Корреляционный способ измерения расхода электропроводных жидкостей и двухфазных сред и устройство для его осуществления Советский патент 1982 года по МПК G01F1/72 G01F1/74 

Изобретение относится к приборостроению и предназначено для измерения расхода электропроводных жидкостей и двухфазных сред.

Известны корреляционные способы измерения расхода,основанные на измерении времени запаздывания по максимуму корреляционной Функции двух сигналов, поступающих от преобразователей, расположенных на определенном расстоянии друг от друга в двух сечениях потока. Преобразователи Корреляционных расходомеров создают непрерывные сигналы в соответствии с характером изменения случайных процессов в контролируемых сечениях, которые.далее.обрабатываются в корреляционной измерительной схеме 1 . Наиболее близким к предлагаемому является корреляционный способ измерения расхода, основанный на изме- , рении времени запаздывания методом взаимной корреляции двух шумовых сигналов, поступающих с двух магнитных расходомеров.

Этот способ, основанный на том, что течение электропроводной жидкости гейерируют на электродах магнит.ного расходомера постоянный и переменный электрический сигнал, причем

переменный сигнал является шумовым, безынерционен, так kaK в качестве датчиков используются магнитные расходомеры, которые практичеЬки безынерционны, но точность его невысока, так как она определяется, в основном, чистотой обработки внутренней поверхности трубопровода, на котором установлены магнитные расходомера.

10 Наличие на внутренней поверхнбсти трубопровода даже незначительных шероховатостей приводит к искажению эпюры скоростей жидкости в пограничном длое, а следовательно, к ис15кажению фортки шумового сигнала,что ведет к существенному снижению точности измерения. Изготовить трубопровод без шероховатостей на внутренней поверхности практически не20возможно.

Известный способ осуществляют устройством, включгиоцим в себя два магнитных расходомера, расположенных в двух, смещенных по потоку друг

25 относительно друга cieчeнияx трубопровода, и коррелятор, измеряющий время задержки прохождения шумовых меток между расходомерами путем вычисления функции взаимной корреля30 .

ilcMib изобретения - повышение точ :ости измерения.

Указанная цель достигается тем, что в корреляционном способе измерения расхода электропроводных жидкостей и двухфазных сред, заключающемся в измерении времени запаздывания по максимуму корреляционной функции двух сигналов, несущих информацию о расходе в двух сечениях трубопровода в качестве сигналов используют компоненты положительной и отрицательной полярности квадратурной составляющей выходного сигнала одного электромагнитного преобразователя расхода.

В устройстве осуществляющем предлагаемый способ, содержащем электромагнитный преобразователь расхода,выполненный в виде трубопровода с двум электродами, магнитную систему переменного тока, усилитель,демодулятор и статистический коррелятор,межд выходом демодулятора и первыг входом статистического коррелятора включен диод в прямом направлении, а между выходом демодулятора и вторым входом статистического коррелятора включен диод в обратном направлении.

На фиг. 1 представлена схема устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг, 2 - электромагнитный преобразователь расхода, сечение,проходящее через электроды вдоль оси трубопровода; на Фиг, 3 - зависимост весовой функции от расстояния вдоль оси Z; на фиг. 4 - график производно весовой функции вдоль оси Z; на фиг. 5 - зависимость изменения квадратурной компоненты сигнала от положения ,},

i 3

Ч

фиг, 2 частицы; на фиг, б - амплитуда выходного напряжения демодулятора в зависимости от величины сигнала помехи; на фиг. 7- график изменения выходного напряжения демодулятора; на фиг. 8 - сигнал, поступаюидий на первый вход статистического коррелятора; на фиг, 9 - сигнал, поступающий на второй вход статистического коррелятора.

Устройство (Фиг,1) содержит электромагнитный преобразователь расхода, содержащий трубопровод 1 с двумя электродами 2, магнитную схему 3 переменного тока, усилитель 4 переменного тока, блок 5 демодулятора, диоды б, статистический коррелятор 7, включающий в себя первое 8 и второе 9 входные устройства, управляющий блок 10 регулируемой задержки, блок 11 коррелятора и экстремальный регулятор 12.

