СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ НАПРАВЛЕННОГО ПОТОКА ЖИДКОСТИ ИЛИ ГАЗА
METHOD TO MEASURE SPEED OF DIRECTED FLOW OF LIQUID OR GAS

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для использования в гидрометеорологии и может быть использовано для измерения расхода жидкости или газа в трубопроводах.
Известны корреляционные способы измерения скорости потока, основанные на оценке времени переноса меток (неодноррдностей и (или) взвеси) потоком на расстояние между двумя фиксированными точками по максимуму корреляционной функции [1].
В качестве меток используются пространственные неоднородности температуры, скорости, пульсации давления, коэффициента теплообмена датчика со средой, плотности среды, электропроводимости, концентрации различных растворенных веществ и взвешенных частиц.
Недостатком корреляционных способов измерения скорости потока являются трудности технической реализации точечных датчиков меток с высоким быстродействием.
Известны спектральные способы измерения скорости потока в точке по доплеровскому сдвигу частоты отраженного от меток акустического сигнала [2].
Недостатком доплеровских способов измерения скорости потока является зависимость результата измерения от скорости звука в среде, что ограничивает точность измерения.
Аналогов заявленного изобретения заявителем не обнаружено.
В основу изобретения поставлена задача создания способа измерения скорости направленного потока жидкости или газа, совокупностью существенных признаков которого достигается технический результат - повышение точности, упрощение технической реализации способа измерения скорости потока и расширение областей применения.
R
i
R
i
i
0
Поставленная задача решается тем, что используют первичный измерительный преобразователь меток в потоке с равномерно распределенной измерительной базой длиной L (контактный или бесконтактный), размещают измерительную базу в потоке под известным углом α(0≤α<90°) к направлению потока, подают выходной сигнал R(t) первичного измерительного преобразователя (ПИП) через вторичный измерительный преобразователь (ВИП) на спектроанализатор, вычисляют известным способом текущую за время Τ функцию спектральной плотности сигнала S(f), определяют частоты f на которых функция S(f) имеет минимумы, нумеруют частоты f в порядке возрастания от f=0 до , вычисляют среднюю за время Τ скорость потока  по формуле
Суть способа поясняется иллюстрациями, на которых изображено:
- на фиг. 1 - размещение равномерно распределенной базы первичного измерительного преобразователя меток в направленном потоке;
- на фиг. 2 - схема переноса потоком пространственных меток (неоднородностей) вдоль измерительной базы;
- на фиг. 3 - схема трансформации пространственной неоднородности меток θ(x) во временной процесс θ(t) в первичном измерительном преобразователе, осуществляющем скользящее осреднение;
- на фиг. 4 - график квадрата модуля передаточной функции распределенного первичного измерительного преобразователя при постоянной скорости потока;
θ
- на фиг. 5 - график функции спектральной плотности S(f), которую имел бы сигнал на выходе точечного безинерционного первичного измерительного преобразователя, воспринимающего неоднородности меток, переносимых потоком;
- на фиг. 6 - график квадрата модуля передаточной функции распределенного первичного измерительного преобразователя при нестационарной скорости потока;
R
- на фиг. 7 - график функции спектральной плотности S(f) сигнала R(t) на выходе распределенного первичного (и вторичного) измерительного преобразователя;
- на фиг. 8 - трансформация частотного диапазона сигнала R(f) в рабочем диапазоне измеряемых стационарных скоростей;
R
- на фиг. 9 - трансформация функции спектральной плотности S(f) сигнала R(t) в рабочем диапазоне нестационарных скоростей;
- на фиг. 10 - обобщенная структурная схема типичного устройства для осуществления способа;
- на фиг. 11 - структурная схема устройства для реализации способа при использовании меток температуры и коэффициента теплообмена датчика со средой с подогреваемым распределенным первичным измерителем температуры;
- на фиг. 12 - структурная схема устройств для измерения профиля скорости потока с распределенным термопрофилемером с подогревом (а) и без подогрева (б);
- на фиг. 13 - структурные схемы устройств для реализации способа при использовании меток пульсаций давления с двумя датчиками абсолютного давления (а) и одним датчиком разностного давления (б);
- на фиг. 14 - структурная схема устройства для реализации способа при использовании меток неоднородности электропроводимости с распределенным четырехэлектродным датчиком электропроводимости;
- на фиг. 15 - структурная схема устройства для реализации способа при использовании меток неоднородностей коэффициента ослабления направленного света на базе прозрачномера;
- на фиг. 16 - структурная схема устройства для реализации способа при использовании неоднородностей коэффициента ослабления направленного звука с источником и приемником акустического сигнала;
- на фиг. 17 - типичные графические зависимости требуемой полосы частот Δf измерителя и минимального времени измерения Τ в зависимости от длины L измерительной базы при реализации способа для измерения скоростей в конкретном диапазоне.
