Акустичний спосіб вимірювання швидкості та напряму потоку рідини або газу і пристрій для його здійснення (варіанти)

1. Акустичний спосіб вимірювання швидкості та напряму потоку рідини або газу з використанням рознесених в просторі акустичних випромінювачів-приймачів, що включає випромінювання і приймання акустичних сигналів, фіксацію часових інтервалів проходження сигналів на акустичних трасах і обчислення швидкості звуку і складових вектора швидкості потоку в заданій системі координат, який відрізняється тим, що акустичні випромінювачі-приймачі по одному розміщені у вершинах неправильного чотирикутника в площині потоку таким чином, щоб в діаграмі спрямованості кожного з них знаходилися три інші, при цьому кожним випромінювачем опромінюють одночасно три приймачі, фіксують дванадцять часових інтервалів проходження сигналами акустичних трас, що включають пари приймально-передавальних трактів і вимірювальні бази в потоці між випромінювачем і приймачем, і обчислюють кут між напрямом вектора швидкості потоку та віссю абсцис в приладовій системі координат, швидкість звуку в середовищі C і модуль вектора швидкості потоку v по виразах: 2 3 76062 4 на приймання, і мікропроцесор, вихід якого є вихорозрядів якого підключені до виходів підсилювачів дом пристрою, який відрізняється тим, що акусна приймання, а вихід підключений до входу міктичні випромінювачі-приймачі по одному розміщені ропроцесора, один з виходів якого підключений до у вершинах неправильного плоского чотирикутнивходу чотирирозрядного регістра на випромінюка таким чином, щоб в діаграмі спрямованості ковання, одиничні виходи розрядів якого через піджного з них знаходилися три інші, містить чотирисилювачі на випромінювання сполучені з входами розрядний регістр на приймання, одиничні входи акустичних випромінювачів-приймачів. Винахід відноситься до вимірювальної техніки і призначений для вимірювання швидкості та напряму потоку рідини або газу. Він може бути використаний для вимірювання швидкості та напряму вітру, течії в морі. Відомі акустичні способи вимірювання швидкості та напряму потоку рідини або газу і пристрої, що їх реалізують, засновані на використанні декількох пар рознесених в просторі на вимірювальних базах випромінювачів-приймачів акустичних сигналів, організації зустрічного проходження акустичних сигналів по вимірювальних базах, визначенні швидкості звуку в середовищі й складових проекції вектора швидкості потоку на вимірювальні бази по різниці часів проходження акустичних сигналів в різних напрямах [1-4]. Точність цих засобів вимірювання обмежена впливом на результат вимірювання часової затримки сигналів в передавальних і приймальних трактах, включаючи затримки в акустичних перетворювачах, які істотно залежать від температури та тиску, і змінюються з часом. Крім того, в результат вимірювання входить швидкість звуку в середовищі, яку визначають з обмеженою точністю через ті ж затримки сигналів в приймальнопередавальних трактах. Відомий пристрій для вимірювання швидкості течії, в якому для підвищення точності шляхом незалежного непрямого вимірювання швидкості звуку і внесення поправок на часи затримок акустичних сигналів в приймально-передавальних трактах по градуювальних залежностях затримок від температури та тиску, використовують як вимірники інтервалів часу передачі акустичних сигналів, так і вимірники відносної електричної провідності, температури й гідростатичного тиску [5]. Цей пристрій і лежачий в основі його роботи акустичний спосіб вимірювання швидкості течії прийняті як прототипи для кожного з винаходів, що входять до заявленої групи. Вибір прототипу визначений тим, що заявлене технічне рішення та засіб того ж призначення [5] вирішують одну і ту ж задачу. При цьому