Способ и устройство для определения расхода протекающей жидкости



Способ и устройство для определения расхода протекающей жидкости
Способ и устройство для определения расхода протекающей жидкости
Способ и устройство для определения расхода протекающей жидкости
Способ и устройство для определения расхода протекающей жидкости
Способ и устройство для определения расхода протекающей жидкости
Способ и устройство для определения расхода протекающей жидкости
Способ и устройство для определения расхода протекающей жидкости
Способ и устройство для определения расхода протекающей жидкости
Способ и устройство для определения расхода протекающей жидкости
Способ и устройство для определения расхода протекающей жидкости
Способ и устройство для определения расхода протекающей жидкости
Способ и устройство для определения расхода протекающей жидкости
Способ и устройство для определения расхода протекающей жидкости
Способ и устройство для определения расхода протекающей жидкости
Способ и устройство для определения расхода протекающей жидкости

 


Владельцы патента RU 2491514:

ДИГМЕЗА АГ (CH)

Способ определения расхода жидкости, при котором жидкость нагревают посредством оптического нагревающего луча, место нагрева просвечивают оптическим детектирующим лучом. При этом оптические оси нагревающего и детектирующего лучей совпадают, по меньшей мере, в месте нагрева. Нагревающий луч является модулированным или импульсным лучом. Детектирующий луч воспринимают посредством детекторной матрицы. Причем посредством детекторной матрицы осуществляют несколько следующих по времени друг за другом измерений в течение одного светового импульса нагревающего луча, в результате чего определяют временную характеристику показателя преломления нагретой зоны в жидкости. Устройство для определения расхода жидкости содержит трубу, по которой протекает жидкость, устройство для нагрева, по меньшей мере, одной зоны внутри жидкости, лазер для создания измерительного излучения и электронное устройство обработки. Труба имеет, по меньшей мере, частично проницаемую для измерительного излучения стенку. Устройство для нагрева ограниченной внутренней зоны жидкости и направляющее луч лазера оптическое устройство расположены с возможностью просвечивания измерительным лучом нагретой зоны в абсолютном месте ее нагрева. При этом устройство для нагрева жидкости является лазером для создания модуляции интенсивности или импульсного нагревающего луча. Фокусирующая линза выполнена таким образом, что оптические оси нагревающего и детекторного лучей в месте нагревания совпадают, и детекторная матрица предназначена для приема измерительного излучения. Технический результат - повышение точности определения расхода течения жидкости в трубе. 2 н. и 23 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Изобретение относится к способу и устройству для определения расхода протекающей жидкости.

Родовые способы и устройства известны в различных выполнениях.

Известно измерение отклонения узкого лазерного луча посредством по-иному нагретой зоны текучей среды, чтобы, таким образом, сделать вывод о ее скорости.

В качестве альтернативы известно, что посредством, при необходимости, оптического детекторного устройства вниз по потоку за местом нагрева, созданным, при необходимости, также оптически, за счет времени прохождения кратковременно нагретого участка от места нагрева до места измерения изменяют скорость течения текучей среды.

Недостаток заключается в том, что здесь необходимы два локально отдельных рабочих места и рабочих устройства для нагрева и обнаружения нагрева. В основе изобретения лежит задача создания усовершенствованных способа и устройства для определения расхода протекающей жидкости с устранением описанных выше недостатков.

Согласно изобретению эта задача решается в части способа описанного выше рода за счет того, что жидкость нагревается оптическим нагревающим лучом, место нагрева просвечивается оптическим детектирующим лучом, причем оптические оси обоих лучей, по меньшей мере, в месте нагрева совпадают, и детектирующий луч воспринимается детекторной матрицей.

Задача изобретения решается также посредством родового устройства, у которого устройство для нагрева внутреннего участка первой ограниченной внутренней области жидкости и направляющее луч лазера оптическое устройство расположены таким образом, что измерительный луч просвечивает нагретый участок в абсолютном месте его нагрева.

Расход обозначает характеристическую для него величину, такую как долю расхода, скорость расхода, объемный расход и т.п. За счет частичного поглощения оптического луча, например лазерного луча, жидкостью, в частности водой, коэффициент поглощения которой составляет 0,46 м-1 при длине волны 970 нм, на нагретом участке термически образуется линза. Линза и ее образующие течение свойства измеряются для определения скорости течения. Измерение осуществляется посредством непоглощенного света того же лазерного луча, так что возбуждающий и измерительный лучи совпадают. Способ представляет собой неинвазивный бесконтактный термический способ измерения образованных теплом модификаций оптических свойств нагретой текучей среды. Измерение осуществляется в том же абсолютном месте, что и нагрев: места нагрева и измерения совпадают, следовательно, в пространстве или пространственно наложены друг на друга. Детектирование лазерного луча осуществляется посредством детекторной матрицы с несколькими отдельными детекторами (по меньшей мере, двумя), причем одновременно несколько отдельных детекторов регистрируют свет падающего светового луча. Последний, за исключением рассеяния за счет образованной теплом термической линзы в жидкости, может быть дополнительно расширен за счет расположенной вне трубы перед детекторной матрицей оптической линзы или группы оптических линз. В результате могут регистрироваться различные свойства нагретого участка и не только его смещение (движение), но и его деформация, т.е. формоизменение в нагретой зоне, обусловленное движением течения. Следовательно, согласно изобретению, не только глобально за счет отклонения светового луча определяется коэффициент преломления образованной термической линзы, но и проводится глобальное измерение на большем участке и, тем самым, ее образованных течением свойств, в частности деформаций. Жидкость нагревается оптическим лучом (бесконтактно), причем, в частности, детектируется нагревающий жидкость луч с его пропущенным через нее светом.

