СПОСОБ АКУСТИЧЕСКОГО ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ЗВУКА И ПОТОКА ЖИДКОСТИ ИЛИ ГАЗА ПРИ ИЗМЕНЕНИИ ОКРУЖАЮЩЕЙ ТЕМПЕРАТУРЫ Российский патент 2023 года по МПК G01F1/66 G01P5/24 

Изобретение относится к области измерительной техники и преимущественно предназначено для использования в системах контроля, измерения скорости распространения звука С, скорости потока V и температуры Т. Измеряемые параметры С, Т позволяют дополнительно рассчитать плотность ρ и соленость S, используя при этом известные уравнения состояния в жидких и газообразных продуктах при транспортировке топливных продуктов, в водоснабжении, медицинской технике, а также в океанографии при измерении скорости звука и течений при одновременном контроле температуры и давления в морях и океанах.

Известны акустические способы измерения скорости звука и расхода жидкости или газа, основанные на использовании соотношения скорости распространения акустических колебаний в неподвижной среде и скорости самой среды. Многообразие параметров, которые зависят от скорости измеряемой среды, и предопределило большое количество методов измерения задержки прохождения сигнала от излучателя к приемнику и обратно. С дальнейшим развитием измерителей данного типа преимущество предоставляется тем приборам, метрологические характеристики которых не зависят от условий эксплуатации - температуры, давления, концентрации примесей и т.п. [Филатов В.И., Кремлевский П.П. Ультразвуковые расходомеры. Методы и приборы для измерения расхода и количеств жидкости, газа и пара. Таллинн: Машиностроение, 1972. С. 116-125; Биргер Г.И., Бражников Н.И. Ультразвуковые расходомеры. М.: Металлургия, 1964. 382 с.; Табин Д. Ультразвуковой метод измерения скорости потока, основанный на оценке разности интервалов времени распространения звука в разных направлениях // Контрольно-измерительная техника. 1989. №9. С. 12-16].

Точность известных способов акустического измерения скорости звука в потоке ограничена влиянием на результат измерения временной задержки сигналов в передающих и приемных трактах, включая задержки в акустических преобразователях, которые существенно зависят от температуры и изменяются со временем.

Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков является способ измерения расхода жидкости [Авторское свидетельство СССР №1247659, кл. G01F 1/66, 1986], выбранный в качестве прототипа. Он заключается в том, что жидкость, протекающую в клиновидном равномерно суживающемся канале, облучают ультразвуковыми импульсами по потоку и против потока под разными углами к оси потока, причем несимметрично относительно оси потока. Определяют значения разности времен прохождения этими импульсами базового расстояния. Вычисляют расход жидкости по полученной совокупности времен прохождения импульсов по потоку и против потока в обоих измерительных каналах с учетом геометрических характеристик клиновидного канала, а также углов наклона и длины измерительных каналов.

Известно [Филатов В.И., Кремлевский П.П. Ультразвуковые расходомеры. Методы и приборы для измерения расхода и количеств жидкости, газа и пара. Таллинн: Машиностроение, 1972. С. 116-125], что дифференциальные методы основаны на разности времен прохождения измерительной базы ультразвуковыми колебаниями, при этом время распространения ультразвуковых колебаний вдоль направления движения потока меньше, чем время против движения потока. В известных работах [Биргер Г.И., Бражников Н.И. Ультразвуковые расходомеры. М.: Металлургия, 1964. 382 с.; Табин Д. Ультразвуковой метод измерения скорости потока, основанный на оценке разности интервалов времени распространения звука в разных направлениях // Контрольно-измерительная техника. 1989. №9. С. 12-16.] даются рекомендации, как учитывать скорость распространения звука в жидкости при дифференциальных методах измерения скорости потока. Так как величина скорости звука напрямую зависит от температуры.

Сходными существенными признаками прототипа и заявленного изобретения являются излучение ультразвуковых сигналов по потоку и против потока под разными углами к оси потока и определение разности времен прохождения этими сигналами базового расстояния.

Недостатком прототипа является то, что он, как и другие аналоги, не обеспечивает необходимой точности измерения вследствие влияния на результат измерения временной задержки сигналов, проявляющихся в электроакустическом тракте приемоизлучающих пьезопреобразователей и электронных схем, а также из-за изменчивости длины измерительной базы из-за внешних воздействий.

