СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ПОТОКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD TO MEASURE SPEED OF FLOW AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к измерительной технике, а точнее к калибровке и самокалибровке с противоскольжением, и может быть использовано для измерения скоростей и расходов потоков жидкостей и газов с повышенной точностью и в широком рабочем диапазоне, а также в составе мобильных калибровочных (образцовых) систем.
Имеются изобретения по патентам Японии JP 5070114 B4 и JP 5074023 B4 на анемометры для использования при низких температурах, которые содержат на валу вертушки электродвигатель с магнитной муфтой и выводы его концов наружу. Отношения эти изобретения непосредственно к противоскольжению вертушки не имеют, а обеспечивают только известную компенсацию порога чувствительности при заморозке подшипников вертушки.
Есть самые ранние изобретения вертушек с электродвигателями, но принцип компенсации скольжения не указан, неполный и несовершенный, например, с электрическими контактами в рабочей среде и для постоянно функционирующих трубопроводов: патенты США 1244693 с приоритетом от 1917 (заявлен в 1907, это самый первый патент, найденный именно нами по теме и опубликованный в журнале «Вопросы управления предприятием», 2011, №3, с.36), Германия 477072 от 1927 г., США 2406723 от 1944, СССР 149583 от 1961, СССР 168949 от 1964, США 2493931 от 1946 и др. Есть также изобретение СССР 1058415 с присвоенным именем И.П. Андреева, который реализует идею измерения скольжения по перепаду давлений на вращающейся турбинке, метрологически хорошо испытан с высоким эффектом повышения точности (от 3 до 33 раз на разных вязкостях авиакеросина) и применен для точной доводки крупных авиадвигателей НК-32 на форсированном режиме сверхзвукового самолета Ту-160 в 1980 году. Без точной доводки двигатели боевых самолетов при запуске и на форсаже иногда разрушаются.
Известен турбинный (вертушечный, крыльчатый) измеритель скорости потока с компенсацией трения сцепления, предназначенный, в частности, для изменения малых скоростей потока. Он содержит присоединенный к валу электродвигатель, вращающий турбинку со скоростью, отличной от нуля (патент ФРГ № 1241650, МПК G01Р 5/06, опубликован в 1957 г.), причем электрические параметры электродвигателя служат "дифференциальной мерой" скорости потока. Изобретение согласно описанию снижает порог чувствительности измерителя в 100 раз. Недостатком изобретения является неизменная точность из-за отсутствия обратной связи. Эффект снижения порога чувствительности в 20 раз получен нами в 1980 году в демонстрационном макете по изобретению СССР 1058415 с электродвигателем и ферромагнитной вертушкой, использованной в качестве ротора электродвигателя. Этот макет использован в нашем докладе на научно-техническом совете под председательством генерального конструктора двигателей НК академика Н.Д.Кузнецова.
Другим техническим решением является способ измерения скорости потока, предусматривающий вращение турбинки (вертушки, крыльчатки) в потоке без скольжения при помощи электродвигателя и измерение частоты вращения турбинки и электрических параметров питания электродвигателя (патент ФРГ № 1523168, МПК G01Р 5/06, опубликован в 1973 г.). Один из электрических параметров электродвигателя (напряжение, ток, сопротивление, мощность) изменяют таким образом, что другие параметры принимают значения, соответствующие вращению турбинки в вакууме или вращению вала электродвигателя без турбинки. Частоту вращения турбинки изменяют с помощью потенциометра или подобного устройства таким образом, чтобы пара величин (частота вращения и один из параметров питания) совпала с соответствующей парой величин, полученной при вращении турбинки в вакууме или вала электродвигателя без турбинки.
Устройство для осуществления способа содержит турбинку, установленную в потоке, датчик частоты вращения турбинки, электродвигатель, подсоединенный к турбинке, управляемый источник питания указанного электродвигателя, масштабный преобразователь частоты вращения турбинки и показывающий прибор.
Преимуществом технического решения является простота конструкции при отсутствии в потоке специального датчика скольжения турбинки.
Недостатком является недостаточная точность при изменении параметров среды (например, вязкости) и самого измерителя или электродвигателя (например, трения в опорах).
Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является изобретение по нашему патенту РФ 2173467, обеспечивающее повышение точности измерения скорости и расхода потока текучей среды (жидкости и газа) путем отслеживания точки перехода вращения турбинки с турбинного на компрессорный (насосный) и, наоборот, с компрессорного на турбинный, независимо от внешних влияний и возмущений.
Поставленная цель достигается в способе тем, что определяют точку перегиба зависимости частоты вращения турбинки от одного из электрических параметров питания электродвигателя и по частоте вращения турбинки, соответствующей точке перегиба, определяют скорость потока.
В устройстве поставленная цель достигается тем, что в него введены микро-ЭВМ, аналого-цифровые преобразователи частоты вращения турбинки и напряжения питания электродвигателя, выходы которых соединены с входами микро-ЭВМ, выход микро-ЭВМ подключен к показывающему прибору в виде дисплея, а устройство питания электродвигателя выполнено в виде генератора пилообразного (трапецеидального) напряжения, причем микро-ЭВМ содержит устройство для вычисления второй производной зависимости частоты вращения турбинки от напряжения питания электродвигателя и устройство вычисления скорости потока по частоте вращения турбинки, подключенное к устройству вычисления второй производной.
Кроме того, генератор пилообразного напряжения выполнен в виде генератора симметричной пилы (трапеции), а микро-ЭВМ содержит устройство определения среднего результата вычислений скорости потока, соответствующих восходящему и нисходящему фронтам пилы.
Для осуществления способа требуется сложное обеспечение идеальности пилообразного сигнала и двойного дифференцирования в условиях динамических процессов, сопровождающих работу электрического двигателя с нагрузкой вертушки на потоке. Другим недостатком является низкое быстродействие и широкий спектр частот сигнала пилообразной формы.
Целью изобретения является устранение этих недостатков по нашему патенту РФ 2173467 с проработкой других методов определения точки перегиба как известных, так и нового.
1. Численный метод Ньютона. Он широко применяется для вычисления точки перегиба. Его описание с рисунками и программой приведено в книге Б. Банди «Методы оптимизации. Вводный курс: Пер. с англ. - Радио и связь, 1988», с.15.
Как следует из текста (9-10 строки снизу), «точность» вычисления=0.00001, а с учетом того, что скольжение не превышает 3%, точность компенсации скольжения в пересчете на расход текучей среды получается очень высокой. Но вопрос искажения пилообразного сигнала этот метод не решает.
2. По справочнику «Измерения в промышленности: Справ. изд. в 3-х кн. Кн.3. Способы измерения и аппаратура: Пер. с нем. / Под ред. Профоса П. - 2-е изд. - М.: Металлургия, 1990», с.216-217, где положение точки перегиба кривой титрирования для количественного химического анализа раствора определяется графически с помощью двух окружностей, прямая через центры которых дает точку пересечения с кривой титрования. Достаточно сложный в реализации способ.
3. Согласно патенту США №5623095 по Int. C1. 6 G01N 29/02, США C1 73/61.49; 73/61.79 и полю поиска 73/61.45, 61,49 на «Метод химического анализа с помощью акустических средств» создается переменная интенсивность звука. В сигнале с датчика проводятся измерения фундаментальной и нескольких гармонических звуковых сигналов амплитуды, а затем сравнивается сюжет из ответа образца звука с известным ответом, и находится звуковое решение, определяя тем самым решение типа и концентрации.
Это изобретение использует гармоники в совершенно другой области химии и техники и напрямую с точкой перегиба по настоящему изобретению никак не связано.
4. Согласно патенту РФ 2373494 по МПК G01B 11/30, G01B 11/30 на «Способ измерения высоты микрорельефа поверхности интерференционным методом» создают оптическую нелинейность и анализируют интерференцию с использованием «гигантских» вторых гармоник от поверхностей с микрорельефом и эталонного образца. Другая область техники и никакой точки перегиба при прохождении вертушкой на потоке нулевого скольжения.
5. По патенту РФ 2187200 по классам МПК H04B 3/54, H04B 7/00, H03L 7/00 на «Систему синхронизма частоты гетеродина и частоты сигнала в радиоканале» учитывают разложение некоторого выражения сигнала в ряд Фурье:
,
где присутствуют только четные гармоники выпрямленного сигнала.