Согласно предпочтительным вариантам, предусмотрено, что нагревающий и детектирующий лучи излучаются одним и тем же источником излучения или что нагревающий и детектирующий лучи излучаются разными источниками излучения. В последнем случае источники излучения могут иметь одинаковые или разные частотные диапазоны. Создание нагревающего и детектирующего лучей посредством источника света осуществляется за счет разделения луча, фильтрования с помощью различных оптических фильтров и/или различного расширения с помощью различной проекционной оптики.

В соответствии с этим устройство для нагрева участка жидкости также может являться источником излучения или света, таким как лазер, который совпадает с источником измерительного света, причем, в частности, ведение луча происходит таким образом, что нагревающий и детектирующий лучи одинаковые, т.е. не происходит разделения лучей источника излучения или света.

В одном предпочтительном варианте может быть предусмотрено, что детектирующий луч имеет больший средний диаметр, чем нагревающий луч.

Оптический луч может быть фокусирован внутри трубы и, тем самым, внутри течения жидкости или же снаружи трубы или же проходить в виде параллельного луча.

В одном предпочтительном варианте может быть предусмотрено, что посредством детекторной матрицы проводятся несколько следующих по времени друг за другом измерений. Если, как это предусмотрено в одном предпочтительном варианте, источником света является модулированный или импульсный лазер, следующие по времени друг за другом измерения могут проводиться в пределах одного лазерного импульса. За счет этого можно детектировать подвергнутое воздействию со стороны скорости течения временное развитие нагрева на нагретом участке.

В то время как, в принципе, может быть предусмотрено, что детектирование происходит посредством линейной детекторной матрицы, причем она ориентирована тогда в направлении течения, в одном предпочтительном варианте предусмотрено, что детектирование происходит посредством поверхностной (двухмерной) детекторной матрицы.

Варианты предложенного способа предусматривают, что расход определяется по принятому профилю оптического луча, причем, в частности, определяются статистические моменты принятых сигналов, такие как среднее значение, дисперсия, кривизна и/или куртозис и скорость течения жидкости за счет определения падения статистических моментов. Каждый определенный (статистический) момент связан с различным признаком формы луча, тем самым, с формой термической линзы и, тем самым, со скоростью течения. В качестве альтернативы параметрам течения по экспоненциальному характеру статистических моментов по времени можно определять фазовый сдвиг статистических моментов при данной частоте возбуждения лазера. Так, может быть предусмотрено, что сдвиг среднего значения положения оптического луча определяется в качестве меры расхода и/или что определяется уменьшение дисперсии оптического луча с расходом. В других предпочтительных вариантах предусмотрено, что оптический луч модулируется по интенсивности и определяется фазовый сдвиг модуляции, что оптический луч модулируется с несколькими частотами и/или что оптический луч модулируется стохастически.

Другие преимущества и признаки изобретения приведены в формуле и нижеследующем описании, в котором примеры его осуществления подробно поясняются со ссылкой на чертеж, на котором изображают:

- фиг.1 - схематичный общий вид предложенного устройства;

- фиг.2.1-2.7 - различные варианты просвечивающих протекающую жидкость оптических нагревающего и детектирующего лучей, частично в виде параллельного луча, частично фокусированного;

- фиг.3.1, и 3.2 - два варианта осуществления изобретения с различными источниками излучения нагревающего и детектирующего лучей, причем они на фиг.3.1 проходят в виде параллельного луча, а на фиг.3.2 фокусированы на участке внутри жидкости;

- фиг.4 - сечения измерительного и нагревающего лучей, когда они не совпадают;

- фиг.5 - кривую распределения измерительного луча для различного времени в направлении течения;

- фиг.6.1 - среднее значение для различных скоростей расхода (в мл/мин);

- фиг.6.2 - стандартное отклонение для различных скоростей течения (в мл/мин);

- фиг.7 - изменение фазного отношения между исходной модуляцией и принятым оптическим излучением.

Предложенное устройство 1 содержит оптическое устройство 2, расположенную перед ним лазерную электронику 3, усилитель 4, электронное устройство обработки 5 и интерфейс 6. Кроме того, предусмотрен источник питания 7 для отдельных электрических и электронных деталей.

Через оптическое устройство 2 проходит направляющая жидкость 8 труба 2.1 с прозрачными, по меньшей мере, в измерительной зоне для измерительного луча 2.3 стенками 2.1.1, например из стекла.

Оптическое устройство 2 содержит лазер 2.2 в качестве оптического источника света, эксплуатируемый, например, с длиной волны 970±15 нм и мощностью 100 мВт. Оптический луч 2.3 или лазерный луч параллелизируется первой линзой 2.4, просвечивает трубу 2.1 и падает на детекторную матрицу 2.5 с несколькими отдельными детекторами. Детекторная матрица 2.5 соединена с электронным усилителем 4.1.

