Корреляционный измеритель скорости потока Советский патент 1980 года по МПК G01F1/00 G01F15/04 

Изобретение предаазначено для измерения скорости и определений направления потока жидкостей, суспензий и газов, перекачиваемых по трубопроводам., Известен ультразвуковой (УЗ) расходо мер, содержащий преобразователь, две схе мы синхрокольца, состоящие из усилителей импульсов, генераторов импульсов и пьезе элементов, схему совпадения, формирователь и частотомер, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений на выходе генератора импульсов Каждой схемы синхрокольца подключен соот ветствующий одновибратор, выход которого соединен с соотвегствуюшим входом схемы совпадения, причем выход схемы совпадения соединен через фсфМ5фо ватель с частотомером 1.11. Недостаточная точность такого расходо мера обусловлена акустическими псмехами, возникающими в перекачиваемой жидкости или суспензии, например, вследст ВИИ движения в турбулентном режиме. Кро ме того, этому расходомеру характерно низкое быстродействие. Известны устройства, в которых испольгзуются активные излучатели, сигналы которык модулируются флуктуациями теку щей жидкости 2. Низкая точность таких устройств обусловлена тем, что используются сигналы с базой В 2fT « 1, где F - ширина спектра. Т- длительность реализации .При этом требуются значительные отнощения сигнал/шум на выходе приемника, так как при детектировании неизбежны потери. Известен ультразвуковой расходомер, содержащий установленные на трубопроводе излучатель и приемник и соединенное с ними решающее устройство, отличающийся тем, 4TOf . -решающее устройство вь полнено по схеме экстремального корр&« лометрвц вкод блока задержки которого соединен с излучателем, а вход умножитела с приемником 3. Низкая точность этого расходомера в ooioBHOM обусловлена двумя причинам . 37 а) в этом устройстве применяются тфо обраэователи, которые могут возбуждать УЗ колебания только в узкой полосе чаотот о) яри измерении зондирующие акустические колебания дважпы проходят слоисты среды (стенки трубопровода), поэтому раэ ным составляющим шумоподобиого акусти ческого процесса характерны различные коэффициенты преломления и поглощения, из-за чего зондирующему сигналу присущи большие нелинейные искаже1шя частотного и энергетического спектра, которые ухуд шйют точность и надежность измерения. Кроме того, расходомер не определить направление движения потока; Целью изобретения является повышение ТОЧНОСТИ измерения и определение ншфавления потока, Поставле11ная цель достигается тем, что ультразвуковой расходомер снабжен вторым приемником, измерителем временных интервалов, фушсциональным преобразователем, решающим устройством, задающим генератсром и переключателем, ЕКОДЫ которого соединены с первым и вторым приемниками, а выход - со вторым входом Кдррёлокгётра, выход которого через после довательно соединешшю измеритель временных интервалов и функциональный пр&образователь подключен к решающему устройству, а выход задающего Генератора СОеДИйен с управляющими входами из№ё|рйтёля еременньк интервалов и переклю чателя, при этом ис.и1учатель и приемники расположены в углах прямоугольного тре угольника и выполнены в виде круглых стержней, полязированных ь продольном направлений, причем рабочие электроды нанесены на торцовую и боковую поверх нос ти излучателя, а электрод на боковой поверхйостй излучателя и введенного приемника вьтолнен в виде кольца, плоск:ость которого расположена под углом с торцовой плоскость стержня,. ,На фиг, 1 показана С1р тстурная схема предлагаемого устройства; на фиг, 2 -диаграмма направленности гфеобразователей; на фиг, 3 - частотная .