СПОСОБ ОЦЕНКИ СТАБИЛЬНОСТИ ЧАСТОТЫ ВИХРЕОБРАЗОВАНИЯ Российский патент 2024 года по МПК G01F1/32 

Предполагаемое изобретение относится к технике измерения расхода и может быть использовано при экспериментальной отработке вихревых расходомеров.

Принцип действия вихревого расходомера основан на образовании вихревой дорожки Кармана за помещенным в потоке плохообтекаемым телом (см. книгу: Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества: Справочник. - 4-е изд., перераб. и доп. - Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1989, с. 361-374). Периодическое колебания скорости потока в вихревом следе преобразуются детектором вихрей в электрический сигнал, частота которого пропорциональна расходу. Стабильность частоты сигнала детектора вихрей (частоты вихреобразования) является одним из основных параметров вихревого расходомера: чем стабильнее частота, тем выше точность измерения расхода и тем шире диапазон измерений, который ограничивается снизу нестабильностью частоты вихреобразования. Поэтому оценка степени стабильности частоты вихреобразования является одним из важных этапов экспериментальной отработки вихревого расходомера.

Известен способ оценки стабильности частоты электрического сигнала, основанный на сравнении исследуемого сигнала с образцовым сигналом, получаемым от высокостабильного генератора, выделении разностной частоты или фазового сдвига сигналов во времени, по которым судят о степени стабильности частоты исследуемого сигнала (патенты РФ №№1787075, 1798718, 1793388, G01R 23/00). Данный способ требует высокой стабильности частоты исследуемого генератора, в то время как частота вихреобразования колеблется в значительных пределах - от 4 до 10%. Кроме того, этот способ требует разработки специального оборудования.

Не требует высокой стабильности и специального оборудования способ оценки стабильности частоты электрического сигнала с использованием электронно-счетного частотомера, описанный в книге: Комягин Р.В., Хандамиров В.Л. Определение метрологических характеристик измерительного генератора. Методические указания по курсу «Метрология и радиоизмерения». Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2009, с. 12-14. Он предполагает многократные (25 раз) измерения частоты или периода сигнала, определение максимального и минимального значений частоты (периода) и вычисление отношения разности указанных значений к их сумме как показателя стабильности частоты. Недостатком данного способа является большое время измерения: так при частоте сигнала 20 Гц время одного измерения периода сигнала с требуемой точностью составляет 500 с. При таком времени измерения начинает сказываться нестабильность расхода, внося в измерения значительную погрешность.

Известен способ оценки стабильности частоты выходного сигнала вихревого расходомера, требующий меньшего времени измерения, выбранный в качестве прототипа, описанный в статье: А.П. Лапин, А.М. Дружков. «Исследование стабильности частоты вихреобразования в вихреакустическом расходомере» Вестник ЮУрГУ. Серия «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника», 2014, том 14, №4, с. 89-97. Согласно этому способу через испытуемый вихревой расходомер (в статье испытаниям подвергались вихревые расходомеры с ультразвуковым чувствительным элементом), установленный в магистраль расходомерного стенда, пропускается постоянный расход и с помощью цифрового запоминающего осциллографа фиксируется сигнал чувствительного элемента расходомера на выходе фазового детектора с фильтром нижних частот (точка «в» на схеме, приведенной на рис. 1) в виде регулярной последовательности отсчетов (рис. 3). С помощью специальной программы, разработанной в среде Matlab, определяются мгновенные значения периода сигнала Т, после чего определяются мгновенные значения частоты и, далее, - средние значения частоты, среднеквадратичное отклонение частоты и, наконец, коэффициент вариации частоты как частное от деления среднеквадратичного отклонения на среднее значение (таблицы 5 и 6). Количество периодов на каждом измерении (последняя строка в таблицах 5, 6) составляло от 32 до 109, а время измерения - от долей секунды до нескольких секунд. В вышеупомянутой статье на основании экспериментальных данных показано, что частота (период) вихреобразования распределена по нормальному закону.

Недостатком описанного способа является относительная сложность его реализации, в частности, необходимость разработки специального программного обеспечения.

Цель предлагаемого способа состоит в упрощении методики экспериментальной оценки стабильности частоты выходного сигнала вихревого расходомера.

