Способ измерения расхода газа или жидкости и устройство для его осуществления

 

Использование: в измерительной технике для измерения расхода газа или жидкости. Сущность изобретения: в измерительном канале формируют тепловую область в виде теплового поля синусоидальной формы, регистрируют сформированную тепловую область на фиксированном расстоянии по оси потока, выделяют постоянную составляющую произведения сигналов формируемого и регистрируемого теплового поля, а значение расхода определяют по формуле. Устройство содержит генератор 1 синусоидального сигнала, формирователь 2 теплового синусоидального поля, измерительный канал 3, регистратор 4, первый 5 и второй 7 амплитудные детекторы, умножитель 6, фильтр 8 нижних частот, усилитель 9, блок 10 деления аналоговых сигналов и вычислитель 11. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности может быть использовано при создании устройства для измерения расхода газа или жидкости, объема и скорости однородных потоков.

Известен меточный способ измерения расхода газа или жидкости [1] принцип действия которого основан на мечении потока и измерении времени пролета меткой фиксированного расстояния, ограниченного формирователем и регистратором меток. В качестве меток используют локальную область потока с тепловой неоднородностью. Точность меточного способа определяется, в частности, точностью формирования интервала времени, за который метка проходит фиксированное расстояние. В свою очередь, точность формирования интервала времени, соответствующего измеряемому расходу, определяется выбором характерных точек импульсов формирователя и регистратора меток. Неоднозначность выбора характерных точек импульсов формирователя и регистратора зависит, в частности, от диссипационных процессов, происходящих в среде с тепловыми неоднородностями.

Наиболее близким аналогом заявленного способа является способ измерения расхода, согласно которому в измерительном канале формируют тепловую область (ТО), регистрируют сформированную ТО на фиксированном расстоянии по оси потока и измеряют время прохождения ТО фиксированного расстояния; значение измеряемого расхода определяют по математической зависимости, включающей значение времени пролета ТО фиксированного расстояния [2] Наиболее близким аналогом заявленного устройства является меточный тепловой расходомер, который содержит измерительный канал (ИК), блок управления, выходом связанный с источником тепловой области, регистратор и цепь обработки, содержащую интегрирующий блок, блок отсчета времени, функциональный блок, сумматор, измеритель и блок измерения, причем интегрирующий блок соединен с сумматором через измеритель, блок отсчета времени соединен с сумматором через функциональный блок, входы блока отсчета времени соединены с выходами блока управления и блока измерения, второй вход измерителя соединен с выходом блока измерения, а выходом устройства является регистратор, входы которого соединены с выходами блока отсчета времени и сумматора [2] Недостатками известного способа и реализующего его устройства являются: неоднозначность выбора характерных точек в импульсе с блока управления и сигнала с блока измерения, по которым формируется длительность импульса, пропорциональная времени пролета ТО фиксированного расстояния и определяющего значение измеряемого расхода. Неоднозначность такого выбора приводит к появлению дополнительной составляющей погрешности измерения; необходимость формирования ТО в локальной области потока обуславливает высокую производную температурного градиента ТО, что приводит в момент формирования к большей интенсивности диссипационных процессов данной ТО и снижает "время жизни " ТО, а значит, и ограничивает измеряемый диапазон расхода, причем зависимость "времени жизни" ТО от амплитуды ТО в момент формирования существенно нелинейна.

регистрируемый сигнал импульсный и имеет широкий спектр при идеально сформированной локальной ТО и ее малой диссипации при небольших базовых расстояниях, что ограничивает эффективность применения частотной фильтрации при широкополосной помехе типа "белого шума", что снижает чувствительность преобразователя, а значит ограничивает измеряемый диапазон расхода.

Техническим результатом от использования изобретения является повышение точности преобразования измеряемого расхода в электрический сигнал и расширение измеряемого диапазона расхода газа или жидкости.

В способе это достигается тем, что тепловую область формируют в виде теплового поля синусоидальной формы, выделяют постоянную составляющую произведения сигналов формируемого и регистрируемого теплового синусоидального поля, а значение измеряемого расхода определяют по формуле где G_v измеряемый расход, м³/с; L фиксированное расстояние, м; S- площадь поперечного сечения канала, м²; K коэффициент расхода;
V постоянная составляющая;
V1 амплитуда сигнала формируемого синусоидального поля;
V2 амплитуда сигнала регистрируемого синусоидального поля.

Технический результат в устройстве достигается тем, что в нем блок управления выполнен в виде генератора синусоидального сигнала, а цепь обработки содержит два амплитудных детектора, усилитель, фильтр нижних частот, умножитель, блок деления аналоговых сигналов, вычислитель, при этом выход генератора соединен с входом первого амплитудного детектора и первым входом умножителя, выход регистратора соединен с вторым входом умножителя и вторым амплитудным детектором, выход которого соединен с входом усилителя, выход умножителя через фильтр нижних частот, выходы усилителя и первого амплитудного детектора соединены с входами блока деления аналоговых сигналов, выход которого соединен с входом вычислителя.

Здесь значение arccos (2V/V1·V2) равняется значению фазы (в радианах) между сигналами с формирователя и регистратора ТСП и получается при решении уравнения

где V1 амплитуда сигнала с формирователя ТСП, В;
V2 амплитуда сигнала регистратора, В,
W циклическая частота, рад/с;
t время, с;
ϕ фаза, рад.