-зависимость коэффи циента передачи применяемых акустических преобразователей. УстройстЕЮ содоржит арубопровод 1, на котором установлены излучат хь 2, пер вый 3 и.второй 4 приемники шумоподобных УЗ колебаний, нахогипиихся в непосрел ственном акустюшском контакте с; движу- щимся потоком. При этом излучатель 2 и приемники 3 и 4 раслюложоны в углах 22 тфямоуголыюго треугольника так, что оси симметрии излучателя и первого гфиемника 3 совпадают, а прямая, соединяющая геометрические центры активных поверхностей излучателя 2 и второго приемника 4 с касательными этим поверхностям составляет определенные углы, равные о . Устройство содержит также генератор шума 5; коррелометр 6, первый вход которого параллельно соединен с выхоцом г-еноратора шума И входом из.чучателя 2, а вьтхЬд - с измёрите31ем временньгх интервалов 7; функционалы1ый преобразователь 8, к входам которого непосред:;твенно подключены первый и второй выходы измерителя интервалов в{эемени 7, а выходы соответственно соединены с первым и вторым входами решающего устройства О; задающий генератор 10 и переключатель 11. Устройство работает следующим образом, Под непрерывным воздействием выход- ного напряжения генератора шума 5 излучатель 2 возбуждает Ш1фокополосныо акустические колебания x(t) случайного характера, которые распространяются в потоке, . .. Излучатель 2, первый 3 и второй 4 приемники выполнены в виде круглых стержней, поляризованных в продольном направлении. Рабочие электроды нанесены на торцовую поверхность пьезоэлектрического стержня и боковую поверхность (кольцевой). Такое расположение рабочих электродов позволяе- реализовать пьезрпрео&разователи с неоднородным полем. Для пьезопреобразователей 2, 3 и 4 с неоднородным полем источниками ультразвуковых волн являются торцовая поверхность пьезоэлектрического стержня у электрода и плоскость, в которой расположен боковой электрод. Поскольку электрод на боковой поверхности пьезоэлектрического стержня Выполнен в виде кольца, которым распйложен в плоскости, составляющей определен1Ш1й угол с торцовой плоскостью стержня, иэ-чза интерференции акустических сигналов в стержне, вызывае мой линейноизменяющемся расстоянием между плоскостями электродов, диаграмма направленности такого пьезопреобразователя имеет два максимума: первый, перпендикул$фньи{ к торцовой плоскости, второй, р сположе ный под углом в 45° к торцовой пове14хности пьезопреобразователя (см,фиг,2). Это вызвано тем, что при импульсном возбуждении таких пьезопреобразователеЛ на излучающей поверхности торцового электрода получается нераиюмерное но амплитуде и 4iopMe распределения упругих смешений Диаграмма направленности пьезопре- образователя 3, рабочие электроды которого являются параллельными, имеет мак- симум, перпендикулярный к торцовой поверхности, Пьезопрообразователи с нроднородн1,гм полем обладают широкой полосой пропускания. На фиг. 3 приведена амплитудно-частотная характеристика электроакустической цепи пьезоизлучатель 2 ньезоприемник 4 для пьезопреобразователей с нео;1лородиым полем при работе в воде { . - нормированный коэфф1ьциент передачи электроакустической цепи, f - частота). Широкий частотный спектр передаваемого через исследуемую среду акустического сигнала позволяет значительно повысить точность корреляционного измерителя скорости потока.

