Устройство непрерывного контроля состояния транспортируемого по трубопроводу вещества Советский патент 1991 года по МПК G01N29/02 

Изобретение относится к средствам контрольно-измерительной техники с помощью ультразвуковых сигналов и может быть использовано, например, в системах автоматического управления питателями теплоэнергетических агрегатов.

Целью изобретения является повышение достоверности контроля за счет учета параметров состояния вещества.

На фиг.1 приведена структурная схема устройства непрерывного контроля состояния транспортируемого по трубопроводу вещества: на фиг.2 - схема приемного ультразвукового преобразователя.

Устройство непрерывного контроля состояния транспортируемого по трубопроводу вещества содержит (фиг.1) генератор 1 ультразвуковой частоты, синхронизатор 2, первый и второй ключи 3, два излучающих 4 и два приемных 5 ультразвуковых преобразователя, устанавливаемых вдоль образующей трубопровода 6 бункера 7 теплоагрега- та, и блок 8 анализа.

Последний содержит блок 9 измерения скорости потока вещества и второй пространственной производной его плотности, блок 10 измерения смешанной производной плотности вещества и блок 11 измерения параметров состояния потока.

Выход генератора 1 соединен с входами первого и второго излучающих преобразователей 4 соответственно через первый и второй ключи 3, управляющие входы последних подключены соответственно к первому и второму выходу синхронизатора 2, которые соединены соответственно с четвертым и пятым входом блока 9 измерения скорости потока вещества и второй пространственной производной его плотности. Первые выходы приемных преобразоватеСО

ел ю

««5

лей 5 подключены к третьему входу блока 9 измерения скорости потока вещества и второй пространственной производной его плотности, а вторые выходы подключены соответственно к его первому и второму входу. Первый и пятый выход блока 9 измерения скорости потока вещества и второй пространственной производной его плотности является соответственно первым и вторым выходом блока 8 анализа, второй его выход соединен с входом блока 10 измерения смешанной производной плотности вещества и с первым входом блока 11 измерения параметров состояния потока, второй и третий вход которого подключен к третьему и четвертому выходу блока 9 измерения скорости потока вещества и второй пространственной производной его плотности. Выход блока 10 измерения смешанной производной плотности вещества подключен к четвертому входу блока 11 измерения параметров состояния потока, первый - третий выходы последнего являются соответственно третьи - пятым выходами блока 8 анализа. В блоке 9 измерения скорости потока вещества и второй пространственной производной его плотности к первому и второму входу подключены цепочки формирования сигналов, выполненные в виде согласующих блоков 12, широкополосных усилителей 13, блоков 14 деления, ключей 15, схем 16 измерения скорости звука и квадраторов 17, при этом первый вход делителя 14 каждой цепочки соединен через последовательно соединенные усилитель 13 и согласующий блок 12с первым (и соответственно вторым) входом блока 9, второй вход делителя 14 соединен с выходом квадратора 17, вход которого подключен к выходу схемы 16 измерения скорости звука, первые входы ключей 15 и схем 16 измерения скорости звука соединены соответственно в первой и второй цепочке и являются соответственно четвертым и пятым входом блока 9 измерения скорости потока вещества и второй пространственной производной его плотности. Второй вход схемы 16 измерения скорости звука в каждой цепочке соединен с выходом соответствующего ключа 15, вторые входы которых подключены через последовательно соединенные избирательный усилитель 18 и детектор 19 к третьему входу блока 9 измерения скорости потока вещества и второй пространственной производной его плотности. Выходы блоков 14 деления через масштабные блоки с коэффициентами 1/AJ соединены соответственно с первым и вторым входами блока 20 разности, выход которого соединен с третьим выходом блока 9, а выход блока 14 деления

первой цепочки соединен с вторым выходом блока 9, выходы усилителей 13 первой и второй цепочки подключены соответственно к первому и второму входам блока 21

вычитания, выход которого через масштабные блоки с коэффициентами 1 /Д подклю- чен к входу блока 22 измерения действующего значения напряжения. Выход последнего соединен с первым выходом

0 блока 9, четвертый выход блока 9 соединен с выходом квадратора 17 первой цепочки, пятый выход блока 9 через блок 23 измерений действующего значения напряжения соединен с выходом второго усилителя/13.