относительно фазы, стоящей в первом слагаемом правой части, и решаемом без второго слагаемого в правой части, содержащей информативный параметр v в переменной составляющей.

Устройство, реализующее способ, изображено на чертеже.

Устройство содержит генератор 1 синусоидального сигнала (ГСС), формирователь 2 теплового синусоидального поля (ФТСП), измерительный канал 3 (ИК), регистратор 4 теплового синусоидального поля (РТСП), первый амплитудный детектор 5 (АД), умножитель 6, второй амплитудный детектор 7, фильтр 8 нижних частот (ФНЧ), усилитель 9, блок 10 деления аналоговых сигналов (БДАС) и вычислитель 11, причем выход ГСС 1 соединен с входами ФТСП 2, АД 5 и первым входом умножителя 6, выход РТСП 4 соединен со вторым входом умножителя 6 и АД 7, выход которого соединен с входом усилителя 9; выход умножителя 6 (через ФНЧ 8) и выходы усилителя 6, и АД 5 соединены с входами БДАС 10, выход которого соединен с входом вычислителя 11.

Устройство работает следующим образом: ГСС 1 генерирует синусоидальный электрический сигнал известной частоты, в соответствии с которым ФТСП 2 формирует в ИК 3 ТСП. ТСП сносится потоком в зону регистратора и фиксируется РТСП 4. Сигналы с ГСС 1 и РТСП 4 поступают в умножитель 6, реализующий правую часть формулы (2). Эти же сигналы поступают соответственно на АД 5 и АД 7, выделяющие их амплитудные значения V1 и V2. Амплитуда V2 нормируется усилителем 9 до величины V2/2. ФНЧ 8 исключает из формулы (2) второе слагаемое в правой части, а БДАС 10 нормирует коэффициент, стоящий перед первым слагаемым в формуле (2) до единицы. Вычислитель 11 определяет значение измеряемого расхода по формуле (1) с учетом нормированного коэффициента.

Использование ТСП вместо локальной ТО и обработка информации по вышеуказанному алгоритму выгодно отличается от прототипа тем, что:
измеряемым параметром является фаза между двумя синусоидальными сигналами, форма которых позволяет однозначно определить характерные точки для формирования сигнала пропорционального фазе и, тем самым, позволяет исключить одну из составляющих погрешности, присущих прототипу;
формирование температурного поля по синусоидальному закону не создает больших температурных градиентов в измеряемой среде, что позволяет уменьшить интенсивность диссипационных процессов даже при увеличении мощности формирователя ТСП, а значит увеличить "время жизни" ТСП, что аналогично расширению измеряемого диапазона расхода;
использование генерируемого и регистрируемого сигналов с единичным спектром, обрабатываемых посредством формулы (1), позволяет провести качественную фильтрацию, увеличивая отношение сигнал/шум, что можно интерпретировать как увеличение "времени жизни" ТСП, а значит и как расширение измеряемого диапазона расхода.

Примером реализации предложенного способа может служить устройство, в котором ТСП сформировано в потоке металлической проволочкой, расположенной перпендикулярно измеряемому потоку, через которую протекает электрический ток, изменяющийся по синусоидальному закону. Таким образом проволочка будет выполнять функции ФТСП 2. В качестве РТСП 4 может выступать датчик температуры проволочного типа, включенный в схему самобалансирующегося моста. В качестве устройства, определяющего значение измеряемого расхода, может быть использован микропроцессорный комплект с аналого-цифровым преобразователем на входе, алгоритм программы которого реализует вычисление формул (1) и (2).

Формула изобретения

1. Способ измерения расхода газа или жидкости, по которому в измерительном канале формируют тепловую область, регистрируют сформированную тепловую область на фиксированном расстоянии по оси потока и определяют расход по некоторой математической зависимости, отличающийся тем, что тепловую область формируют в виде теплового поля синусоидальной формы, выделяют постоянную составляющую произведения сигналов формируемого и регистрируемого теплового синусоидального поля, а значение измеряемого расхода определяют по формуле

где G_v измеряемый расход, м³/с;
L фиксированное расстояние, м;
S площадь поперечного сечения канала, м²;
K коэффициент расхода;
U постоянная составляющая произведения сигналов;
U1 амплитуда сигнала формируемого синусоидального поля;
U2 амплитуда сигнала регистрируемого синусоидального поля;
W циклическая частота теплового поля, рад/с.

2. Устройство для измерения расхода газа или жидкости, содержащее измерительный канал, блок управления, выходом связанный с источником тепловой области, регистратор и цепь обработки, отличающееся тем, что блок управления выполнен в виде генератора синусоидального сигнала, а цепь обработки включает в себя два амплитудных детектора, усилитель, фильтр нижних частот, умножитель, блок деления аналоговых сигналов, вычислитель, при этом выход генератора соединен с входом первого амплитудного детектора и первым входом умножителя, выход регистратора соединен с вторым входом умножителя и вторым амплитудным детектором, выход которого соединен с входом усилителя, выход умножителя через фильтр нижних частот, а выходы усилителя и первого амплитудного детектора непосредственно соединены с входами блока деления аналоговых сигналов, выход которого соединен с входом вычислителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1