Способ измерения расхода потока и устройство для его осуществления

Изобретения относятся к области измерительной техники. По и против движения потока в трубопроводе посредством двух пьезокерамических преобразователей поочередно излучают и принимают акустические колебания. В принятом сигнале по максимальному отношению сигнал/шум определяют сигнал рабочей моды акустических колебаний и выбирают временной интервал сигнала рабочей моды с максимальным отношением сигнал/шум. В выбранном временном интервале измеряют соответствующие фазовым сдвигам времена T₁ и T₂ распространения сигналов рабочей моды от одного преобразователя до другого. По измеренным величинам определяют расход потока из приведенного расчетного выражения. Устройство, реализующее способ, снабжено системой слежения за положением стробирующего импульса относительно контролируемой фазы принятого сигнала рабочей моды в выбранном временном интервале, подключенной к формирователю строба, и вычислительным блоком. Следящая система выполнена на основе ЭВМ. Изобретения обеспечивают повышение точности и чувствительности измерения за счет выбора и обработки более информативного сигнала. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения расходов сред, движущихся в трубопроводах, например, в горной промышленности, в медицине, а также в полупроводниковой промышленности.

Известен способ измерения скорости газовоздушного потока в горных выработках, заключающийся в излучении акустических колебаний по и против газовоздушного потока пьезокерамическим акустическим преобразователем, приеме акустических колебаний посредством двух других преобразователей, установленных на одинаковом расстоянии от излучающего преобразователя, с последующим измерением разности фаз между принятыми сигналами с помощью фазометра, по которой определяют скорость потока [1].

Недостатками этого способа являются наличие трех пьезокерамических преобразователей, увеличивающих размеры датчика, погрешности измерения, так как информативный сигнал содержит составляющие, зависящие от скорости звука при непрерывном излучении акустических колебаний.

Известен способ измерения скорости газовоздушного потока, заключающийся в излучении и приеме акустических колебаний посредством двух пьезокерамических преобразователей по и против потока, измерении времен распространения волн от одного преобразователя к другому по первому вступлению принимаемой волны с последующим вычислением по этим данным расхода, причем преобразователи располагают под углом [2].

Недостатками данного способа являются низкая чувствительность, т.к. канал прозвучивается под углом к измеряемому потоку, высокая погрешность измерения скоростей (расходов), поскольку измерение осуществляют по первому вступлению сигнала, передний фронт которого является нестабильным, и наличие мертвых зон в измеряемом потоке около преобразователей.

Известен способ измерения расхода потока в трубопроводе, основанный на времяимпульсном методе измерения и включающий поочередное излучение и прием акустических колебаний по и против движения потока посредством двух пьезокерамических преобразователей с последующим измерением времен прохождения этих колебаний от одного преобразователя до другого, по которым определяют расход [3].

Устройство для осуществления этого способа содержит два пьезокерамических преобразователя, расположенных в трубопроводе на заданном расстоянии относительно друг друга, формирователь возбуждающих импульсов и последовательно соединенные усилитель с компаратором, подключенные через коммутатор, управляемый блоком переключения направления излучения акустических колебаний, соответственно к излучающим и приемным преобразователям, формирователь строба, подключенный ко входу счетчика импульсов, и вычислительный блок [3]. Это техническое решение взято нами в качестве прототипа.

Недостатком прототипа при измерении скорости (расхода) газовоздушного потока является низкая точность измерения, поскольку нестабилен информативный импульс первого вступления, особенно в газовоздушной среде.

Задачей изобретения является повышение точности и чувствительности измерения расхода потока за счет выбора и обработки более информативного сигнала.

Это достигается тем, что в способе измерения расхода потока, включающем поочередное излучение и прием акустических колебаний по и против движения потока в трубопроводе посредством двух пьезокерамических преобразователей, в принятом сигнале по максимальному отношению сигнал/шум определяют сигнал рабочей моды акустических колебаний и выбирают временной интервал сигнала рабочей моды с максимальным отношением сигнал/шум, затем в выбранном временном интервале измеряют соответствующие фазовым сдвигам времена T₁ и Т₂ распространения сигналов рабочей моды от одного преобразователя до другого по и против потока, после чего определяют расход потока из выражения:

где L - заданное расстояние между пьезокерамическими преобразователями, [м];

T₁, T₂ - время распространения сигнала от одного преобразователя до другого по и против потока, [с];

К - коэффициент пропорциональности между скоростью звука и скоростью распространения сигнала рабочей моды в среде, равный 1-4;

S - площадь трубопровода в поперечном его сечении, [м²].

