Спосіб визначення швидкостей в середовищі, що рухається

Реферат: Винахід належить до області вимірювальної техніки та переважно призначений для використання в системах контролю і виміру швидкості і витрати рідких та газоподібних продуктів. Він може бути використаний при транспортуванні паливних продуктів, у водопостачанні, медичній техніці, а також в океанографії при вимірюванні швидкості течій в морях і океанах. Технічний результат винаходу - підвищення точності вимірювання при контролі параметрів потоку. Точність вимірювання швидкості потоку можна підвищити, знаючи швидкість поширення звуку в середовищі І величини затримок в електронних схемах і акустичних перетворювачах. UA 104026 C2 (12) UA 104026 C2 UA 104026 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до вимірювальної техніки, і може бути використаний для визначення швидкостей потоків рідин і газів як у відкритих середовищах (ріки, моря і т.п.), так і в закритих (канали, свердловини, трубопроводи і т. п.), а також для прецизійного вимірювання витрат і точного вагового обліку кількості різних рідких і газоподібних середовищ, що протікають по трубопроводах. Відомий ряд способів визначення швидкості потоку, заснованих на виключенні з процесу вимірювання швидкості поширення звуку (ультразвуку) в середовищі. Так, відомий ультразвуковий спосіб вимірювання швидкості потоку середовища в трубопроводі [1], згідно з яким використовують розташовані на протилежних стінках трубопроводу випромінюючий перетворювач і два приймальні перетворювачі. Здійснюють випромінювання ультразвукових імпульсів у напрямку потоку рідини і проти напрямку потоку, симетрично під заданим кутом. Приймають імпульси, що минулі потік, і порівнюють їх. Вводять компенсаційний вплив шляхом перебудови акустичної бази, причому починають його з моменту виділення першого імпульсу одним з приймачів і закінчують його по досягненні рівності відрізків часу поширення імпульсів у напрямку потоку і проти нього. Про величину вимірюваної швидкості судять за величиною компенсаційного впливу. Схожими з ознаками заявленого винаходу є такі ознаки аналога: випромінювання звукових імпульсів у напрямку потоку і проти потоку, прийом випромінювальних імпульсів і перетворення їх в електричні сигнали, вимірювання часу поширення імпульсів від джерела випромінювання до приймача імпульсів. Недоліком даного аналога є складність електромеханічного каналу для визначення еквівалентної акустичної бази. Найбільш близьким до заявленого винаходу за сукупністю суттєвих ознак і з технічної суті є спосіб вимірювання швидкостей в середовищі, що рухається [2], вибраний як прототип. Спосіб полягає в тому, що в потоці середовища на фіксованій відстані встановлюють випромінювач звуку між двома приймачами звуку на нерівних базових відстанях DО і DП. Випромінюють звукову хвилю проти напрямку руху середовища і за напрямком руху і приймають випромінювану хвилю двома приймачами. Перетворять прийняті звукові сигнали в електричні. Формують вузькі імпульси в моменти переходу через "0" випромінюваного і прийнятих електричних сигналів. Вимірюють часи запізнювання ТО і ТП між вузькими імпульсами випромінюваного і прийнятих сигналів (між моментами посилки і прийому). І за математичними виразами, заснованими на використанні значень DО, DП, ТО і ТП, обчислюють значення швидкості потоку і швидкості поширення звуку в потоці. Схожими з ознаками заявленого винаходу є такі ознаки прототипу: випромінювання звукової хвилі у напрямку потоку середовища і проти напрямку потоку, прийом випромінювальних звукових сигналів, перетворення їх в електричні сигнали, обчислення значень швидкості потоку середовища і швидкості поширення звуку в середовищі. Достоїнствами прототипу є виключення нестабільної швидкості поширення звуку з процесу вимірювання швидкості потоку і універсальність способу. Недоліком прототипу є те, що в ньому не враховуються тимчасові затримки на перетворення сигналів у вимірювальних схемах і акустичних перетворювачах. Але ці тимчасові затримки можуть призводити до додаткових похибок при прецизійних вимірах швидкості потоку, що обумовлює недостатню точність вимірювань. Фактично, у всіх відомих одноканальних акустичних вимірниках додатково встановлюються перетворювачі, що дозволяють вимірювати швидкість звуку в середовищі. Крім того, необхідність використання випромінювача і двох приймачів, що встановлюються один від одного на двох нерівних базових відстанях, значно ускладнює технічну реалізацію прототипу. В основу винаходу поставлено задачустворення універсального (придатного для широкого переліку рідких та газоподібних середовищ) способу визначення швидкостей в середовищі, що рухається, який забезпечує можливість використання поточного значення швидкості звуку, одержуваного при одночасному вимірюванні швидкості потоку, для більш точного вимірювання масової (вагової) витрати переміщуваного середовища, і сукупність суттєвих ознак якого забезпечує нову технічну властивість - усунення фактора впливу на результат вимірювань швидкостей в середовищі, що рухається, тимчасових затримок на перетворення сигналів, викликаних вимірювальними схемами і перетворювачами. Зазначена нова властивість обумовлює досягнення технічного результату винаходу підвищення точності вимірювань. Додатковим технічним результатом є спрощення технічної реалізації визначення швидкостей. 