Способ определения скоростей в движущейся среде

Изобретение относится к измерительной технике и преимущественно предназначено для использования в системах контроля и измерения скорости и расхода жидких и газообразных продуктов. Оно может быть использовано при транспортировке топливных продуктов, в водоснабжении, медицинской технике, а также в океанографии при измерении скорости течений в морях и океанах. Технический результат изобретения -повышение точности измерения при контроле параметров потока. Точность измерения скорости потока можно повысить, зная скорость распространения звука в среде и величины задержек в электронных схемах и акустических преобразователях.

 

Изобретение относится к измерительной технике, и может быть использовано для определения скоростей потоков жидкостей и газов как в открытых средах (реки, моря и т.п.), так и в закрытых (каналы, скважины, трубопроводы и т.п.), а также для прецизионного измерения расходов и точного весового учета количества различных жидких и газообразных сред, протекающих по трубопроводам.

Известен ряд способов определения скорости потока, основанных на исключении из процесса измерения скорости распространения звука (ультразвука) в среде. Известен ультразвуковой способ измерения скорости потока среды в трубопроводе [1], согласно которому используют расположенные на противоположных стенках трубопровода излучающий преобразователь и два приемных преобразователя. Осуществляют излучение ультразвуковых импульсов по направлению потока жидкости и против направления потока, симметрично под заданным углом. Принимают прошедшие поток импульсы и сравнивают их. Вводят компенсирующее воздействие путем перестройки акустической базы, причем начинают его с момента выделения первого импульса одним из приемников и заканчивают его по достижении равенства отрезков времени распространения импульсов по направлению потока и против него. О величине измеряемой скорости судят по величине компенсирующего воздействия.

Сходными с признаками заявленного изобретения являются такие признаки аналога: излучение звуковых импульсов по направлению потока и против потока, прием излученных импульсов и преобразование их в электрические сигналы, измерение времени распространения импульсов от источника излучения до приемника импульсов.

Недостатком рассматриваемого аналога является сложность электромеханического канала для определения эквивалентной акустической базы.

Наиболее близким к заявленному изобретению по совокупности существенных признаков и по технической сущности является способ измерения скоростей в движущейся среде [2], выбранный в качестве прототипа. Способ заключается в том, что в потоке среды жестко устанавливают излучатель звука между двумя приемниками звука на неравных базовых расстояниях D_O и D_П. Излучают звуковую волну против направления движения среды и по направлению движения и принимают излучаемую волну двумя приемниками. Преобразуют принятые звуковые сигналы в электрические. Формируют узкие импульсы в моменты перехода через "О" излучаемого и принятых электрических сигналов. Измеряют времена запаздывания Т_О и Т_П между узкими импульсами излучаемого и принятых сигналов (между моментами посылки и приема). И по математическим выражениям, основанными на использовании значений D_О, D_П, Т_Ό и Т_П, вычисляют значения скорости потока и скорости распространения звука в потоке.

Сходными с признаками заявленного изобретения являются такие признаки прототипа: излучение звуковой волны по направлению потока среды и против направления потока, прием излученных звуковых сигналов, преобразование их в электрические сигналы, вычисление значений скорости потока среды и скорости распространения звука в среде.

Достоинствами прототипа является исключение нестабильной скорости распространения звука из процесса измерения скорости потока и универсальность способа.

Недостатком прототипа является то, что в нем не учитываются временные задержки на преобразование сигналов в измерительных схемах и акустических преобразователях. Но эти временные задержки могут приводить к дополнительным погрешностям при прецизионных измерениях скорости потока, что обусловливает недостаточную точность измерений. Фактически, во всех известных одноканальных акустических измерителях дополнительно устанавливаются преобразователи, позволяющие измерять скорость звука в среде.

Кроме того, необходимость использования излучателя и двух приемников, устанавливаемых друг от друга на двух неравных базовых расстояниях, значительно усложняет техническую реализацию прототипа.

