Пристрій для вимірювання об’ємної витрати рідини у відкритих каналах і закритих трубопроводах без напору

Реферат: Застосування синхронного впливу на поверхню контрольованого середовища акустичним сигналом у вигляді плоскої хвилі в ідентичних звуководах датчиків рівня та швидкості. UA 82450 U (12) UA 82450 U UA 82450 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до галузі вимірювальної техніки, зокрема до пристроїв для вимірювання витрати рідини у відкритих каналах та закритих трубопроводах без напору. Відомий акустичний вимірювач витрати стічних вод у закритих каналізаційних колекторах [свидетельство на полезную модель РФ № 17616 U1, МПК G01F 1/66, 2001], який містить вимірювач рівня рідини з вертикально розташованим звуководом на верхньому торці якого встановлений електроакустичний перетворювач. Вказаний звуковід закріплений у верхній частині каналізаційного колектора стічних вод. Нижній торець звуководу вставлений в отвір колектора. Недоліком відомого пристрою є низька точність вимірювання витрати рідини. Відсутність вимірювача швидкості потоку потребує застосування розрахункового методу, який базується на будівельних характеристиках колектора і має найбільшу похибку. Крім того, можливий додатковий ріст похибки з появою заворушення і піни на поверхні контрольованої рідини. Недоліком даного пристрою також є неможливість його застосування в автоматизованих системах збору даних. Відомий також пристрій для вимірювання об'ємної витрати рідини у безнапірному каналі [патент РФ № 2139503 С1, МПК G01F1/66, 1999], що містить вимірювачі рівня та швидкості потоку рідини, обчислювач та індикатор. При цьому вимірювачі рівня та швидкості потоку рідини виконані у вигляді локаційних датчиків. Вимірювач швидкості зв'язаний з вузлом регулювання діаграми спрямованості антени, максимум якої повинен бути зорієнтований під гострим кутом до вектора швидкості потоку рідини. Недоліком відомого пристрою є неможливість його застосування у закритих трубопроводах без напору, що зв'язано з індивідуальним встановленням та юстуванням діаграми спрямованості датчика швидкості над потоком рідини. Крім того, орієнтація датчика швидкості під гострим кутом до вектора швидкості потоку рідини призводить до росту похибки вимірювання витрати зі збільшенням рівня рідини у каналі. Це відбувається через падіння відношення сигнал-шум на вході датчика швидкості. Також можливий додатковий ріст похибки з появою заворушення і піни на поверхні контрольованої рідини. Недоліком даного пристрою є також неможливість його використання в автоматизованих системах збору даних. Найбільш близьким по суті є пристрій для вимірювання об'ємної витрати рідини у відкритих каналах й закритих трубопроводах без напору [свидетельство на полезную модель РФ № 18769 U1, МПК G01F 1/66, 2001], що містить датчик рівня рідини з випромінювачем акустичних коливань, встановленим на верхньому торці вертикально розташованого звуководу випромінювача, на якому закріплений датчик температури, вихід якого підключений до першого входу обчислювача, і приймачем акустичних сигналів, вихід якого підключений до другого входу обчислювача, а також датчик швидкості потоку рідини, чутливий елемент якого виконаний з можливістю занурення у рідину, а вихід його приймача сигналу підключений до третього входу обчислювача, перший вихід якого зв'язаний з випромінювачем акустичних коливань, а другий вихід підключений до індикатора. Крім того, звуковід випромінювача акустичних коливань, нижній торець якого обладнаний узгоджувачем з повітряним середовищем, встановлений над рухомим потоком. Функції випромінювача акустичних коливань та чутливого елемента приймача датчика рівня виконує п'єзокерамічний акустичний перетворювач. Як датчик швидкості потоку рідини застосований оптичний датчик, приймач якого складається з растрового аналізатора й фотоприймального пристрою. Основним недоліком даного пристрою є низька точність вимірювання витрати рідини. Дійсно, рівень рідини визначають за вимірюваним часовим інтервалом затримки акустичної