5 Блок 10 измерения смешанной производной плотности вещества выполнен в виде последовательно соединенных таймера 24, схемы 25 задержки и триггера 26, двух блоков 27 запоминания, выпрямителя 28,

0 блока 29 разности и блока 30 деления. Первые входы первого и второго блоков 27 запоминания соединены вместе и являются входом блока 10 измерения смешанной производной плотности вещества, второй вход

5 первого блока 27 запоминания подключен к выходу таймера 24, а второй вход второго блока 27 запоминания к выходу схемы 25 задержки, соединенной с входом триггера 26, выход последнего подключен к входу

0 выпрямителя 28, эыходы первого и второго блока 27 запоминания соединены соответственно с первым и вторым входом блока 29 разности, выход которого соединен с первым входом блока 30 деления. Второй вход

5 блока 30 деления подключен к выходу выпрямителя 28, а выход является выходом блока 10 измерения смешанной производной плотности вещества.

Второй вход триггера 26 соединен с вто0 рым выходом таймера 24, выход триггера 26 соединен через выпрямитель 28 с вторым входом блока 30 деления, первый вход которого подключен к выходу блока 29 разности, входы i последнего соединены соответст5 вен но с выходами первого и второго блоков 27 запоминания, а выход блока 30 деления является выходом блока 10 измерения смешанной производной плотности вещества. В блоке 11 измерения параметров со0 стояния потока первый вход соединен с первым входом первого блока 32 умножения, второй вход которого подключен к выходу первого блока 31 деления и первому входу блока 33 деления, первый и второй вход

5 первого блока 31 деления является соответственно четвертым и вторым входом блока 11, третий вход последнего соединен с входами второго блока 31 деления и с вторым входом блока 33 деления, выход которого

соединен с первыми входами сумматора 35

и вычитателя 36, ко вторым входам этих блоков подключен выход второго блока 31 деления, выход блока 35 сумматора соединен с первым входом блока 37 деления, второй вход которого соединен с выходом вычитателя 36, а выход блока 37 деления соединен с третьим выходом блока 11, выход первого блока 32 умножения соединен с вторым выходом блока 11 и через интегратор 34 с первым его выходом.

Приемные ультразвуковые преобразователи выполнены (фиг.2) в виде параллельно соединенных пьезопластин 38 и подключенных к ним согласующих фильтров 39, во вторичной обмотке которых про- межуточный отвод является первым выходом преобразователя, а крайний - его вторым выходом.

Устройство работает следующим образом.

Угольная смесь из бункера 7 теплоагре- гата через трубу 6 поступает в топку котла. Режим горения топлива зависит от таких параметров состояния вещества в трубе, как средняя его плотность р, скорость дви-

жения U, изменение плотности -Ј-, отноше- ние удельных теплоемкостей у

LV

постоянном давлении (Ср) и постоянном объеме (Cv).

При турбулентном движении вещества в трубопроводе на его стенки оказывается давление, описываемое случайной функцией со спектральной плотностью Gx (0),за- висящей от скорости движения частиц потока. Для восстановления спектральной плотности Gx (U) соответствующим образом настраивается согласующий фильтр 39, за счет чего на вторых выходах преобразовате- лей 5 формируется случайное напряжение, спектральная плотность которого пропорциональна спектральной плотности G (U), Для получения усредненной оценки скорости потока в устройстве используется сред- нее квадратическое значение скорости, вычисленное по формуле

так как | /U2 (t) dt / Gx (U) dU,

-2°

то у vyGx (u) du .