Сущность предлагаемого способа измерения скорости потока состоит в следующем.
<mover accent="true"><mi>V</mi><mo>→</mo></mover>
α
В способе используется свойство распределенного первичного измерительного преобразователя выполнять скользящее осреднение во времени переносимых вдоль него потоком пространственных неоднородностей измеряемой величины (меток). Распределенная измерительная база (РИБ) первичного измерительного преобразователя меток размещается в потоке под углом а к направлению вектора скорости
(0≤α<90°) (фиг. 1). При этом скорость меток в потоке вдоль измерительной базы V составит
α
Пространственное распределение меток θ(x) переносится вдоль измерительной базы со скоростью V (фиг. 2), осредняется на базе L и преобразуется во временной сигнал R(t) на выходе первичного измерительного преобразователя в соответствии с уравнением свертки (фиг. 3)
τ
где П(t) - прямоугольная функция, равная 1 на интервале (t-τ,t), и нулю вне этого интервала
В операторной форме
Первичный измерительный преобразователь меток с равномерно распределенной базой является звеном скользящего среднего на интервале времени τ, квадрат модуля амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) которого равен
Как видно из графика  на фиг. 4, модуль АЧХ имеет нули на частотах  с интервалом  причем
Отсюда
i
θ
i
i-1
Для идентификации  и определения f входной для первичного измерительного преобразователя сигнал меток θ(t) должен иметь спектр S(f), покрывающий одну или несколько полос (f-f) (фиг. 5). Для этого перед первичным измерительным преобразователем в потоке при необходимости устанавливают специальный турбулизатор.
θ
R
i
α
i
R
Независимо от спектра S(f), спектр выходного сигнала S(f) будет иметь нули на тех же частотах f, что и . Поскольку идентификация Δf потребует некоторого времени Т, то значение скорости переноса меток ν вдоль измерительной базы за это время не будет постоянным и вместо нулей  будут иметь место локальные минимумы (фиг. 6), соответствующие которым частоты f следует определять при анализе функции спектральной плотности S(f) (фиг. 7) выходного сигнала первичного измерительного преобразователя R(t), причем
i
В этом общем случае Δf ( будут случайными величинами, и целесообразно взять их среднее значение по выражению
где i=1, 2, ..., n.
Для средней скорости потока, учитывая выражения (2) и (8), получим
max
min
Диапазон измеряемых скоростей V-V определяет диапазон возможных частот в одном окне .
Как видно из последнего выражения, широкополостность входного для ПИП сигнала θ(t) можно обеспечить за счет установки угла α, при  получим .
Поскольку разрешение по частоте , то для заданного числа уровней N по измеряемой скорости можем записать
Для необходимого времени измерения получим
Из выражения (13) видно, что с увеличением  получим . Из выражений (8) и (11) видно, что, в принципе, для определения скорости потока достаточно определить ширину любого одного из η частотного окна .