Шумоподобные колебания x(t), возбужденные излучателе ;, 2, принимаются первым 3 и вторым 4 .приемниками. Скорость распространения УЗ.колебаний в направлении от излучателя 2 до первого 3 ивторого 4 приемников различна: скорость распространения в направлении излучатель 2 - первый приемник 3 V с в направлепии излучатель 2 - второй приемник 4 Vg с +) , где с - скорость УЗ колебаний, в стоящем потоке,

V - скорость потока. Информация о зна- чениял си V заключёна в величинах Vj и 1. . Так как заранее известны расстояния зондирования: излучйтель 2 - первый 3 приемник (равно V ) и излучатель 2 - второй 4 приемник (равно & ), вместо

М. и V целесообразно измерять о&ратно пропорциональные этим величинам временные интервалы t И . необходимые для прохождения шумоподобными УЗ колебани51ми х( t) хтсазанных расстояний. Для определения временных интервалов Cj и t на первый аход коррелометра 6 подключен выход генератора шума 5, а на .второй через пер.еключатель 11, поочере/ но подключаются выходы первого 3 и второго 4 приемников.

Вычисленные взаимокорелляциойных функций излученных и принятых сигналов начинается по командам задающего генератора 10. В начальный момент времени задающий генератор одновременно запускает измеритель временных интервалов 7 и пе- реводит переключатель 11 в состс$шие, когда выход первого приемника 3 подклк чен ко второму входу коррелометра б.Первый приемник 3 принимает Шумоподобные

процессы х( t ), зашржанные 1ю времени. Поэтому в максимума взаимокор- реляционной функции на выходе коррелометра 6 огфеделяется наиболее вероятный временной ин(герв1ал Cj Ь/с . Как бьнло отмечено вьше, измеритель интервалов бремени 7 зДтускается от управляющего импульса задающего генератора 10, а выход корреледлетра 6 последовательно no/tключен к входу измерителя интервалов времени 7. Следовательно в моментмаксимума взаимокорреляционной функции на пер вом выходе измерителя интервалов времени 7 сформируется прямоугольный импульс длительностью f . При этом задающий г&нератор 1О заново запускает измеритель 7 и переводит пе{реключатель 11 в такое состояние, когда выход второго приемни ка 4 подключен ко второму входу к(3ррелометра 6. Б данном случае в момент масимума взаимокорреляиионной функции на выходе коррелометра 6 определяется наиболее вероятный временной интервал и / (с Vc,o.). Аналогичным путем на втором выходе измерителя временнькинтервалов образуется прямоугольный импульс длительностыо С, . После некоторых преобразований выражений, определяи t , получают

ющих с С-.

Для реализаций алгоритма (,1) выходьг измерителя интервалов времени 7 непосредственно соединены с и вторым входами функционального преобразователя 8. Прямоугольный импульс длительности -Г. с первого выхода измерителя интервалоэ времени 7 подается на первый вход функционального преобразователя 8, на выходе которого образуется постоянное напряжение iU , пропорциональное длительности импульса t: . Напряжение U, на определенное время запоминается пиковым детекторе и подается на первый вход решающего устройства 9. На второй вход решающего устройства поступает постоянное напряжение Uj. . пропорциональное длительности импульса tr . Решающее устройство 9 содержит два .канала ихода, делитель, выходной канал и цифровой индика гор. Оно в основном выполняет следующие функции; в первом канале входа делит постоянное напряжение и ; ч 0 , получая сигнал пропорциональный отношению . вычитает постоянное h/P., во втором канапе напряжение U умножает на постоянный коэффициент К 2 -V -7P. . На въ ходе делителя получается сигнал i HaJl/i пропорциональный скорости потока v , который в выходном канале кодируется в цифровую форму и подается на цифровой индикатор. Реализация (1) поэволяет не только определитьабсолютное значение скорости потока V , но и установить его направление. Информация о правлении потока заключена в знаке разНЕЦЬ (алгоритм 1). Поэтому знак величины V однозначно определяет направление Г|отока.

Фопмула изобретения

Корреляционный измеритель скорости потока, состоящий из установленных на трубопроводе излучателя и приемщика уль-рразвуковых колебаний, генератора шума, 20 выход которого соединен с излучателем и первым входом экстремального Kqape лометра, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения и определения направления потока, он 25 снабжен вторым приемниксям, измерителем феменных интервалов, фyшщиoнaлыiым преобразователем, решающим устройством, задающим генератором и переключателем 735

го треугольника и выполнены в виде круглых стержней поляризованньос в продольном направлении, причем рабочие электродьт нанесены на торцовую, и боковую поверхности излучателя, а электрод на боковой поверхности излучателя и введенного приемника вьшолнен в виде кольца. 2. 8 входы которого соединены с первым и вторым приемниками, а выход - со вторым входом коррелометра, выход которого через последовательно сЬединенные измери- тель временньгх интервалов и функциональный преобразователь цодключен к pemaioщему устройству, а выход задающего генератора соединен с управляющими ЕКОД&ми измерителя ременных, интервалов и переключателя, при этом излучатель и приемники расположены в углах прямоугольноплоскость которого расположена под углом к торцовой плоскости стержня. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР № 468094, кл. ОО1 F 1/00, 1975. 2. Па-гент Великобритании № 1359151,. кл. G1 N, опублик. 1974. .3, Авторское свидетельство СССР No 446753, кл. G,01 F 1/00, 1975 (прототип).