Измерение величины UX2 осуществляется в месте установки второго приемного

5 10

15

20

25

где

30

35 40 5

преобразователя 5 с помощью цепочки последовательно соединенных согласующего блока 12, широкополосного усилителя 13 и схемы 23 измерения действующего значения напряжения. Напряжение пропорциональное величине Ux2 формируется на втором выходе блока 8 анализа. Для измерения приращения скорости потока на единицу длины (Uо) на входы блока 21 разности подаются напряжения с выходов широкополосных усилителей 13 первой и второй цепочек. Выходное напряжение блока 21 вычитания с коэффициентом 1 / Д|, где Д - расстояние между приемными преобразователями, подается на вход блока 22 измерения действующего значения напряжения, на выходе которого формируется напряжение пропорциональное значение Do, поступающее на первый выход блока 8 анализа, Определение производной плотности потока основано на аппаратной реализации формулы

(B(x)).Brx) dt Дх(в(х))

в()

Вх

; вх

ъ х

0

5

Сзь

Дх(.)Д(0/Ах; Сзв - скорость ультразвука;

Р(х)-давление потока на стенки трубопровода в точке х.

От величины Вх зависит напряжение на вторых выходах приемных преобразователей 5. Эти напряжения через цепочку согласующих блоков 12 и широкополосных усилителей 13 поступают соответственно на первые входы блоков 14 деления, на вторые входы этих блоков поступают напряжения, пропорциональные величине С3в. Эти напряжения формируются в такой последовательности: напряжение с выхода генератора 1 ультразвуковом частоты через управляемые от синхронизатора 2 ключи 3 поочередно подается на излучающие преобразователи 4, определяя таким образом двухканальную схему измерения скорости звука. Формирование соответствующего сигнала в каждом канале осуществляется следующим образом: импульс ультразвуковых колебаний от излучающего преобразователя 4, проходя через вещество, достигает приемного преобразователя 5, преобразуется в импульсное напряжение, которое с первого выхода через избирательный усилитель 18, детектор 19 и ключ 15, управляемый синхронизатором 2, поступает на второй вход схемы 16 измерения скорости ультразвука. Выходное напряжение схемы 16 измерения скорости ультразвука подается на входы квадратора 17, на выходе которого формируется напряжение, пропорциональное С2зв.

Таким образом, на выходах блоков 14 деления формируются напряжения, продрпорциональные величинам - в точке х и

С- X

f- в точке x+Al. Эти напряжения поступают на входы блока 20 вычитания и на выходе последнего образуется напряжение, пропорциональное Дх(В). Напряженнее первого входа блока 10 измерения смешанной производной плотности поступает на первые вход управляемых блоков 27 запоминания. Импульсом с первого выхода таймера 24, поступающим на второй вход первого блока 27 запоминания, разрешается запись

значения - в момент времени t. Этот же импульс, задерживаясь схемой задержки на время At, разрешает запись величины - в

момент времени t+ At. Формирование напряжения, пропорционального отрезку времени At, осуществляется триггером 26, а

величин Ј-Ј- и .,/ блоком 29 разности, c xt c Xt+t

на входы которого поступают сигналы с выходов блоков 27 запоминания, Импульсное напряжение с выхода триггера 26 выпрямляется выпрямителем 28 и подается на второй вход блока 30 деления, на первый вход которого подается выходное напряжение с блока 29 разности, на выходе блока 30 деления формируется напряжение, пропорциональное смешанной производной плотности At(B(xO.

Формирование напряжения, пропорциd(5 опального величине -±-, осуществляется в

блоке 11 измерения параметров состояния потока. Для этого напряжение с выхода блока 10 измерения смешанной производной плотности подается на первый вход блока 31 деления, на второй вход которого поступает напряжение с третьего выхода блока 9. Сигналы с выхода блока 31 деления поступают на вход блока 32 умножения, на второй вход которого подается напряжение с второго выхода блока 9 измерения потока вещества и второй пространственной производной его плотности, на выходе блока 32 формируется напряжение, пропорциейональное величине -тг, поступающее на

четвертый выход блока 8 анализа. Это напряжение интегрируется интегратором 34 и

подается на третий выход блока 8 анализа (величина p(t)).