прототип є найбільш близьким до заявленого винаходу по технічній суті та сукупності ознак, оскільки містить ознаки, що в більшій мірі в порівнянні з іншими впливають на досягнення технічного результату, очікуваного від використання винаходу. Для заявленого способу загальним з прототипом є: використання рознесених в просторі акустичних випромінювачів-приймачів, випромінювання та приймання акустичних сигналів, фіксація часів проходження сигналів на акустичних трасах і обчислення швидкості потоку в заданій системі координат. Пристрій-прототип, як і заявлене рішення, містить акустичні випромінювачі-приймачі, розміщені в просторі, підсилювачі на приймання, перетворювачі часових інтервалів в код, генератор опорної частоти та мікропроцесор, зв'язані між собою. Недоліком прототипу є те, що він не забезпечує необхідної точності вимірювання. При цьому таке технічне рішення складне й вимагає складного періодичного градуювання. У основу винаходу поставлена задача створення акустичного способу вимірювання швидкості та напряму потоку рідини або газу, а також пристрою для його здійснення, які забезпечують виключення з результату вимірювання швидкості звуку й швидкості потоку часових затримок в приймально-передавальних трактах на акустичних трасах. Вказаний технічний результат підвищує точність вимірювань. Поставлена задача вирішується тим, що в способі з використанням рознесених в просторі акустичних випромінювачів-приймачів, що включає випромінювання та приймання акустичних сигналів, фіксацію часів проходження сигналів на акустичних трасах й обчислення швидкості звуку і складових вектора швидкості потоку в заданій системі координат, згідно з винаходом акустичні випромінювачі-приймачі розміщують по одному у вершинах неправильного чотирикутника, лежачого в площині потоку, таким чином, щоб в діаграмі спрямованості кожного з них знаходилися три інші. Кожним випромінювачем опромінюють одночасно три приймачі, фіксують дванадцять часів проходження сигналами акустичних трас, що включають пари приймально-передавальних трактів і вимірювальні бази в потоці між випромінювачем і приймачем, обчислюють кут між напрямом вектора швидкості потоку та віссю абсцис в приладної системі координат, швидкість звуку в середовищі С і модуль вектора швидкості потоку v по виразах: v A pA 2 , C arctg 1 pB2 B1 v1 v 2 , 2 2(L12 L14 L 23 T1 T3 L34 ) , де v1 (T1 T3 )C2 , v2 2( A1 cos B1 sin ) A1 L12 L14 cos 14 (T2 T4 )C2 2( A 2 cos B2 sin ) L23 cos 23 L34 cos 34 ; 5 B1 L14 sin 14 L23 sin 23 L34 sin 34 ; A2 L12 L13 cos 13 L24 cos 24 L34 cos 34 ; B2 L13 sin 13 L24 sin 24 L34 sin 34 ; T1 12 14 32 34 ; T2 12 13 42 43 ; T3 21 23 41 43 ; T4 21 24 31 34 ; p T1 T3 ; T2 T4 де ij - час проходження сигналу по трасі і-го випромінювача та j-го приймача, i 1,4 ; j 1,4 ; ij - кут між напрямом траси від і-го випромінювача до j-го приймача і віссю абсцис, збіжною у напрямі з 12-ою трасою; Lij - довжина вимірювальної бази ij - траси в середовищі. Згідно з першим варіантом в пристрої для акустичного вимірювання швидкості та напряму потоку рідини і газу, що містить розміщені в просторі акустичні випромінювачі-приймачі, виходи яких через підсилювачі на приймання сполучені зі степовими входами перетворювачів часових інтервалів в код, у яких входи сигналів опорної частоти сполучені з виходом генератора опорної частоти, а цифрові виходи сполучені з входом мікропроцесора, вихід якого є виходом пристрою, новим є те, що акустичні випромінювачі-приймачі по одному розміщені у вершинах неправильного плоского чотирикутника таким чином, щоб в діаграмі спрямованості кожного з них знаходилися три інші, й він містить генератор імпульсних сигналів, вихід якого підключений до стартових входів всіх перетворювачів часових інтервалів