Типовые пространственные спектры основных параметров водных сред в спадающей части хорошо аппроксимируются степенными законами вида , где показатель m принимает значения от 1 до 5, т.е. являются бесконечными [3]. При переносе меток потоком относительно первичного измерительного преобразователя эти пространственные спектры будут трансформироваться во временные спектры, также бесконечные. Бесконтактные первичные измерительные преобразователи, использующие излучения, могут быть сделаны почти безынерционными. Следовательно для повышения быстродействия измерения скорости потока предлагаемым способом нет принципиальных ограничений, кроме чувствительности и быстродействия электроники обрамления первичного измерительного преобразователя.
Если первичный измерительный преобразователь имеет модуль  передаточной функции G(p), то вместо выражения (5) следует использовать
i
При монотонно спадающей G(2πf), что характерно для всех инерционных преобразователей, положение минимумов функций  и  не изменится и, следовательно, частоты f останутся прежними.
Рассмотрим варианты реализации способа при использовании различных сигналов меток в потоке.
Обобщенная структурная схема типичного устройства для осуществления способа представлена на фиг. 10.
В состав устройства (фиг. 10) входят: ограждение 1 первичного измерительного преобразователя (ПИП) 2 с распределенной базой, вторичный измерительный преобразователь (ВИП) 3, частотный фильтр (ЧФ) 4, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 5 и вычислитель (В) 6. Ограждение 1 служит для фиксации направления потока и размещения измерительной базы ПИП 2 в потоке под заданным углом а к направлению вектора скорости.
Контактный ПИП 2 преобразует среднее значение сигнала меток на распределенной измерительной базе в электрический сигнал. В бесконтактном ПИП 2 производится модуляция метками потока информативного параметра луча какого-либо излучения, например, оптического или акустического.
Бесконтактный ПИП 2 содержит источник и приемник излучения, которые могут быть совмещены при использовании отраженного сигнала.
Вторичный измерительный преобразователь 3 преобразует информативный параметр сигнала ПИП 2 в сигнал, удобный для фильтрации частотным полосовым или нижних частот фильтром ЧФ 4 и, если это необходимо, дальнейшего аналого-цифрового преобразования АЦП 5.
imax
i
i-1
0
0
imax
0
R
R
При использовании фильтра нижних частот его частота среза должна быть вблизи f справа, при использовании полосового фильтра - несколько шире полосы f-f. Частота дискретизации f АЦП должна удовлетворять неравенству f>2f или f>2nΔf. Выбор значения n≥1 производят из наличия спектральных составляющих сигнала меток в потоке в рабочей полосе частот. Вычислитель 6 служит для определения функции спектральной плотности S(2πf) и частот . В устройстве может быть использован в качестве В6 аналоговый спектроанализатор для вычисления S(f), в этом случае АЦП 5 отсутствует.
При использовании цифрового спектроанализатора в качестве В6 на него может быть возложена часть задачи полосовой фильтрации сигнала R(t). Все узлы электроники 3-6 совместно образуют блок электроники БЭ 7, который входит в. состав всех устройств, осуществляющих изложенный спектральный способ измерения скорости потока.
i
Работа типичного устройства состоит в скользящем осреднении сигнала меток на распределенной измерительной базе, вычислении функции спектральной плотности сигнала с выхода первичного измерительного преобразователя, определении частот f, на которых эта функция имеет минимум, и вычислении средней скорости потока по формуле (10).
Различные варианты устройств для реализации способа зависят от среды потока, природы сигнала меток в потоке, вида первичного измерительного преобразователя и представлены на фиг. 11-16.
Технические характеристики устройств для реализации способа зависят, от диапазона измеряемых скоростей, параметров, входящих в их состав преобразователей и вычислителя.
Рассмотрим очевидные для специалистов примеры устройств для осуществления предложенного способа измерения скорости потока жидкости или газа, отличающиеся природой используемого сигнала меток в потоке и типом первичного измерительного преобразователя этого сигнала в электрический.
