Способ определения параметров потока

 

Изобретение относится к способам определения температуры, скорости, направления и других параметров потока, в частности потока газа. Цель - исключение влияния задержек сигналов и их изменений в электрических цепях на результаты определения степени ослабления и времени прохождения акустического сигнала через исследуемый поток. С помощью ультразвукового излучателя формируют короткий акустический сигнал, пропускают его через поток под различными углами к его направлению, принимают и преобразуют его в информационный электрический сигнал. По электрическому сигналу, возбуждающему ультразвуковой излучатель, формируют опорный электрический сигнал. Первые импульсы опорного и информационного электрических сигналов сравнивают с заданными пороговыми уровнями, не превышающими их пиковых величин, измеряют длительности этих импульсов на уровне заданных пороговых значений, измеряют временной интервал между первыми импульсами информационного и опорного сигналов в момент достижения ими пороговых значений. О времени распространения акустического сигнала в исследуемом потоке судят по временному интервалу между положениями экстремумов первых импульсов информационного и опорного электрических сигналов, который определяют из соотношения: T = T_и+ (A·t₂-B·t₁) , где T - время распространения акустического сигнала в потоке; T_и значение временного интервала между первыми импульсами информационного и опорного сигналов в момент достижения ими пороговых значений; A - коэффициент, зависящий от формы первого импульса информационного сигнала; B - коэффициент, зависящий от формы первых импульсов соответственно опорного и информационного сигналов. По измеренной длительности первого импульса информационного сигнала на нескольких пороговых уровнях определяют степень ослабления акустического сигнала потоком в данных циклах измерений. Используя определенные данным способом время прохождения акустического сигнала через поток и степень его ослабления, по известным соотношениям определяют параметры исследуемого потока. 3 ил.

Изобретение относится к способам определения температуры, скорости, направления и других параметров потока, в частности потока газа.

Известен способ определения параметров потока по времени распространения акустического сигнала в двух взаимно противоположных направлениях между двумя точками исследуемого потока, находящихся на известном расстоянии. Этого достаточно для определения температуры и скорости потока в одном направлении.

Для определения вектора скорости потока в пространстве время распространения акустического сигнала измеряют между тремя парами точек, лежащих на трех взаимно перпендикулярных направлениях. При этом время измеряется от момента формирования электрического сигнала, подаваемого на ультразвуковой излучатель, до момента времени, когда электрический сигнал, полученный путем преобразования акустического сигнала, прошедшего поток, и поступающий на вход порогового устройства, достигает заданного уровня.

Недостатками способа являются недостаточная информативность, поскольку измеряется лишь температура, скорость и направление потока и не предусмотрена возможность измерения влажности; недостаточная точность измерения параметров, обусловленная наличием не контролируемых задержек в электрических цепях при формировании сигналов; избыточность узлов в устройстве, реализующем данный способ определения параметров потока в пространстве.

Более надежен в реализации способ [2], в котором для исследования потока используют ультразвуковые сигналы в виде волнового пакета и время распространения определяют через корреляцию между переданным сигналом и сигналом, полученным по крайней мере одним ультразвуковым приемником.

Несмотря на то, что этот способ характеризуется лучшей помехозащищенностью и более удачной приборной реализацией (в измерительной головке излучатели и приемники установлены парами в вершинах тетраэдра, при этом каждый излучатель посылает сигнал на три приемника, находящихся в противоположных вершинах), он также не свободен от недостатков: не предусмотрена возможность определения влажности, а точность определения температуры, скорости и направления потока недостаточна из-за неучета изменений временных задержек в электрических цепях при формировании сигналов. Кроме того, для вычисления времени распространения акустического сигнала между двумя точками исследуемого потока применяются более сложные по сравнению с предыдущим способом алгоритмы обработки.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ определения параметров потока [3], в котором формируют короткий акустический сигнал из электрического сигнала, пропускают акустический сигнал через поток под различными углами к его направлению, принимают акустический сигнал, прошедший поток, преобразуют его в электрический сигнал, первый импульс которого сравнивают с заданным пороговым значением, уровень которого не превышает пиковой величины сигнала, измеряют пиковую величину сигнала, полученного путем преобразования акустического сигнала, прошедшего поток, определяют время прохождения акустического сигнала через исследуемый поток и степень ослабления акустического сигнала исследуемым потоком, которые затем используют для определения параметров потока (скорости, направления, температуры, влажности).