в код і до входу комутатора, у якого виходи підключені до входів акустичних випромінювачів-приймачів, а адресний вхід підключений до одного з виходів мікропроцесора. Згідно з другим варіантом в пристрої для акустичного вимірювання швидкості та напряму потоку рідини або газу, що містить розміщені в просторі акустичні випромінювачі-приймачі, виходи яких сполучені з підсилювачами на приймання, і мікропроцесор, вихід якого є виходом пристрою, новим є те, що акустичні випромінювачі-приймачі по одному розміщені у вершинах неправильного плоского чотирикутника таким чином, щоб в діаграмі спрямованості кожного з них знаходилися три інші, й він містить чотирирозрядний регістр на приймання, у якого одиничні входи розрядів підключені до виходів підсилювачів на приймання, а вихід підключений до входу мікропроцесора, один з виходів якого підключений до входу чотирирозрядного регістра на випромінювання, одиничні виходи розрядів якого через підсилювачі на випромінювання сполучені з входами акустичних випромінювачів-приймачів. На Фіг.1 показана зразкова схема розміщення акустичних випромінювачів-приймачів у вершинах неправильного чотирикутника в площині потоку та схема акустичних трас. На Фіг.2 зображена схема формування проекцій вектора швидкості на напрями акустичних трас. Суть способу складається в наступному. Чотири акустичні випромінювачі-приймачі ро 76062 6 зміщують у вершинах неправильного чотирикутника, наприклад, так, як це показане на Фіг.1. Відстані між вершинами утворюють шість баз, які попарно не рівні ( Lij L sk ). Випромінювач-приймач містить або один оборотний акустичний перетворювач або два: один на передачу, другий на приймання. Кожний випромінювач має діаграму спрямованості, в якій знаходяться три приймачі. Кожний i-ий випромінювач посилає імпульсномодульований сигнал на три приймачі, і фіксуються часи ij у проходження сигналу по трасах від іго випромінювача до j-го приймача, що включають часи затримок в приймально-передавальних трактах: у випромінювачі - ui , в приймачі - пj . Для часів проходження сигналами дванадцяти акустичних трас, що фіксуються, можемо записати C u1 n2 14 u1 n4 23 u2 n3 31 u3 n1 34 u3 n4 42 u4 n2 де L12 , 13 v12 u1 n3 C 12 L14 , 21 v14 u2 n1 C L 23 , 24 v 23 u2 L13 , 32 C v13 C L12 , C v14 n4 u3 n2 C L34 , 41 v 34 u4 n1 C L 24 , 43 v 24 u4 C L 24 , v 24 (1) L 23 , C v 23 n3 u1, u2, u3, u4 L13 , v13 L14 , C v14 C L34 , v 34 - затримки випромінювачів, n1, n2, n3, n4 - затримки приймачів, С - швидкість звуку в середовищі, vij - проекції вектора швидкості потоку на напрям ij - й траси, i 1,4 ; j 1,4 . Для виключення затримок в приймальнопередавальних трактах проводимо наступне складання та віднімання рівнянь системи (1) L 23 L34 , L14 L12 T1 14 12 32 34 C T2 12 21 42 43 T3 23 21 41 43 T4 21 24 31 34 L13 C v13 C v 23 L 24 C v 24 C L12 C v12 v14 C v12 L34 C v 34 v 34 , L 23 C v 23 L12 C v12 L12 C v12 L14 C v14 , L 24 C v 24 L13 C v13 L34 C v 34 L34 C v 34 (2) . Для визначення швидкості звуку в середовищі проведемо наступні перетворення: , L 23 L 23 L34 L34 L12 L12 L14 L14 T1 T3 C v 23 T1 T 3 C 2L 23C C2 v2 23 v 23 C v12 2L12C C2 Оскільки C2 2 v12 C v12 C 2L14C C2 2 v14 v14 C v14 2L 34C C2 C v 34 C v 34 . 2 v 34 2 2 v ij , то v ij в останньому виразі можна нехтувати і записати 2 (L23 L12 L14 L34 ) , звідки C 2(L 23 L12 L14 L34 ) T1 T3 T1 T3 C (3) Далі виразимо проекції vij на напрями акустичних трас вектора швидкості потоку, заданого в полярній системі координат модулем v і кутом . 7 76062 8 Приймемо, що напрям траси 12 відповідає v1 v 2 v (15) 0. 