Корреляционный измеритель скорости рабочей среды Советский патент 1985 года по МПК G01P3/64 G01P3/68 

Изобретение относится к средствам измерительной техники, предназнат чено для измерения средней скорости рабочей среды, описываемой случайным процессом, и может .быть использовано при создании измерительных систем контроля и диагностики, например, судовых дизелей для измерения средней скорости отработавших газов, а следовательно, и их расхода. Известны устройства для измерения скорости рабочей среды, содержащие датчик, установленный в трубопроводе (например, в выхлопном коллекторе дизеля), и регистрирукиций прибор. При этом в качестве датчика используется дифференциальная напорная трубка Пито, расположенная входным отверстием навстречу потоку измеряемой среды, а регистрирующим Прибором разности полного и статического давлений, по которому на основании управления Бернулли определяется скорость течения рабочей среды, является дифференциальный манометр Cl J. Недостатками известного устройства являются низкая оперативность измерения скорости рабочей среды и невозможность применения /в системах автоматики. Кроме того, в потоках, имекяцих пульсирукиций характер, рассмотренное устройство не применяется. Оно приме няется только для измерения скорости движения потоков, описываемых неслу 1айнь1ми, медленно изменяющимися сигналами, и не позволяет измерять среднюю скорость движения потоков, описываемых случайным процессом. Известен также корреляционный измеритель скорости рабочей среды (дымовых газов мартеновской печи), содержащий два датчика, установленные друг за другом в потоке, усилитель электрического сигнала, коррелятор, состоящий из двух преобразователей напряжение - код, блока задержки, ком мутатора и арифметического устройстэа, экстремальный регулятор, генератор меток для создания псевдослучай ных бинарных последовательностей, подключенный на некотором расстоянии перед датчиками. При этом в качестве датчиков использованы датчики температуры (термопары) 23Недостатками известного устройства являются низкая T04HocT f3 и достоверность измерения средней скорости рабочей среды из-за большой инерционнос и термопар и установки их в потоке руг за другом, узкий частотный диапаон измерения средней скорости потоов, описываемых медленно изменяющимия сигналами из-за изменения плотноси меток, что ведет к сужению-спектра ыходных сигналов датчиков, к расшиению пика взаимно корреляционной функции. Указанные недостатки частично устранены в корреляционном измерителе скорости (отходящих дымовых газов), в котором плотность меток поддерживается постоянной в широком диапазоне изменения скорости потока, что расширяет частотный диапазон ее измерения. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является корреляционный измеритель скорости рабочей среды, в котором генератор бинарной последовательности меток изменяет временной масштаб меток обратно пропорционально скорости потока, а формирователь меток изменяет количество вводимого вещества в поток прямо пропорционально его скорости. Данное устройство для измерения .средней скорости рабочей среда содержит два датчика, установленные в потоке на определенном расстоянии друг за другом (в одной продольной плоскости трубы), усилители сигнала, коррелятор, содержащий два преобразователя напряжение - код, блок задержки, коммутатор и арифметическое устройство, экстремальный регулятор для поддержания взаимно корреляционной функции на максимальном уровне, индикатор скорости, генератор бинарной последовательности меток и формирователь меток, включающий приводиь&й от двигателя вал с закрепленным на нем диском, на котором в виде отверстий нанесена маска случайных сигналов и подводящий к диску трубопровод воды с соплом и отводящий трубопровод воды от диска к трубе движущегося потока рабочей среды (отходящих газов печи). -При этом в качестве датчиков применены датчики температуры (малоинерционные термопары) СЗ 3. Однако данное устройство характеризуется невозможностью работы с широкополосными случайными процессами в связи с большой инерционностью датчиков, нестабильностью характеристики термодатчиков, требуемой частой гра-дуировки, к необходимостью применения сложных узлов (генератора бинарной последовательности меток и формирователя меток). В целом это снижает (с учетом расположения датчиков друг за другом в одной продольной плоскости трубы) точность и достовер ность измерения средней скорости по.токов, описываемых случайным процессом, сужает частотный диапазон таког процесса, уменьшает надежность работы всего устройства. Последняя также заметно понижается при применении те мопар в потоках с высокими температурами. Кроме того, ограниченность частотного диапазона и временного ин тервала входных сигналов, поступающих на коррелятор, является главным источником статистической погрешнеети при измерении средней скорости. Целью изобретения является повышение точности и достоверности измерения средней скорости потока рабочей среды, описываемого широкополосным квазистационарным случайным процессом, что является актуальным при создании более совершенных высоконадеж ных, автоматизированных энергетических установок, например судовых дизе лей как с постоянным, так и с импульсным газотурбинным наддувом. Указанная цель добтигается тем, что в устройство, содержащее, два датчика, установленные в потоке на фиксированном расстоянии друг за другом и коррелятор, состоящий из двух преобразователей напряжение - код, блока задержки, коммутатора и арифметического устройства, причем выходы преобразователей напряжение - код соединены соответственно с первым и вторым входами коммутатора, выход коммутатора соединен с входом арифметического устройства, первый и второй выходы блока задержки соединены соответственно с вторыми входами преобразователей напряжение - код, второй выход блока задержки соединен с третьим входом коммутатора и с вторым входом арифметического устройства, дополнительно введены дискриминатор, блок синхронизации, логическое устройство и программный задатчик, причем выход второго по ходу движения потока датчика соединен с входом дискриминатора, выход которого соединен с входом блока синхронизации, выходы блока синхронизации соединены соответственно с четвертым входом коммутатора, с третьим входом арифметического устройства, с вторым входом логического устройства и с вторым входом блока задержки, выход программного задатчика соединен с четвертым входом арифметического устройства, а датчики установлены диаметрально. В потоке На фиксированном расстбянии 3 мм , где V - средняя скорость движения рабочей среды; Т - время протекания одного цикла движения рабочей среды, друг от друга в направлении движения рабочей .