Это изобретение не имеет прямого отношения к рассматриваемому по существу, но важно понимание разложения сигнала в ряд Фурье. При этом в справочнике Бронштейна И.Н. и Семендяева К.А. Справочник по математике. Для инженеров и учащихся втузов. Изд. 10. Наука. М.: 1964, с.554-557 дается таблица некоторых разложений в ряд Фурье, где выпрямленный сигнал имеет только четные гармоники, а более полно графики и ряды 7 и 10 - высшие нечетные гармоники, 9, 11, 13 - высшие четные гармоники.
Соответствующий фрагмент 13 из книги с четными гармониками 2х, 4х, 6х… показан ниже.
13.
y=sinx для 0≤x≤π
<img file="00000002.tif" he="13" wi="101" img-content="undefined" img-format="tif" />
y=0 для π≤x≤2π
<img file="00000003.tif" he="20" wi="59" img-content="undefined" img-format="tif" />
На этом можно ограничить поиск и разбор недостатков известных теорий, методов и решений поиска точки перегиба, близких по своим мотивам и математическому аппарату к рассматриваемому изобретению.
Целью изобретения является устранение всех указанных выше недостатков с упрощением и повышением эффективности (точности и быстродействия) изобретения по нашему патенту РФ 2173467.
Поставленная цель по п.1 формулы изобретения достигается тем, что в способе измерения скорости потока, основанном на измерении частоты вращения вертушки, установленной в потоке на валу электродвигателя, определении точки перегиба зависимости частоты вращения вертушки от одного из электрических параметров питания электродвигателя и определении скорости потока по частоте вращения вертушки, соответствующей точке перегиба, (отличающийся тем, что) питание электродвигателя модулируют гармоническим сигналом, а точку перегиба огибающей определяют по изменению спектральных компонент выходного сигнала, например, гармоник, суммарных и разностных частот.
В качестве спектральных компонент выходного сигнала применяют четные гармоники и по минимизации сочетания уровней гармоник судят о прохождении точки перегиба.
В качестве спектральных компонент и четных гармоник выходного сигнала применяют вторую гармонику.
Устройство для осуществления способа содержит вертушку на вале электродвигателя, муфту и электронный корректор, модулятор с источником источника питания электродвигателя, генератор гармонического сигнала, подключенный к модулятору, устройство выделения 2-й гармоники на огибающей выходного сигнала датчика частоты вращения вертушки, устройство вычисления скорости потока по частоте вращения вертушки, соответствующей минимизации 2-й гармоники сигнала, а муфта сцепления, например, магнитная, между валом двигателя и валом вертушки выполнена выдвижной.
Устройство для осуществления способа, содержащее вертушку на вале электродвигателя, муфту и электронный корректор, содержит 2-мерный осциллограф, к обоим входам которого подключены входной и выходной сигналы для отображения фигуры Лиссажу.
В устройстве для осуществления способа, содержащем вертушку на вале электродвигателя, муфту и электронный корректор, корректор содержит ключи для селекции частоты выходного сигнала, соответствующей точке перегиба (минимизации четных гармоник).
Суть изобретения поясняется с помощью рисунков.
На фиг.1 (ЦАГИ. Промышленная аэродинамика. Выпуск 22. Гидродинамическая теория решеток. Силовые и моментные аэродинамические характеристики решеток тонких профилей. Оборонгиз, М., 1962, фиг.12, и аналогичные фиг.83-94) представлена зависимость коэффициента В линейной связи тангенса угла выхода потока из решетки от угла аэродинамического (геометрического) выноса β для компрессорных и турбинных решеток с густотой r решеток. Точка перегиба характеристик по рисунку находится в начале координат, а реально - на огибающей частоты вращения вертушки (не показано).
На фиг.2 и 3 (Дробов С.А. Радиопередающие устройства. Воениздат, М., 1951, с.564) показана трансформация гармонического сигнала через кривую с точкой перегиба. На фиг.2, когда точка перегиба найдена, показаны сигналы с возможным искажением выходных сигналов по амплитуде, но сохранением их симметрии. В искаженном выходном сигнале присутствуют нечетные гармоники.