В основу изобретения поставлена задача создания универсального (пригодного для широкого перечня жидких и газообразных сред) способа определения скоростей в движущейся среде, который обеспечивает возможность использования текущего значения скорости звука, получаемого при одновременном измерении скорости потока, для более точного измерения массового (весового) расхода перемещаемой среды, и совокупность существенных признаков которого обеспечивает новое техническое свойство - устранение фактора влияния на результат измерений скоростей в движущейся среде временных задержек на преобразование сигналов, вызванных измерительными схемами и преобразователями.

Указанное новое свойство обусловливает достижение технического результата изобретения - повышение точности измерений.

Дополнительным техническим результатом является упрощение технической реализации определения скоростей.

Поставленная задача, решается тем, что в способе определения скоростей в движущейся среде, согласно которому излучают звуковую волну по направлению потока среды и против направления потока, принимают излученные звуковые сигналы, преобразуют их в электрические и определяют значения скорости потока среды и скорости распространения звука в среде, новым является то, что излучение и прием сигналов осуществляют двумя преобразователями, размещенными в потоке на расстоянии L, измеряют значения τ₁₁ - время распространения сигнала от первого преобразователя до второго, τ₁₂ - время распространения сигнала от первого преобразователя до второго плюс время возвращения отраженного от второго преобразователя сигнала обратно к первому преобразователю, измеряют значения τ₂₁ - время распространения сигнала от второго преобразователя до первого, τ₂₂ - время распространения сигнала от второго преобразователя до первого плюс время возвращения отраженного от первого преобразователя сигнала обратно ко второму преобразователю, рассчитывают текущее значение С₁ скорости распространения звука в среде по выражению

повторяют цикл излучения и приема сигналов и измеряют значения τ₃₁ - время распространения сигнала от первого преобразователя до второго, τ₃₂ - время распространения сигнала от первого преобразователя до второго плюс время возвращения отраженного от второго преобразователя сигнала обратно к первому преобразователю, измеряют значения τ₄₁ - время распространения сигнала от второго преобразователя до первого, τ₄₂ - время распространения сигнала от второго преобразователя до первого плюс время возвращения отраженного от первого преобразователя сигнала обратно ко второму преобразователю, рассчитывают текущее значение С₂ скорости распространения звука в среде для второго цикла измерений по выражению

вычисляют значение С скорости распространения звука в среде как среднее арифметическое значений С₁ и С₂ вычисляют текущие значения V₁ и V2 скорости потока среды, соответственно для первого и второго циклов измерений, по системе выражений

где τ_m - сумма значения задержки преобразования электрического сигнала в акустический сигнал первым преобразователем и значения задержки преобразования акустического сигнала в электрический сигнал вторым преобразователем;

τ_n - сумма значения задержки преобразования электрического сигнала в акустический сигнал вторым преобразователем и значения задержки преобразования акустического сигнала в электрический сигнал первым преобразователем,

и вычисляют значение V скорости потока среды как среднее арифметическое значений V₁ и V₂.

Сущность заявленного способа, основанного на исключении из процесса измерения скорости распространения звука в среде, поясняется на конкретном примере его осуществления.

Рассмотрим случай, когда пьезопреобразователи расположены в жидкой среде. Расстояние между ними равно L, а скорость звука в среде - С. Первый пьезопреобразователь имеет задержку сигнала при передаче τ₁ и задержку сигнала при приеме τ₄. Второй пьезопреобразователь имеет задержку сигнала при передаче τ₃ и задержку сигнала при приеме τ₂. Величину времени τ_L1 распространения сигнала по потоку и времени τ_L2 распространения сигнала против потока можно выразить как:

где V- скорость потока.

Время τ₁₁ излучения сигнала первым преобразователем, прохождения сигнала от первого пьезопреобразователя до второго пьезопреобразователя и приема сигнала вторым преобразователем равно

Время τ₂₁ излучения сигнала вторым преобразователем, прохождения сигнала от второго пьезопреобразователя до первого пьезопреобразователя и приема сигнала первым преобразователем равно

Время τ₁₂ излучения сигнала первым преобразователем, прохождения сигнала от первого пьезопреобразователя до второго пьезопреобразователя и назад и приема сигнала первым преобразователем равно

Время τ₂₂ излучения сигнала вторым преобразователем, прохождения сигнала от второго пьезопреобразователя до первого пьезопреобразователя и назад и приема сигнала вторым преобразователем равно

Сумму времен сигналов τ₁₁ и τ₂₁ (при V²<<С²) можно записать как:

а сумму времен сигналов τ₂₁ и τ₂₂:

где τ_{Задержки}=τ₁+τ₂+τ₃+τ₄.

