Корреляционный измеритель скорости рабочей среды

 

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

„„SU„, Й58936 А

COIO3 СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН 5р С 01 Р 3/64; С 01 P 3/68

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

П0. ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3680304/24-10 (22) 26. 12. 83: (46) 30.05. 85. -Бюл. 11 20 (72) Ю. С. Климов, M. Х. Снытко, А.В.Смыков и А.Б.Шадрин (71) Ленинградское ордена Октябрьской Революции высшее инженерное морское училище им. адм. С.О.Макаро. ва (53) 531.768(088 8) (56) 1. Горлин С.М. Экспериментальная аэромеханика. M., "Высшая школа", 1970, с. 100.

2. Ильинский В.M. Бесконтактное измерение расходов. M. "Энергия", 1970, с..82-89, рис. 39.

3. Козубовский С.Ф. Корреляционные экстремальные системы. Справочник, Киев, "Наукова думка", 1973, с. 20-24 (прототип).

4. Преображенский В.П. Технологические измерения и приборы..И,, "Энергия", 1978. (54)(57) КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ

СКОРОСТИ РАБОЧЕЙ СРЕД1, 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 соедине-., ны соответственно с вторыми входами преобразователей напряжение-код, второй выход блока задержки соединен с третьим входом коммутатора и с вторым входом арифметического устройства, отличающийся- тем, что,. с целью повышения точности измерения средней скорости потока рабочей среды., в устройство дополнитель- щ но введены дискриминатор, блок синхронизации, логическое устройство и программный задатчик, причем выход второго по ходу движения патока датчика соединен с входом дискрнминато- Я ра, выход которого соединен с входом блока синхронизации, выходы блока синхронизации соединены соответственно с четвертым входом коммутатора, с третьим входом арифметического устройства, с вторым входом логичес- © кого устройства.и с вторым входом блока задержки, выход программного Ф задатчика соединен е четвертым входом арифметического устройства, а датчики рстановлены диаметрально.

1158936 г

Изобретение относится к средствам измерительной техники, предназна1 чено для измерения средней скорости

1 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. t0

Известны устройства для измерения скорости рабочей среды, содержащие датчик, установленный в трубопроводе (например, в выхлопном коллекторе дизеля), и регистрирующий прибор. При этом в качестве датчика используется дифференциальная напорная трубка

Лито, расположенная входным отверстием навстречу потоку измеряемой среды, а регистрирующим Йрибором разнос-2О ти полного и статического давлений, по которому на основании управления

Бернулли определяется скорость течения рабочей среды, является дифференциальный манометр Р1 3.

Недостатками известного устройства являются низкая оперативность измере— ния скорости рабочей среды и невозможность применения в системах автоматики. Кроме того, в потоках, имеющих пульсирующий характер, рассмотренное устройство не применяется. Оно применяется только для измерения скорости движения потоков, описываемых неслучайными, медленно изменяющимися сигналами, и не позволяет измерять сред35

\ нюю скорость движения потоков, описываемых случайным процессом.

У

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, коммутатора и арифметического устройстра, экстремальный регулятор, генератор меток для создания псевдослучайных бинарных последовательностей, подключенный на .некотором расстоянии перед датчиками. При этом в качестве датчиков использованы датчики температуры (термопары) 2 j.

Недостатками известного устройства55 являются низкая точность и достоверность измерения средней скорости рабочей среды из-за большой инерционности термопар и установки нх в потоке друг за другом, узкий частотный диапазон измерения средней скорости потоков, описываемых медленно изменяющимися сигналами из-за изменения плотности меток, что ведет к сужению--спектра выходных сигналов датчиков, к расширению 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. Цанное устройство для измерения .средней скорости рабочей среды 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 мак. симальном уровне, индикатор скорости, генератор бинарной последовательности меток и формирователь меток, включающий приводимый 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) (3 3.

Однако данное устройство характеризуется невозможностью работы с широкополосными случайными процессами в связи с большой инерционностью датчиков, нестабильностью характеристики

8936 4 низации, 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 (2 Ч Т, где V — средняя скорость движения рабочей среды;

Т вЂ” время протекания одного цикла движения рабочей среды, друг от друга в направлении движения рабочей .среды установлено не менее двух чувствительных элементов датчиков в различных продольных плоскостях (например, под углом сЕ 180 с целью устракения влияния возмущений, создаваемых в потоке,при обтекании первого по хо- ду чувствительного элемента датчика на показания второго), при этом глу бина их погружения в потоке одинакоравна 0,762 de„72,где dвн внутренний диаметр трубопровода, в котором установлены чувствительные элементы датчиков (4 3..

В качестве датчиков использованы две малоинерционные 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.