Лазерное управление 3 содержит модулятор 3.1 и возбудитель 3.2 для управления лазером 2.2.

За усилителем 4.1 в устройстве обработки 5 расположены аналого-цифровой преобразователь 5.1, а также вычислитель или процессор, преимущественно в виде цифрового процессора 5.2. Интерфейс служит для подачи вычисленных данных к индикатору, запоминающей среде и/или принтеру для согласования лазерного управления, а для управления обработкой и, при необходимости, для обратной связи или регулирования работы лазера предусмотрены управляющие линии 9.1, 9.2.

Изображенное на фиг.2.1 оптическое устройство соответствует устройству, изображенному на фиг.1 и содержит линзу 2.2 для параллелизации оптического луча, который в виде параллельного луча просвечивает трубу 2.1 и, тем самым, протекающую через нее жидкость 8. Направление течения жидкости обозначено стрелкой S.

В варианте, представленном на фиг.2.2, перед трубой 2.1 расположена дополнительная линза 2.6, которая фокусирует луч 2.2 внутри жидкости 8, причем он выходит из жидкости расходящимся и падает на детекторную матрицу 2.5.

В варианте, представленном на фиг.2.3, дополнительно к обеим линзам 2.4, 2.6 на обращенной от лазера 2.2 стороне трубы 2.1 предусмотрена еще одна линза 2.7, дополнительно расширяющая луч 2.3.

Вариант согласно фиг.2.4 отличается от варианта, представленного на фиг.2.2, 2.3 тем, что фокусирование светового луча линзой 2.6 происходит со стороны лазера перед трубой 2.1.

Этому соответствует вариант, представленный на фиг.2.5, причем здесь расширение посредством линзы 2.7 происходит также на обращенной от лазера 2.2 стороне трубы 2.1.

В то время как в варианте согласно фиг.2.2, 2.3 фокус лежит внутри жидкости, однако на обращенной к лазеру 2.2 стороне относительно оси симметрии, в варианте согласно фиг.2.6 он лежит, если смотреть от оси симметрии, на обращенной от лазера и к фотоматрице 2.7 стороне внутри жидкости.

В варианте, представленном на фиг.2.7, как и на фиг.2.1, имеется параллельный луч, который, однако, в соответствии с вариантами согласно фиг.2.5, 2.6 расширяется посредством линзы 2.7 на обращенной от лазера стороне перед детектирующей матрицей 2.5.

В вариантах согласно фиг.1, 2.1-2.7 речь идет об оптическом или лазерном луче, который нагревает протекающую в трубе 2.1 жидкость 8 и детектирует образованную в результате нагрева оптическую линзу и ее подвергаемую воздействию со стороны течения форму, т.е. служит нагревательно-измерительным лучом.

На фиг.3.1, 3.2 изображены альтернативные вариантам, представленным на фиг.2.1-2.7, варианты с различными источниками 2.2, 2.8 излучения или света для детектирующего 2.3 и нагревательного 2.10 лучей соответственно. Расположение и конструкция для детектирующего луча 2.3 соответствуют в вариантах согласно фиг.3.1, 3.2 вариантам, представленным на фиг.2.1, 2.2, так что для описания можно, в принципе, сослаться на них. Одинаковые детали обозначены теми же ссылочными позициями. Предусмотрен источник излучения 2.2 для детектирующего луча 2.3. В направлении излучения за ним расположена собирательная линза 2.4, которая в обоих вариантах, представленных на фиг.3.1, 3.2, параллелизирует детектирующий луч 2.3. В отличие и в дополнение к вариантам, представленным на фиг.2.1, 2.2, он проходит, прежде чем пройдет через трубу 2.1 и протекающую в ней жидкость 8, через установленное под углом 45° к направлению излучения, частично проницаемое зеркало 2.11. Детектирующий луч проходит в варианте, представленном на фиг.3.1, в виде параллельного луча через трубу 2.1 и через протекающую по ней жидкость, падая затем на детекторную матрицу 2.5.

В варианте согласно фиг.3.2 детектирующий луч 2.3 после прохождения через частично проницаемое зеркало 2.11 фокусируется посредством фокусирующей линзы 2.6 внутри трубы 2.1 и, тем самым, внутри протекающей в ней жидкости 8, попадая в виде расходящегося луча на детекторную матрицу 2.5.

Частота и мощность детектирующего луча выбраны так, что он не вызывает существенного нагрева жидкости 8.

Для этого предусмотрен второй источник 2.8 излучения или света, которые излучает нагревающий луч 2.10. Он проходит сначала через собирательную линзу 2.9 и параллелизируется ею подобно тому, как луч 2.3 параллелизируется собирательной линзой 2.4. Затем он попадает на обращенную к трубе 2.1 сторону частично проницаемого зеркала 2.11, отражается в нем и, тем самым, отклоняется на 90°, в результате чего после отражения его оптическая ось совпадает с оптической осью детектирующего луча 2.3. В варианте согласно фиг.3.2 нагревающий луч 2.10 также проходит через фокусирующую линзу 2.6 и фокусируется в жидкости 8, тогда как в варианте согласно фиг.3.1 он входит в нее в виде параллельного луча.

В то время как для упрощения согласно фиг.3.1, 3.2 лучи 2.3, 2.10 после отражения изображены с совпадающим размером сечения и ходом, они могут отличаться, как это показано на фиг.4 и описано ниже.

