СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСХОДА ПРОТЕКАЮЩЕЙ ЖИДКОСТИ
METHOD AND APPARATUS FOR DETERMINING RATE OF FLOWING LIQUID

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.
-1
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 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.
0
i
i
-t/τ
Как видно на чертежах, среднее значение может быть приближено, например, посредством модели в виде µ(t)≅α+α·e или µ(t)=γ+Σβtanh(αt), 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