среды установлено не менее двух чувствительных элементов датчиков в раз.личных продольных плоскостях (например, под углом об 180°с целью устранения влияния возмущений, создаваемых в потоке.при обтекании первого по ходу чувствительного элемента датчика на показания второго), при этом глубина их погружения в потоке одинакова и равна 0,762 , где dg внутренний диаметр трубопровода, в котором установлены чувствительные элементы датчиков 4.В качестве датчиков использованы две мапоинерционные дифференциальные напорные трубки Пито, установленные, например, в коллекторе отработавших газов дизеля с преобразователями давление - напряжение, причем входы дифференциальных трубок Пито подключены к измеряемому пульсирующему потоку, а их выходы соединены соответственно с входами преобразователей давление - напряжение. Установка в качестве датчиков разности полного и статического давлений дифференциальных напорных трубок Пито позволяет измерять среднюю скорость потоков при до.звуковом течении, описываемых широкополосным квазистационарным процессом с естественными метками в потоке (изменение разности давлений за цикл), создаваемыми в процессе выпуска, например, отработавших газов из цилиндров работающего дизеля. При этом постоянная времени запаздывания дифференциальных трубок Пито значительно ниже постоянной времени запаздывания малоинерционных датчиков температуры, что обусловливает с учетом установки чувствительных элементов 1 датчиков в различных продольных плос костях к направлению потока повышение точности определения взаимно,- кор реляционной функции, а отсюда и точности измерения средней скорости и расхода рабочей среды. Кроме того, установка дифференциальных трубок Пито и отсутствие в предлагаемом изобретении генератора бинарной последовательности меток и формирователя меток повышает надежность устройства, упрощает.его конструкцию и обслуживание. На чертеже приведена схема предла гаемого корреляционного измерителя Средней скорости рабочей среды. Корреляционный измеритель средней скорости рабочей среды (например, отходящих газов дизеля) содержит две дифференциальные напорные трубки Пито 1 и 12, установленные в выхлопном коллекторе 2 дизеля на фиксированном расстоянии одна от другой в направлении движения газов в различных продольргых плоскостях (например, под .углом о(180) . Каждая трубка Пито соединена с входом соответствующего преобразователя 3 давле ние - напряжение, выход которого сое динен с первым входом соот;ветствующего преобразователя 4 напряжение код. Выходы преобразователей А и ч напряжение - код соединены соответственно с первым и вторым входами коммутатора 5, выход которого соединен с первым входом арифметического устройства 6. Выход арифметического устройства 6 соединен с первым входом логического устройства 7., выход которого соединен с первым входом блока 8 задержки. Первый и второй выходы блока 8 задержки соединены соответственно с вторыми входами пре образователей 4 и 4 напряжение код. Второй выход блока 8 задержки также соединен с третьим входом коммутатора 5 и с BTopijiM входом арифметического устройства 6. Выход преобразователя 3 давление - напряжение также соединен с входом дискриминатора 9, выход которого соединен с входом блока 10 синхронизации. Пер вый, второй, третий и четвертый выходы блока 10 синхронизации соединены соответственно с четвертым входом коммутатора 5, с третьи входом арифметического устройства 6, с вто1ИЛМ входом логического устройства 7 66. . и с вторым входом блока 8 задержки. Выход программного задатчика 11 соединен с четвертым входом арифметического устройства 6. Третий выход блока 8 задержки соединен с указателем времени задержки t . Предлагаемое устройство работает следующим образом. Движущийся в выхлопном коллекторе 2 судового дизеля отработавший газ x(t) можно разложить на две составляющие: x(t) - импульсный полезный сигнал и x(t) - широкополосная аддитивная помеха. Период следования импульсов сигнала x(t) определен периодом выпуска газов из цилиндров дизеля, а скорость движения импульсов сигнала X (t) характеризует среднюю скорость движения газа x(t), а, следовательно, и его расход в выхлопном коллекторе. Основной задачейпредлагаемого устройства является измерение средней скорости движения импульсов x(t)B выхлопном коллекторе 2 . Для этого с помощью двух дифференциальных трубок Пито 1 и 1,,, установленных в потоке газа на фиксированном расстоянии 3 мм одна от другой в направлении движения рабочей среды и расположенных в поперечном сечении коллектора .на одном радиусе в различных продольных плоскостях (наприме.р, под углом друг к другу), преобразователей 3, 3 давление - напряжение, двух преобразователей 4, 4 напряжение - код, производится.преобразование разности давлений зашумленного газового потока в выхлопном коо1лекторе в два цифровых сигнала U(tp и U(), - время транспортного запаздывания сигнала с выхода преобразователя 4,, напряжение - код из-за движения напорной трубки Пито 1 к напорной трубке Пито 1. Указанное пространственное расположение трубок Пито и разделение путей передачи сигналов x{t,) и x(t- + Lp) обеспечивает статистическую независимость помех X(,(t.) и Xp,(t 4.-1), т.е. при вычислении взаимной корреляционной функции . эти некоррелированныепомехи исключаются. По форме взаимной корреляционной функции можно, судить о доле второй фазы в газовом потоке. С помощью двух преобразователей 4 , 4,2 напряжение - код коммутатора 5, арифметического устройст- . ва 6, блока 8 задержки производится . измерение взаимной корреляционной функцииRi2(r( (t;).u(t,. + r,)j,

