Расходомер двухфазных сред Советский патент 1992 года по МПК G01F1/712 

XI

00

ы

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения расхода двухфазных или многофазных сред, транспортируемых по трубопроводам, в химической, нефтяной и других отраслях промышленности для контроля и управления различными технологическими процессами. Устройство может быть также использовано для измерения скорости движения контролируемой среды без непосредственного контакта с ней.

Известен корреляционный расходомер двухфазных сред, содержащий первый и второй первичные преобразователи, четыре формирователя временных интервалов, два блока регулируемой задержки, четыре YM- ножителя, два вычитающих устройства, два интегратора и суммирующее устройство. К недостаткам известного устройства относится низкое быстродействие регулировки времени транспортного запаздывания из- за регулировки этого времени последовательно во времени через временные интервалы, определяемые величиной транспортного запаздывания. Последнее также приводит к значительным погрешностям в случае нестационарного изменения расхода. Необходимость последующего косвенного определения скорости V потока по формуле V I /TO (где I - расстояние между датчиками; - измеряемый временной интервал транспортного запаздывания) приводит к увеличению времени и погрешности измерения.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является расходомер двухфазных сред, содержащий первый и второй источники радиоизотопного излучения, объект исследования, первый и второй радиоизотопные датчики, соответственно два выходных преобразователя, блок усреднения, первый и второй блоки вычитания, блок регулируемой задержки, блок логического сравнения, преобразователь код-код и блок управления. Причем блок усреднения первым и вторым входами подключен к выходам соответственно первого и второго выходных преобразователей и к первому и второму входам первого блока вычитания. Выход блока усреднения подключен ко второму входу блока регулируемой задержки и к первому входу второго блока вычитания, вторым входом подключенного к выходу блока регулируемой задержки. Недостатками прототипа является необходимость косвенного измерения скорости через непосредственное измерение времени транспортного запаздывания с последующим делением величины расстояния между

датчиками на измеренное значение времени транспортного запаздывания.Косвенное измерение скорости приводит к увеличению погрешности, времени измерения и

снижению помехоустойчивости. Кроме того, в прототипе регулировка временной задержки осуществляется последовательно во времени, что приводит либо к снижению быстродействия, либо к снижению точности

при увеличении быстродействия.

Цель устройства - повышение быстродействия при сохранении точности и помехоустойчивости измерения расхода для нестационарного потока двухфазных сред.

Сущность заявляемого изобретения состоит в том, что за счет введения многоканальной обработки сигналов для измерения расхода используется информация об изменении аналога структурной функции, равной абсолютной величине разности текущего сигнала и его задержанного значения, не в точке, а на интервале, то есть в нескольких ее значениях, определяемых числом параллельных выходов первого и

второго регистров сдвига. Причем число параллельных выходов ограничивается допустимой сложностью устройства, а также погрешностью аппроксимации аналога структурной функции линейным приближением. В отличие от известного расходомера двухфазных сред предлагаемое устройство позволяет также повысить быстродействие при сохранении заданной точности и помехоустойчивости за счет параллельного накопления информации об изменении плотности потока в зависимости от изменения его скорости с последующим усреднением. Причем параллельное накопление информации Е предлагаемом устройстве

стало возможным благодаря введению нелинейной многоканальной обратной связи, образуемой сумматором-усреднителем и многоканальным управляемым преобразователем код-код с приспособленной индивидуально для каждого канала нелинейной регулировкой в зависимости от величины задержки, формируемой регистрами сдвига.

На фиг.1 приведена блок-схема заявляемого устройства; на фиг.2 - блок-схема многоканального управляемого преобразователя код-код.

