Волновой способ измерения расхода

 

Использование: волновой способ измерения расхода. Сущность изобретения: способ включает введение колебаний в измеряемый поток вещества, их прием и выделение параметра колебаний, по которому судят о величине расхода. Используемые для измерения колебания одновременно вводят в поток измеряемого вещества и в контрольный неподвижный объем того же вещества, принимают колебания, прошедшие измеряемый поток и контрольный объем на расстояниях от излучателей колебаний, равных целому числу длин волн, суммируют принятые колебания в противофазе и выделяют полученные при суммировании импульсы. В качестве параметра, по которому судят о величине расхода, выбирают количество импульсов и количество колебаний, составляющих импульсы. При этом в процессе измерения стабилизируют длину волны излучаемых колебаний с помощью сигнала обратной связи, подаваемого на вход генератора колебаний от приемника контрольного объема. 7 ил.

Изобретение относится к области измерения расхода и может быть использовано для измерения расхода газообразных и жидких веществ.

Цель изобретения - увеличение точности и упрощение устройств, осуществляющих измерение.

Сущность изобретения заключается в подсчете импульсов, возникающих при сравнении колебаний, распространяющихся в измеряемом веществе, и в подсчете колебаний, составляющих эти импульсы. При этом каждый импульс соответствует объему вещества, равному произведению площади поперечного сечения потока измеряемого вещества на длину волны применяемых для измерения колебаний, а каждое колебание соответствует определенной (например, 0,001) части этого объема. Длина волны применяемых для измерения колебаний стабилизируется путем подачи сигнала обратной связи, образующегося при изменении длины волны, на вход генератора, вырабатывающего колебания.

Механизм возникновения импульсов объясняется на конкретном примере, который иллюстрируется фиг. 1-4; вид возникающих импульсов и колебаний их составляющих представлен фиг. 5 и 6; на фиг. 7 дана блок-схема устройства, реализующего данный способ измерения.

На фиг. 1 представлено распределение гармонических колебаний в двух трубопроводах, в одном из которых вещество перемещается со скоростью 0,33 м/с, а в другом - неподвижно. В трубопроводах на одинаковых расстояниях друг от друга, равных целому числу длин волн, применяемых для измерения колебаний, установлены излучатели 1, приемники 2. Поступающие от генератора 3 на излучатели 1 колебания излучаются в движущееся и неподвижное вещество, принимаются приемниками 2 и в противоположных фазах подаются на сумматор 4. Сигнал на выходе сумматора 4 через 0,01, 0,02, 0,03 и т.д. секунд представлен на фиг. 1 рядом с картиной распределения колебаний в трубопроводах. На фиг. 2 дана картина распределения колебаний и вид возникающих при этом импульсов при скорости вещества 0,66 м/с, т.е. при увеличении скорости в 2 раза. На фиг. 3 дана картина распределения колебаний и вид возникающих при этом импульсов при скорости 0,99 м/с, т.е. при увеличении скорости в 3 раза. На фиг. 4 дана картина распределения колебаний и вид возникающих при этом импульсов для случая, когда скорость вещества меньше чем 0,33 м/с и составляет 0,33/4 м/с. Для удобства подсчета импульсы детектируются. На фиг. 5а, 6а представлены импульсы и колебания, составляющие импульсы до детектирования, на фиг. 5б, 6б - после детектирования. На фиг. 7 представлена блок-схема устройства для измерения по данному способу. Здесь уже упоминавшиеся излучатели 1 и приемники 2, генератор 3, сумматор 4 и трубопровод с измеряемым веществом 5. Трубопровод с неподвижным веществом представлен небольшим контрольным объемом 6, который соединен с измеряемым потоком импульсными трубками 7. Выход сумматора 4 связан со счетчиком импульсов 8 и со счетчиком колебаний, составляющих импульсы 9. Приемник неподвижного вещества 2, находящийся в контрольном объеме 6 связан с генератором колебаний 3 линией обратной связи 10.

Исходные данные для примера, поясняющего способ.

Расстояние между излучателями 1 и приемниками 2 - 3,3 м.

Скорость звука в веществе (воздухе) V_зв=330 м/с.

Время движения колебаний от излучателя неподвижного вещества до приемника неподвижного вещества t = 0,01 с.

Частота колебаний вырабатываемых генератором 3f = 100 кГц.

Определим: 1. Длина волны в неподвижном веществе .

2. Скорость потока вещества V, при которой происходит перемещение вещества потока за 0,01 с на λ = 0,0033 м, ν = 0,33 м/c. .