хвилі, відбитої від поверхні рідини. При цьому рішення приймають у момент перевищення порогу, заданого у обчислювачі, амплітудою фронту обвідної акустичної хвилі. В датчику рівня рідини застосований високодобротний акустичний перетворювач, що призводить до порівняно повільного наростання фронту й спаду обвідної акустичного сигналу як у режимі випромінювання, так і у режимі прийому. Крім того, акустичний перетворювач у сукупності зі звуководом формує сферичну акустичну хвилю. Особливістю цього типу хвилі є суттєве падіння -4 відбитої потужності зі збільшенням відстані до поверхні відбиття (~R для локаційних систем). Це призводить до того, що амплітуда відбитої акустичної хвилі значно зменшується з ростом відстані до поверхні рідини у водоводі, при цьому нахил фронту обвідної також зменшується. Однак в силу того, що поріг залишається незмінним, заявляється помилка вимірювання часового інтервалу, і відповідно, рівня рідини, а в кінцевому підсумку - витрати рідини. Крім того, можливий додатковий ріст похибки витрати рідини з появою заворушення і піни на її поверхні. 1 UA 82450 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Недолік цього пристрою також полягає в неможливості його використання в автоматизованій системі збору даних, що суперечить вимогам до сучасних контрольно-вимірювальних приладів і апаратури. В основу корисної моделі поставлено задачу удосконалити пристрій для вимірювання об'ємної витрати рідини у відкритих каналах і закритих трубопроводах без напору шляхом синхронної дії на поверхню контрольованого середовища акустичним сигналом у вигляді плоскої хвилі в ідентичних звуководах датчиків рівня та швидкості, що забезпечує зниження похибки вимірювання часових інтервалів затримок відбитих акустичних сигналів, і в кінцевому підсумку, призводить до підвищення точності вимірювання витрати рідини, а також шляхом адаптації пристрою до експлуатації у зовнішніх автоматизованих системах збору даних. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що в пристрій для вимірювання об'ємної витрати рідини у відкритих каналах і закритих трубопроводах без напору, що містить датчик рівня рідини з випромінювачем акустичних коливань, встановленим на верхньому торці вертикально розташованого звуководу випромінювача, на якому закріплений датчик температури, вихід якого підключений до першого входу обчислювача, і приймачем акустичних сигналів, вихід якого підключений до другого входу обчислювача, а також датчик швидкості потоку рідини, чутливий елемент якого виконаний з можливістю занурення у рідину, а вихід його приймача сигналу підключений до третього входу обчислювача, перший вихід якого зв'язаний з випромінювачем акустичних коливань, а другий вихід підключений до індикатора, згідно з корисною моделлю, додатково введений узгоджений акустичний розгалужувач, вхід якого з'єднаний з нижнім торцем звуковода випромінювача, при цьому до першого виходу розгалужувача підключений звуковід датчика рівня рідини, виконаний з можливістю занурення у потік рідини, а до другого його виходу підключений звуковід датчика швидкості потоку рідини, чутливий елемент якого виконаний у вигляді трубки Піто, зорієнтованої проти потоку рідини, при цьому на зовнішній поверхні кожного з звуководів датчиків встановлені відповідні приймачі акустичних сигналів, нижче площини установки яких в обох звуководах датчиків встановлені звукопроникні діафрагми, а керуючий вхід кожного з приймачів підключений до третього виходу обчислювача, при цьому четвертий вихід обчислювача підключений до входу блоку радіоканалу, п'ятий його вихід з'єднаний з входом формувача стандартного цифрового сигналу, шостий вихід обчислювача підключений до входу формувача стандартного аналогового сигналу, а до четвертого входу обчислювача підключена клавіатура. Введення у запропонований пристрій узгодженого акустичного розгалужувача, вхід якого з'єднаний з нижнім торцем звуковода випромінювача, і підключення до його першого виходу звуковода датчика рівня рідини виконаного з можливістю занурення у потік рідини, а до