Расходомер двухфазных сред (фиг. содержит радиоизотопные первичные преобразователи плотности, включающие: первый 1 и второй 2 источники радиоизотопного излучения, связанные через трубопровод 3 с радиоизотопными датчиками 4 и 5, выходами подключенными к выходным

преобразователям б и 7, блок 8 управления

и блок. 9 вычитания, первый 10 и второй 11 регистры сдвига, многоканальный управляемый преобразователь 12 код-код, реверсивный сумматор-вычитатель 13, формирователь задержки 14 и тактовый ге- нератор 15. Многоканальный управляемый преобразователь код-код 12 (фиг.2) содержит с первого по m-й сумматор 16 по модулю два, с первого по m-й управляемый делитель частоты 17, с первого по m-й блоки 18 памяти, первый 19 и второй 20 сумматоры. Практическая реализация предлагаемого устройства обеспечена применяемостью стандартных узлов измерительной и вычислительной техники. Для первого 1 и второго 2 источников радиоизотопного излучения могут использоваться БГИ-60А П1В2, либо БГИ-75А П1В2. В качестве радиоизотопных датчиков можно использовать детекторы типаБДС-1 либо БДГ-17. Первый и второй выходные преобразователи реализуются на последовательно включенных сравнивающем устройстве К521СА1, триггере Шмитта К155ТЛ2 (555ТЛ2) и формирователе К155АГЗ (555АГЗ). Блоки 8 усреднения и 9 вычитания реализуются на микросхемах 155ТН2 (555ТН12) и К155ЛП5 (555ЛП5) соответственно. Первый 10 и второй 11 регистры сдвига могут быть реализованы, например, на микросхеме К155ИР13.

Многоканальный управляемый преоб- разователь код-код 12 выполняется на следующих элементах,

Сумматор по модулю два 16 - на микросхеме К155ЛП5; управляемый делитель час- тоты 17 - на микросхеме К589ХЛ4; блок памяти 18 - на микросхемах Р537РУ8 или К53РФ5; сумматоры 19 и 20 - на микросхемах К555ИМ6. Реверсивный сумматор-усреднитель 13 выполняется на накапливающем сумматоре, состоящем из микросхем К555ИМ6 и регистре К555ТМ8. Формирователь задержки 14 выполняется на микросхеме 555АГЗ, а тактовый генератор 15-на микросхеме К531ГГ1.

Расходомер двухфазных сред работает следующим образом.

От источников 1 и 2 потоки гамма-квантов проходят через трубопровод 3 с протекающим через него двухфазным потоком (нефть-газ, вода- пар) и поступают на радиоизотопные датчики 4 и 5, где энергия гамма-квантов преобразуется в олектриче- ские сигналы, промодулированные по частоте экспоненциальной функцией, зави- сящей от плотности двухфазного потока. Изменение плотности двухфазного потока во времени связано со скоростью его перемещения в трубопроводе

Сигналы отдатчиков 4 и 5 поступают на первый б и второй 7 выходные преобразователи, где они преобразуются в нормированные по длительности и амплитуде сигналы со случайной частотой. Эти преобразованные сигналы при совпадении с сигналами тактового генератора 15 поступают на входы блока 8 усреднения и блока 9 вычитания. В блоке 8 усреднения частоты сигналов первого 6 и второго 7 выходных преобразователей складываются и делятся пополам, а в блоке 9 вычитания определяется их абсолютная разность. В блоке 8 усреднения определяется среднее значение двух сигналов в соответствии с формулой

Уср 0,5 10 { ехр - ар (t) +

+ (t-r0)},

где р (t), p(i- TO) - изменяющееся во времени значение плотности в моменты времени t.t- r0;

г0 - время транспортного запаздывания, величина которого связана с измеряемой скоростью потока V и расстоянием между датчиками 1 равенством

Го

ехр -ap(t), ехр - ар (t - Г0) - слагаемые, определяющие затухание первоначальной интенсивности в двухфазной среде;

10 - интенсивность гамма-квантов на выходах источников 1 и 2 с учетом поглощения в стенках трубопровода;

а - коэффициент, зависящий от геометрии трубопровода и состава двухфазной смеси.

На выходе блока 9 вычитания образуется разность

Ј ( TO ) 10 | ехр -а р (t) - ехр -а р (t -ть) J.