Кроме того, можно также пропустить детектирующий луч, при необходимости, в виде параллельного луча через жидкость, а нагревающий луч 2.10 сфокусировать внутри нее или наоборот, т.е. пропустить нагревающий луч 2.10 в виде параллельного луча через жидкость, а детектирующий луч сфокусировать внутри или иным, изображенным на фиг.2.3-2.6 образом. При этом, в случае необходимости, частично проницаемое зеркало 2.11 расположено тогда за фокусирующей линзой 2.6, которая в зависимости от нужного фокусирования луча расположена по ходу либо детектирующего луча 2.3, либо нагревающего луча 2.10. Кроме того, возможны варианты, представленные на фиг.2.3, 2.5-2.7, т.е. рассеивающая линза 2.7 для детектирующего луча после его прохождения через трубу 2.1 и жидкость 8 в случае двух источников излучения для детектирующего 2.3 и нагревающего 2.10 лучей.

В варианте согласно фиг.4 предусмотрены два луча, а именно помимо измерительного луча 2.3 также отдельный нагревающий луч 2.3.1. Существенно то, что диаметр последнего не превышает диаметра измерительного луча 2.3, т.е. равен или меньше него. В данном примере измерительный 2.3 и нагревающий 2.3.1 лучи направлены коаксиально. Они могут происходить из разных источников света или же из одного источника света и соответствующим образом направляться показанным оптическим путем.

Лазер 2.2 представляет собой модулированный или импульсный лазер, так что лазерный луч является модулированным или импульсным лазерным лучом 2.3.

Посредством детекторной матрицы 2.5 с несколькими отдельными детекторами, причем она может быть линейной или поверхностной, определяется не только локальное отклонение лазерного луча линзой, но и посредством нескольких отдельных детекторов можно определить глобальные свойства образованной в результате нагрева термической линзы. Проводятся несколько измерений по времени - в течение одного лазерного импульса, так что можно зарегистрировать временной характер развития термической линзы, который определяется, в основном, скоростью течения жидкости. Для более точного определения характера течения посредством устройства обработки 4 проводится статистическая обработка принятых сигналов, в частности определение первого момента в виде среднего значения, второго момента в виде дисперсии, третьего момента в виде статистической кривизны и четвертого момента в виде куртозиса или выпуклости.

За счет излучения световой энергии, в частности лазерной энергии, в жидкость 8 происходит локальное повышение температуры, которое находится в прямой связи с интенсивностью лазерного излучения и приводит к неравномерному распределению температуры жидкости. В результате создается эффект термической линзы, которая влияет на световой луч и, тем самым, модифицирует воспринимаемый детекторным устройством профиль интенсивности или мощности. За счет течения жидкости изменяется распределение температуры и соответственно также профиль принятой световой мощности. Это изменение в сочетании с управлением лазером используется для определения свойств течения жидкости.

Если жидкость не течет, то профиль интенсивности или мощности принятого излучения симметричный, а эффект термической линзы заключается в уменьшении ширины профиля интенсивности, причем также в зависимости от физической конфигурации системы и фокусирования лазера может произойти расширение лазерного луча. Если жидкость течет, то температурный профиль больше несимметричный. Из этого следует, как показано на фиг.5, что распределение интенсивности лазерного излучения отличается от положения при неподвижной жидкости и становится несимметричным. Эти отклонения привлекаются, согласно изобретению, для определения характеристик или свойств течения жидкости, таких как доля расхода или объемный поток, причем скорость течения и доля расхода находятся в прямой связи между собой за счет диаметра трубы.

При импульсной модуляции лазера во время одного импульса проводятся измерения, и принятые сигналы обрабатываются. Продолжительность и частота импульсов преимущественно согласуются с постоянными времени системы. Эти постоянные зависят от физической конфигурации системы, такой как расстояние между ее частями, фокусирования лазерного луча и диапазона определяемой скорости течения. Поскольку температура повышается, когда лазер включен, изменяется со временем принятый профиль мощности или интенсивности лазерного луча. Это изменение зависит от скорости среды в системе и, тем самым, от доли расхода. Было установлено, что изменение среднего положения или среднего значения положения распределения интенсивности лазерного излучения и его ширина (стандартное отклонение) находятся в связи со скоростью течения. В соответствии с этим на основе интенсивности света, принятой отдельными, следующими друг за другом в направлении течения детекторными элементами детекторной матрицы, можно обычным образом определить (локальное) среднее значение и стандартное отклонение принятой интенсивности света.

На фиг.6.1, 6.2 показано экспоненциальное разложение или аналогичная временная характеристика. Моменты более высоких порядков, такие как кривизна и куртозис, также могут быть определены и также находятся в связи с долей расхода. Подобные значения образуют пример проекции полученных данных на подпространство данных, в результате чего в сигналах можно отделить различные значения и, таким образом, улучшить определение доли расхода.

Как видно на чертежах, среднее значение может быть приближено, например, посредством модели в виде µ(t)≅α0+α·e-t/τ или µ(t)=γ+Σβitanh(αit), причем последняя модель имеет лучшую сходимость, а чувствительность в отношении начальных условий уменьшена по сравнению с экспоненциальной моделью.