Указанная цель достигается за счет того, что в известном способе оценки стабильности частоты выходного сигнала вихревого расходомера, предполагающем пропускание через испытуемый расходомер рабочей среды с постоянным расходом, получение сигнала чувствительного элемента, определение среднего значения и среднеквадратичного отклонения периода сигнала чувствительного элемента и вычисление коэффициента вариации частоты вихреобразования как отношения среднеквадратичного отклонения и среднего значения периода, согласно изобретению, по нуль-переходам сигнала чувствительного элемента формируют последовательность прямоугольных импульсов постоянной амплитуды, на экран цифрового запоминающего осциллографа, используя режимы ждущего запуска развертки по переднему фронту импульса и усреднения по времени, выводят два последовательных импульса усредненного импульсного сигнала, из которых первый - импульс, по которому осуществлялся запуск развертки осциллографа, с помощью курсоров измеряют первый и второй интервалы времени между передним фронтом первого усредненного импульса и точками переднего фронта второго усредненного импульса с напряжениями, составляющими 0,84 и 0,16 от амплитуды импульса, соответственно, при этом среднее значение периода сигнала чувствительного элемента вычисляют как полусумму первого и второго интервалов, а среднеквадратичное отклонение периода - как полуразность первого и второго интервалов.

Применение предлагаемого способа позволяет значительно упростить методику оценки коэффициента вариации частоты благодаря использованию стандартного радиоизмерительного прибора (осциллографа, спектроанализатора) без разработки специального программного обеспечения, а также сократить время, необходимое для осуществления соответствующего эксперимента за счет уменьшения числа усредняемых периодов сигнала и сокращения объема дополнительной обработки получаемой информации (значения среднеквадратичного отклонения периода вихреобразования от среднего значения и само среднее значения получаются в результате измерений, осуществляемых на экране осциллографа (спектроанализатора) с помощью курсоров).

На рисунках представлены: на фиг. 1 - сигнал чувствительного элемента вихревого расходомера, на фиг. 2 - схема формирования импульсного сигнала, на фиг. 3 - усредненный по времени импульсный сигнал и схема расположения курсоров при определении длительности первого и второго интервалов, на фиг. 4 - экран спектроанализатора с усредненным по времени импульсным сигналом при проведении экспериментальной проверки способа.

Способ реализуется следующим образом. Вихревой расходомер, стабильность частоты вихреобразования в котором необходимо определить, устанавливается на расходомерный стенд, и через него пропускается постоянный расход. Вихревой расходомер содержит проточную часть, в которой располагается плохообтекаемое тело и чувствительный элемент. При наличии расхода за плохообтекаемым телом образуется регулярная цепочка вихрей (вихревая дорожка Кармана). Вихри воспринимаются чувствительным элементом, который вырабатывает электрический сигнал, имеющий форму синусоиды, амплитуда и мгновенная частота которого (часто та вихреобразования) колеблются случайным образом вокруг средних значений, фиг. 1. В соответствии со способом сигнал чувствительного элемента преобразуется но нуль-переходам в импульсный сигнал постоянной амплитуды, фиг. 2. Импульсный сигнал подается на вход цифрового запоминающего осциллографа, имеющего функцию осреднения по времени. Осциллограф устанавливается в режимы ждущего запуска развертки по переднему фронту импульса и усреднения по времени. На экран осциллографа выводятся два последовательных импульса, из которых первый - импульс, по переднему фронту которого происходит запуск развертки осциллографа: при этом должны наблюдаться передние фронты обоих импульсов. Далее включается режим усреднения, и на экране получают усредненные импульсы, фиг. 3. При усреднении большого числа импульсов постоянной амплитуды по нуль-переходам квазисинусоидального сигнала передний фронт второго осредненного импульса описывает функцию распределения периода сигнала, если принять амплитуду импульса U_m за единицу. Как было показано в цитированной выше статье, период вихреобразования T распределен по нормальному закону, т.е. его плотность распределения F(T) выражается формулой (см. книгу Е.С. Вентцель. Теория вероятностей. М, «Наука», 1969, стр. 122, формула (6.3.3)):

где:

- σ_T - среднеквадратичное отклонение периода от среднего значения;

- Т - среднее значение периода.

После замены переменной

интеграл (2) приводится к виду

Этот интеграл выражается следующим образом через нормальную функцию распределения Φ^*(Т):

В книге Е.С. Вентцель. Теория вероятностей. М., «Наука», 1969, стр. 123, формула (6.3.7), показано, что вероятность попадания случайной величины (в нашем случае - периода Т) в интервал от α до β равна:

Отсюда следует, что вероятность того, что период Т находится в интервале от до составляет:

Значения функции Φ^*(х) приведены в таблице 1 (с. 562-563) Приложения к вышеупомянутой книге Е.С. Вентцель: Φ^*(1)=0,8413 ≈0,84, Φ^*(-1)=0,1587≈0,16. В соответствии с этим с помощью курсоров измеряют (фиг. 3):

- временной интервал t_0,16 от переднего фронта первого импульса до точки переднего фронта второго импульса с уровнем напряжения 0,16U_m (U_m - амплитуда импульса);

- временной интервал t_0,84 от переднего фронта первого импульса до точки переднего фронта второго импульса с уровнем напряжения 0,84⋅U_m.