Этот способ по сравнению с описанным выше обладает большей информативностью, так как по степени ослабления сигнала потоком позволяет определять влажность.

Недостатком способа-прототипа является недостаточная точность определения параметров потока, связанная с неучетом изменения временных задержек в электрических цепях при формировании сигналов, обусловленных как собственными задержками в электрических цепях, так и задержками, связанными с ослаблением акустического сигнала исследуемой средой.

Цель изобретения - повышение точности определения параметров потока путем повышения точности измерения времени распространения акустического сигнала в исследуемой среде.

Цель достигается тем, что формируют короткий акустический сигнал из электрического сигнала, пропускают его через поток под различными углами к его направлению, принимают и преобразуют его в электрический сигнал, первый импульс которого сравнивают с заданным пороговым значением, не превышающим его пиковую величину, определяют степень ослабления акустического сигнала исследуемым потоком и время прохождения его через исследуемый поток, по которым определяют параметры потока: скорость, направление, температуру, влажность.

В отличие от известного время прохождения акустического сигнала через исследуемый поток определяют по временному интервалу между положениями экстремумов первых импульсов электрических сигналов, один из которых - опорный - формируют по электрическому сигналу, используемому для формирования акустического сигнала, другой - информационный - получают путем преобразования акустического сигнала, прошедшего исследуемый поток. При этом опорный сигнал также сравнивают с заданным пороговым значением, не превышающим его пиковой величины, измеряют длительность первых импульсов опорного и информационного сигналов на уровне заданных пороговых значений, измеряют временной интервал между моментами, когда величины первых импульсов опорного и информационного электрических сигналов достигают заданных пороговых значений, определяют временной интервал между положениями экстремумов из соотношения Т = Т_u + (A^.t₂ - B^.t₁), где Т - время прохождения зондирующего акустического сигнала через исследуемый поток; Т_u - временной интервал между первыми импульсами опорного и информационного электрических сигналов; А - коэффициент, зависящий от формы первого импульса информационного электрического сигнала; В - коэффициент, зависящий от формы первого импульса опорного электрического сигнала; t₁ и t₂ - измеренные значения длительностей первых импульсов соответственно опорного и информационного сигналов; а по измеренной длительности первого импульса информационного сигнала на нескольких пороговых уровнях определяют степень ослабления акустического сигнала потоком в данных циклах измерения.

Используя определенные с помощью предлагаемого способа время прохождения акустического сигнала через поток и степень его ослабления, по известным соотношениям определяют параметры исследуемого потока.

На фиг. 1 изображены временные диаграммы электрических сигналов: А - диаграмма опорного сигнала, сформированного по электрическому импульсу возбуждения ультразвукового излучателя; В - диаграмма электрического сигнала, полученного путем преобразования акустического сигнала, прошедшего исследуемый поток; на диаграммах С, D, E - временная селекция меток, поступающих на счетчики, для определения длительностей опорного и информационного импульсов и временного интервала между ними. Для определения времени прохождения акустического сигнала через исследуемый поток подсчитывают количество N временных отрезков Δt от момента, когда величина первого импульса 1 опорного сигнала достигнет порогового уровня 2^', до момента, когда величина первого импульса 3 информационного сигнала достигнет порогового уровня 4^'. Одновременно производят подсчет количества n₁ и n₂ отрезков времени Δt, когда величины импульсов 1 и 3 превысят заданные пороговые уровни 2^' и 4^' соответственно. По полученным значениям N и n_i определяют временной интервал между импульсами 1 и 3 и длительности этих импульсов на заданных пороговых уровнях по формулам Т_u = Δt^. N t₁ = Δt^. n₁ t₂ = Δt^.n₂, где T_u - временной интервал между первыми импульсами опорного и информационного электрических сигналов; t₁ и t₂ - длительности первых импульсов соответственно опорного и информационного электрических сигналов.