Сп

Формирование величины у - осуvществляется путем аппаратной реализации

формулы

v-Ј-f

0 где (B(x)) . 1

де с§ь

Для этого напряжение с выхода блока 31 поступает на первый вход блока 33 деления, на второй вход которого поступает на5 пряжение с четвертого выхода блока 9 измерения скорости потока вещества и второй пространственной производной его плотности. Сигналы с выхода блока 33 деления поступают на первые входы сумматора

0 35 и вычитателя 36, на вторые входы которых поступает напряжение, пропорциональное 1, формируемое на входе блока 31 деления, входами подключенного к третьему входу блока 11. Напряжения с выходов

5 блоков 35 сумматора и 36 вычитателя подаются на соответствующие входы блока 37 деления, выходное напряжение которого формируется пропорционально величине у и поступает на пятый выход блока 8 анали0 за.

Таким образом, в устройстве непрерывного контроля состояния транспортируемого по трубопроводу вещества осуществляется измерение параметров со5 стояния потока, что повышает информативность и достоверность результатов контроля.

Формула изобретения

0 Устройство непрерывного контроля состояния транспортируемого по трубопроводу вещества, содержащее первый и второй излучающие ультразвуковые преобразователи, первый и второй приемные ультразву5 ковые преобразователи, ультразвуковой генератор и блок анализа, отличающееся тем, что, с целью повышения достоверности контроля путем учета параметров со- стояния вещества, ультразвуковые

0 излучающие и приемные преобразователи расположены диаметрально противоположно вдоль образующей трубопровода, устройство содержит синхронизатор, первый и второй ключи, первые входы которых соеди5 йены с выходом ультразвукового генератора, вторые входы подключены соответственно, к первому и второму выходам синхронизатора, а выходы соединены с входами излучающих ультразвуковых преобразователей, приемные ультразвуковые

преобразователи выполнены составными в виде параллельно соединенных пьезопла- стин и подключенных к ним согласующих фильтров, во вторичной обмотке которых средний отвод является первым выходом преобразователя, а крайний - его вторым выходом, а блок анализа выполнен в виде блока измерения скорости потока вещества и второй пространственной производной его плотности, блока измерения смешанной производной плотности вещества и блока измерения параметров состояния потока, первый и второй входы блока измерения скорости потока вещества и второй пространственной производной его плотности соединены с вторыми выходами первого и второго приемных ультразвуковых преобразователей соответственно, третий вход под0

5

ключей к их первым выходам, четвертый и пятый входы соединены соответственно с первым и вторым выходами синхронизатора, первый выход является первым выходом бло-. ка анализа, второй выход подключен к входу блока измерения смешанной производной плотности вещества и к первому входу блока измерения параметров состояния потока, третий и четвертый выходы соединены с вторым и третьим входами последнего, пятый выход является вторым выходом блока анализа, выход блока измерения смешанной производной плотности вещества подключен к четвертому входу блока измерения параметров состояния потока вещества, а первый, второй и третий выходы последнего являются соответственно третьим, четвертым и пятым выходами блока анализа.

Изобретение относится к средствам контрольно-измерительной техники с помощью ультразвуковых сигналов. Целью изобретения является повышение достоверности контроля за счет учета параметров состояния вещества. Вдоль трубопровода, по которому транспортируется вещество, в диаметрально противоположных точках установлены два излучающих и два приемных преобразователя. Сигналы, проходящие через поток вещества, принимаются преобразователями и поступают в блок анализа, в котором измеряется скорость потока вещества, его плотность, вторая пространственная производная плотности вдоль трубопровода, пространственно-временная производная плотности и другие параметры состояния вещества в трубопроводе. Измерения осуществляются в реальном масштабе времени при произвольной скорости вещества в трубопроводе. 2 ил.