При этих условиях: Через 0,01 с после включения генератора 3 1-е колебание в неподвижном веществе достигнет приемника 2 и между излучателем 1 и приемником 2 неподвижного вещества расположатся 1000 колебаний (синусоид). В этот же момент через 0,01 с 1-е колебание движущегося вещества расположится за приемником 2, а между приемником 2 и излучателем 1 движущегося вещества расположатся 999 колебаний (фиг. 1а). Это следует из того, что длина волны каждого из 1000 колебаний, поступающих в поток вещества, удлиняется на поскольку длина волны в потоке λ=(V_зв+V)·T=(330+0,33)·T, где T остается неизменным, . Таким образом, 1-е, первые колебания 1-й тысячи колебаний, излученных в неподвижное и движущееся вещество, которые в момент излучения совпадения по фазе, при приеме оказались сдвинутыми по фазе на 360^o. Как видно из фиг. 1б и фиг. 1в, то же происходит и с тысячными, 1000-ми, 2000-ми и т.д. колебаниями через 0,02, 0,03 и т.д. секунд. Все эти колебания, которые в момент излучения совпадают по фазе, в момент приема оказываются сдвинутыми по фазе на 360^o. Сдвиг по фазе на 360^o 1-го, 1000-го, 2000-го и т.д. колебаний движущегося вещества является результатом движения вещества, которое за 0,01 с успевает переместить находящиеся в нем колебания (сгущения и разрежения вещества) на 0,0033 м, на длину волны λ , вырабатываемых генератором 3 и излучаемых в движущееся вещество колебаний. Однако 1000-е, 2000-е и т.д. колебание движущегося вещества может оказаться сдвинутым на 360^o по отношению к 1000-му, 2000-му и т.д. колебанию неподвижного вещества только в том случае, если все предшествующие ему колебания будут сдвигаться движущимся веществом на некоторую часть длины волны λ . Поэтому на входе сумматора 4 происходит непрерывное изменение фазы колебаний, поступающих от приемника движущегося вещества по отношению к колебаниям, поступающим от приемника неподвижного вещества. За каждые 0,01 с фаза изменяется от 0 до 360^o, вследствие чего на выходе сумматора 4 появляются импульсы, каждый из которых состоит из 999 колебаний, частота которых равна частота колебаний, вырабатываемых генератором 3, а амплитуда изменяется от нуля, достигает максимума (суммы амплитуд колебаний, распространяющихся в движущемся и неподвижном веществе) и вновь становится равной нулю. Этот импульс является результатом перемещения вещества на λ=0,0033 м за 0,1 секунды и соответствует расходу вещества, равному произведению площади поперечного сечения потока вещества на длину волны применяемых для измерения колебаний: Q =S·λ . В том случае, если скорость вещества увеличится вдвое и составит 0,66 м/с (фиг. 2), то за время 0,01 с вещество успевает переместить находящиеся в нем колебания не на одну, а на две длины волны, на 2λ , в результате чего фаза колебаний движущегося вещества за 0,01 с изменяется по отношению к фазе колебаний неподвижного вещества на 2·360^oC, а на выходе сумматора 4 за 0,01 с появятся 2 импульса. Поскольку в этом случае между излучателем и приемником движущегося вещества расположатся 998 колебаний, то каждый импульс будет содержать 998/2 колебаний. При увеличении скорости втрое, при скорости, равной 0,99 м/с, фаза колебаний движущегося вещества изменится на 3·360^o, между излучателем и приемником движущегося вещества уложится 997 колебаний, а на выходе сумматора 4 за 0,01 с появятся 3 импульса, каждый из которых будет состоять из 997/3 колебаний и т.д. (см. фиг. 3). Каждый такой импульс соответствует объему вещества, равному произведению площади поперечного сечения потока вещества на длину волны, применяемых для измерения колебаний, распространяющихся в неподвижном веществе. В общем случае, подсчитывая количество импульсов, подсчитывают количество объемов Q. Процесс измерения заменяется процессом подсчета. Это радикально упрощает схему расходомера и повышает его точность. Рассмотрим картину распределения колебаний для случая, когда скорость движущегося вещества меньше чем 0,33 м/с. Очевидно, что непрерывное изменение фазы колебаний движущегося вещества по отношению к фазе колебаний неподвижного вещества будет иметь место точно так же, как это имело место и при скорости 0,33 м/с. Однако это изменение фазы не достигнет 360^o, т.к. при скорости, меньшей чем 0,33 м/с, за 0,01 секунды движущееся вещество сможет переместить находящиеся в нем колебания не на целую длину волны λ , а на какую-то часть длины волны, а изменение фазы колебаний движущегося вещества по отношению к фазе колебаний неподвижного вещества будут меньше, чем 360^o. Поскольку эти изменения будут происходить за те же 0,01 с, то образующиеся импульсы будут содержать не 999 колебаний, а меньшее число колебаний. А поскольку периоды колебаний, составляющих эти импульсы, будут теми же, то между импульсами будут паузы. Вид этих импульсов представлен на фиг. 4. При этом при изменении скорости вещества от 0 до 0,33 м/с количество колебаний, составляющих импульсы, увеличивается от 0 до 999. В этом диапазоне количество колебаний, составляющих импульсы, прямо пропорционально скорости вещества, тогда как, начиная со скорости 0,33 м/с, как мы видели, оно обратно пропорционально скорости. Каждое колебание, составляющее такие импульсы, соответствует 1/999 части объема Q = S·λ. . Подсчитывая колебания, составляющие импульсы, измеряем расход в диапазоне от 0 до 0,33 м/с. Скорость 0,33 м/с для данного примера, как видим, является пороговой. Импульсы, возникающие до пороговой скорости, - это неполные импульсы. Импульсы, возникающие после достижения пороговой скорости, - это полные импульсы. Полные импульсы детектируют и сглаживают составляющие их колебания с помощью емкости, неполные импульсы детектируют и подсчитывают положительные полуволны колебаний их составляющих. Вид полных и неполных импульсов до и после детектирования представлен на фиг. 5а, 6а и 5б, 6б. Поскольку фаза колебаний неподвижного вещества одинакова и на расстоянии 3,3 м и от излучателя и на расстоянии нескольких длин волн, то при реализации способа в устройстве, блок-схема которого представлена на фиг. 7, второй трубопровод заменяется небольшим контрольным объемом 6, в котором излучатель и приемник расположены на минимальном расстоянии друг от друга, равном 2-3λ , и который связан с измеряемым потоком импульсными трубками 7, обеспечивающими медленное, не влияющее на результат измерения движение измеряемого вещества через контрольный объем. Для ликвидации аддитивной погрешности от приемников контрольного объема 6 на вход генератора 3 по линии обратной связи 10 подается сигнал обратной связи. При увеличении длины волны частота генератора 3 увеличивается, а при уменьшении длины волны уменьшается, вследствие чего длина волны, служащая в данном способе мерой, остается постоянной.