Повышение точности акустических дифференциальных измерителей скорости потока природных вод, при их небольших габаритах, когда измерительная база составляет единицы сантиметров, ставит задачу определения величины скорости распространения звука в контролируемой жидкости и величин задержек, проявляющихся в электроакустическом тракте приемоизлучающих пьезопреобразователей и электронных схем.

В основу изобретения поставлена задача создания способа измерения и контроля скорости звука в потоке жидкой среды, в котором учитываются временные аппаратные задержки и изменение длины измерительной базы, влияющие на определение скорости звука, при этом достигается технический результат изобретения - повышение точности измерения и контроля параметров скорости звука при одновременном измерении температуры в потоке жидкости.

Поставленная задача решается тем, что в способе акустического измерения скорости звука в потоке жидкой среды при изменении окружающей температуры, включающем возбуждение упругих волн в форме импульса по потоку и против потока под разными углами к оси потока, измерение времен прохождения импульсами базового расстояния от излучателя до приемника в двух направлениях: вдоль и против потока, вычисление величины скорости потока с использованием разности времен прохождения этими импульсами базового расстояния, отличительным является то, что предварительно измеряют в дистиллированной воде кроме перечисленных выше параметров еще и время прохождения повторных отраженных от преобразователей акустических сигналов, по совокупности измеренных данных при вычислении исключают временные задержки сигналов проявляющихся в электроакустическом тракте приемоизлучающих пьезопреобразователей и электронных схем и определяют длину измерительной базы для конкретной температуры, используя полученное значение изменения длины измерительной базы от температуры, определяют скорость звука в жидких средах с различной плотностью и температурой по формуле:

где С(Т) - скорость звука в жидкой среде при конкретной температуре Т;

L(T)=C_∂(T)Δτ_∂, L(T) - длина измерительной базы при конкретной температуре Т, определенная в дистиллированной воде при нулевой скорости потока V=0, C_∂(Т)=1.40238744⋅10³+5.03836171⋅T-5.81172916⋅10^-2⋅Т²+3.34638117⋅10-4⋅Т³-1.48259672⋅10^-6⋅Т⁴+3.16585020⋅10^-9⋅T⁵;

Δτ - разность между суммой времен прохождения импульсами повторных отраженных от преобразователей акустических сигналов τ_А0+τ_B0=(τ₁+τ_L1+τ_L2+τ₄)+(τ₃+τ_L2+τ_L1+τ₂) и суммой времен прохождения базового расстояния в двух направлениях вдоль и против потока в жидкой среде τ_A+τ_B=(τ₁+τ_L1+τ₂)+(τ₃+τ_L2+τ₄), где τ_L1=L/(C+V) и τ_L2=L/(C-V), τ₁+τ₂+τ₃+τ₄ - величина суммы временной задержки сигналов, проявляющихся в электроакустическом тракте приемоизлучающих пьезопреобразователей и электронных схем, при передаче τ₁ и τ₃ и при приеме -τ₂ и τ₄; где τ_А - время прохождения акустического сигнала от преобразователя 1 к преобразователю 2, τ_B - время прохождения акустического сигнала от преобразователя 2 к преобразователю 1, τ_А0 - время прохождения акустического сигнала, отраженного от преобразователя 2 к преобразователю 1, τ_B0 - время прохождения акустического сигнала, отраженного от преобразователя 1 к преобразователю 2.

Δτ_∂ - разность между суммой времен прохождения импульсами повторных отраженных от преобразователей акустических сигналов τ_А0+τ_B0=(τ₁+τ_L1+τ_L2+τ₄)+(τ₃+τ_L2+τ_L1+τ₂) и суммой времен прохождения базового расстояния в двух направлениях вдоль и против потока в дистиллированной воде τ_А+τ_B=(τ₁+τ_L1+τ_L2+τ₂)+(τ₃+τ_L2+τ₄) τ_L1=L(C+V) и τ_L2=L/(C-V) и, τ₁+τ₂+τ₃+τ₄ - величина суммы временных задержек сигналов, проявляющихся в электроакустическом тракте приемоизлучающих пьезопреобразователей и электронных схем, при передаче τ₁ и τ₃ и при приеме -τ₂ и τ₄;

V - скорость потока жидкой среды.