Параметры в формулах моделей следует согласовать с долями расхода, причем помимо линейных могут быть привлечены также нелинейные модели.

Алгоритм, разработанный для импульсного возбуждения лазера, предполагает экспоненциальный ответ системы. В теории фильтра такой ответ соответствует авторегрессивной модели первого порядка. Было установлено, что временная постоянная экспоненциальной модели, представляющая развитие положения среднего значения, находится в тесной связи с долей расхода. При предположении того, что система ведет себя, как авторегрессивный фильтр первого порядка, фаза ответа будет варьироваться с долей расхода. Если поэтому изменить выходную мощность лазера с помощью функции косинуса и определить фазовый сдвиг между принятым средним положением мощности лазера (или моменты более высокого порядка) и модулированным выходным сигналом, то за счет этого можно также определить долю расхода. Если определяется расход накачиваемой насосом жидкости, а частота накачивания лежит близко к частоте модуляции, то могут возникнуть проблемы. Их можно преодолеть за счет того, что лазер модулируется двумя разными частотами, а доля расхода определяется по обеим, причем принятый сигнал фильтруется вокруг каждой частоты. Другое решение может состоять в том, чтобы детектировать мешающие взаимодействия и изменять частоту модуляции. Кроме того, за счет анализа главных компонентов можно отделить различные режимы колебаний в датчике.

Изменение фазового сдвига со скоростью изображено на фиг.7.

Предпочтительно использовать несколько частот для модуляции лазера, в результате чего можно увеличить контролируемый диапазон долей расхода. Например, разрешение при небольших долях расхода обычно 0-6 мл/мин (при внутреннем диаметре трубы 4 мм) и при низкой частоте модуляции, например 10 Гц, лучше, тогда как при более высокой частоте модуляции, например 80 Гц, диапазон измерений можно расширить до 25 мл/мин.

В то время как в импульсном лазере временная информация о принятых сигналах привлекается для определения доли расхода, при модуляции выходной мощности лазера привлекается как временной, так и частотный ответ при выбранных частотах. Чтобы использовать весь диапазон время-частота, можно стохастически привлечь шум для управления лазером, например белый шум, при необходимости отфильтрованный. Благодаря этому можно покрыть более широкий частотный диапазон. За счет определения ответа системы и, тем самым, передаточной функции можно создать связь между нею и долей расхода.

Перечень ссылочных позиций

1 - устройство

2 - оптическое устройство

2.1 - труба

2.1.1 - стенки

2.2 - лазер

2.3 - оптический луч

2.3.1 - нагревающий луч

2.4 - линза

2.5 - детекторная матрица

2.6 - линза

2.7 - линза

2.8 - источник излучения или света

2.9 - собирательная линза

2.10 - нагревающий луч

2.11 - зеркало

3 - лазерная электроника

3.1 - модулятор

3.2 - лазерный возбудитель

4 - усилительное устройство

4.1 - усилитель

5 - устройство обработки

5.1 - аналого-цифровой преобразователь

5.2 - цифровой процессор

6 - интерфейс

7 - источник питания

8 - жидкость

9.1, 9.2 - управляющие линии

1. Способ определения расхода жидкости, при котором жидкость нагревают посредством оптического нагревающего луча, место нагрева просвечивают оптическим детектирующим лучом, отличающийся тем, что оптические оси нагревающего и детектирующего лучей совпадают, по меньшей мере, в месте нагрева, при этом нагревающий луч является модулированным или импульсным лучом, детектирующий луч воспринимают посредством детекторной матрицы, причем посредством детекторной матрицы осуществляют несколько следующих по времени друг за другом измерений в течение одного светового импульса нагревающего луча, в результате чего определяют временную характеристику показателя преломления нагретой зоны в жидкости.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагревающий и детектирующий лучи излучают из одного источника излучения.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагревающий и детектирующий лучи излучают из разных источников излучения.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что детектирующий луч имеет больший средний диаметр, чем нагревающий луч.

5. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что оптический луч или лазерные лучи фокусируют на зону внутри жидкости.

6. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что проходящий или проходящие через жидкость лучи являются параллельными лучами.

7. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что детектирование осуществляют посредством линейной детекторной матрицы.

8. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что детектирование осуществляют посредством поверхностной, двухмерной детекторной матрицы.

9. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что расход определяют по принятому профилю оптического луча.

10. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что скорость течения жидкости определяют посредством определения падения статистических моментов.

11. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что определяют статистические моменты принятых сигналов, такие как среднее значение, дисперсия, кривизна и/или куртозис.

12. Способ по п.11, отличающийся тем, что сдвиг среднего значения положения оптического луча определяют в качестве меры расхода.

13. Способ по п.11, отличающийся тем, что определяют модификацию дисперсии оптического луча с расходом.

14. Способ по любому из пп.1-3, 12, 13, отличающийся тем, что оптический луч модулируют по интенсивности и определяют фазовый сдвиг модуляции и измерения.

15. Способ по п.14, отличающийся тем, что оптический луч модулируют несколькими частотами.

16. Способ по п.14, отличающийся тем, что оптический луч модулируют стохастически.