Сигналы с выхода блока 8 усреднения поступают одновременно на входы первого регистра сдвига 10 и многоканального управляемого преобразователя код-код 12. b преобразователе код-код 12 сигналы с выхода блока 8 усреднения поступают на вторые входы сумматоров по модулю два 16, на первые входы которых поступают сигналы с параллельных выходов первого регистра сдвига 10 с задержкой I At, зависящей от 1-го номера выхода регистра 10. В результате сложения сигналов.в сумматорах 16 по модулю два на их выхода образуются сигналы A yi (i 1,2,..,m), равные абсолютной величине разности их входных сигналов, то есть

Дуг 0,5 loj (t)+ ехр -ар (t - r0)- - ехр -5 р (t - ты) - ехр - а р (t - ты - r0)j,

где ты I At - время задержки сигнала на i-ом выходе регистра сдвига 10, 1,2,,.,гп;

Ayi - выходной сигнал 1-го сумматора по модулю два 16;

At - период следования сигналов тактового генератора 15.

Так как вычитаются нормированные импульсные сигналы,то их вычитание с операцией взятия абсолютной величины разности эквивалентно выполнено операций сложения по модулю два в соответствии с правилом

О

1

О 1

О 1

1 О

второго регистра сдвига 11. Результаты суммирования на первом 19 и втором 20 сумматорах в виде двоичных кодов поступают через выходы сложение и вычитание

многоканального управляемого преобразователя код-код 12 на соответствующие входы реверсивного сумматора-усреднителя 13, где они суммируются с учетом знака слагаемых. На сумматоре-усреднителе 13

0 по сигналу с выхода формирователя задержки 14 на каждом периоде тактовых импульсов генератора 15 накапливается двоичный код в соответствии с итерационной формулой

5 k(n-M)At k(r.At) +

IJ IcCnA.A.I+

N

m

At)lAt

Сущность изобретения: расходомер содержит 2 источника радиоактивного излучения (1,2). 1 тру бол ро вод (3), 2 радиоизотопных датчика (4,5), 2 преобразователя

где х,у - сигналы, поступающие на первый и второй входы сумматоров 16.

Сигнал с выхода i-ro сумматора 16 с частотой, равной разности Ayi, поступает на вход 1-го управляемого делителя частоты 17, входная частота которого делится в зависимости от кода, поступающего на его управляемые входы с выхода 1-го блока памяти 18.

В блок памяти 18 записывается предварительно информация в виде кода P(k), соответствующего функции от кода адреса k, имеющей вид

P(k)

1

ki At

гДе . квадратные скобки, определяющие взятие целой части от указанного в скобках выражения,

i 1,2...,m;k 1,2k;

k - максимальное значение адреса блока 18 памяти.

Для значения разности

Ayi «loalAt/Oc pfr, r0), ГДер р (t, го - №)+fft-tb)l сред.

нее значение производной от функции плотности р (t) в интервале (t, t - f0) на выходе i-ro управляемого делителя частоты 17 устанавливается следующее значение частоты I 1 - lo a I , .

/Зср (t, T0J,

fi Ayi

,

j

kiAt J k

i 1,2m.

На каждом периоде тактовой частоты генератора 15 значения сигналов в виде нуля или единицы, соответствующие наличию или отсутствию высокого потенциала на выходах делителей 17, суммируются на первом сумматоре 19 На втором сумматоре 20 синхронно с первым сумматором 19 суммируются сигналы с паргллельных выходов

- Axi},

где k (n + 1) At, k (n At) - значение кода на сумматоре-усреднителе 13 на (n + 1) -м и n - м шагах итерации; 1 k(nAt) K;

At - период следования сигналов тактового генератора 15;

N + г - число разрядов в сумматоре-усреднителе 13, причем г- Iog2m.

Так как код k (n At) с выхода сумматораусреднителя 13 поступает через вход преобразователя код-код 12 на адресные входы блоков памяти 18, то тем самым формируется цифровая нелинейная обратная связь, благодаря которой обеспечивается сходимость кода k (n At) к предельному значению К0, т.е.

llm k(n At)K0.

n

При этом для значения кода К0 выполняется приближенное, с точностью до погрешности измерения,равенство

ДУ v . д 3-Дх| 0

К01 At

или

lo а I | / / s i . А -К7|ДГМ -Г°)1|А - I0a |yO(t +l At)jr0.