Известно [4,5], что потоки жидкостей и газов имеют неоднородности температуры и скорости, которые могут служить метками. Для съема сигнала меток неоднородностей температуры используют распределенный первичный измерительный преобразователь температуры 2, который устанавливают на измерительной базе под известным углом а к вектору скорости потока (фиг. 10).
Для съема сигнала меток неоднородностей скорости используют устанавливаемый также подогреваемый рабочим током или встроенным нагревателем распределенный первичный измерительный преобразователь температуры 2 (фиг. 11), который будучи чувствительным к изменению коэффициента теплообмена будет воспринимать также метки неоднородностей физических параметров среды: плотности, теплоемкости, теплопроводности, кинематической вязкости.
При измерении профиля скорости по сечению потока в качестве первичного измерительного преобразователя используют распределенный термопрофилемер 2 с подогревом или без, который устанавливают аналогично распределенному измерителю температуры (фиг. 12).
Гидродинамические неоднородности в потоке жидкости как метки проявляются в пульсациях гидростатического давления, для измерения среднего значения которых на распределенной измерительной базе на ее границах размещают два датчика абсолютного гидростатического давления (фиг. 13 а) или два входа одного датчика разностного давления (фиг. 13 б). В отличие от известных измерителей скорости [5] о измерением перепада давления до и после диафрагмы, в данном измерителе оба датчика устанавливают без или после диафрагмы.
Если среда потока имеет электропроводимость, то пространственные неоднородности температуры и физических параметров среды в потоке приведут к локальным неоднородностям электропроводимости, которые как метки измеряют распределенным первичным измерительным преобразователем электропроводимости, например, четырехэлектродным, потенциальные электроды (ПЭ) которого устанавливают на границах измерительной базы, а токовые электроды (ТЭ) вне ее, как это показано на фиг. 14.
Фактически это известный четырехэлектродный датчик электропроводимости в трубочном исполнении [6], использованный для реализации способа измерения скорости течения.
Гидродинамические неоднородности в потоке способствуют созданию неод-нородностей растворенных и взвешенных веществ, являющихся метками для проходящих через поток излучений, например, оптических и акустических, информативным параметром которых является коэффициент ослабления света в определенных спектральных окнах или ослабления звука на определенных частотах.
Используемые в настоящее время измерители показателя ослабления направленного света (прозрачномеры) [6], имеют распределенную измерительную базу между источником и приемником направленного света или между источником-приемником и триппель-призмой.
0
Такие прозрачномеры можно использовать для осуществления спектрального способа измерения скорости потока, разместив их источник (И) и приемник (П), измерительную базу в ограждении потока и модуль электроники (МЭ) 8 перед БЭ 7 по схеме на фиг. 15. Ослабление направленного света в среде происходит по закону Бугера [7], в соответствии с которым интенсивность сигнала I(t) на входе (выходе) приемника связана с интенсивностью сигнала на выходе источника I(t) по формуле
где λ(x) - коэффициент ослабления света.
Из выражения (14) можем записать
0
Поскольку I(t)≤I(t), то  - выходной сигнал прозрачномера, причем
Переходя к операторной форме записи выражения (17), получим выражение
Следовательно, квадрат модуля амплитудно-частотной характеристики измерительного преобразователя прозрачномера с выходным сигналом y(t) соответствует выражению (6), а функция спектральной плотности Sy(2πf) сигнала y(t), аналогично выражению (9), равна
i
и имеет минимумы (нули) на фиксируемых частотах f, i=1,2...,n. Далее справедливы формулы (6), (7), (9), (10).
0
При реализации акустического измерителя скорости потока по спектральному способу передатчик и приемник сигнала размещаются на границах измерительной базы. Для узкого акустического луча интенсивность звука на входе приемника I(t) связана с интенсивностью звука на выходе передатчика I(t) по формуле
где k(х) - пространственное распределение коэффициента затухания. По аналогии с вышеизложенным получим
или в операторной форме
Для ФСП сигнала y(t) получим
i
которая будет иметь минимумы (нули) на фиксируемых частотах f, i=1,2...,n. Далее справедливы формулы (7), (8), (10), (11).