17. Устройство для определения расхода жидкости, содержащее трубу (2.1), по которой протекает жидкость (8), имеющую, по меньшей мере, частично проницаемую для измерительного излучения (2.3) стенку (2.1.1), устройство для нагрева, по меньшей мере, одной зоны внутри жидкости (8), лазер (2.2) для создания измерительного излучения и электронное устройство обработки (5), причем устройство для нагрева ограниченной внутренней зоны жидкости (8) и направляющее луч (2.3) лазера (2.2) оптическое устройство (2.4, 2.6) расположены с возможностью просвечивания измерительным лучом (2.3) нагретой зоны в абсолютном месте ее нагрева, отличающееся тем, что устройство для нагрева жидкости является лазером (2.8, 2.2) для создания модуляции интенсивности или импульсного нагревающего луча (2.10, 2.3), причем фокусирующая линза (2.4, 2.6) выполнена таким образом, что оптические оси нагревающего и детекторного лучей в месте нагревания совпадают, и детекторная матрица (2.5) предназначена для приема измерительного излучения, причем детекторная матрица выполнена для осуществления нескольких, следующих по времени друг за другом измерений в течение одного светового импульса нагревающего луча, в результате чего может определяться временная характеристика показателя преломления нагретой зоны жидкости.

18. Устройство по п.17, отличающееся тем, что устройство для нагрева протекающей жидкости является лазером (2.2).

19. Устройство по п.18, отличающееся тем, что создающий измерительный луч (2.3) лазер (2.2) является устройством для нагрева жидкости.

20. Устройство по п.19, отличающееся тем, что оптическое устройство (2.4, 2.6) выполнено таким образом, что оптический луч (2.3) направляется через жидкость (8) в нерасщепленном виде.

21. Устройство по любому из пп.17-20, отличающееся тем, что оно содержит фокусирующую линзу (2.6) для фокусирования лазерного луча внутри течения жидкости (8).

22. Устройство по любому из пп.17-20, отличающееся тем, что оно содержит линзу (2.4) для параллелизации и просвечивания жидкости (8) посредством параллельного луча.

23. Устройство по любому из пп.17-20, отличающееся тем, что детекторная матрица (2.5) является линейной.

24. Устройство по любому из пп.17-20, отличающееся тем, что детекторная матрица (2.5) является поверхностной/двухмерной.

25. Устройство по любому из пп.17-20, отличающееся тем, что устройство обработки выполнено для определения статистических моментов принятых сигналов, таких как среднее значение, дисперсия, статистическая кривизна и/или куртозис.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к ультразвуковому расходомеру, содержащему проточную для измеряемой среды измерительную трубу, имеющую, глядя в поперечном сечении, две половины, и две пары ультразвуковых преобразователей, с каждой из которых соотнесен ультразвуковой отражатель, причем ультразвуковые преобразователи каждой пары расположены на общей для них половине измерительной трубы со смещением относительно друг друга в продольном направлении измерительной трубы, а ультразвуковой отражатель, соотнесенный с соответствующей парой ультразвуковых преобразователей, расположен на другой половине и помещен, глядя в продольном направлении измерительной трубы, между обоими ультразвуковыми преобразователями таким образом, чтобы ультразвуковой сигнал, посланный одним ультразвуковым преобразователем пары ультразвуковых преобразователей, достигал другого ультразвукового преобразователя по V-образному пути распространения сигнала через ультразвуковой отражатель, соотнесенный с этой парой ультразвуковых преобразователей.

Изобретение относится к сельскому хозяйству, к области водоизмерения и водоучета в гидромелиоративных системах, в частности к устройствам ультразвукового типа для измерения расхода жидкости (воды) с переменным уровнем в открытых каналах, и может быть использовано на гидромелиоративных и водохозяйственных системах.

Изобретение относится к области расходомеров. .

Изобретение относится к измерительной технике по ультразвуковым расходомерам, а именно к способам и устройствам измерения расхода массы и объема жидких сред в безнапорных трубопроводах.

Изобретение относится к способу определения и/или контроля расхода измеряемой среды через измерительную трубу с одним первым и, по меньшей мере, одним вторым ультразвуковыми датчиками, из которых первый ультразвуковой датчик содержит, по меньшей мере, один электромеханический ультразвуковой преобразовательный элемент и размещен на первом участке измерительной трубы, а второй ультразвуковой датчик содержит, по меньшей мере, два электромеханических ультразвуковых преобразовательных элемента и размещен на втором участке измерительной трубы так, что переданные первым ультразвуковым датчиком через измеряемую среду ультразвуковые сигналы принимаются вторым ультразвуковым датчиком, а переданные вторым ультразвуковым датчиком через измеряемую среду ультразвуковые сигналы принимаются первым ультразвуковым датчиком, и, по меньшей мере, с одним блоком регулирования/оценки, который с помощью ультразвуковых измерительных сигналов или измеренных данных, выведенных из ультразвуковых измерительных сигналов, определяет объемный и/или массовый поток протекающей в измерительной трубе измеряемой среды методом разности времени прохождения, а также к измерительной системе.