3 115 термодатчиков, требуемой частой гра= дуировки, и 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 достоверность измерения средней скорости по. токов, описываемых случайным процес- 10 сом, сужает частотный диапазон такого процесса, уменьшает надежность работы всего устройства. Последняя также заметно понижается при применении тер- мопар в потоках с высокими температурами. Кроме того, ограниченность частотного диапазона и временного интервала входных сигналов, поступаю— щих на коррелятор, является главным источником статистической погрешности при измерении средней скорости.

Целью изобретения является повышение.точности и достоверности измерения средней скорости потока рабочей среды, описываемого широкополосным .д5 квазистационарным случайным процессом, что является актуальным при создании более совершенных высоконадежных, автоматизированных энергетичес- ких установок, например судовых дизелей как с постоянным, так и с импульс1 ным газотурбинным наддувом.

Указанная цель достигается тем, что в устройство, содержащее. два датчика, установленные в потоке на фик-. сированном расстоянии друг за другом и коррелятор, состоящий из двух преобразователей напряжение — код, блока задержки, коммутатора и арифметического устройства, причем выходы 40 преобразователей напряжение — код соединены соответственно с первым и вторым входами коммутатора, выход. коммутатора соединен с входом арифметического устройства, первый и вто- 45 рой выходы блока задержки соединены соответственно с вторыми входами пре-. образователей напряжение — код, второй выход блока задержки соединен с третьим входом коммутатора и с вто-50 рым входом арифметического устройст/ ва, дополнительно введены дискриминатор, блок синхронизации, логическое устройство и программный задатчик, причем выход второго по ходу 55 движения потока датчика соединен с входом дискриминатора, выход которого соединен с входом блока синхроЯ

Установка в качестве датчиков pasности полного и статического давлений дифференциальных напорных трубок

Пито позволяет измерять среднюю скорость потоков при дозвуковом течении, описываемых широкополосным квазистационарным случайным процессом с естественными метками в потоке (изменение разности давлений за цикл), создаваемыми в процессе выпуска, например, отработавших газов из цилинд" ров работающего дизеля. При этом постоянная времени запаздывания дифференциальных трубок Пито значительно ниже постоянной времени запаздывания малоинерционных датчиков темпе- . ратуры, что обусловливает с учетом установки чувствительных элементов

1158936 датчиков в различных продольных плоскостях к направлению потока повыше> ние точности определения взаимно, корреляционной функции, а отсюда и точности измерения средней скорости и 5 расхода. рабочей среды. Кроме того, установка дифференциальных трубок

Пито и отсутствие в предлагаемом изобретении генератора бинарной по- следовательности меток и формирователя меток повышает надежность устройства, упрощает.его конструкцию и обслуживание.

На чертеже приведена схема предлагаемого корреляционного измерителя средней скорости рабочей среды.

Корреляционный измеритель средней скорости рабочей среды (например, отходящих газов дизеля) содержит две дифференциальные напорные трубки Пито 1, и 1, установленные в выхлопном коллекторе 2 дизеля на фиксированном расстоянии 5 одна от дру— гой в направлении движения газов в различных продольных плоскостях (например, под .углом о{=180 1. Каждая трубка Пито соединена с входом соответствующего преобразователя 3 давление — напряжение, выход которого ñîåдинен с первым входом соответствую- 30 щего преобразователя 4 напряжение— код. Выходы преобразователей 4„ и 4. напряжение — код соединены соответ ственно с первым и вторым входами коммутатора 5, выход которого соеди- 35 нен с первым входом арифметического устройства б. Выход арифметического устройства б соединен с первым входом логического устройства 7, выход которого соединен с первым входом 40 блока 8 задержки. Первый и второй выходы блока 8 задержки соединены соответственно с вторыми входами преобразователей 4„ и 4 напряжение код. Второй выход блока 8 задержки также. соединен с третьим входом коммутатора 5 и с вторым входом арифметического устройства б. Выход преобразователя 3 давление — напряжение также соединен с входом дискриминатора 9, вЫход которого соединен с входом блока 10 синхронизации. Первый, второй, третий и четвертый выходы блока 10 синхронизации соединены соответственно с четвертым вхо — . 55 дом коммутатора 5, с третьиМ входом арифметического устройства 6, с вторым входом логического устройства 7 и с вторым входом блока 8 задержки.

Выход программного задатчика 11 соединен с четвертым входом арифметического устройства 6. Третий выход

1 блока 8 задержки соединен с указате— лем времени задержки

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Движущийся в выхлопном коллекторе.2 судового дизеля отработавший газ х() можно разложить на две составляющие:

x(t) — импульсный полезный сигнал и x (t) — широкополосная аддитивная и помеха. Период следования импульсов сигнала x(t) определен периодом вы-. пуска газов иэ цилиндров дизеля, а скорость движения импульсов сигнала х (t) характеризует среднюю скорость движения газа x(t) а, следовательно, и его расход в выхлопном коллекторе. Основной задачей предлагаемого устройства является измерение средней скорости движения импульсов x(t) в выхлопном коллекторе 2.