где М - оператор математического ожидания;U(t)- производная от сигнала U().

С помощью логического 7, арифметического 6 устройств, программного задатчика 11 и блока 8 задержки регулируется задержка 7 j сигнала U(t ) по отношению к сигналу U(t,-+tn) до тех П.ОР, пока , RU (3 ), т.е. взаимная корреляционная функция Ri2.) не уменьшится до заданном ошибки dR при fjSc . При этом на бло ке 8 задержки задержка может считываться на выход устройства для определения средней скорости движения газа. Время задержки, соответствующее макеийум взаимной корреляционной функции идентично времени пролета импульсного полезного-сигнала между трубками Пито. Соответстве нно, можно вычислить скорость газового потока по полбжению максимума взаимной корреляционной функции с помощью аналоговой схемы регулирования и его расход по формуле : . где F - площадь поперечного сечения трубопровода. , Для упрощения дифференцирования сигнала U(t.) в предлагаемом устройстве с помощью ари етического устройства 6 из исходного.сигнала U(tj) формируется разностный сигнал U(t)-U(tj.)(t .ii-t.) , где t шаг квантования по времени сигналов U(t ) и U{t +15), в преобразователях 4,, и 4, напряжение - код. Исполь зование разностного сигнала и его зиаковой. полярности обеспечивает сокрещение объема вычислений при определении взаимной корреляционной функции по формуле R,i(t)isignU((t.)SignU(tif- n- Для сокращения рабочего диапазона и времени измерения по задержке взаимной корреляционной функции R 3,(f) в предлагаемом устройстве используется дискриминатор 9 и блок 10 синхронизации. Дискриминатор 9 срабатьшает в те моменты еремени t. , когда появляется очередной всплеск разности давлений газового потока в, выхлопном коллекторе 2 (т.е. очередной импульс в сигнале U(t,- + tj). В этот момент дискриминатор 9 с помощью блока 10 синхронизации запускает очередной цикл измерения взаимной корреляционной функции в коммутаторе 5, арифметическом устройстве 6, Логическом устройстве 7, блоке 8 задержки.. При этом дифференциальная трубка Пито 1 служит как для измерения разно.сти полного и статического давлений газа, Так и для контроля появления очередного всплеска разности давлений, служащего сигналом срабатывания дискриминатора 9. Получаемая эффективность предлагаемого устройства по сравнению с прототипом обеспечивается за счет повышения точности и достоверности определения взаимной корреляционной функции, а следовательно, точности и достоверности измерения средней скорости движения газов, описываемых широкополосным, квазистационарным случайным процессом в результате применения малоинерционных датчиков (инерционность чувствительных элементов датчиков уменьшается в 35 раз,.что приводит к снижению динамической погрешности) - дифференциальных трубок Пито 1, 1 , преобразователей 3, 3, давление - напряжение, дискриминатора 9, блока 10 синхронизации, логического устройства 7 и программного задатчика 11. Постоянная времени запаздывания термодатчиков составляет 5-10 с, заменяемых на датчики давления - трубки Пито, имеющих постоянную времени менее 12с; повьвпения надежности предлагаемого измерителя скорости, упрощения его конструкции и обслуживания благодаря применению дифференциальных трубок Пито 1 и 1j и отсутствию сложных узлов генератора бинарной последовательности меток и формирователя меток. Так как .определяется только знак разностного сигнала, то линейность, динамика и стабильность чувствительных элементов - трубок Пито, имеют второстепенное значение.

А-А

КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ СКОРОСТИ РАБОЧЕЙ СРЕДЫ, содержащий два датчика, установленные в потоке на фиксированном расстоянии друг за другом и коррелятор, состоящий из двух преобразователей напряжение-код, блока задержки, коммутатора и арифметического устройства, причем выходы преобразователей напряжение-код соединены соответственно с первым и вторым входами коммутатора, выход коммутатора соединен с входом арифметического устройства, первый и второй выходы блока задержки соединены соответственно с вторыми входами преобразователей напряжение-код, втррой ззыход блока задержки соединен с третьим входом коммутато1 а и с вто рым входом ари