2 Виходячи з схеми векторів на Фіг.2, для проекТаким чином, викладений акустичний спосіб цій vij отримаємо вимірювання швидкості потоку рідин і газів забезпечує незалежність результату вимірювання від v12 v cos , затримок сигналів в трактах випромінювання та v13 v cos( 13 ) v(cos 13 cos sin 13 sin ) , приймання, що підвищує точність вимірювань і v14 v cos( 14 ) v(cos 14 cos sin 14 sin ) , (або) дозволяє зменшити розміри вимірювальних (4) v 23 v cos( 23 ) v(cos 23 cos sin 23 sin ) , баз. Можливі різні варіанти реалізації способу. v 24 v cos( 24 ) v(cos 24 cos sin 24 sin ) , На Фіг.3 зображена структурна схема першого v34 v cos( 34 ) v(cos 34 cos sin 34 sin ) . варіанта вимірника швидкості та напряму потоку з З виразів 2 отримаємо імпульсними акустичними сигналами і паралельними каналами перетворення часових інтервалів в (T1 T3 )C2 L12v12 L14v14 L23v 23 L34v 34 , код. На Фіг.4 зображена структурна схема другого 2 (5) варіанта вимірника швидкості та напряму потоку з 2 (T2 T4 )C імпульсними акустичними сигналами і перетворюL13v13 L12v12 L24v 24 L34v 34 . 2 вачем часових інтервалів на базі мікропроцесора. Підставляючи вираз vij з системи рівнянь 4 в Перший варіант пристрою містить блок з чотирівняння 5, отримаємо рьох акустичних перетворювачів (випромінювачів2 (T1 T3 )C L12v cos L14 v(cos 14 cos sin 14 sin ) приймачів) 1 (БАП), комутатор 2 (К), генератор 2 імпульсних сигналів 3 (ГІС), блок підсилювачів на L 23 v(cos 23 cos sin 23 sin ) L 34 v(cos 34 cos sin 34 sin ) (6) приймання 4 (БП), генератор опорної частоти 5 v cos (L12 L14 cos 14 L 23 cos 23 L 34 cos 34 ) sin (L14 sin14 L 23 sin 23 L34 sin 34 ) (ГОЧ), блок перетворювачів часових інтервалів в (T2 T4 )C2 код б (БПЧК) і мікропроцесор 7 (МП). L12v cos L13 v(cos 13 cos sin 13 sin ) 2 Блок 1 складається з чотирьох акустичних пеL 24 v(cos 24 cos sin 24 sin ) L34 v(cos 34 cos sin 34 sin ) (7) ретворювачів, розміщених у вершинах неправильv cos ( L12 L13 cos 13 L 24 cos 24 L 34 cos 34 ) sin (L13 sin13 ного чотирикутника на площині, блок 4 складаєтьL 24 sin 24 L 34 sin 34 ) ся з чотирьох паралельних підсилювачів на Суми в круглих дужках виразів 6 і 7 є конструкприймання, блок 6 складається з чотирьох паративними константами, які визначимо лельних перетворювачів часових інтервалів в код. A1 L12 L14 cos 14 L23 cos 23 L34 cos 34 , Електричні входи акустичних перетворювачів B1 L14 L14 sin 14 L23 sin 23 L34 sin 34 , блока 1 сполучені з виходами комутатора 2, на (8) A2 L12 L13 cos 13 L24 cos 24 L34 cos 34 , вхід якого поданий вихід генератора імпульсних сигналів 3 і адреса - вхід якого сполучений з вихо. B2 L13 sin 13 L24 sin 24 L34 sin 34 дом мікропроцесора 7. Вирази 6 і 7 приводяться до вигляду Вихід генератора опорної частоти 5 поданий 2 (T1 T3 )C на входи опорної частоти перетворювачів часових (9) v( A1 cos B1 sin ) 2 інтервалів в код блока 6. 2 Електричні виходи акустичних перетворювачів (T2 T4 )C (10) v( A 2 cos B2 sin ) подані на підсилювачі імпульсних сигналів блока 4, 2 виходи яких сполучені з входами стопових сигнаВведемо позначення лів перетворювачів часових інтервалів в код блока T1 T3 A1 cos B1 sin p 6, входи стартових сигналів яких сполучені з вихо(11) T2 T4 A 2 cos B2 sin дом генератора імпульсних сигналів 3. Проведемо перетворення Виводи перетворювачів блока 6 подані на циA1 cos pA 2 cos pB2 sin B1 sin , фрові входи мікропроцесора 7. Блок акустичних перетворювачів 1 характери( A1 pA 2 ) cos (pB2 B1) sin , зується конструктивними параметрами А1, В1, А2, A 1 pA 2 В2, які з геометричних розмірів схеми розташуванtg pB 2 B1 , ня перетворювачів обчислюються по формулах 8. Пристрій працює таким чином. Генератор імостаточно отримаємо пульсних сигналів 3 виробляє сигнал запуску акусA1 pA 2 arctg (12) тичного перетворювача, який комутатором 2 по pB2 B1 команді мікропроцесора 7 адресується і-ому акусЗнаючи С з виразу 3 і з виразу 12, визначатичному перетворювачу, що випромінює