СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ ПОТОКА И РАСХОДА ЖИДКИХ И ГАЗООБРАЗНЫХ ПРОДУКТОВ
METHOD OF DETERMINING RATE OF FLOW AND GAS AND FLUID FLOWS

Изобретение относится к области измерительной техники и преимущественно предназначено для использования в системах контроля и измерения скорости и расхода жидких и газообразных продуктов, транспортируемых по трубопроводам. Оно может быть использовано при транспортировке топливных продуктов, в водоснабжении, медицинской технике, а также в океанографии при измерении скорости течений в морях и океанах.
Известны акустические способы измерения скорости и расхода жидкости или газа, основанные на использовании соотношения скоростей распространения акустических колебаний в неподвижной среде и самой среды. Многообразие параметров, которые зависят от скорости измеряемой среды, и предопределило большое количество методов измерения задержки прохождения сигнала от излучателя к приемнику и обратно. С дальнейшим развитием измерителей данного типа преимущество предоставляется тем приборам, метрологические характеристики которых не зависят от условий эксплуатации - температуры, давления, концентрации примесей и т.п. [1-3].
Точность известных способов акустического измерения скорости течения и расхода продуктов ограничена влиянием на результат измерения временной задержки сигналов в передающих и приемных трактах, включая задержки в акустических преобразователях, которые существенно зависят от температуры и давления и изменяются со временем. Кроме того, вследствие тех же задержек сигналов в приемо-передающих трактах в полученный результат вносится погрешность из-за ограниченной точности измерения скорости звука в среде.
Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков является способ измерения расхода жидкости [4], выбранный в качестве прототипа. Он заключается в том, что жидкость, протекающую в клиновидном равномерно суживающемся канале, облучают ультразвуковыми импульсами по потоку и против потока под разными углами к оси потока, причем несимметрично относительно оси потока. Определяют значения разности времен прохождения этими импульсами базового расстояния. Вычисляют расход жидкости по полученной совокупности времен прохождения импульсов по потоку и против потока в обоих измерительных каналах с учетом геометрических характеристик клиновидного канала, а также углов наклона и длины измерительных каналов.
Сходными существенными признаками прототипа и заявленного изобретения являются излучение ультразвуковых сигналов по потоку и против потока под разными углами к оси потока и определение разности времен прохождения этими сигналами базового расстояния.
Недостатком прототипа является то, что он, как и другие аналоги, не обеспечивает необходимой точности измерения вследствие влияния на результат измерения временной задержки сигналов в передающих и приемных трактах, а также из-за изменчивости от внешних воздействий длины измерительной базы.
В основу изобретения поставлена задача создания способа измерения и контроля параметров (скорости и расхода) потока продукта (жидкости или газа), в котором за счет использования зависимости дисперсии спектра амплитуд шумовой составляющей акустического сигнала от скорости потока достигается технический результат изобретения - повышение точности измерения и контроля параметров потока при упрощении способа.
Поставленная задача решается тем, что в способе определения скорости потока и расхода жидких и газообразных продуктов, включающем возбуждение упругих волн в форме импульса по потоку и против потока под разными углами к оси потока, измерение времен прохождения импульсами базового расстояния от излучателя до приемника в двух направлениях: вдоль и против потока, вычисление величины скорости и расхода по разности времен прохождения этими импульсами базового расстояния, новым является то, что дополнительно измеряют шумовую составляющую акустического сигнала, из которой выделяют величину дисперсии спектра этой составляющей, а скорость потока V определяют по выражению
0
1
2
где α, α, α - коэффициенты полинома, полученные при градуировке;
σ - дисперсия спектра шумовой составляющей, которую определяют по выражению
k
где X - спектр шумовой составляющей;
k=0,…, N-1,
k
при этом X определяют по выражению
n
где х - исходная последовательность данных;
i - мнимая единица;
N - количество значений в последовательности.
Сущность изобретения поясняется с помощью нижеприведенных результатов, которые были получены заявителем при реализации изобретения. На чертежах изображено: Фиг.1 - образец записи на ПЭВМ показаний измерителя скорости течения при различной скорости потока; Фиг.2 - пример спектра амплитуд для скорости потока V=8,01 см/с; Фиг.3 - дисперсия спектра амплитуд акустического сигнала в зависимости от скорости потока.
Способ был осуществлен следующим образом. С помощью измерителя скорости течения ИСТ-1 [5], установленного на аттестованном гидролотке (г. Киев, Гидрометеослужба Украины), было произведено 19 измерений. Каждое измерение состояло из 3200 дискретных значений.
Скорость потока на этом образцовом гидролотке задавалась в диапазоне 0,01÷4,3 м/с, одновременно велась запись показаний измерителя ИСТ-1 на ПЭВМ с частотой 50 Гц. На Фиг.1 отчетливо видно увеличение шумовой составляющей измеренного сигнала при увеличении скорости потока.
Для каждой выборки, с использованием дискретного преобразования Фурье, были рассчитаны спектры по формуле (3). На Фиг.2 видно, что кроме шумовой составляющей на спектре присутствуют амплитудные всплески сигнала, вызванные влиянием конструкции гидролотка.
Далее, не отфильтровывая амплитудные всплески, определялась дисперсия спектра для 19 выборок и была построена зависимость дисперсии шумового спектра от величины скорости потока. На Фиг.3 видно, что кривая зависимости σ=f(V) имеет вид гладкой кривой. Аппроксимируя эту кривую полиномом второй степени, было получено среднее квадратическое отклонение кривых, равное 0,3.
Используя зависимости скорости течения от шумовой акустической составляющей сигнала, можно вносить поправку в измерительный канал скорости от изменения временной задержки сигналов в передающих и приемных трактах, включая задержки в акустических преобразователях, которые зависят от температуры, давления и временной изменчивости, дрейфа постоянной составляющей при нулевом входном сигнале.
Достигнутый технический результат изобретения особенно проявляется в том, что скорость потока можно определить, используя акустические шумы, получив в результате обработки сигнала величину дисперсии спектра этих шумов. Это открывает новые возможности для использования акустических шумов в измерительных приборах.
Источники информации
1. Филатов В.И., Кремлевский П.П. Ультразвуковые расходомеры. Методы и приборы для измерения расхода и количеств жидкости, газа и пара. - Таллинн: Машиностроение, 1972. - С.116-125.
2. Биргер Г.И., Бражников Н.И. Ультразвуковые расходомеры. - М.: Металлургия, 1964. - 382 с.
3. Табин Д. Ультразвуковой метод измерения скорости потока, основанный на оценке разности интервалов времени распространения звука в разных направлениях // Контрольно-измерит. техника. - 1989. - №9. - С.12-16.
4. Авторское свидетельство СССР №1247659, кл. G01F 1/66, 1986 - прототип.
5. Н.А.Греков, П.В.Гайский, В.Ж.Мишуров, А.С.Бондаренко. Переносной акустический измеритель скорости течения ИСТ-1. Системы контроля окружающей среды: Сб. науч. тр. / НАН Украины. МГИ: - Севастополь, 2005. - С.35-40.