В структурную схему акустического устройства измерения скорости потока по спектральному способу (фиг. 16) вместо вторичного измерительного преобразователя входит модуль электроники (МЭ) 8 в составе приемо-передатчиков, обеспечивающий выработку сигнала y(t) для БЭ 7.
Осуществляют заявленный способ следующим образом.
Пример 1.
-1
Измерение скорости течения природных вод, типичный диапазон скоростей (0,02÷5)м·с.
1max
1min
1max
в
в
Зададимся разрешением по скорости 1%(N=100), примем угол наклона распределенной измерительной базы к направлению вектора скорости потока α=45°. Используя выражние (8) можем определить первый частотный диапазон (f-f), ширину частотного окна Δf≈f и по выражению (12) необходимое время измерения в первом частотном диапазоне (n= 1) при использовании возможных измерительных баз различной длины L от 0,01 до 10 м. Графики этих функций Δf=φ(L) и Т=φ(L) в логарифмическом масштабе показаны на фиг. 17.
Из соображений преемственности пространственного осреднения измерений с существующими приборами (например, гидрометрическими вертушками) и удобства эксплуатации принимаем L=0,1 м.
в
в
Из графика (фиг. 17) и по формулам определяем требуемое Δf≥71,4 Гц и Т≥1,4 с. Требования наличия полосы частот пропускания более 71,4 Гц могут быть удовлетворены использованием таких первичных измерительных преобразователей: распределенный подогреваемый датчик температуры, распределенный термопрофилемер с подогревом, датчик разностного давления, распределенный датчик электропроводимости (для морской воды), датчик прозрачномера, измеритель коэффициентов ослабления акустического сигнала.
Типичное принятое время осреднения при измерении течений (20÷100) с может быть обеспечено накоплением отсчетов.
Пример 2.
-1
α
α
Измерение скорости ветра в типичном диапазоне скоростей (1,2÷60)м·с. Аналогично изложенному выше в примере 1 принимаем N=100 и α=0°, рассчитываем функции Δf=φ(L), Т=φ(L) и строим эти графические зависимости на фиг. 17. Из соображений практической целесообразности принимаем длину измерительной базы L=0,3 м.
α
α
Определяем Δf≥200 Гц и Т≥0,51 с. Требование наличия полосы частот пропускания выше 200 Гц может быть удовлетворено использованием в качестве первичных измерительных преобразователей датчиков разностного давления, прозрачномера и измерителя коэффициента ослабления акустического сигнала.
Основным достоинством заявленного способа, при любом его техническом воплощении, является простота аппаратурной реализации в обмен на относительную сложность обработки измерительных сигналов, приемлемую на современном уровне техники.
Список источников:
1. Лангс Ф. Корреляционная электроника: Основы и применение корреляционного анализа в современной технике связи, измерений и регулирования. - Л.: Госсудпромиздат, 1969. - 342 с.
2. Мясников В.И. Измерение расхода и объема воды. Мир измерений. - 2001. -№3,4.-С.4-9.:
3. Бендат Дж. Основы теории случайных шумов и ее применения. М., "Наука", 1965.-465 с.
4. Хинце И.О. Турбулентность. М - Л., Физматгиз, 1063. - 680 с.
5. Макс Ж. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях. В 2-х томах. Пер. с франц. - М.: "Мир", 1983. - Т. 1. - 312 с.
6. Петухов Б.С. Опытное изучение процессов теплопередачи. ГЭИ., М - Л. -1952.-344 с.
7. Дерюгин К.К., Степанюк И.А. Морская гидрометрия. - Л.: Гидрометеоиздат, 1974.-285 с.