Измерение расхода осуществляется следующим образом. ;

Когда переменное магнитное поле, создаваемое (фиг.2) магнитной .й 3 переменного тока, пронизывает

sTponi.iopojiiiyrf жидкость, находящуюся в трубопроводе 1, в жидкости индуцируется переменное соленоидальное электрическое поле, под действием которого возникают циркуляционные вихревые токи 13. , В случае, если конструкция преобразователя расхода симметрична относительно электрической нейтрали 14, а жидкость имеет однородную электропроводность во всем объеме кана Q ла/ на электрической нейтрали 14, вдоль которой установлены электроды, разностьпотенциалов равна нулю, вследствие симметрии вихревых токов, возникающих в жидкости по обе стороны от электрической нейтрали, 15 В случае, если в жидкости находится частица 15, обладающая электропроводностью отличной от электропроводности жидкости, то она нарушает симметрию вихревых токов и между 0 электродами (даже при отсутствии расхода) появляется сигнал, который при электромагнитном способе измерения является сигналом помехи, а его фаза сдвинута относительно магнитного поля

л

на угол р .квадратурная составляющая выходного сигнала электромагнитного расходомера). Очевидно, что вклад, вносимый инородной частицей в сигнал помехи, определяется геометрическими размерами частицы, ее электропроводностью, а также ее местоположением относительно электричесI кой нейтрали. Это учитывается весовой функцией V/, а точнее ее производной

5 вдоль оси Z (фиг.З и 4).

Вид кривой, отображающей характер изменения производной вдоль оси Z, объясняется следующим образом.

Когда частица 15 расположена дале0 от электрической нейтрали, например левее (фиг,2), где вихревые токи малы, сигнал помехи между электродами незначителен. По мере приближения частицы к линии электрической нейтра, ли 14, где вихревые токи более значительны, сигнал помехи возрастает, достигает своего максимального значения, а затем уменьшается до нуля на линии электрической нейтрали 14,Далее, при удалении от электрической нейтрали 14, сигнал помехи снова возрастает, однако его фаза изменяется на 180,а затем, при некотором удалении, амплитуда сигнала помехи спадает до нуля,

5 Максимальное значение сигнала помехи достигается в точках Ли В, соответствующих максимальному значению производной весовой функции (фиг,4). В свою очередь точки А и В соответствуют точкам а и а, (фиг, 2),являющимися точками пересечения частицей некоторых воображаемых поверхностей , им( во всех электромагнитных преооразователях расхода. Эти

