СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СРЕДНЕЙ СКОРОСТИ ПОТОКА
METHOD OF AVERAGE FLOW RATE DETERMINATION

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах управления технологическими процессами.
Известен способ, реализуемый доплеровским измерителем скорости потока (см. В.А.Викторов и др. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов, 1989, стр.136), в котором частота рассеянных на движущихся неоднородностях в потоке электромагнитных колебаний вследствие эффекта Доплера используется для определения скорости потока сыпучего материала.
Недостатком этого известного способа является низкая точность из-за нестабильности информативного доплеровского сигнала по частоте.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятый автором за прототип способ определения скорости потока вещества (см. В.А.Викторов и др. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов, 1989, стр.137-138). В устройстве, реализующем указанный способ, колебания СВЧ генератора фиксированной частоты через передающую антенну направляются в контролируемый поток. Рассеянный на движущихся неоднородностях в потоке электромагнитный сигнал с доплеровской частотой улавливается приемной антенной и далее поступает в блок выделения и обработки доплеровского сигнала. Здесь по частоте Доплера, определяемой максимумом спектральной плотности доплеровского сигнала, получают информацию о скорости потока.
Недостатком данного способа следует считать погрешность, связанную со сложностью определения максимума спектральной плотности доплеровского сигнала.
Задачей заявляемого технического решения является повышение точности измерения.
Поставленная задача достигается тем, что в способе определения средней скорости потока, перемещаемого по трубопроводу, при котором вводят в поток электромагнитные колебания фиксированной частоты и выводят из потока сигнал с доплеровской частотой, создают базу данных доплеровских частот, формируют из этой базы данных набор частот, близких к средней доплеровской частоте, используют этот набор частот для вычисления арифметического среднего значения доплеровской частоты и по этому значению частоты судят о средней скорости потока.
Сущность заявляемого изобретения, характеризуемого совокупностью указанных признаков, состоит в том, что информацию о средней скорости потока контролируемого вещества получают по вычислению арифметического среднего значения доплеровской частоты.
Наличие в заявленном способе совокупности перечисленных существенных признаков позволяет решить поставленную задачу определения средней скорости потока на основе использования базы данных доплеровских частот и набора частот, близких к средней доплеровской частоте, с желаемым результатом, т.е. высокой точностью измерения.
На чертеже приведена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ. Устройство, реализующее данный способ, содержит микроволновый генератор 1, подключенный выходом к элементу 2 для ввода в поток сверхвысокочастотных электромагнитных колебаний, элемент 3 для вывода из потока сигнала с доплеровскими частотами, соединенный с входом блока 4 для создания базы данных доплеровских частот, формирователь 5 набора частот, близких к средней доплеровской частоте, подключенный выходом к входу вычислителя средней доплеровской частоты 6.
На чертеже цифрой 7 обозначен трубопровод, по которому перемещается поток.
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.
g
g
Как известно, при зондировании потока вещества электромагнитными колебаниями, частота рассеянного на движущихся неоднородностях вещества в потоке электромагнитного сигнала может изменяться на величину f вследствие эффекта Доплера. При одной фиксированной частоте зондирующих электромагнитных колебаний частота f может быть определена как:
где
0
f - частота зондирующих колебаний;
V - скорость контролируемого потока;
ε - диэлектрическая проницаемость контролируемой среды;
c - скорость распространения волны в свободном пространстве.