Изобретение относится к жидкостным и газовым ультрозвуковым расходомерам. Пьезоэлектрический узел для ультразвукового расходомера содержит пьезоэлектрический элемент, содержащий первую поверхность и вторую поверхность, пьезоэлектрический первый электрод, взаимодействующий с первой поверхностью, и второй электрод, взаимодействующий со второй поверхностью. Кроме того, пьезоэлектрический узел содержит проводимую соединительную прокладку, прикрепленную к первому электроду, при этом первый провод, электрически соединен с соединительной прокладкой. Технический результат - повышение надежности электрического соединения с электродами пьезоэлектрического элемента преобразователя с возможностью сопротивления температурным и механическим нагрузкам. 2 н. и 22 з.п. ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к бытовым ультразвуковым счетчикам для измерения расхода газа. Техническим результатом является повышение точности, а также увеличение динамического диапазона измеряемого расхода газа. Достижение указанного результата обеспечивается тем, что ультразвуковой газовый расходомер содержит два пьезоэлектрических преобразователя, каждый из которых состоит, по крайней мере, из двух блоков, смещенных относительно друг друга вдоль направления излучения (приема). Результат по п.2 формулы достигается тем, что каждый преобразователь содержит четное число излучающих (принимающих) блоков. Результат по п.3 формулы достигается тем, что преобразователи расположены на противоположных боковых стенках измерительной камеры со смещением один относительно другого вдоль направления распространения газового потока. Достижение результата по п.4 формулы обеспечивается тем, что преобразователи расположены на одной из боковых стенок измерительной камеры со смещением один относительно другого по стенке вдоль направления газового потока симметрично относительно плоскости поперечного сечения измерительной камеры, в центре противоположной боковой стенки измерительной камеры расположено, по крайней мере, одно акустическое зеркало, так что его плоскость параллельна плоскостям излучающих (принимающих) поверхностей блоков, причем смещение блоков одного преобразователя зеркально относительно смещения блоков другого преобразователя, а плоскости зеркала и приемно-излучающих преобразователей не выступают внутрь измерительной камеры за ее плоскость. Результат по п.5 формулы достигается тем, что приемно-излучающие блоки каждого из преобразователей объединены в группы, причем каждая из групп состоит из одинакового количества, но не менее двух, блоков, имеющих одинаковое смещение вдоль нормали к излучающей (принимающей) поверхности. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к системам выравнивания потока текучей среды в проточной части расходомеров или в трубопроводах на входе расходомеров, предназначенных для измерений объемного расхода текучих сред. Ультразвуковой расходомер, содержащий прямолинейную проточную часть - трубопровод, первый и второй электроакустические датчики, размещенные в соответствующих корпусах, установленных внутри проточной части на расстоянии друг от друга, каждый датчик связан с измерительным блоком. При этом между датчиками в проточной части установлена трубка-вкладыш, внутреннее сечение которой выполнено в виде равностороннего многоугольника с закругленными углами. При этом сечение трубки-вкладыша по направлению от первого датчика ко второму выполнено сужающимся, с каждой торцевой стороны трубки-вкладыша в ее нижней части выполнены полки, обращенные наружу к близлежащему датчику, внутренняя полость трубки-вкладыша образует зону измерения. Корпус каждого датчика имеет обтекаемую форму, плавно расширяющуюся по направлению к зоне измерения. Датчики установлены симметрично по отношению к трубке-вкладышу. Технический результат - расширение арсенала средств для выпрямления потока в ультразвуковых расходомерах, а также упрощение конструкции устройства и повышение степени выравнивания потока. 7 з.п. ф-лы, 8 ил.
Способ одновременного определения расходов жидкой и газовой фаз потока газожидкостной смеси, включающий зондирование восходящего потока несепарированной газожидкостной смеси непрерывным ультразвуковым сигналом, прием отраженного от неоднородностей сигнала, комплексное детектирование, выделяющее синфазную с зондирующим сигналом и квадратурную составляющие, проведение спектрального анализа с определением знака преобладающей частоты, определение частоты сигнала и доли времени, когда преобладающая частота принимает отрицательное значение. При этом определяют мощность принятого сигнала, сравнивают мощность с пороговой величиной и исключают из определения частоты сигнала и доли времени, когда преобладающая частота принимает отрицательное значение, т.е. участки сигнала, где мощность менее пороговой. Во время калибровки определяют зависимости частоты и доли времени, когда преобладающая частота принимает отрицательное значение, от расходов жидкой и газообразной фаз. По полученным во время калибровки зависимостям частоты и доли времени, когда преобладающая частота принимает отрицательное значение, определяют расходы жидкой и газовой фаз. Технический результат - упрощение способа определения расхода жидкой и газовой фаз потока газожидкостной смеси при одновременном повышение точности измерения и расширении диапазона измеряемых величин.

Ультразвуковой преобразователь ультразвукового расходомера снабжен корпусом, содержащим ближний к месту крепления конец, дальний к месту крепления конец и внутренний объем. При этом ультразвуковой преобразователь ультразвукового расходомера выполнен с возможностью соединения с трубным узлом ультразвукового расходомера, пластмассовым согласующим слоем и преобразовательным элементом, соединенным с внутренней поверхностью пластмассового согласующего слоя. При этом пластмассовый согласующий слой имеет наружную поверхность и внутреннюю поверхность и герметично соединен с дальним концом корпуса и расположен закрывающим его. Также пластмассовый согласующий слой имеет коэффициент теплового расширения, больший коэффициента теплового расширения корпуса. Технический результат - повышение долговечности расходомера и его компонентов. 4 н. и 17 з.п. ф-лы, 12 ил.