Далее вычисляют коэффициент вариации частоты вихреобразования q_ƒ:

Примером применения предлагаемого способа могут служить результаты экспериментального определения коэффициента вариации частоты вихреобразования счетчика массы жидкости ВДУ-65 (Госреестр №83183-21). Счетчик устанавливался на расходомерный стенд УПСЖМ300 (Госреестр №53855-13) и последовательно (по 3 раза при каждом значении) воспроизводились расходы воды 3,5; 8,6; 12,1; 15,6; 19,1 и 24 м³/ч. В качестве цифрового осциллографа использовался спектроанализатор CF7200 фирмы ONO SOKKI (в качестве осциллографа может использоваться, например, осциллограф типа GWInstek GDS-806S фирмы Good Will Instrument Со., обладающий необходимыми функциями). На экран спектроанализатора выводились два последовательных импульса, из которых первый - импульс, по переднему фронту которого происходил запуск развертки: при этом на экране наблюдались передние фронты обоих импульсов. Далее включался режим усреднения, число усредняемых периодов составляло 128. На фиг. 4 приведен экран спектроанализатора при проведении эксперимента. Измеренные при каждом расходе средние значения а также рассчитанные значения и времена усреднения (с учетом того, что на экран выводились 2 импульса) t_уср=2×128×T=256×T приведены в таблице 1. Из таблицы 1 следует, что время, необходимое для получения одного измерения, составило не более 12,8 с.

Таким образом, применение предложенного способа позволяет существенно упростить процедуру оценки коэффициента вариации частоты вихреобразования благодаря использованию стандартного радиоизмерительного прибора, сократить время проведения эксперимента и не требует разработки специального программного обеспечения.

Способ относится к технике измерения расхода и может быть использован при экспериментальной отработке вихревых расходомеров. Способ включает следующие операции:

пропускание через испытуемый вихревой расходомер рабочей среды с постоянным расходом; формирование по нуль-переходам сигнала чувствительного элемента последовательности прямоугольных импульсов постоянной амплитуды; усреднение импульсного сигнала по времени с использованием цифрового запоминающего осциллографа, установленного в режимы ждущего запуска развертки по переднему фронту импульса и усреднения по времени; вывод на экран двух последовательных импульсов усредненного импульсного сигнала, из которых первый - импульс, по которому осуществлялся запуск развертки осциллографа; измерение с помощью курсоров первого и второго интервалов времени между передним фронтом первого усредненного импульса и точками переднего фронта второго усредненного импульса с напряжениями, составляющими 0,84 и 0,16 от амплитуды импульса, соответственно; вычисление среднего значения периода сигнала чувствительного элемента как полусуммы первого и второго интервалов времени; вычисление среднеквадратичного отклонения периода как полуразности первого и второго интервалов; вычисление коэффициента вариации частоты вихреобразования как отношения среднеквадратичного отклонения и среднего значения периода. Технический результат - упрощение методики измерений, а также сокращение времени, необходимого для осуществления соответствующего эксперимента. 4 ил., 1 табл.

Способ определения стабильности частоты вихреобразования, согласно которому через испытуемый расходомер пропускают рабочую среду с постоянным расходом, получают сигнал чувствительного элемента, определяют среднее значение и среднеквадратичное отклонение периода сигнала чувствительного элемента и вычисляют коэффициент вариации частоты вихреобразования как отношение среднеквадратичного отклонения и среднего значения периода, отличающийся тем, что по нуль-переходам сигнала чувствительного элемента формируют последовательность прямоугольных импульсов постоянной амплитуды на экран цифрового запоминающего осциллографа, используя режимы ждущего запуска развертки по переднему фронту импульса и усреднения по времени, выводят два последовательных импульса усредненного импульсного сигнала, из которых первый - импульс, по которому осуществлялся запуск развертки осциллографа, с помощью курсоров измеряют первый и второй интервалы времени между передним фронтом первого осредненного импульса и точками переднего фронта второго осредненного импульса с напряжениями, составляющими 0,84 и 0,16 от амплитуды импульса, соответственно, при этом среднее значение периода сигнала чувствительного элемента вычисляют как полусумму первого и второго интервалов, а среднеквадратичное отклонение периода - как полуразность первого и второго интервалов.