Способ акустического измерения скорости звука в потоке жидкости при изменении окружающей температуры поясняется рисунками (фиг. 1 и фиг. 2). На фиг. 1 изображен измерительный канал скорости звука и потока, который является каналом акустического типа с двумя пьезопреобразователями (1, 2), расположенными в измерительной трубе прибора с диаметром D.

Сформированный импульс из микроконтроллера последовательно подается на пьезопреобразователи 1 и 2, где преобразуется в акустический сигнал, который проходит через жидкость и вновь принимается этими пьезопреобразователями.

Учитывая, что пьезопреобразователи располагаются в канале диаметром D под некоторым углом β уравнения для времени распространения ультразвуковых импульсов по направлению движения жидкости τ_А и против него τ_B запишутся как

где V - скорость потока жидкости; С - скорость звука в воде. Окончательно выражение для определения скорости потока жидкости можно записать так:

Процесс прохождения сигналов задержки представлен на фиг. 2. Каждый из пьезопреобразователей имеет задержку сигнала при передаче τ₁ и τ₃ и при приеме -τ₂ и τ₄. Время прохождения акустического сигнала от преобразователя 1 к преобразователю 2:

от преобразователя 2 к преобразователю 1:

где τ_L1=L/(C+V) и τ_L2=L/(C-V).

Дополнительно при излучении преобразователем 1 принимают этим же преобразователем отраженный от преобразователя 2 сигнал:

При излучении преобразователем 2 и приеме им отраженного сигнала:

Сумму времен сигналов тА и тв можно записать как:

а сумму времен сигналов τ_А0 и τ_B0:

Из разностного сигнала между τ_А+τ_B и τ_А0+τ_B0 определяют величину скорости распространения ультразвука на базе L:

где Δτ=τ_А0+τ_B0-τ_А+τ_B - величина разностного сигнала в измеряемой жидкости.

При воздействии температуры уравнение запишем как

Длину измерительной базы для конкретной температуры Т определяют из L(T)=С∂(Т)Δτ_∂, С_∂(Т)- зависимость скорости звука от температуры в дистиллированной воде. Для расчетов используют известное уравнение пятого порядка [Del Grosso V.A., Mader С.W. Speed of sound in pure water // The Journal of the Acoustical Society of America. 1972. Vol.52. P. 1442. https://doi.org/10.l 121/1.1913258] зависимости скорости звука от температуры со стандартным отклонением 0,0028 м/с для 148 наблюдений между 0,001°С и 95,126°С по шкале Т68. Считается, что точность уравнения составляет 0,015 м/с, а воспроизводимость повторений составляет 0,005 м/с. С_∂(Т)=1.40238744⋅10³+5.03836171⋅Т-5.81172916⋅10^-2⋅Т²+3.34638117⋅10^-4⋅Т³-1.48259672⋅10^-6⋅Т⁴+3.16585020⋅10^-9⋅Т⁵;

Δτ_∂ - величина разностного сигнала между τ_А+τ_B и τ_А0+τ_В0, которую определяют по показаниям акустического измерительного прибора находящегося в термостате и погруженного в дистиллированную воду.

Предлагаемое техническое решение удовлетворяет критериям «новизны» и «изобретательского уровня», так как предложенные признаки позволяют обеспечить повышенную точность измерения скорости звука в потоке жидкой среды при одновременном измерении температуры.

Изобретение относится к области измерительной техники. В результате осуществления предлагаемого способа получают повышение точности измерения скорости звука в потоке жидкой среды при одновременном измерении температуры. При заявляемом способе возбуждают упругие волны в форме импульса по потоку и против потока под разными углами к оси потока. Измеряют время прохождения импульсами базового расстояния от излучателя до приемника в двух направлениях: вдоль и против потока. Вычисляют величины скорости потока с использованием разности времен прохождения этими импульсами базового расстояния. Предварительно измеряют в дистиллированной воде кроме перечисленных выше параметров еще и время прохождения повторных отраженных от преобразователей акустических сигналов. По совокупности измеренных данных при вычислении исключают временные задержки сигналов, проявляющихся в электроакустическом тракте приемоизлучающих пьезопреобразователей и электронных схем. Определяют длину измерительной базы для конкретной температуры. Используя полученное значение длины измерительной базы от температуры, определяют скорость звука в жидких средах с различной плотностью и температурой по формуле:

где V - скорость потока жидкой среды; С(Т) - скорость звука в жидкой среде при конкретной температуре Т; L(T)-C_∂(T)Δτ_∂, L(T) - длина измерительной базы при конкретной температуре Т, определенная в дистиллированной воде, при V=0, Δτ - разность между суммой времен прохождения импульсами повторных отраженных от преобразователей акустических сигналов и суммой времен прохождения базового расстояния в двух направлениях вдоль и против потока в жидкой среде, Δτ_∂ - аналогично для дистиллированной воды. 2 ил.

Способ акустического измерения скорости звука в потоке жидкой среды при изменении окружающей температуры, включающий возбуждение упругих волн в форме импульса по потоку и против потока под разными углами к оси потока, измерение времен прохождения импульсами базового расстояния от излучателя до приемника в двух направлениях: вдоль и против потока, вычисление величины скорости потока с использованием разности времен прохождения этими импульсами базового расстояния, отличающийся тем, что предварительно измеряют в дистиллированной воде кроме перечисленных выше параметров еще и время прохождения повторных, отраженных от преобразователей акустических сигналов, по совокупности измеренных данных при вычислении исключают временные задержки сигналов, проявляющихся в электроакустическом тракте приемоизлучающих пьезопреобразователей и электронных схем, определяют длину измерительной базы для конкретной температуры и, используя полученное значение изменения длины измерительной базы от температуры, определяют скорость звука в жидких средах с различной плотностью и температурой по формуле:

,

где С(Т) - скорость звука в жидкой среде при конкретной температуре Т;

L(Т)=С_∂(Т)Δτ_∂, LT - длина измерительной базы при конкретной температуре Т, определенная в дистиллированной воде при нулевой скорости потока V=0, C_∂(Т)=1.40238744⋅10³+5.03836171⋅Т-5.81172916⋅10^-2⋅Т²+3.34638117⋅10^-4⋅T³-1.48259672⋅10^-6⋅Т⁴+3.16585020⋅10^-9-Т⁵;

Δτ - разность между суммой времен прохождения импульсами повторных отраженных от преобразователей акустических сигналов τ_А0+τ_B0=(τ₁+τ_L1+τ_L2+τ4)+(τ₃+τ_L2+τ_L1+τ₂) и суммой времен прохождения базового расстояния в двух направлениях вдоль и против потока в жидкой среде τ_A+τ_B=(τ₁+τ_L1+τ₂)+(τ₃+τ_L2+τ₄), где τ_L1=L/(C+V) и τ_L2=L/(C-V), τ₁+τ₂+τ₃+τ₄ - величина суммы временной задержки сигналов, проявляющихся в электроакустическом тракте приемоизлучающих пьезопреобразователей и электронных схем, при передаче τ₁ и τ₃ и при приеме - τ₂ и τ₄;

τ_A - время прохождения акустического сигнала от преобразователя 1 к преобразователю 2,

τ_B - время прохождения акустического сигнала от преобразователя 2 к преобразователю 1,

τ_А0 - время прохождения акустического сигнала, отраженного от преобразователя 2 к преобразователю 1,

τ_B0 - время прохождения акустического сигнала, отраженного от преобразователя 1 к преобразователю 2,

Δτ_∂ - разность между суммой времен прохождения импульсами повторных отраженных от преобразователей акустических сигналов τ_A0+τ_B0=(τ₁+τ_L1+τ_L2+τ₄)+(τ₃+τ_L2+τ_L1+τ₂) и суммой времен прохождения базового расстояния в двух направлениях вдоль и против потока в дистиллированной воде τ_А+τ_B=(τ₁+τ_L1+τ₂)+(τ₃+τ_L2+τ₄), где τ_L1=L/(C+V) и τ_L2=L/(C-V), τ₁+τ₂+τ₃+τ₄ - величина суммы временных задержек сигналов, проявляющихся в электроакустическом тракте приемоизлучающих пьезопреобразователей и электронных схем, при передаче τ₁ и τ₃ и при приеме - τ₂ и τ₄;

V - скорость потока жидкой среды.