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 DO и DП. 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 ТО и ТП между узкими импульсами излучаемого и принятых сигналов (между моментами посылки и приема). И по математическим выражениям, основанными на использовании значений DО, DП, ТΌ и ТП, 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 τm - сумма значения задержки преобразования электрического сигнала в акустический сигнал первым преобразователем и значения задержки преобразования акустического сигнала в электрический сигнал вторым преобразователем;

τn - 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 τL1 распространения сигнала по потоку и времени τL2 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 τЗадержки1234.

Из разности величин (τ1121) и (τ1222) 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 τm и τn 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 τm=const и τn=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 τm - сумма значения задержки преобразования электрического сигнала в акустический сигнал первым преобразователем и значения задержки преобразования акустического сигнала в электрический сигнал вторым преобразователем;
τn - 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.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике, метрологии и гидроакустике и может быть использовано для бездемонтажной проверки рабочего состояния гидроакустического тракта в натурных условиях.

Использование: геология, гидроакустика. Сущность: в акустическом устройстве определения дальности увеличивается точность определения дальности благодаря введению генератора подстраиваемой частоты, индикатора, максимального сигнала, блока определения заднего фронта сигнала, панели выдачи кода поправки и вычитателя, при этом выход генератора подстраиваемой частоты соединен с входом индикатора и с входом акустического широкополосного приемника низкочастотного диапазона, а вход генератора соединен с выходом этого приемника, соединенного также входом индикатора максимального сигнала и через блок определения заднего фронта сигнала со вторым входом преобразователя временного рассогласования, группа выходов которого соединена с первой группой входов вычитателя, имеющего вторую группу входов, соединенную с группой выходов панели выдачи кода поправки и имеющего группу выходов, соединенную с группой входов индикатора.

Использование: в технических средствах для оперативного освещения подводной обстановки в акваториях Мирового океана. Сущность: предлагается использовать устройство, представляющее собой синтез транспортировочного модуля, укомплектованного электрической энергосиловой установкой (ЭСУ) и бортовой электронной аппаратурой (БЭА), осуществляющей управление системами АНПА, включая ЭСУ и систему БЭА.

Изобретение относится к области поисковых и подводно-технических работ при наличии сплошного ледового покрова в районе нахождения аварийного подводного объекта, например, подводной лодки.

Использование: приемник предназначен для проведения векторно-скалярных измерений параметров гидроакустических полей в морях и океанах. Сущность: приемник включает корпус с инерционной массой, расположенной в центре корпуса, шесть АЦП, микропроцессор и три измерительных канала, оси чувствительности которых расположены в пространстве согласно осям ортогональной системы координат.

Изобретение относится к области гидрографии, в частности к способам и техническим средствам определения глубин акватории фазовым гидролокатором бокового обзора, и может быть использовано для выполнения съемки рельефа дна акватории.

Изобретение относится к области навигации, а более конкретно к способам определения местоположения измеренных глубин преимущественно посредством многолучевого эхолота.

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и решает задачу выделения исследуемого сигнала из смеси с помехой. .

Изобретение относится к гидроакустической технике и может быть использовано в составе водолазного оборудования. .

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для использования в гидрометеорологии для измерения профилей скорости звука и профилей скорости ветра в атмосфере и течения в водных потоках. Технический результат - возможность одновременного измерения профиля составляющих горизонтального вектора скорости потока и профиля скорости звука в среде и повышение точности измерений скорости потока и пространственной "привязки профиля скорости потока. Сущность: используют четыре акустических преобразователя, размещенных полярно на одной диагонали в горизонтальной плоскости в первой и второй, и в третьей и четвертой вершинах квадрата, и цепочку n акустических отражателей, размещенных последовательно на держателе на оси, перпендикулярной плоскости квадрата и проходящей через центр квадрата, ориентируют акустические преобразователи на цепочку отражателей так, чтобы все отражатели находились в области диаграммы направленности каждого из акустических преобразователей, формируют поочередные передачу и прием отраженных встречных импульсных акустических сигналов парами акустических преобразователей, расположенных на одной диагонали квадрата, фиксирую времена прихода последовательности сигналов, отраженных от цепочки отражателей, определяют ортогональные составляющие горизонтального вектора скорости потока и значения скорости звука по осям хну в слое между (i-1)-м и i-м отражателями по формулам где - времена прихода сигнала, излученного 1-м преобразователем.. отраженного соответственно (i-1)-м и i-м отражателями и принятого 2-м преобразователем; - времена прихода сигнала, излученного 2-м преобразователем, отраженного соответственно (i-l)-м и i-м отражателями и принятого 1-м преобразователем; - времена прихода сигнала, излученного 3-м преобразователем, отраженного соответственно (i-1)-м и i-м отражателями и принятого 4-м преобразователем; - времена прихода сигнала, излученного 4-м преобразователем, отраженного соответственно (i-1)-м и i-м отражателями и принятого 3-м преобразователем; - углы между горизонталью и направлением на соответственно (i-1)-й и i-й отражатели от каждого из преобразователей; l0- расстояние по оси x между 1-ми 2-м преобразователями и по оси у между 3-м и 4-м преобразователями; .

Изобретение относится к области геофизических исследований действующих нефтяных скважин и может быть использовано для определения скорости потока жидкости в скважине.

Изобретение относится к экспериментальной гидродинамике импульсных дисперсных потоков и может быть использовано в двигателестроении для оценки скорости топливовоздушной струи при впрыске топлива.

Изобретение относится к экспериментальной гидродинамике импульсных дисперсных потоков и может быть использовано в двигателестроении для оценки скорости топливо-воздушной струи при впрыске топлива.

Изобретение относится к радиационной безопасности АЭС и предназначено для измерения метеопараметров в составе автоматизированной системы контроля радиационной обстановки (АСКРО), а также к экспериментальной метеорологии, газодинамике и электродинамике сплошных сред.

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение при измерении направления и величины вектора скорости потока, например, на летательных аппаратах.

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение при измерении направления и величины вектора скорости потока газа или жидкости, например, на летательных аппаратах.

Изобретение относится к системе для определения характеристик набегающего на поверхность транспортного средства потока текучей среды. .

Изобретение относится к ультразвуковому проточному датчику (110) для применения в текучей среде. Предложенный ультразвуковой проточный датчик (110) содержит, по меньшей мере, два ультразвуковых преобразователя (120, 122), расположенных в проточной трубе (112), вмещающей поток текучей среды, и разнесенных вдоль потока текучей среды.

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.

Наверх