Тепловой расходомер

 

Использование: в технике измерений скорости и расхода текущей среды в напорных трубопроводах. Сущность изобретения: расходомер содержит тепловизионный датчик, генератор и счетчик электрических меток, интегратор и вычислитель средней скорости, измеритель внутреннего диаметра трубопровода, вычислитель площади сечения потока, вычислитель объемного расхода. 5 ил.

Изобретение относится к технике измерения скорости и расхода текущей среды в напорных трубопроводах и может быть использовано в ненапорных потоках, содержащих взвешенные частицы.

Известен тепловой расходомер, содержащий размещенные на трубопроводе термочувствительные элементы, включенные в мостовую схему, нагревающий транзистор, соединенный с источником опорного напряжения, усилители и выходной каскад [1] Ближайшим аналогом к изобретению является тепловой расходомер, содержащий установленный снаружи трубопровода измеритель скорости частицы потока, соединенный с интегратором и вычислителем средней скорости, последовательно соединенные вычислитель площади сечения потока и вычислитель объемного расхода [2] В этом расходомере скорость потока определяют путем подсчета пространственно-временной корреляции в рассеянном взвешенными частицами в текущей среде свете. Пространственно-временная корреляция связана с появлением некогерентых вторичных волн, так как рассеяние света осуществляется на некогерентных, т.е. не связанных друг с другом неоднородностях, которые, кроме того, хаотически перемещаются в среде вследствие теплового движения. Тем самым хаотически изменяется разность фаз между вторичными волнами, излучаемыми отдельными неоднородностями. Таким образом распределение пространственно-временной корреляции, а следовательно и эпюры распределения скорости по сечению трубопровода изменяются хаотически, но при стабилизированном течении жидкости в трубах распределение скорости и температуры по поперечному сечению имеет вид усеченной параболы, при этом максимальная скорость находится на оси трубы. В результате этого погрешность измерения скорости и объемного расхода путем подсчета пространственно-временной корреляции вторичных волн в рассеянном свете, будет достаточно большой.

Целью изобретения является повышение точности измерения.

Цель достигается тем, что в тепловой расходомер, содержащий установленный снаружи трубопровода измеритель скорости частицы потока, соединенный с интегратором и вычислителем средней скорости, последовательно соединенные вычислитель площади сечения потока и вычислитель объемного расхода, подключенный вторым входом к выходу интегратора и вычислителя средней скорости, введен измеритель внутреннего диаметра трубопровода, подключенный выходом к входу вычислителя площади сечения потока, измеритель скорости частицы потока выполнен в виде последовательно соединенных тепловизионного датчика и генератора и счетчика электрических меток, при этом выход тепловизионного датчика является вторым выходом измерителя скорости частицы потока, подключенным к входу измерителя внутреннего диаметра трубопровода.

На фиг. 1 показана блок-схема расходомера; на фиг. 2, 3 вид видеосигнала тепловизора; на фиг. 4 вид сигнала на выходе измерителя внутреннего диаметра трубопровода; на фиг. 5 изображение потока жидкости (заштрихованная часть) относительно строк растра тепловизора.

Тепловой расходомер содержит тепловизионный датчик 1, генератор и счетчик 2 электрических меток, интегратор и вычислитель 3 средней скорости, измеритель 4 внутреннего диаметра трубопровода, вычислитель 5 площади сечения потока, вычислитель 6 объемного расхода. Выход вычислителя объемного расхода является выходом устройства.

Расходомер работает следующим образом.