другого його виходу - звуковода датчика швидкості потоку рідини, чутливий елемент якого виконаний у вигляді трубки Піто, зорієнтованої проти потоку рідини, встановлення на поверхні кожного із звуководів датчиків відповідних приймачів акустичних сигналів дозволило отримати два ідентичних синхронізованих у часі канали для проходження в кожному із них плоскої випромінюваної і відбитої акустичних хвиль. Підключення керуючих входів приймачів до третього виходу обчислювача дозволило змінювати їх коефіцієнт підсилення, що дало можливість практично повністю виключити дистанційну залежність амплітуди відбитих сигналів в робочому діапазоні датчиків рівня та швидкості потоку рідини. Застосування спільного випромінювача акустичних коливань для обох звуководів датчиків синхронізує роботу всього пристрою, що призводить до зниження похибки визначення швидкості рідини. Занурення звуководів обох датчиків також знижує похибку вимірювання рівня та швидкості за появою заворушення і піни на поверхні контрольованої рідини, а використання звукопроникних діафрагм, встановлених в обох звуководах датчиків нижче площини установки приймачів, дозволяє запобігти контакту випаровувань рідини з радіотехнічними вузлами. Таким чином, запропонований пристрій забезпечує підвищення точності вимірювання об'ємної витрати рідини. Введення у пристрій блока радіоканалу, формувачів стандартних цифрового й аналогового сигналів, а також клавіатури, що служить для задавання конкретних типу й параметрів водоводу, які пов'язані зазначеним чином з обчислювачем, дозволяє використовувати пристрій у автоматизованих системах збору даних. Суть корисної моделі пояснюється кресленнями. На фіг. 1 - структурна схема пристрою для вимірювання об'ємної витрати рідини у відкритих каналах і закритих трубопроводах без напору. На фіг. 2 - часові діаграми функціонування пристрою. Запропонований пристрій для вимірювання об'ємної витрати рідини у відкритих каналах і закритих трубопроводах без напору (фіг. 1) складається з обчислювача 1, випромінювача 2 акустичних коливань, вертикально розташованого звуковода 3, на верхньому торці якого 2 UA 82450 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 встановлений випромінювач 2, датчика 4 температури, який закріплений на зовнішній поверхні звуковода 3 випромінювача 2, узгодженого акустичного розгалужувача 5, вхід якого з'єднаний з нижнім торцем звуковода 3 випромінювача 2, звуковода 6 датчика рівня рідини, звуковода 7 датчика швидкості потоку, чутливий елемент якого виконаний у вигляді трубки Піто, приймачів 8 і 9 акустичних сигналів, встановлених на зовнішній поверхні звуководів 6 і 7 датчиків, верхні торці яких з'єднані з першим і другим виходами узгодженого акустичного розгалужувача 5, індикатора 10, блока 11 радіоканалу, формувача 12 стандартного цифрового сигналу, формувача 13 стандартного аналогового сигналу, клавіатури 14, звукопроникних діафрагм 15 і 16, встановлених в звуководах 6 і 7 датчиків нижче площини установки приймачів 8 і 9. При цьому перший вихід обчислювача 1 з'єднаний з входом випромінювача 2 акустичних коливань, другий вихід обчислювача 1 з'єднаний з входом індикатора 10, третій вихід обчислювача 1 з'єднаний з керуючими входами приймачів 8 і 9, четвертий вихід обчислювача 1 з'єднаний з входом блоку 11 радіоканалу, п'ятий вихід обчислювача 1 з'єднаний з входом формувача 12 стандартного цифрового сигналу, шостий вихід обчислювача 1 з'єднаний з входом формувача 13 стандартного аналогового сигналу, а до першого входу обчислювача 1 підключений вихід датчика 4 температури, до другого і третього входів обчислювача 1 підключені відповідні виходи приймачів 8 і 9, до четвертого входу обчислювача 1 підключена клавіатура 14. Пристрій працює наступним чином: До ввімкнення живлення пристрій для вимірювання об'ємної витрати рідини у відкритих каналах і закритих трубопроводах без напору встановлюють вертикально над водоводом, причому звуковід 6 занурюють в рідину до нижнього невимірюваного рівня, а звуковід 7 занурюють у рідину так, щоб його чутливий