Для этого с помощью двух дифференциальных трубок Пито 1, и 1, установленных в потоке газа на фиксированном расстоянии 3 мм Ю7 Т одна от другой в направлении движения рабочей среды и расположенных в поперечном сечении коллектора на одном радиусе в различных продольных плоскостях (например, под углом d.=180 друг к другу), двух преобразователей 3,, 32 давление — напряжение, двух преобразователей 4,, 4 напряжение — код, производится.преобразование разности давлений зашумленного газового потока в выхлопном коЛлекторе в два цифровых сигнала

+ п) время тр спортного запаздывания сигнала с выхода преобразователя 4 напряжение — код из-за движения газа от напорной трубки Пито 1, к напорной трубке Пито t<. Указанное пространственное расположение трубок Пито и разделение путей передачи сигналов x(t1) H х(, + 7„) обеспечивает статистическую независимость помех х „(;) и х„(;+ ь„), т.е. при вычислении взаимной корреляционной функции эти некоррелированные помехи исключаются. По форме взаимйой корреляционной функции можно, судить о доле второй фазы в газовом потоке.

С помощью двух преобразователей 4„, 4 напряжение — код комму7 1158 татора 5, арифметического устройства 6, блока 8 задержки производится измерение взаимной корреляционной функции

К12(! ИГТЗ (t;) U(t;+ ))

5 где Й вЂ” оператор математического ожидания;

U (t,.) — производная от.сигнала U(t:).

С помощью логического 7, арифметического б устройств, программного 10 задатчика 11 и блока 8 задержки регулируется задержка 7 сигнала U (t.)

1 по отношению к сигналу U(t;+t до тех пор, пока, (R12(<з )-лК)ЙО, т.е. взаимная корреляционная функция

R„ (, ) не уменьшится до заданной ошибки ай npu i и c . При этом на блоке 8 з аде ржки задержка = „може т ечитываться на выход устройства для оиределения средней скорости движения газа. Время задержки, соответствующее максимум взаимной корреляционной функции идентично времени пролета импульсного полезного .сигнала между трубками Пито. Соответственно, 25 можно вычислить скорость газового потока по положению максимума взаимной корреляционной функции.с помощью аналоговой схемы регулирования и его расход по формуле

QecP» е»

3 где Р - площадь поперечного сечения трубопровода.

Для упрощения дифференцирования .сигнала U(t .) в предлагаемом устрой35

1 стве с помощью арифметического устройства 6 из исходного .сигнала U(t<) формируется разностный сигнал 5U(t „)

О(е )-.0(.„) (е; —.с,-,)=4с <", .где аа -4 шаг квантования по времени сигналов

U(t; ) и U{t „+С ), в преобразователях 41 и 4 напряжение — код. Использование разностного сигнала и его знаковой полярности обеспечивает сокращение объема вычислений при определении взаимной корреляционной функции по формуле К„,.(Г)= g SignU{(t ° )SignU(t + „) о

Ю о 50

Для сокращения рабочего диапазона и времени иэиерения по задержке взаимной корреляционной функции

R „ (i) a предлагаемом устройстве используется дискриминатор 9 и блок 10 синхронизации. Дискримина936 8 тор 9 срабатывает в те моменты времени t, когда появляется очередной всплеск разности давлений газового потока в, выхлопном коллекторе 2 (т.е. очередной импульс в сигнале

U(t; + „). В этот момент дискриминатор 9 с помощью блока 10 синхронизации запускает очередной цикл измерения взаимной корреляционйой функции в коммутаторе 5, арифметическом устройстве 6, логическом устройстве 7, блоке 8 задержки. При этом дифференциальная трубка Пито 12 служит как для измерения разности цолного и статического давлений газа, так и для контроля появления очередного всплеска разности давлений, служащего сигналом срабатывания дис-. криминатора 9.

Получаемая эффективность предлагаемого устройства по сравнению с прототипом обеспечивается за счет повышения точности и достоверности определения взаимной корреляционной функ. ции, а следовательно, точности и достоверности измерения средней скорости движения газов, описываемых широкополосным, квазистационарным случайным процессом в результате применения иалоинерциоиных датчиков (инерционность чувствительных элементов датчиков уменьшается в 35 раз,.что приводит к снижению динамической погрешности) — дифференциальных трубок Пито 1„, 1, преобразователей 32 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 12 с; повышения надежности предлагаемого измерителя скорости, упрощения его конструкции.и обслуживания благодаря применению дифференциальных трубок Пито 11 и 12 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.

1158936

A-A

Составитель l6 Ìðó÷êî .Редактор Т.Митейко Техред С.йовжий Корректор Л.Пилипенко .

Заказ 3579/44 Тираж. 897 . Поднисиое

ВНИИПИ Государственного комитета. СССР

rto делам изобретений" и открытий ,1 13035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная, 4