Расходомер двухфазных сред

 

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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si)s G 01 F 1/712 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (госпАтент сссР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4810362/10 (22) 04,04.90 (46) 23,12.92. Бюл, М 47 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт электроизмерительных приборов (72) Э.ПХихонов и M.Ï.Ñåëèâàíoâà (56) Авторское свидетельство СССР

К 1191737, кл. G 01 F 1/712, 1982.

Авторское свидетельство СССР

М 1592728, кл. G 01 F 1/712, 1989.

„„5U„„ 1783394 А 1 (54) РАСХОДОМЕР ДВУХФАЗНЫХ СРЕД (57) Сущность изобретения: расходомер содержит 2 источника радиоактивного излучения (1,2). 1 трубопровод(3), 2 радиоизотопных датчика (4,5), 2 преобразователя (6,7), 1 блок усреднения (8), 1 блок вычитания (9), 2 регистра сдвига (10,11), 1 многоканальный управляемый преобразователь код — код (12), 1 реверсивный сумматор — вычитатель (13), 1 формирователь задержки (14), 1 тактовый генератор (15). 1 — 4-6 — 8 — 1012-13, 2 — 5 — 7 — 9-11 — 12, 15 — 14-13, 6-9, 7 — 8, 15-6, 15-7, 15-11, 15-10, 8-12. I з.п, ф-л ы, 2 ил.

1783304

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 процессамй. Устройство может быть также исйользовано для измерения скорости движения контролируемой среды без непосредственного койтакта с ней.

Известен корреляционный расходомер двухфазных сред, содержащий первый и второй первичные преобразователи, четыре формирователя временных интервалов, два блока регулируемой задержки, четыре умножителя, два вычитающих устройства, два интегратора и суммирующее устройство. К недостаткам известного устройства относится низкое быстродействие регулировки времени транспортного запаздывания изза 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 = /To (где l — расстояние между датчикамидо - 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 сравйения, преобразователь код-код и блок управления. Причем блок усреднения пер.вым 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

10 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, рав15

20 ной 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 раллельных выходов ограничивается ропу- . стимой сложностью устройства, а также погрешностью аппроксимации аналога структурной функции линейным приближе30 нием. В отличие от известного расходомера двухфазных сред предлагаемое устройство позволяет также повысить быстродействие при сохранении заданной точности и помехоустойчивости за счет параллельного на35 копления информаций об изменении плотности потока в зависимости от изменения его скорости с последующим усреднением. Причем параллельное накопление информации в предлагаемом устройстве

40 стало возможным благодаря введению нелинейной многоканальной обратной связи, образуемой сумматором-усреднителем и многоканальным управляемым преобразователем код — код с приспособленной инди45 видуально для каждого канала нелинейной регулировкой в зависимости от величины задержки, формируемой регистрами сдвига, На фиг.1 приведена блок-схема заявля50 емого устройства; на фиг.2 — блок-схема многоканального управляемого преобразователя код — код.

Расходомер двухфазных сред(фиг.1) 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 6 и 7, блок 8 управления

25 второго регистров сдвига. Причем число па1783304 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 генератор 15. Многоканальный управляемый и реобразователь 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 pjjMMBTo. ры. 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 вЂ” 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

155ТК2 (555ТН2) и К155ЛП5 (555ЛП5) соответственноо, Первый 10 и второй 11 регистры сдвига могут быть реализованы, например; на микросхеме К155ИР13.

Многоканальный управляемый преобразователь код-код 12 выполняется на следующих элементах, Сумматор по модулю два 16 — на микросхеме К155ЛП5; управляемый делитель частоты 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 дзтчики 4 и 5, где энергия гамма-квантов преобразуется в электрические сигналы, промодулированные по частоте экспоненциальной функцией, зависящей от плотности двухфазного потока.

Изменение плотности двухфазного потока во времени связано co GKopocTb)o его перемещения в трубопроводе, Сигналы от датчиков 4 и 5 поступа)от на первый 6 и второй 7 выходные преобразователи, где они преобразуются в нормированные по длительности и амплитуде сигналы

5 . со случайной частотой. Эти преобразованные сигналы при совпаденйи с сигналами тактового генератора 15 поступа)от на входы блока 8 усреднейия и блока 9 вычитания, В блоке 8 усреднения частоты сигналов перcoro 6 и второго 7 выходных преобразователей складываются и делятся пополам, а н блоке 9 вычитания определяется их абсолютная разность, В блоке 8 усреднения определяется среднее значение двух сигналов

15 в соответствии с формулой уср = 0,5 Ip (ехр (- Bp (t)) +

+ ехр (- ар(с-rp))), где р(с),р(— tp) — изменяющееся но времени значение плотности в моменты времени

20 1д — хо, х — время транспортного запаздывания, величина которого связана с измеряемой скоростью потокз V и расстоянием между датчиками 1 равенством

Ч=

I хо ехр (-àp(t)). ехр (- àp(t — хо)) — слагаемые, определяющие затухание первоначальной интенсивности в двухфазной среде;

Iо — интенсивность гамма-квантов на выходах источников I и 2 с учетом поглощения в стенках трубопровода; а — коэффициент, зависящий от геометрии трубопровода и состава двухфазной

