и разными параметрами термической инерции, фиксируют во времени t отсчеты значений температур θ₁(t) и θ₂(t) на выходах соответственно первого и второго датчиков и с использованием градуировочной зависимости скорости течения от коэффициента теплообмена датчиков со средой вычисляют скорость течения, отличающийся тем, что используют термоанемометр или со сферической диаграммой направленности, или с другой известной симметричной в вертикальной плоскости диаграммой направленности, дополнительно используют измеритель скорости собственных движений и обеспечивают совместное перемещение датчиков и измерителя вертикально с переменной скоростью, например колебательно, при этом одновременно с отсчетом значений θ₁(t) и θ₂(t) фиксируют значения V_z(t) на выходе измерителя скорости собственных движений, и вычисляют скорость V_x горизонтального течения, причем в случае сферической диаграммы направленности термоанемометра скорость V_x вычисляют по формуле
,
где градуировочная характеристика термоанемометра по модулю вектора скорости V(t) выражена в виде степенного полинома
,
где α(t) - текущий коэффициент теплообмена датчиков температуры со средой, который вычисляют по формуле

где ,
где m₁ c₁ S₁ - соответственно теплоемкость и площадь поверхности теплообмена первого датчика температуры;
m₂ c₂ S₂ - соответственно теплоемкость и площадь поверхности теплообмена второго датчика температуры;
b_i - коэффициенты градуировочной характеристики термоанемометра, которые вычисляют из системы уравнений
i=j+S,
где b_j b_S - произведение двух коэффициентов b_j и b_S, сумма индексов j и S которых равна i;
m - число произведений;
определяют из решения системы линейных алгебраических уравнений вида
,

а в случае использования термоанемометра с другой известной симметричной в вертикальной плоскости диаграммой направленности вида ρ(φ) вычисление скорости
V_x производят в несколько итераций, начиная с ρ(φ)=1 до получения устойчивого результата, вычисляя при каждой итерации значение
при
и заменяя строки столбца свободных членов приведенной системы линейных алгебраических уравнений для c_i выражениями вида
,

,
где l - число итераций.