елемент у вигляді трубки Піто був орієнтований уздовж осі водоводу і спрямований назустріч потоку V (фіг. 1). За допомогою клавіатури 14 в обчислювач 1 вводять тип застосовуваного водоводу та його параметри. Після ввімкнення живлення обчислювач 1 (фіг. 1) ініціалізується і виробляє зондуючий відеосигнал запуску Uзaп випромінювача 2 акустичних коливань (фіг. 2), який з першого виходу обчислювача 1 надходить на вхід випромінювача 2 акустичних коливань. Останній перетворює зондуючий відеосигнал у випромінюваний акустичний сигнал Uaк(t), який надходить у звуковід 3 випромінювача 2. Далі по звуководу 3 випромінювача 2 випромінюваний акустичний сигнал надходить на вхід узгодженого акустичного розгалужувача 5, де розділяється на два зондуючих акустичних сигнали, які надходять у звуководи 6 і 7 датчиків рівня та швидкості. В момент часу tвипp1 зондуючий акустичний сигнал Uaк(t), проходячи по звуководу 6, досягає площини встановлення приймача 8 і на його виході виробляється сигнал U1випp(t), який поступає на другий вхід обчислювача 1. В момент часу tвипp2 зондуючий акустичний сигнал Uaк(t), проходячи по звуководу 7, досягає площини встановлення приймача 9 і на його виході виробляється сигнал U2випp(t), який надходить на третій вхід обчислювача 1. Зондуючий акустичний сигнал Uaк(t) у звуководі 6 досягає поверхні рідини і відбивається від неї. Відбитий сигнал в момент часу tвiдб1 надходить до площини встановлення приймача 8, і на його виході виробляється сигнал U1відб(t), який знову надходить на другий вхід обчислювача 1. Так само зондуючий акустичний сигнал Uaк(t) у звуководі 7 досягає поверхні рідини і відбивається від неї. Відбитий сигнал в момент часу tвiдб2 надходить до площини встановлення приймача 9, і на його виході виробляється сигнал U2відб(t), який знову надходить на третій вхід обчислювача 1. Одночасно із виробленням зондуючого відеосигналу запуску Uзап обчислювач 1 починає формувати часову залежність напруги програмного регулювання коефіцієнтів підсилення приймачів 8 і 9, яка з третього виходу обчислювача 1 надходить на керуючі входи вищевказаних приймачів, що дозволяє виключити дистанційну залежність зміни амплітуд акустичних сигналів у робочому діапазоні пристрою. У обчислювачі 1 рішення про час приходу сигналів U1випр(t), U2випр(t), U1вiдб(t), U2відб(t) приймається у моменти перевищення заданого порогу Uпop амплітудами фронтів перших позитивних напівхвиль перелічених сигналів і виробляються відеоімпульси, умовно представлені у вигляді імпульсів 1випр, 2випр, 1відб, 2відб на фіг. 2. Після надходження імпульсів U1вiдб(t) й U2вiдб(t) на другий і третій входи обчислювача 1, у ньому заборонений прийом будь-якої інформації з цих входів до початку наступного періоду роботи і вироблення відеосигналу запуску Uзaп. Інформація про температуру навколишнього середовища в місці встановлення пристрою з виходу датчика 4 температури надходить на вхід 1 обчислювача 1, де використовується для корекції швидкості розповсюдження акустичної хвилі. У обчислювачі 1 проводиться обчислення наступних часових інтервалів (фіг. 2): - tвипp1, що служить площиною відліку для визначення рівня рідини; - tвипр2, що служить площиною відліку для визначення швидкості потоку рідини в місці встановлення трубки Піто; 3 UA 82450 U 5 - t1=tвідб1-tвипр1, пропорційного рівню рідини; - t2=tвідб2-tвипр2, пропорційного сумі рівень та швидкість рідини в місці встановлення трубки Піто; - Δt=tвипp1-tвипp2 - поправка до фактичного зсуву площин встановлення приймачів 8 і 9. Далі у обчислювачі 1 по виміряних часових інтервалах tвипp1, tвипp2, t1, t2, Δt і з урахуванням даних датчика 4 температури розраховуються поточні рівні рідини у звуководі 6 датчика рівня (Lp1) і у звуководі 7 датчика швидкості (Lp2), а також поточна швидкість рідини ( Vp ) у місці i встановлення трубки Піто і поточна об'ємна витрата рідини ( Q p ) за загальноприйнятими i 10 формулами: Lp1=M-Rp1, (1) де М - максимальний рівень заповнення водоводу, Rp1 - відстань до поверхні рідини у звуководі 6 Rp1  10 T  t 1 , (2) 15 