1 UA 104026 C2 5 10 Поставлена задача вирішується тим, що в способі визначення швидкостей в рухомому середовищі, згідно з яким випромінюють звукову хвилю у напрямку потоку середовища і проти напрямку потоку, приймають випромінюють звукові сигнали, перетворюють їх в електричні і визначають значення швидкості потоку середовища і швидкості поширення звуку в середовищі, новим є те, що випромінювання і прийом сигналів здійснюють двома перетворювачами, розміщеними в потоці на відстані L, вимірюють значення τ11 - час розповсюдження сигналу від першого перетворювача до другого, τ12 - час розповсюдження сигналу від першого до другого перетворювача плюс час повернення відбитого від другого перетворювача сигналу назад до першого перетворювача, вимірюють значення τ21 – час розповсюдження сигналу від другого перетворювача до першого, τ22 - час розповсюдження сигналу від другого перетворювача до першого плюс час повернення відбитого від першого перетворювача сигналу назад до другого перетворювача, розраховують поточне значення С1 швидкості поширення звуку в середовищі за виразом: C1  15 20 повторюють цикл випромінювання та прийому сигналів і вимірюють значення τ31 - час розповсюдження сигналу від першого перетворювача до другого, τ32 - час розповсюдження сигналу від першого перетворювача до другого плюс час повернення відбитого від другого перетворювача сигналу назад до першого перетворювача, вимірюють значення τ41 - час поширення сигналу від другого перетворювача до першого, τ42 - час розповсюдження сигналу від другого перетворювача до першого плюс час повернення відбитого від першого перетворювача сигналу назад до другого перетворювача, розраховують поточне значення Сі швидкості поширення звуку в середовищі для другого циклу вимірювань за виразом: C2  25 2L 12   22  11   21 , (1)  32 2L   42   31   41 , (2) обчислюють значення С швидкості поширення звуку в середовищі як середнє арифметичне значень С1 і С2, обчислюють поточні значення V1 і V2 швидкості потоку середовища, відповідно для першого і другого циклів вимірювань, за системою виразів: L ; C  V1 L  21  n  ; C  V1 L  31  m  ; C  V2 L  41  n  ; C  V2 (3) 11  m  30 35 40 де τm - сума значення затримки перетворення електричного сигналу в акустичний сигнал першим перетворювачем і значення затримки перетворення акустичного сигналу в електричний сигнал другим перетворювачем; τn - сума значення затримки перетворення електричного сигналу в акустичний сигнал другим перетворювачем і значення затримки перетворення акустичного сигналу в електричний сигнал першим перетворювачем, і обчислюють значення V швидкості потоку середовища як середнє арифметичне значень V1 і V2. Суть заявленого способу, заснованого на виключенні з процесу вимірювання швидкості поширення звуку в середовищі, пояснюється на конкретному прикладі його здійснення. Розглянемо випадок, коли п'єзоперетворювачі розташовані в рідкому середовищі. Відстань між ними рівно L, а швидкість звуку в середовищі - С. Перший п'єзоперетворювач має затримку сигналу при передачі τ1 і затримку сигналу при прийомі τ4. Другий п'єзоперетворювач має затримку сигналу при передачі τ3 і затримку сигналу при прийомі τ2. Величину часу τL1 поширення сигналу по потоку і часу τL2 поширення сигналу проти потоку можна виразити як: L1  L C  V , (4) 2 UA 104026 C2 L 2  5 10 15 20 L C  V , (5) де V - швидкість потоку. Час τ11 випромінювання сигналу першим перетворювачем, проходження сигналу від першого п'єзоперетворювача до другого п'єзоперетворювача і прийому сигналу другим перетворювачем дорівнює τ11=τ1+τL1+τ2, (6) Час τ21 випромінювання сигналу другим перетворювачем, проходження сигналу від другого п'єзоперетворювача до першого п'єзоперетворювача і прийому сигналу першим перетворювачем дорівнює τ21=τ3+τL2+τ4. (7) Час τ12 випромінювання сигналу першим перетворювачем, проходження сигналу від першого п'єзоперетворювача до другого п'єзоперетворювача і назад і прийому сигналу першим перетворювачем дорівнює τ12=τ1+τL1+τL2+т4. (8) Час τ22 випромінювання сигналу другим перетворювачем, проходження сигналу від другого п'єзоперетворювача до першого п'єзоперетворювача і назад і прийому сигналу другим перетворювачем дорівнює τ22=τ3+τL2+τL1+τ2 (9) 2 2 Суму часів сигналів τ11 і τ21 (при V