Поставленная задача достигнута также тем, что устройство для измерения расхода потока, содержащее два пьезокерамических преобразователя, расположенных в трубопроводе на заданном расстоянии относительно друг друга, формирователь возбуждающих импульсов и последовательно соединенные усилитель с компаратором, подключенные через коммутатор, управляемый блоком переключения направления излучения акустических колебаний, соответственно к излучающим и приемным преобразователям, формирователь строба, подключенный ко входу счетчика импульсов, и вычислительный блок, снабжено системой слежения за положением стробирующего импульса относительно контролируемой фазы принятого сигнала рабочей моды в выбранном временном интервале, подключенной к формирователю строба. При этом система слежения за положением стробирующего импульса состоит из двух последовательно соединенных сумматоров, два входа одного из них подключены к выходу счетчика и ячейке памяти опорного значения фазы, а третий вход - к выходу компаратора, при этом входы другого сумматора подключены к ячейкам памяти с заданными временами задержки запуска строба в обоих направлениях измерения Т₀ ¹, Т₀ ² и блоку переключения направления излучения, а выход сумматора подключен к формирователю строба, другой вход которого соединен с выходом компаратора.

На фиг.1 представлена блок-схема предложенного устройства.

На фиг.2 изображены временные диаграммы сигналов в ключевых узлах схемы.

Способ измерения расхода потока заключается в следующем. Возбуждающие импульсы подают поочередно на пьезокерамические преобразователи, которые создают в трубопроводе акустические колебания, подверженные модовому распределению и имеющие одну или несколько мод. Теория такого распространения описана в монографии [4]. Количество мод зависит от скорости звука в измеряемом потоке, диаметра трубопровода и частоты возбуждаемого сигнала. Выбор сигнала рабочей моды колебаний осуществляют исходя из условия минимального наложения на него как сигналов других мод, так и отраженных сигналов, по максимальному отношению сигнал/шум, поэтому этот сигнал является более информативным. Данное условие обеспечивают за счет генерирования пачек импульсов заданной продолжительности и частоты при определенном диаметре трубопровода и заданном расстоянии между пьезокерамическими преобразователями, причем все перечисленные параметры определяют расчетным путем. Величину периода подачи возбуждающих импульсов Т_п выбирают из условия, чтобы она была не меньше, чем время распространения информативного сигнала от излучателя к приемнику. Затем определяют временной интервал с максимальным отношением сигнал/шум в сигнале рабочей моды акустических колебаний в трубопроводе и измеряют фазовые сдвиги сигналов, распространяющихся по и против потока и находящихся в указанном временном интервале относительно начала излучения возбуждающих их импульсов, и соответствующие фазовым сдвигам времена T₁ и T₂ распространения сигналов рабочей моды от одного преобразователя до другого по и против потока, после чего определяют расход потока из выражения (1).

Описываемое устройство для измерения расхода потока состоит из двух пьезокерамических преобразователей 1, 2, расположенных на заданном расстоянии относительно друг друга в трубопроводе 3, формирователя возбуждающих импульсов 4 и последовательно соединенных усилителя 5 и компаратора 6 с источником опорного напряжения 7, коммутатора 8, управляемого блоком переключения направления излучения 9, поочередно подключающего формирователь возбуждающих импульсов 4 и усилитель 5 к соответствующим излучающему и приемному преобразователям, счетчика 10 с генератором ВЧ 11, формирователя строба 12, подключенного ко входу "сброс" счетчика 10, а также системы слежения за положением стробирующего импульса относительно контролируемой фазы приемного сигнала в заданном временном интервале, и вычислительного блока. Система слежения за положением стробирующего импульса состоит из двух последовательно соединенных сумматоров 13 и 14, причем два входа сумматора 13 подключены к выходу счетчика 10 и ячейке памяти опорного значения фазы 15, а третий вход - к выходу компаратора 6, при этом входы сумматора 14 подключены к ячейкам памяти 16, 17 с заданными временами задержки Т₀ ¹, Т₀ ², необходимыми для запуска формирователя строба 12 в обоих тактах (излучение-прием), и к блоку переключения направления излучения 9, а выход сумматора 14 подключен к формирователю строба 12, другой вход которого соединен с выходом компаратора 6. Вычислительный блок состоит из сумматора 18, управляемого сигналом с компаратора 6 и подключенного к выходам счетчика 10 и сумматора 14, при этом выход сумматора 18 подключен через ячейки памяти 19, 20, управляемые блоком переключения направления излучения 9, к блоку расчета расхода потока 21.