35 смеси, На выходе блока 9 вычитания образуется разность

e (т, ) = (, j ехр (-а р (t)) —. exp (-а р (t о) )j, Сигналы с выхода блока 8 усреднения поступают одновременно на входы первого регистра сдвига 10 и многоканального уп45 равляемаго преобразователя код — код 12. В 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

50 параллельных вь!ходов первого регистра сдвига 10 с задержкой I Л t, зависящей от

1-ro номера выхода регистра 10. В результате сложения сигналов.н сумматорах 16 по модулю два на их выхода образуются сигна55 лы Л у) (i = 1,2...,m), равные абсолютной величине разности их входных сигналов, то есть

Ь y)- = 0,5 IpI exp(-а р (t))+ ехр (-а р (t - rp))— ехр (-ар(с — тю)) - exp (- ар(т — x,> — x )Ц, 1783304 где t<> = Лt — время задержки сигнала на

i-ом выходе регистра сдвига 10, I - 1,2„.,m;

Лу) — выходной сигнал !-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 где х,у — сигналы, поступающие на первый и второй входы сумматоров 16.

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

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

I (k) = („ д ) где () — квадратные скобки, определяющие взятие целой части от указанного в скобках выражения, ! =1,2.„,m; k =-1,2,...,k;

k — максимальное значение адреса блока 18 памяти.

Для значения разности

Ay) =IpGIAt+p(t, 7о), lî(ñ1+ t — t„ l где рср (t, то! сред2 нее значение производной от функции плотности р (t) в интервале (t, с — i ) на выходе

i-го управляемого делителя частоты 17 устанавливается следующее значение частоты

I 4а! у (!Лт ) !

= 1,2,...,m.

На каждом периоде тактовой частоты генератора 15 значейия сйгнэлов 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 параллельных выходов второго регистра сдвига 11. Результаты суммирования на первом 19 и втором 20 сумматорах в виде двоичных кодов поступают через выходы "сложение" и "вычитание"

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

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

15, k ((п + 1) Л т ) = 4< (и Л с) +

1 в (!

Z(Лу(!

„(k(nAt)!At — х! }, где k ((и + 1) Ь|), k (n Л t) —. значение кода на сумматоре-усреднителе 13 íà (n + 1) -м и пм шагах итерации;

1 k(r)At) К;

Лт — период следования сигналов тактового генератора 15;

N + r - число разрядов в сумматоре-усреднителе 13, причем r = logjam.

Так как код k (п At) с выхода сумматора3р усреднителя 13 поступает через вход преобразователя код — код 12 на адресные входы блоков памяти 18, то тем самым формирует. ся цифровая нелинейная обратная связь, благодаря которой обеспечивается сходимость кода k (п At) к предельному значению .

Ко, т.е.

llm k(n At) = Ко. и )х)

При этом для значения кода Ко выполняется приближенное, сточностьюдо погрешности измерения, равенство

Дy! () — Дх! =0 !

К !Ас или р,,(r.r, )i лт =

= !. а J p (t + i A t ) j t <.

50 Так как 0 < !Лt < tp, а на интервале то изменение производной от функции плотности р(т) незначительно, то (р, р («o) / = ) р (t + i Ж) f

55 учитывая равенство t<> = —., получим, что Ко = Ч, то есть величина установивше.гося значения кода на реверсивном сумматоре-усреднителе 13 непосредственно

1783304

10 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 p (t), где S — площадь сечения трубопровода.

Быстродействие устройства повышается за счет того, что за один такт итерации (измерения) происходит сравнение информативных сигналов Ь yi u 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 сигналамиЛyi и Лу + 1, xi и Aх + незначительно влияет на скорость сходимости k (и At) к К 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 At), не ухудшаетдинамическую 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 V re раз.

Формула изобретения

1. Расходомер двухфазных сред, содержащий первый и второй источники радиоизотопного излучения, первый и второй

: радиоизотоп н ые датчи ки, 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, много5 канальный управляемый преобразователь код — код, реверсивный сумматор-усреднитель и формирователь задержки, при этом выход блока усреднения соединен с последовательными входами первого регистра

10 сдвига и многоканального -управляемого преобразователя код — код, выход блока вычитания соедийен с последовательным входом регистра сдвига, параллельные выходы первого и второго регистров сдвига соеди15 нены соответственно с первыми и вторыми параллельными входами многоканального управляемого преобразователя код — код, выходы сложения и вычитания которого соединены с соответствующими входами ре20 версивного сумматора-усреднителя, подключенного управляющим входом к соовтетствующему входу многоканального преобразователя код — код и к выходной шйне, входы синхронизации первого и вто25 рого регистров сдвига непосредственно, а соответствующий вход реверсивного сумматора-усреднителя через формирователь задержки соединены с выходом тактового генератора.

30 2. Расходомер по п.1, о т л и ч а ю щ и йс я .тем, что многоканальный управляемый преобразователь код — код содержит m сумматоров по модулю два, m управляемых делителей частоты, m блоков памяти и первый

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

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

45 соответствующие блоки памяти соединены с управляющим входом преобразователя, вторая группа параллельных входов которого соединена с соответствующими входами второго сумматора, выходы первого и второ50 го сумматоров соединены с выходами сложения и вычитания преобразователя, 1783304

Составитель Р,Шуплякова

Техред М.Моргентал Корректор О дрковецкая

Редактор Т.Шагова

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, ужгород, ул,Гагарина, 101

Заказ 4506 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5