Так как 0 iAt Т0, а на интервале г0 изменение производной от функции плотности /o(t) незначительно, то

|/aЈp(tr0)|«|/0(t + l4t)|.

Учитывая равенство То -гг получим,

что Ко V, то есть величина установившегося значения кода на реверсивном сумматоре-усреднителе 13 непосредственно

градуируется в единицах измеряемой скорости потока и подается на выходную шину.

Объемный Q и массовый W расходы определяются непосредственно по скорости потока по известным зависимостям:

Q V-S; W V-S/o(t), где S - площадь сечения трубопровода.

Быстродействие устройства повышается за счет того, что за один такт итерации (измерения) происходит сравнение информативных сигналов A yi и A xi не в одном канале, а в m параллельных каналах. В результате чего корректировка кода в сумматоре-усреднителе 13 осуществляется по более достоверной информации, чем в прототипе. Имеющаяся корреляция между сигналами A yi и A yi + 1, х| и Д xi + 1 незначительно влияет на скорость сходимости k (n At) к Ко и, следовательно, на быстродействие устройства из-за наличия конечной величины сечения коллиматорных отверстий в источнике 1. Иначе говоря, инерционность, возникающая от дополнительного скользящего усреднения, осуществляемого в предлагаемом устройстве для повышения трчности измерения посредством многоканального усреднения (или усреднения на текущем интервале m A t), не ухудшает динамическую погрешность измерения при соответствующем выборе числа каналов m по сравнению с соответствующей величиной динамической погрешности от коллиматора в прототипе. Ориентировочно быстродействием при фиксированной погрешности измерения или, наоборот, точность измерения при фиксированном быстродействии повышается в Vm раз.

Ф о р м у л а и з о б р ет е н и я 1. Расходомер двухфазных сред, содержащий первый и второй источники радиоизотопного излучения, первый и второй радиоизотопные датчики, выходы которых соединены с входами соответственно первого и второго выходных преобразователей, блок усреднения, первый и второй входы которого соединены с соответствующими выходами первого и второго выходных преобразователей и входами блока усреднения, тактовый генератор, соединенный с синхровходами первого и второго выходных

преобразователей,отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия, в него введены первый и второй регистры сдвига с параллельными выходами, много- 5 канальный управляемый преобразователь код-код, реверсивный сумматор-усреднитель и формирователь задержки, при этом выход блока усреднения соединен с последовательными входами первого регистра

0 сдвига и многоканального-управляемого преобразователя код - код, выход блока вычитания соединен с последовательным входом регистра сдвига, параллельные выходы первого и второго регистров сдвига соеди5 нены соответственно с первыми и вторыми параллельными входами многоканального управляемого преобразователя код - код, выходы сложения и вычитания которого соединены с соответствующими входами ре0 версивного сумматора-усреднителя, подключенного управляющим входом к со- овтетствующему входу многоканального преобразователя код - код и к выходной шине, входы синхронизации первого и втб5 рого регистров сдвига непосредственно, а соответствующий вход реверсивного сумматора-усреднителя через формирователь задержки соединены с выходом тактового генератора.

0 2. Расходомер по п. 1, отл и ч а ю щ и й- с я тем, что многоканальный управляемый преобразователь код - код содержит m сумматоров по модулю два, m управляемых делителей частоты, m блоков памяти и первый

5 и второй сумматоры, при этом первая группа параллельных входов преобразователя соединена с первыми входами m сумматоров по модулю два, а последовательный вход преобразователя соединен с вторыми

0 входами этих же сумматоров, выходы которых через управляемые делители частоты соединены с параллельными входами первого сумматора, управляющие входы m управляемых делителей частоты через

5 соответствующие блоки памяти соединены с управляющим входом преобразователя, вторая группа параллельных входов которого соединена с соответствующими входами второго сумматора, выходы первого и второ0 го сумматоров соединены с выходами сложения и вычитания преобразователя.

Фиг. 2

Редактор Т.Шагова

Составитель Р.Шуплякова

Техред М.МоргенталКорректор о.Юрковецкая