Как известно, объемный расход жидкости или газа равен Q v_ср·F, (1) где v_ср средняя скорость потока; F площадь поперечного сечения потока; D_o внутренний диаметр трубопровода. При этом скорость потока распределяется по сечению трубы по параболе: v_x= v1- (2) где r_o радиус трубы; v_max скорость на оси трубы (при r 0); v_ср средняя скорость при этом равна половине максимальной, т.е.

v_ср 0,5 v_max (3) Для определения v_max максимальной скорости на оси трубы используется тепловизионный датчик 1, который может быть построен на тепловизионной камере от серийно выпускаемого тепловизора ТВ-03 и имеет генератор строчной развертки с преднамеренно большой величиной нелинейности отклонения. Если выбрать направление развертки вдоль оси перемещения потока жидкости, то при условии, что скорость перемещения изображения контролируемого потока будет больше, чем первоначальная скорость перемещения сканирующего луча, имеющее место температурное распределение по сечению потока создает строчный видеосигнал (см. фиг. 2, 3, где t_a время, при котором скорость развертки равна скорости частиц потока на оси трубы, а видеосигнал при этом равен нулю; Т_а время прямого хода строчной раз- вертки, Т_а
v_max скорость частиц потока на оси трубы;
v_разв скорость строчной развертки тепловизионного датчика;
D_o внутренний диаметр трубопровода (диаметр потока);
Т_с период строчной развертки.

По мере увеличения скорости отклонения луча разность скоростей будет уменьшаться и в этот момент, когда они сравняются, видеосигнал будет равен нулю (точка А на фиг. 2, 3). При дальнейшем возрастании скорости отклонения луча видеосигнал возникает опять и будет увеличиваться. Для реализации указанного принципа используется генератор 2 электрических меток, который запускается в начале прямого хода строчной развертки и останавливается во время пропадания видеосигнала. Поскольку значение скорости развертки заранее известно для каждого момента времени, то скорость v_max частиц потока на оси трубы можно определить по количеству меток счетчиком 2 за один период Т_с строчной развертки.

Таким образом с блока 2 электрический сигнал, пропорциональный скорости v_max на оси трубопровода, подается на блок 3 вычислитель средней скорости потока, где определяется v_ср по формуле (3), т.е. v_ср0,5·v_max.

Далее с блока 3 электрический сигнал, пропорциональный средней скорости v_ср, подается на блок 6 вычислитель объемного расхода.

С развертывающего устройства тепловизионного датчика 1 видеосигнал строчной развертки также поступает на блок 4 измеритель внутреннего диаметра D_o трубопровода.

Измеритель внутреннего диаметра трубопровода работает таким образом, что после ограничения видеосигнала строчной развертки импульсы дифференцируются и после повторного ограничения подсчитываются электрическим счетчиком (см. фиг. 4).

В том случае, если изображение потока жидкости светлее фона, размер внутреннего диаметра D_o K·n и если изображение потока жидкости темнее фона, то D_o K [Z (n₁ n₂)] (см. фиг. 5), где Кδ- размер элемента строчной развертки изображения; n число строк, приходящихся на изображение потока жидкости; n₁, n₂ число строк, приходящихся на фон; Z число строк в растре.

Поскольку δ где h высота изображения на фотокатоде тепловизионного датчика, а Z число строк в растре, то
D_o ·n или D_o[ [Z (n₁ n₂)]
Далее с блока 4 электрический сигнал, пропорциональный внутреннему диаметру D_o трубопровода, подают на блок 5 вычислитель площади сечения потока, где определя- ется F ·n Электри- ческий сигнал с блока 5, пропорциональный площади сечения потока, поступает на вычислитель 6 объемного расхода, куда также с блока 3 поступает электрический сигнал, пропорциональный средней скорости v_ср потока.

Таким образом на выходе вычислителя объемного расхода 6 формируется электрический сигнал, пропорциональный объемному расходу.

Формула изобретения

Тепловой расходомер, содержащий установленный снаружи трубопровода измеритель скорости частицы потока, соединенный с интегратором и вычислителем средней скорости, последовательно соединенные вычислитель площади сечения и вычислитель объемного расхода, подключенный вторым входом к выходу интегратора и вычислителя средней скорости, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в него введен измеритель внутреннего диаметра трубопровода, подключенный выходом к входу вычислителя площади сечения потока, измеритель скорости частицы потока выполнен в виде последовательно соединенных тепловизионного датчика и генератора и счетчика электрических меток, при этом выход тепловизионного датчика является вторым выходом измерителя скорости частицы потока, подключенным к входу измерителя внутреннего диаметра трубопровода.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5