В качестве формирователя возбуждающих импульсов 4 используют, например, источник пачек прямоугольных импульсов с заданной частотой и длительностью. Коммутатор представляет собой мультиплексор аналоговых сигналов с цифровым входом. Усилитель, предназначенный для усиления сигнала и фильтрации шумов, представляет собой полосовой усилитель, полоса пропускания которого настроена на частоту излучаемого пьезокерамическим преобразователем сигнала. Система слежения за положением стробирующего импульса, вычислительный блок, формирователь строба и блок переключения направления излучения могут быть реализованы на базе однокристальной ЭВМ.

Остальные элементы общеизвестны и не имеют особенностей. Устройство работает следующим образом. Формирователь возбуждающих сигналов 4 поочередно подключают через коммутатор 8, управляемый переключателем направления излучения 9 к пьезокерамическим преобразователям 1, 2, которые в трубопроводе 3 возбуждают акустические колебания, включающие одну или несколько мод колебаний (фиг.2, а, б). При возбуждающем импульсе, например, с частотой следования равной 30 кГц, и количеством импульсов в пачке, равным 7, диаметре трубопровода, равным 28 мм, заданном расстоянии между преобразователями, равным 64 мм, и скорости звука, равной 343 м/с, в трубопроводе распространяются три моды: нулевая, первая и вторая. В данном случае нулевая и первая мода находятся в начале принятого сигнала и имеют малую амплитуду по сравнению со второй модой, имеющей максимальное значение. Наложение нулевой и первой мод колебаний, а также и отраженных сигналов на вторую моду происходит на краях второй моды, что делает ее более информативной, в связи с чем она и принята за сигнал рабочей моды. Сигналы с приемных преобразователей 1, 2 (фиг.2, а, б) подают через коммутатор 8 на усилитель 5, а затем на компаратор 6 (фиг.2, в1). Сигнал с выхода компаратора 6 представлен на фиг.2, г. Временной интервал с максимальным отношением сигнал/шум в сигнале рабочей моды определяют (фиг.2, в1, зона А) путем, например, сопоставления времени прихода распространяющихся мод на приемный преобразователь. На фиг.2, в2 изображены сигнал второй моды в зоне А в увеличенном масштабе и опорное напряжение U_оп, подаваемое на компаратор 6. После приема излученного сигнала принимающим преобразователем измеряют фазовый сдвиг принятого сигнала (по и против потока) относительно начала излучения возбуждающих их импульсов. В прогнозируемое время появления информативного сигнала формирователь строба 12 вырабатывает импульс-строб, поступающий на вход "сброс" счетчика 10, и разрешает счет ВЧ-импульсов с генератора 11 (фиг.2, д, точка 1 и 2е). Сигнал с компаратора 6 (фиг.2, г точка 2) поступает на вход разрешения счета счетчика 10, завершая подсчет ВЧ-импульсов (фиг.2, е) и одновременно передает информацию формирователю строба 12 об окончании импульса-строба и разрешает передачу счетчиком 10 данных в сумматоры 13 и 18. После чего накопленное в счетчике 10 определенное количество импульсов поступает в сумматор 13, в котором эти данные сравниваются с заданным опорным количеством ВЧ-импульсов в ячейке 15, соответствующим четверти периода колебаний несущей частоты. В результате этого сравнения получают количество импульсов, соответствующее фазовому сдвигу сигнала рабочей моды - Δt₁ или Δt₂, которое с сумматора 13 поступает в сумматор 14, где он складывается с заданным количеством импульсов Т₀ ¹ и Т₀ ², хранящихся в ячейках памяти 16 и 17, необходимых для запуска формирователя строба, корректируя время начала счета ВЧ-импульсов счетчиком 10. Подключением этих ячеек к сумматору 14 управляет блок переключения направления излучения 9. В сумматоре 18 осуществляют сложение данных со счетчика 10 и сумматора 14, в результате чего получают величины, пропорциональные времени распространения измеряемого сигнала от одного преобразователя к другому - T₁ и Т₂ (по потоку и против), измеренные относительно начала возбуждающих импульсов и сохраняющиеся в ячейках памяти 19, 20.