акустичємо швидкість потоку по виразу 9 ний сигнал в потоці в напрямі трьох інших акустичних перетворювачів. Одночасно цей сигнал є (T1 T3 )C2 v1 (13) стартовим для всіх перетворювачів часових інтер2( A1 cos B1 sin ) валів в код блока 6. і (або) по виразу 10 Сигнал запуску проходить передавальний 2 (T2 T4 )C тракт і-го випромінювача за час ui , базову відсv (14) 2 2( A 2 cos B2 sin ) Доцільно за кінцевий результат прийняти середню величину тань в потоці за час Lij C vij , приймальний тракт j-го 9 приймача та підсилювач за час 76062 10 ходу сигналу у відповідному каналі установкою nj сигналу «1» у відповідному розряді. сигнал поступає на входи перетворювачів часових Відрізок часу між появою «1» в і-ому розряді інтервалів ij в код. У кожному такті акустичний РВ і появою «1» в j-ому розряді РП відповідає знасигнал сприймається трьома акустичними перетченню, що фіксується ij . ворювачами, проходить три канали посилення на Пристрій працює таким чином. У кожному такті три перетворювачі час-код. мікропроцесор встановлює на РВ код зі значенням Код часових інтервалів ij поступає на мікроп«1» в і-ому розряді. При цьому 1і-ий акустичний роцесор. перетворювач посилає імпульсний сигнал на три Цикл вимірювання містить чотири такти і дає інші акустичні перетворювачі. Прийняті ними сигнали через підсилювачі БПП 12 відліків ij , i 1,4 ; j 1,4 ; при i j , відповідних в різний час поступають на входи j-их розрядів системі рівнянь 1. ( j 1,4 , і±j] РП і встановлюють в них значення «1». Далі кут між напрямом швидкості потоку і Мікропроцесор 6 перетворює в код і фіксує чапроменем від акустичного перетворювача 11 до сові інтервали ij . Ці значення далі використовуакустичного перетворювача 12 визначається мікропроцесором по виразу 12, з використанням виються для обчислення швидкості звуку, напряму разів 2, 4, 11. та швидкості течії аналогічно вищевикладеному. Швидкість потоку визначається по виразу 15 з Джерела інформації: використанням виразів 2, 3, 13 і 15. 1. Авторське свідчення СРСР №690392 кл. Другий варіант пристрою, що реалізовує акусG01Р5/08, опубліков. 05.10.79 Бюл. №37. Акустичтичний спосіб вимірювання швидкості та напряму ний вимірник швидкості течії. Автори: В.М. Кушнір, потоку, структурна схема якого зображена на Фіг.4, Ю.М.Колтаков. доцільний при використанні високопродуктивного 2. Принципи побудови технічних засобів досмікропроцесора, здатного виконати функції перетлідження океану. М.: Наука, 1981, 324 с.,С.29-31. ворення часових інтервалів в код і необхідні обчи3. Сучасні методи і засоби вимірювання гідрослювальні операції. логичних параметрів океану / Парамонов A.M., У склад пристрою входять блок акустичних Кушнір В.М., Забурдаєв В.І. Київ: Наукова думка, перетворювачів 1 (БАП), блок підсилювачів ви1979., 248с, С.139. промінювачів 2 (БПВ), блок підсилювачів прийма4. Акустичний вимірник швидкості та напряму чів 3 (БПП), регістр випромінювання 4 (РВ), регістр вітру Wind Sonic SDY-12 фірми Gill Instruments, приймання 5 (РП) і мікропроцесор 6 (МП). проспект 144 фірми Gill Instruments, International Регістр випромінювання 4 має чотири розряди, Environmental Technology, vol 13 Issue 5, кожний розряд по виходу сполучений з входом September/October 2003, P.43. одного з підсилювачів випромінювачів 2. 5. Авторське свідчення СРСР №1136081, кл. Регістр випромінювання 4 призначений для G01Р5/00. Пристрій для вимірювання швидкості селекції одного з чотирьох акустичних перетворютечії. Кушнір В.М. Опубл. 23.01.85 Бюл. №3 (провачів на передачу появою сигналу «1» у відповідтотип). ному розряді регістра. Регістр приймання 5 служить для фіксації приі як столовий 11 Комп’ютерна верстка Т. Чепелева 76062 Підписне 12 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601