По измеренным длительностям импульсов находят временные положения экстремумов и вычисляют временной интервал между положениями 5 и 6 экстремумов первых импульсов опорного и информационного электрических сигналов:
Т = Т_u + (A^.t₁ - В^.t₂)
Экспериментальные исследования, проведенные с помощью устройства, реализующего предлагаемый способ, показали, что электрические импульсы 1 и 2 (фиг. 1) можно рассматривать как симметричные относительно положения экстремумов и в этом случае коэффициенты А и В принимают значение 0,5 и формула имеет вид:
Т = Т_u + 1/2 ^. (t₁ - t₂)
Как видно из диаграмм, изображенных на фиг. 1 (А и В), при определении временного интервала между первыми импульсами опорного и информационного сигналов на результат измерений не влияют величины задаваемых в известных пределах пороговых уровней 2^' и 4^' и амплитуды самих импульсов. Если, например, амплитуда информационного импульса уменьшится, то как видно из фиг. 1 В, величина импульса достигнет порогового уровня с некоторой задержкой, что приведет к увеличению измеряемого времени. Именно неучет этого обстоятельства характерен для способа-прототипа. Но половина длительности данного импульса уменьшится на эту же величину, и следовательно, определяемое время не изменится.

Таким образом предлагаемый способ позволяет более точно по сравнению с известными определять время прохождения акустического сигнала через исследуемый поток, следовательно, при зондировании исследуемого потока в нескольких направлениях можно с большей точностью определять температуру, скорость и направление потока, а информация о степени ослабления акустического сигнала различной частоты исследуемым потоком позволяет оценить влажность воздуха и другие параметры газовых и аэрозольных смесей (например, концентрацию аэрозолей, их состав).

На фиг. 2 приведена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг. 3 - конструкция измерительной головки устройства.

Устройство для измерения метеопараметров содержит (фиг. 2) формирователь 7 разнесенных во времени электрических импульсов возбуждения, подаваемых на ультразвуковые излучатели 8, которые излучают акустические сигналы 9, направляемые через исследуемый поток под разными углами к его направлению. Акустические сигналы 9 фокусируются отражателем 10 на приемнике 11, где преобразуются в электрические сигналы, поступающие через усилитель 12 на компаратор 13. Одновременно с каждым импульсом возбуждения с формирователя 7 через емкость 14 на вход усилителя 12 поступает опорный сигнал. На другой вход компаратора 13 с блока 15 задания уровней поступают сигналы, определяющие пороговые уровни. Сигналы с компаратора 13 поступают на входы блоков 16, 17, 18 временной селекции, на вторые входы которых подаются управляющие сигналы с таймерного блока 19. Блоки 16, 17, 18 временной селекции вырабатывают сигналы разрешения работы счетчиков 20, 21, 22, в которых производится подсчет импульсов, поступающих с таймерного блока 19. Причем блок 16 и счетчик 20 отвечают за подсчет временных меток длительности опорного сигнала, блок 17 и счетчик 21 - за подсчет временных меток временного интервала между импульсами. Блок 18 выдает сигнал разрешения работы для счетчика 22 при снятом сигнале с блока 17, а по заднему фронту импульса с выхода блока 18 производится останов таймерного блока 19, из которого выдается сигнал в процессор 23 о завершении цикла измерений по одному зондирующему импульсу. Процессор 23 устанавливает в блоке 15 задания уровней величины пороговых уровней, вырабатывает управляющие и установочные сигналы на блоки 16, 17, 18 временной селекции, на таймерный блок 19 и счетчики 20, 21, 22; через блок 24 коммутаторов считывает информацию со счетчиков, производит накопление информации, анализ, вычисления и отображение результатов измерений. Таймерный блок 19 содержит кварцевый резонатор (10-30 МГц) и вырабатывает импульсы запуска заданной процессором 23 длительности на формирователь 7, импульсы установки на блок 15 задания уровней, управляющие сигналы на блоки 16, 17, 18 временной селекции и импульсы временных меток на счетчики 20, 21, 22. Если не требуется определения влажности, то схема может быть упрощена. В этом случае длительность опорного сигнала измеряется при настройке, на компараторе устанавливается оптимальный пороговый уровень, а блоки 15, 16, счетчик 20 исключаются из схемы.

Опорный и информационный сигналы проходят по одним и тем же электрическим цепям, и временные задержки сигналов и их изменения компенсируются.

Общий вид измерительной головки показан на фиг. 3.

Ультразвуковые излучатели 8 установлены на кольце 25 в одной плоскости, причем приемник 11 и два излучателя 8 - на одной прямой, а третий - на перпендикуляре к этой прямой. Ультразвуковой приемник 11 установлен в центре кольца на несущей трубке 26. Кольцо 25 крепится к корпусу 27 головки на стойках 28, 29. На корпусе также установлен отражатель 10, отражающие поверхности которого имеют форму сегментов параболоида и фокусируют акустические сигналы на приемнике 11, повышая мощность приходящего на приемник сигнала. В корпусе 27 измерительной головки размещены платы формирователя 7 и платы усилителя 12. Проводники к ультразвуковым излучателям и приемнику проходят по трубкам (25, 26, 29), а сама измерительная головка связывается с блоками вычисления и управления кабелем необходимой длины.