При увеличении скорости потока в трубопроводе в случае измерения по потоку сигнал рабочей моды сдвигается по фазе в сторону уменьшения времени распространения этого сигнала, что приводит к уменьшению количества посчитанных счетчиком 10 ВЧ-импульсов. При сравнении накопленного в сумматоре 13 количества импульсов с опорным количеством импульсов, находящихся в ячейке памяти 15, выявляется разница, пропорциональная времени сдвига фазы измеряемого сигнала относительно результата предыдущего измерения фазы. Эта разница складывается в сумматоре 14 с количеством импульсов, пропорциональным времени запуска стробирующего импульса предыдущего измерения, величина которого сохранена в ячейке памяти 16 (при измерении по потоку), и результат, уменьшающий время запуска строба, записывается в эту же память 16 и передается на формирователь строба 12, в результате чего стробирующий импульс автоматически удерживается на заданном временном расстоянии относительно контролируемой фазы на приемном сигнале. Положение строба, разделяющее рабочее временное окно на две части, для возможности наилучшей регистрации приращения скорости (больше, меньше) определяется соотношением максимального значения этих приращений и знаком производной их изменений.

При измерении этой скорости против потока сигнал рабочей моды сдвинется в противоположном направлении, что вызывает увеличение количества импульсов счетчика 10 по сравнению с опорным количеством импульсов в ячейке 15 и приводит к увеличению времени начала запуска стробирующего импульса. Значения, пропорциональные этому времени, сохраняются в ячейке памяти 17 для измерения против потока.

По измеренным значениям T₁ и Т₂, заданному расстоянию L и диаметру трубопровода определяют расход потока из выражения (1).

По результатам испытаний устройства в НПО "ВНИИМ им. Менделеева" абсолютная погрешность измерения составляет ΔU=±0.01+0.01·U [м/с], а чувствительность - ±0,005 [м/с].

Источники информации

1. А.с. №1682590 по кл. E 21 F 5/00 от 10.03.83 на "Способ измерения газовоздушного потока", Б.И. №37 от 07.10.91

2. Annals of Biomedical Engineering vol.12, p.263-280, 1984, USA. "A pulsed phase measurement ultrasonic flowmeter for medical cases".

3. Патент РФ №2160887 по кл. 7 G 01 F 1/66 от 23.06.99 на "Ультразвуковой расходомер" Б.И. №35 от 20.12.2000 (прототип).

4. Монография, Москва, 2001, изд. АГН, Шкундин С.З., Кремлева О.А., Румянцева В.А., "Теория акустической анемометрии".

1. Способ измерения расхода потока, включающий поочередное излучение и прием акустических колебаний по и против движения потока в трубопроводе посредством двух пьезокерамических преобразователей, отличающийся тем, что в принятом сигнале по максимальному отношению сигнал/шум определяют сигнал рабочей моды акустических колебаний и выбирают временной интервал сигнала рабочей моды с максимальным отношением сигнал/шум, затем в выбранном временном интервале измеряют соответствующие фазовым сдвигам времена T₁ и Т₂ распространения сигналов рабочей моды от одного преобразователя до другого по и против потока, после чего определяют расход потока из выражения

где L - заданное расстояние между пьезокерамическими преобразователями, м;

Т₁, T₂ - время распространения сигнала от одного преобразователя до другого по и против потока, с;

К - коэффициент пропорциональности между скоростью звука и скоростью распространения рабочей моды в среде, равный 1-4;

S - площадь трубопровода в поперечном его сечении, м²;

2. Устройство для измерения расхода потока, содержащее два пьезокерамических преобразователя, расположенных в трубопроводе на заданном расстоянии относительно друг друга, формирователь возбуждающих импульсов и последовательно соединенные усилитель с компаратором, подключенные через коммутатор, управляемый блоком переключения направления излучения акустических колебаний, соответственно к излучающим и приемным преобразователям, формирователь строба, подключенный ко входу счетчика импульсов, и вычислительный блок, отличающееся тем, что оно снабжено системой слежения за положением стробирующего импульса относительно контролируемой фазы принятого сигнала рабочей моды в выбранном временном интервале, подключенной к формирователю строба.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что система слежения за положением стробирующего импульса состоит из двух последовательно соединенных сумматоров, два входа одного из них подключены к выходу счетчика и ячейке памяти опорного значения фазы, а третий вход - к выходу компаратора, при этом входы другого сумматора подключены к ячейкам памяти с заданными временами задержки запуска строба в обоих направлениях измерения T₀ ¹, T₀ ² и блоку переключения направления излучения, а выход сумматора подключен к формирователю строба, другой вход которого соединен с выходом компаратора.