0
g
Из представленной формулы видно, что при постоянных значениях f, ε и c по частоте f можно судить о скорости потока в трубопроводе.
g
Анализ показывает, что из-за произвольной формы и ориентации движущихся в потоке неоднородностей, а также их различных геометрических размеров, доплеровский сигнал может иметь случайный характер, приводящий к погрешностям частоты f.
g
g
1
g1min
g1max
2
g2min
g2max
fg
g
Согласно предложенному технологическому решению для определения частоты f используется генетический алгоритм, основанный на поиске лучших решений с помощью исследования и усиления полезных свойств множества объектов определенного вида или класса в процессе имитации их эволюции. В силу этого в рассматриваемом случае сначала создаются исходные данные о доплеровских частотах, связанных со скоростью потока. Как уже отмечалось выше, из-за случайного характера доплеровского сигнала его частота при одной и той же скорости потока (зондирование потока электромагнитным сигналом фиксированной частоты) будет колебаться от минимального до максимального значений, т.е. f можно представить в виде спектра частот, например, для скорости V ширина спектра может изменяться от f до f, аналогично для скорости V - от f до f и т.д. Следовательно, эти частотные спектры доплеровских частот, связанные с различными значениями скорости потока, можно считать исходными данными для организации их базы. Затем из этих данных доплеровских частот, ввиду того, что средняя доплеровская частота  пропорциональна средней скорости  (см. В.А.Викторов и др. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов, 1989, стр.138), формируют набор частот, близких к средней доплеровской частоте . В данном случае энергетический спектр (зависимость спектральной плотности G от f) доплеровского сигнала может быть использован для создания набора частот, близких к средней доплеровской частоте.
g
Пусть данную доплеровскую частотную структуру описывает энергетический спектр узкополосного шума, имеющий узкий пик с центральной частотой, равный средней частоте в интервале частот от  до , где Δf - ширина спектра на уровне, например, 0,7 энергетического спектра. Тогда значения доплеровских частот, входящих в указанный интервал частот, могут быть классифицированы как набором доплеровских частот, близких к средней частоте . При этом один набор доплеровских частот будет соответствовать одной величине скорости, другой набор частот - другой величине скорости, и т.д.
1
Обозначим набор доплеровских частот, связанных, например, со скоростью потока V, элементами,  где  Тогда отношение суммы этих величин к их числу n даст возможность вычислить арифметическое среднее значение доплеровской частоты, т.е.
Следовательно, по этой средней доплеровской частоте можно судить о средней скорости  потока.
fg
g
Устройство, реализующее предлагаемый способ, работает следующим образом. Выходной сигнал (сверхвысокочастотные колебания фиксированной частоты) микроволнового генератора 1 через элемент 2 вводят в поток, перемещаемый по трубопроводу 7. После воздействия электромагнитных колебаний на поток, рассеянный на движущихся в потоке неоднородностях, сигнал улавливается элементом 3. С выхода этого элемента, осуществляющего одновременно выделение доплеровской частоты, связанной со скоростью потока, сигнал поступает на вход блока 4 для создания базы данных доплеровских частот. В этом блоке аналогично генетическому алгоритму (создание начальной популяции), создается база данных N доплеровских частот, связанных с одной величиной скорости потока. Здесь же фиксируется ширина диапазона (спектра) доплеровских частот от минимального до максимального значений. После этого в формирователе 5 набора частот происходит отбор доплеровских частот, близких к средней доплеровской частоте, т.е. на выходе этого блока можно наблюдать спектр доплеровских частот, ширина которого значительно уже, чем на входе формирователя спектра N доплеровских частот. В данном случае использование анализатора спектра в качестве формирователя может обеспечить как отбор с определенным шагом по оси частот спектральной плотности (зависимость G=F(f)) доплеровских частот, так и измерение этих отобранных частот. В вычислителе 6 после подсчета числа измеренных отобранных доплеровских частот (по генетическому алгоритму - это набор особей, которые получили право размножаться), путем деления суммы этих частот на их число (арифметическое среднее значение), определяют среднюю доплеровскую частоту, пропорциональную средней скорости потока.
Предлагаемый способ может быть реализован в виде компьютерной программы.
Таким образом, согласно предложенному способу на основе создания базы данных доплеровских частот и формирования из этой базы данных набора частот, близких к средней доплеровской частоте, можно обеспечить высокую точность измерения средней скорости потока.