Группа изобретений относится к измерительной технике и, в частности, к способу и системе обнаружения и отслеживания отложений. Система обнаружения нароста отложений в ультразвуковом расходомере включает ультразвуковой расходомер, муфту, пару преобразователей, закрепленных на муфте. Причём каждая пара преобразователей содержит преобразователь, установленный ниже по потоку, и связанный с ним преобразователь, расположенный выше по потоку, и задает хорду, проходящую между ними. Также система содержит группу электронных устройств, электрически связанных с парами преобразователей и выполненных с возможностью получения диагностических данных посредством акустических сигналов, передаваемых каждой парой преобразователей. При этом диагностические данные включают расчетную скорость распространения звука через текучую среду для каждой пары преобразователей, а электронные устройства выполнены с возможностью обнаружения нароста отложений на внутренней поверхности муфты на основании разницы длин хорд и изменения скорости распространения звука через текучую среду во времени для пар преобразователей. Способ обнаружения нароста отложений предполагает определение диагностических данных посредством акустических сигналов, которые передаются между каждой из пар преобразователей ультразвукового расходомера. При этом диагностические данные включают расчетную скорость распространения звука через текучую среду, проходящую через ультразвуковой расходомер для каждой пары преобразователей, изменение во времени скорости распространения звука через текучую среду для каждой из пар преобразователей, разницу длин хорд пар преобразователей, изменение скорости распространения звука через текучую среду. Технический результат изобретения - повышение точности измерений. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 7 ил.

Датчик ультразвукового расходомера может быть использован для определения расхода газов и жидкостей. Он состоит из пролетного канала, в торцах которого установлены акустические преобразователи, и двух патрубков, соединяющих пролетный канал с контролируемым трубопроводом. Акустическая ось преобразователей смещена относительно оси симметрии пролетного канала. Контролируемая среда из патрубков вводится в пролетный канал через его боковую поверхность, соединенную с боковой поверхностью патрубков, и таким же образом выводится из него. Технический результат - конструктивное упрощение устройства, уменьшение габаритов без ухудшения функциональных характеристик. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Предложен ультразвуковой расходомер для измерения потока текучей среды в трубопроводе. В одном из примеров реализации настоящего изобретения ультразвуковой расходомер содержит патрубок, имеющий сквозное отверстие и канал преобразователя, проходящий к сквозному отверстию. Кроме того, ультразвуковой расходомер содержит пьезоэлектрический модуль с пьезоэлементом. Кроме того, преобразовательный блок содержит трансформаторный модуль с трансформатором. Трансформаторный модуль присоединен к пьезоэлектрическому модулю. Кроме того, преобразовательный блок содержит приемный модуль, присоединенный к трансформаторному модулю. Приемный модуль содержит корпус приемника и приемник, расположенный в корпусе приемника соосно с ним. Приемник электрически присоединен к трансформатору. Кроме того, приемник выполнен с возможностью его поворота относительно корпуса приемника между первым и вторым положениями. Технический результат - улучшение эксплуатационной надежности и технического обслуживания, а также качества ультразвукового сигнала. 3 н. и 30 з.п. ф-лы, 18 ил.

В одном из примеров реализации ультразвуковой расходомер содержит патрубок, имеющий сквозное отверстие и посадочное гнездо преобразователя, проходящее от внешней поверхности патрубка к сквозному отверстию. Кроме того, ультразвуковой расходомер содержит блок преобразователя, расположенный в посадочном гнезде преобразователя. Блок преобразователя имеет центральную ось и содержит держатель трансформатора, имеющий первый конец, расположенный ближе к сквозному отверстию патрубка, и второй конец, удаленный от сквозного отверстия патрубка. Кроме того, блок преобразователя содержит пьезоэлектрический модуль с пьезоэлементом. Пьезоэлектрический модуль соединен с блоком преобразователя и проходит в целом в осевом направлении от первого конца держателя преобразователя. Кроме того, блок преобразователя содержит трансформаторный модуль с трансформатором. Трансформаторный модуль соединен с блоком преобразователя и расположен в осевом направлении на расстоянии от пьезоэлектрического модуля. Технический результат - улучшение эксплуатационной надежности и технического обслуживания, а также качества ультразвукового сигнала, передаваемого в текучую среду, что способствует повышению точности измерения. 3 н. и 27 з.п. ф-лы, 20 ил.

Ультразвуковой расходомер для измерения потока текучей среды в трубопроводе. В некоторых примерах реализации ультразвуковой расходомер содержит патрубок, блок преобразователя и блок заглушки посадочного гнезда. Патрубок имеет сквозное отверстие и посадочное гнездо преобразователя, проходящее между сквозным отверстием и внешней поверхностью патрубка. Блок преобразователя расположен в посадочном гнезде преобразователя и содержит трансформатор, пьезоэлемент и расположенное между ними электрическое соединение. Блок заглушки посадочного гнезда присоединен к блоку преобразователя. Блок заглушки посадочного гнезда принимает кабель, присоединенный к блоку преобразователя, и подпружинен для перемещения блока заглушки посадочного гнезда по направлению к блоку преобразователя для противодействия электрическому отсоединению кабеля от блока преобразователя. Технический результат - улучшение качества ультразвуковых сигналов, а следовательно, повышение измерительной точности. 3 н. и 30 з.п. ф-лы, 27 ил.
Наверх