5 поверхности обладают тем отличительным свойством, что все точки, распо ложенные на этих поверхностях, имею максимальное значение Сечения этих поверхностей изображены на фиг.2 под номерами 16 и 17, причем линия 16 пересечения (след) соответствует положительному значению производной (+) , а линия 17 пересечения - отрицательному Расстояние между линиями 16 и 17 пересечения воображаемой поверхности с плоскостью сечения определяется только геометрической формой канала и конструкцией электродов и для каждого типа электромагнитного преобразователя является величиной постоянной. Поэтому при пересечении частицей поверхностей, соответствующих Ivjl ° max, получаются всплески сигналов помехи, причем эти всплески сдвинуты по фазе относительно др друга на 180, так как поверхность, сечение которой изображено на фиг.2 под номером 16 соответствует су плах, а поверхность, сечение ко торой изображено под номером 17,соответствует 4у max. Если сигнал, снимаемый с электро дов электромагнитного преобразовате ля пропустить через демодулятор, oпopны 1 напряжением которого являет ся напряжение, сдвинутое по фазе относительно ичдукции магнитного поля на 90°, то на выходе демодулятора появится постоянное напряжение величина и полярность которого опре деляется положением движущейся частицы 15 относительно электрической нейтрали 14. Сопоставление фиг. 2-7 показыа также вает, что производная величина сигнала помехи и выходное напряжение демодулятора Ug«M достигает своего максимального значения точках, являющихся точками пересечения двих ущейся частицы 15 с воображаемьлми поверхностями, сечения которых изображены на фиг.2 под номерами 16 и 17. Причем знак произ водной , а также полярность сигна ла помехи и полярность выходного напряжения демодулятора изменяется с + на -, когда частица Пересекает линию электрической нейтрали 14. Поэтому, если частица начнет перемещаться вместе с потоком жидкости , то она будет занимать ряд положений, соответствующих точкам . (Лиг.2), а период времени между положи тел bHHTviH и отрицательными всплесками сигнала помехи будет определяться только скоростью движения частицы, так как расстояние между следами 16 и 17 воображаемой поверхности постоянно для каждого типа электромагнитного преобразователя. Чем быстрее будет двигаться частица, тем меньше будет время, за которое движущаяся частица пройдет постоянное расстояние между следами 16 и 17 воображаемых повегйсностей, имеющихся в трубопроводе и соответствующих I ах, и тем меньше период времени между компонентами положительной и отрицательной полярности (фиг. 8 и 9), поступающими на первый и второй входы статистического коррелятора; Этот период времени в изобретении и является мерой расхода. Устройство работает следующим образом. При движении по трубопроводу потока .электропроводной жидкости, содержащей множество инородных включений (пузырьков воздуха и газа, твердых частиц и т.д.), на токосъемных электродах 2 индуцируется сигнал, обусловленный взаимодействием потока электропроводной жидкости с магнитным полем, создаваемым индуктором 3 возбуждения магнитного поля. Этот сигнал, включающий в себя квадратурную и синфазные составляю1цие, усиливается: усилителем 4 переменного тока, после чего подается на вход блока 5 фазочувствительного демодулятора, который пропускает только квадратурную составляющую (синфазная составляющая подавляется благодаря фазовой чувствительности блока 5 демодулятора). Далее выходной сигнал блока демодулятора с помощью включенного в прямом направлении диода между выходом демодулятора и первым входом статистического коррелятора и диода, включенного .в обратном направлении между выходом демодулятора и вторым входом статистического коррелятора, разделяется на компоненты, положительной и отрицательной полярности. Компонента положительной полярности поступает на первое входное устройство 8 статистического коррелятора, а компонента отрицательной полярности - на второе входное устройство 9 статистического коррелятора . С выхода первого входного устройства 8 сигнал поступает непосредственно на вход блока 11 коррелятора, а с выхода второго входного устройства 9 - на вход блока 11 коррелятора через блок 10 регулируемой задержки. Блок 11 коррелятора определяет корреляционную функцию двух поло5них сигналов, сдвинутых между собой во времени. Согласование во времени поступающих на блок 11 коррелятора сигналов, соответствующих максимуму корреляционной функции, производится экстремальным регулятором 12, управлякхчим блоком 10 регулируемой задержки .

Мерой расхода служит величина, обратная времени запаздывания, полученная при максимальной функции корреляции компонент положительной и отрицательной полярности квадратурно составляющей выходного сигнала электромагнитного расходомера.

Измерение расхода предлагаемым способом позволяет существенно повысить точность измерения, так как амплитудное значение квадратурной составляющей выходного сигнала электромагнитного расходомера, а следовательно, и его компонент положительной и отрицательной полярности/ обычно на несколько порядков вьпие ампли- тудйых значений сигналов помех, образованных местньоии турбулизациями потока. Это обстоятельство практически полностью исключает влияние на квадратурную составляющую сигналов пульсаций, вызванных шероховатостью стенок трубопровода.

Использование же в качестве датчика электромагнитного расходомера позволяет применить этот способ для измерения быстроменяиичихся и пульсирующих расходов, так как электромагнитные расходомеры практически безынерционны.

Формула изобретения

1.Корреляционный способ измерения расхода электропроводных .жидкостей и двухфазных сред, заключающийся в измерении времени запаздывания по максимуму корреляционной функ-ции двух сигналов, несущих информа- , цию о расходе в двух сечениях трубопровода, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, в качестве сигналов используют компоненты положительной и отрицательной полярности квадратурной составляющей выходного сигнала одного электромагнитного преобразователя расхода.

2.Устройство для осуществления способа по п.1, содержащее электромагнитный преобразователь расхода, Вшолненный в виде трубопровода с

0 двумя электродами,магнитную систему переменного тока, усилитель, демодулятор и статистический коррелятор, отличающееся .тем, что .между выходом демодулятора и первым входом статистического коррелятора включен диод в прямом направлении, а между выходом демодулятора и вторым входом статистического коррелятора включен диод в обратном направлении.. .

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества, л., Машиностроение, 1975, .с. 648-650.

2. Патент США 3967500, кл. 73-194, 1976.

Выход

ipat.f

/J 7ff

13 1

/7 / / /

f.

ff г . /////////Ш /////// /////7//7////К/// //7/////7// fput.

(put.f

Of QZ РЗ Oif as ctf Qj

t

(риг. 8

%,

(Риг. 9