На фиг.3, когда точка перегиба не найдена, присутствуют четные гармоники, как показано выше (Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. Наука, 1964, с.556-557, графики и ряды: 7 и 10 - высшие нечетные гармоники, 13 - высшие четные гармоники).
Следовательно, поиск точки перегиба сводится фактически к выявлению и устранению спектральных компонент сигнала, в частности четных гармоник на выходе, в частом случае - 2-й гармоники при соответствующем входном сигнале с минимальной амплитудой.
На фиг.4 показана блок-схема устройства, реализующего способ измерения скорости потока согласно изобретению.
На фиг.5 показан вариант привязки электродвигателя с выдвижной муфтой к стандартному турбинному счетчику газа. Электронный корректор выполняется выносным (см. фиг.4) и на фиг.5 он не показан.
Устройство для осуществления способа содержит вертушку 1 (фиг.4), установленную на валу электродвигателя 2, датчик 3 частоты вращения вертушки, аналого-цифровой преобразователь 4, преобразующий частоту вращения вертушки в код, дисплей 5, источник питания 6 электродвигателя, стандартный программируемый генератор 7 с гармоническим сигналом частотой примерно 1-0,01 Гц (периодом 1-100 секунд), модулятор 8, полосовой фильтр 9 для выделения четных гармоник, определитель экстремума 10, электронный ключ 11, корректор 12 для внесения поправки в показания дисплея, частотный детектор 13, 2-канальный осциллограф 14. Блок 15 образует выносную часть системы калибровки.
На фиг.5 обозначены: 16 - выводы проводов и 17 - электродвигатель с выдвижной магнитной муфтой, управляемой по проводам.
Принцип действия устройства предусматривает подачу изменяемого гармоническим сигналом напряжения питания электродвигателя с целью поиска точки перегиба и более точного определения по ней скорости потока.
Последовательность работы устройства следующая.
Под действием потока вертушка 1 приводится во вращение и частотный сигнал с датчика 3 частоты вращения вертушки поступает на преобразователь 4 и далее на дисплей 5. На фиг.5 показано, что электродвигатель отключен с помощью выносной муфты от вертушки.
Далее с помощью блока 15 выносной части системы калибровки подключается выносная муфта (фиг.5) и блок 15 отрабатывает программу корректировки показаний скорости потока.
Далее частотный сигнал с датчика 3 поступает на полосовой фильтр 9, детектор 13 и на один из входов осциллографа 14. На второй вход осциллографа 14 поступает сигнал с генератора 7. На осциллографе отображается фигура Лиссажу с искажениями, характеризующими процесс поиска точки перегиба.
Напряжения от источника 6 и от генератора 7 поступают на модулятор 8 и создают на электродвигателе 2 дополнительный к потоку вращательный момент. Напряжение от источника 6 поступает также на преобразователь 4 для корректировки сигнала на дисплей 5.
От фильтра 9 сигнал поступает на определитель 10, осуществляющий поиск экстремума, например, по минимизации уровня 2-й гармоники. Срабатывает ключ 11 и частотный сигнал с датчика 3 поступает в корректор 12. Второй сигнал поступает с генератора 7. Выходной сигнал с корректора 12 поступает на преобразователь 4 и дисплей отображает скорректированные по скольжению вертушки показания.
При изменении частоты генератора 7 настройки фильтра 9 могут меняться (пунктирная стрелка).
По окончании калибровки блок 15 и выдвижная муфта (фиг.5) отключаются.
Как и в прототипе (патент РФ 2173467), второе значение скорости потока вычисляется при изменении огибающей сигнала (пилообразного напряжения) в обратном направлении. Здесь гармоническая огибающая сигнала частоты вращения.
Вычисляется средний результат скорости потока, который при нажатом ключе 11 выводится на дисплей 5 (фиг.4).
Благодаря своим уникальным свойствам, простоте и легковесности конструкций изобретение применимо для точных и широкодиапазонных измерений текучих сред (газа и жидкости), а также для использования в качестве портативных образцовых средств (калибраторов) расхода и метрологического обеспечения на магистралях газа и нефти.