Из разности величин (τ₁₁+τ₂₁) и (τ₁₂+τ₂₂) определим величину скорости C₁ распространения ультразвука по формуле (1). Измерение величины скорости потока V организуют циклически с временным разделением. В первом и втором цикле измерения, которые длятся миллисекунды^ по измеренным параметрам τ₁₁, τ₂₁, τ₃₁, τ₄₁ определяются скорости V₁ и V₂ из системы уравнений (3). С учетом того, что задержки τ_m и τ_n в основном изменяются от температуры и на практике определено, что их постоянная времени лежит в пределах нескольких минут, можно считать, что за два цикла измерения τ_m=const и τ_n=const. Также принимаем, что в пределах двух циклов измерения скорость звука в жидкости не изменилась.

Следовательно, используя систему уравнений (3) и вычисленное значение скорости звука в жидкости по уравнению:

где C₁ - скорость звука, вычисленная по формуле (1) для первого цикла,

С₂ - скорость звука, вычисленная по формуле (2) для второго цикла, определяем величины V₁ и V₂ в пределах двух циклов измерения. Средняя величина скорости течения в этих пределах определяется, как:

Источники информации:

1. Авторское свидетельство СССР № 1068716, класс G 01 F 1/66, приоритет 02.06.1981, опубликовано 23.01.1084.

2. Патент Российской Федераций № 2167433, класс G 01 S 15/00, G 01 F 1/66, приоритет 26.06.1997, опубликовано 20.05.2001 - прототип.

Способ определения скоростей в движущейся среде, основанный на исключении из процесса измерения скорости распространения звука в среде, заключающийся в том, что излучают звуковую волну по направлению потока среды и против направления потока, принимают излученные звуковые сигналы, преобразуют их в электрические и определяют значения скорости потока среды и скорости распространения звука в среде, отличающийся тем, что излучение и прием сигналов осуществляют двумя преобразователями, размещенными в потоке на расстоянии L, измеряют значения τ₁₁ - время распространения сигнала от первого преобразователя до второго, τ₁₂ - время распространения сигнала от первого преобразователя до второго плюс время возвращения отраженного от второго преобразователя сигнала обратно к первому преобразователю, измеряют значения τ₂₁ - время распространения сигнала от второго преобразователя до первого, τ₂₂ - время распространения сигнала от второго преобразователя до первого плюс время возвращения отраженного от первого преобразователя сигнала обратно ко второму преобразователю, рассчитывают текущее значение С₁ скорости распространения звука в среде по выражению

повторяют цикл излучения и приема сигналов и измеряют значения τ₃₁ - время распространения сигнала от первого преобразователя до второго, τ₃₂ - время распространения сигнала от первого преобразователя до второго плюс время возвращения отраженного от второго преобразователя сигнала обратно к первому преобразователю, измеряют значения τ₄₁ - время распространения сигнала от второго преобразователя до первого, τ₄₂ - время распространения сигнала от второго преобразователя до первого плюс время возвращения отраженного от первого преобразователя сигнала обратно ко второму преобразователю, рассчитывают текущее значение С₂ скорости распространения звука в среде для второго цикла измерений по выражению

вычисляют значение С скорости распространения звука в среде как среднее арифметическое значений С₁ и С₂, вычисляют текущие значения V₁ и V₂ скорости потока среды, соответственно для первого и второго циклов измерений, по системе выражений

где τ_m - сумма значения задержки преобразования электрического сигнала в акустический сигнал первым преобразователем и значения задержки преобразования акустического сигнала в электрический сигнал вторым преобразователем;
τ_n - сумма значения задержки преобразования электрического сигнала в акустический сигнал вторым преобразователем и значения задержки преобразования акустического сигнала в электрический сигнал первым преобразователем,
и вычисляют значение V скорости потока среды как среднее арифметическое значений V₁ и V₂.