Два излучателя и приемник установлены на одной прямой, что позволяет определять температуру, скорость и направление потока по одной из координат, а информация от третьего излучателя позволяет определять скорость и направление потока по второй оси координат. Так как все излучатели установлены в одной плоскости, то вертикальная составляющая скорости не измеряется и влияния на получаемые результаты не оказывает. Для определения вертикальной составляющей необходимо использовать четыре излучателя и более сложную пространственную схему расположения датчиков.

Разработанная конструкция измерительной головки позволяет использовать минимальное количество ультразвуковых преобразователей, при этом в отличие от многих известных устройств не требуются переключатели приемопередатчиков. Применяемые в конструкции ультразвуковые излучатели и приемник имеют довольно узкие диаграммы направленности.

Конструкция измерительной головки практически не создает препятствий на пути исследуемого горизонтального потока и позволяет проводить измерения в дождь и снег, так как все ультразвуковые преобразователи защищены корпусами и направлены вниз: излучатели под углом к вертикали, а приемник - вертикально.

В устройстве может быть реализована схема с одним излучателем и тремя приемниками. В этом случае схема головки несколько усложняется и приемники меньше защищены от осадков, так как устанавливаются под углом к вертикали. Вместе с тем появляется возможность приема информации по трем каналам сразу, что позволяет качественно проводить измерения даже при резких изменениях скорости потока.

При измерении усредненных характеристик точность выше в первом случае, так как используется один приемный канал и погрешности, вносимые аппаратурой, минимальны. Первый вариант измерительной головки более устойчив к осадкам, так как преобразователи, работающие на излучение, способны очищаться при генерации акустического сигнала.

Электрические схемы макета измерителя реализованы на микросхемах 1108ПА1, 1801ВМ2, 597СА2, 590КН3, 544УД2, 537РУ10, 558РР2; счетчиках, регистрах, логических элементах 555 и 1533 серий.

Макет измерителя, реализующего предлагаемый способ определения параметров потока, успешно выдержал испытания в составе комплекса аппаратуры экологического контроля в октябре-ноябре 1991 года.

Испытания измерителя в климатических камерах в диапазоне температур от -40^оС до +50^оС подтвердили работоспособность измерителя во всем диапазоне температур, и результаты измерений совпали с данными поверенных термометров с делением шкалы 0,05^'С. Сравнительная оценка показаний измерителя и анеморумбометра М-63 дали также идентичные результаты при усреднении за 10 мин.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОТОКА, заключающийся в том, что с помощью ультразвукового излучателя формируют короткий акустический сигнал, пропускают его через поток под различными углами к его направлению, принимают и преобразуют его в информационный электрический сигнал, первый импульс которого сравнивают с заданным пороговым уровнем, не превышающим его пикового значения, определяют степень ослабления акустического сигнала и время его прохождения через поток, по которым судят о параметрах потока, отличающийся тем, что формируют опорный электрический сигнал по сигналу, возбуждающему ультразвуковой излучатель, сравнивают первый импульс опорного сигнала с заданным пороговым уровнем, не превышающим его пиковое значение, измеряют длительность первых импульсов опорного и информационного электрических сигналов на заданных пороговых уровнях, измеряют временной интервал между этими импульсами в момент достижения ими заданных пороговых уровней, о времени прохождения акустического сигнала через поток судят по временному интервалу между положениями экстремумов первых импульсов информационного и опорного электрических сигналов, который определяют из соотношения
T = T_и + (A · t₂ - B · t₁),
где T - время прохождения акустического сигнала через поток;
T_и - значение временного интервала между первыми импульсами информационного и опорного сигналов в момент достижения ими пороговых уровней;
A - коэффициент, зависящий от формы первого импульса информационного сигнала;
B - коэффициент, зависящий от формы первого импульса опорного сигнала;
t₁ и t₂ - измеренные значения длительностей первых импульсов соответственно опорного и информационного сигналов,
а степень ослабления акустического сигнала определяют по измеренной длительности информационного сигнала на нескольких пороговых уровнях.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3