Как следует из фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3 при каждом увеличении скорости на 0,33 м/с количество импульсов увеличивается на 100 импульсов в 1 секунду, поскольку при каждом увеличении скорости на 0,33 м/с количество импульсов в 0,01 с увеличивается с 1 импульса до 2, 3 и т.д., причем такое увеличение происходит пропорционально увеличению скорости во всем диапазоне измерения, начиная от пороговой скорости, равной 0,33 м/с. Но, если изменение скорости на 0,33 м/с соответствует изменению количества импульсов на 100 импульсов в 1 секунду, то изменению количества импульсов на 1 соответствует изменение скорости на 0,33/100 = 0,0033 м/с. При верхнем пределе измерения 10 м/с погрешность измерения, осуществляемого с помощью данного способа в диапазоне от 0,33 м/с до 10 м/с, составит . В диапазоне от 0 до 0,33 м/с одно колебание, учтенное расходомером, составляющее 1/999 от 0,33 м/с, соответствует ≈ 0,1%, для верхнего предела измерения 0,33 м/с. Для верхнего предела измерения 10 м/с погрешность .

Формула изобретения

Волновой способ измерения расхода, включающий введение колебаний в измеряемый поток вещества, их прием и выделение параметра колебаний, по которому судят о величине расхода, отличающийся тем, что используемые для измерения колебания одновременно вводят в поток измеряемого вещества и в контрольный неподвижный объем того же вещества, принимают колебания, прошедшие измеряемый поток и контрольный объем на расстояниях от излучателей колебаний, равных целому числу длин волн, суммируют принятые колебания в противофазе и выделяют полученные при суммировании импульсы, а в качестве параметра, по которому судят о величине расхода, выбирают количество импульсов и количество колебаний, составляющих импульсы, при этом в процессе измерения стабилизируют длину волны излучаемых колебаний с помощью сигнала обратной связи, подаваемого на вход генератора колебаний от приемника контрольного объема.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7