де Т - температура, яка вимірюється датчиком 4 температури у°К; Lp2=M-Rр2, (3) де Rp2 - відстань до поверхні рідини у звуководі 7 Rp2  10 T  t 2  t  , (4) Vp  2gL p2  L p1  , (5) де g - прискорення сили тяжіння; 20 Qpi  Vpi  Spi (6) де 25 Vpi -~ усереднена поточна швидкість рідини у водоводі, яка розраховується обчислювачем 1 згідно з виміряною поточною швидкістю Vp і типу водовода; S p . i - площа поперечного перерізу потоку рідини, яка розраховується обчислювачем 1 згідно з виміряним рівнем Lp1 і параметрам водовода, введеним за допомогою клавіатури 14. Результат обчислення з другого виходу обчислювача 1 надходить на вхід цифрового індикатора 10, з четвертого виходу - на вхід блока 11 радіоканалу, з п'ятого виходу - на вхід формувача 12 стандартного цифрового сигналу, а з шостого виходу - на вхід формувача 13 стандартного аналогового сигналу. Вищевказані блоки 11, 12 і 13 дозволяють передавати інформацію у автоматизовану систему збору даних. Інформація про поточну витрату Q p або i 30 35 40 сумарну витрату також зберігається в обчислювачі 1 і виводиться на індикатор 10 після кожного циклу вимірювання. Звукопроникні діафрагми 15 і 16 перешкоджають контакту радіотехнічних вузлів з випаровуваннями рідини у звуководах. Технічний результат, який досягається при використанні корисної моделі: - підвищена точність визначення витрати рідини за рахунок збільшення роздільної здатності датчиків рівня та швидкості потоку рідини. Вона забезпечується за рахунок того, що рішення про прихід прямих і відбитих сигналів приймаються у моменти досягнення заданого порогу амплітудами напівхвиль самих сигналів, а не їх обвідними, як у прототипі. Як показали лабораторні дослідження, роздільна здатність по рівню для прототипу становить (3…4) мм, а для запропонованої корисної моделі не більше (0,2….0,3) мм. - розширені можливості застосування пристрою: пристрій прототип застосовують у трубопроводах діаметром від 200 мм, що визначається внутрішнім діаметром ~ 100 мм звуковода датчика рівня, а у запропонованій корисній моделі - у трубопроводах діаметром від 50 мм та відкритих каналах. 45 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 50 Пристрій для вимірювання об'ємної витрати рідини у відкритих каналах і закритих трубопроводах без напору, що містить датчик рівня рідини з випромінювачем акустичних коливань, встановленим на верхньому торці вертикально розташованого звуководу випромінювача, на якому закріплений датчик температури, вихід якого підключений до першого входу обчислювача, і приймачем акустичних сигналів, вихід якого підключений до другого входу обчислювача, а також датчик швидкості потоку рідини, чутливий елемент якого виконаний з можливістю занурення у рідину, а вихід його приймача сигналу підключений до третього входу 4 UA 82450 U 5 10 обчислювача, перший вихід якого зв'язаний з випромінювачем акустичних коливань, а другий вихід підключений до індикатора, який відрізняється тим, що до нього додатково введений узгоджений акустичний розгалужувач, вхід якого з'єднаний з нижнім торцем звуководу випромінювача, при цьому до першого виходу розгалужувача підключений звуковід датчика рівня рідини, виконаний з можливістю занурення у потік рідини, а до другого його виходу підключений звуковід датчика швидкості потоку рідини, чутливий елемент якого виконаний у вигляді трубки Піто, зорієнтованої проти потоку рідини, при цьому на зовнішній поверхні кожного з звуководів датчиків встановлені відповідні приймачі акустичних сигналів, нижче площини установки яких в обох звуководах датчиків встановлені звукопроникні діафрагми, а керуючий вхід кожного з приймачів підключений до третього виходу обчислювача, при цьому четвертий вихід обчислювача підключений до входу блока радіоканалу, п'ятий його вихід з′єднаний з входом формувача стандартного цифрового сигналу, шостий вихід обчислювача підключений до входу формувача стандартного аналогового сигналу, а до четвертого входу обчислювача підключена клавіатура. 5 UA 82450 U Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6