FI82141B - Foerfarande och anordning foer maetning av straolhastigheten hos en pappersmaskins inloppslaoda. - Google Patents

Description

82141 MENETELMÄ JA LAITE PAPERIKONEEN PERÄLAATIKON SUIHKU-NOPEUDEN MITTAAMISEKSI.

FöRFARANDE OCH ANORDNING FÖR MÄTNING AV STRÄLHASTIG-HETEN HOS EN PAPPERSMASKINS INLOPPSLÄDA.

5 Tämä keksintö liittyy paperikoneen perälaatikon suihku- nopeuden mittaamiseen suihkun optimoimiseksi viiranooeuk-siin nähden.

US-patentissa 3,464,887 esitetään anturi, joka on konstruoitu pistettäväksi perälaatikon huuliaukon sihtiin ja vedet-10 tavaksi siitä pois. Samanlaista rakennetta tarjotaan US-pa tentissa 3,509,022.

US-patentissa 3,562,105 esitetään huuliaukon suihkun mittauslaite, jossa perälaatikon suihkuun sijoitetaan ontto put-kielementti siirtämään paineen painemittariin tai vastaa-15 vaan.

US-patentissa 3,399,565 esitetään laite, jossa sulppuvir-taan voidaan huuliaukon kohdalla siirtää sysäysputki, jonka sisäinen staattinen paine osoittaa sulppuvirran nopeuden.

20 Kaikki edellä tarkastellut patentit edellyttävät jonkin laista fyysistä kosketusta perälaatikon suihkuun.

US-patentissa 3,337,393 esitetään perälaatikon suihkun nopeusmittari, johon kuuluu huuliaukosta ylävirtaan olevien manometrien käyttö.

25 US-patentissa 3,487,686 esitetään käytettäväksi huuliau kon syöttöalueella paineensiirrinparia perälaatikon suihkusta saatujen kahden signaalin välisen aikaeron mittaamiseksi.

Artikkelissa "A paper sheet Contactless Linear Speed 30 Measurement", IFAC PRP Automation, osa 4, 1980 (S. Bauduin et al), esitetään lineaarisen nopeuden mittaamista varten kosketukseton menetelmä, jossa nopeus mitataan saattamal- 2 821 41 la vastaavuussuhteeseen kaksi optista signaalia käyttämällä yksittäissignaalilasermuutinta.

Daniel '1. Dhe ulaannerin aikakausi j ulkais ussa Taopi, toukokuussa 1975, osa 58, no. 5, sivuilla 113-116 julkaise-5 massa artikkelissa "An Optical Correlation Flowmeter for

Pulp Stock" tarkastellaan optista korrelaatiovirtausmitta-ria putken kautta kulkevan vesi- tai vastaavan virran nopeuden mittaamiseksi. Samanlainen laite, esitellään Fur--Control Optical Flow Transmitter- esitteessä B218.80a, 10 jota on saatavana Fur-Control U.S.A. Inc.:isiä, 2579 Park

Central Blvd., Decatur, Georgia 30935.

US-patentissa 3,620,914 esitetään keilausjärjestelmä, jota käytetään nopeuden mittaamiseen Doppler-taajuuden muutosten perusteella. Doppler-muutoksen mittaamiseen tarvitaan 15 koherentti monokromaattinen lähde, kuten esimerkiksi laser.

Tämäntyyppisen järjestelmän varjopuolena en, että laserin tulee olla varsin tehokas saadakseen aikaan voimakkaan signaalin, mikä saattaisi olla vaaraksi käyttöhenkilöstölle.

20 Tämän keksinnön päämääränä on tarjota menetelmä ja laite suihkun nopeuden kosketuksetonta mittaamista varten, niin että suihkun ja viiran nopeussuhde voidaan asettaa tarkemmin .

Edellä mainittu päämäärä voidaan saavuttaa käyttämällä 25 kahta optista ilmaisinpaikkaa, jotka sijaitsevat lähellä perälaatikon huuliaukkoa ja laatikon suihkun yläpuolella. Optiset ilmaisinpaikat ovat toisistaan erillään pitkin suinkuvirran suuntaa ja ne on optisesti liitetty yhteen ainoaan valolähteeseen ja anturipariin.

30 Optinen kytkentä suoritetaan edullisesti kaksihaaraisilla kuituoptisilla nipuilla, niin että voidaan käyttää yhtä ainoata valonlähdettä ainakin kahta valoanturia varten.

Il 3 82141

Eduksi on edelleen se, että voidaan käyttää hehkulamppua, jonka voimakkuutta voidaan muuttaa.

Kuituoptiikkanippujen käyttö minimoi roiskeiden ja vastaavan vaikutukset.

5 Keksinnön muut päämäärät ja edut, sen rakenne, konstruk tio ja toiminta selviävät parhaiten seuraavasta yksityiskohtaisesta selityksestä, joka liittyy oheisiin piirustuksiin, joissa:

Kuvio 1 on kaavamainen esitys kahdesta valoilmaisimesta, 10 jotka on sijoitettu erilleen toisistaan perälaatikon suih kun yläpuolelle;

Kuvio 2 on sivukuva perälaatikon suihkupäästä, jossa voidaan käyttää tätä keksintöä, kuvan esittäessä tätä keksintöä kaavamaisessa muodossa; 15 Kuvio 3 on suurennettu kuva kaksihaaraisesta optisesta kuituparista, joita syötetään yhdestä ainoasta lähteestä ja jotka syöttävät fotodiodiparia;

Kuvio 4 on kaavakuva valopisteen geometriasta, erityisesti valopisteen pituudesta ja leveydestä; 20 Kuvio 5 on kaavakuva valolähteen yhdensuuntaisuusvirhees- tä tai vinoudesta virran suuntaan nähden;

Kuvio 6 on graafinen esitys, joka esittää tämän virtaus-mittarin kalibrointia laserdoppleranemometriin nähden;

Kuvio 7 on graafinen esitys suihkun nopeuden muutoksista 25 aiheutuvasta signaalin tunkeutumisesta ja vinoudesta;

Kuvio 8 on graafinen esitys, jossa verrataan suihkun ris-tikorreloitua nopeutta perälaatikon paineesta laskettuun suihkun nopeuteen;

Kuviot 9 ja 10 ovat graafisia esityksiä paperikoneen 4 82141 ajosta käynnistyksestä pysäyttämiseen, niin että kuvio 9 esittää vakionopeutta käynnistyksestä pysäyttämiseen ja kuvio 10 esittää ajoa, jossa virtausta vähennetään vaiheittain ennen pysäyttämistä; 5 Kuvio 11 on graafinen esitys ajosarjasta, jossa virtaus nopeudet ja huuliaukot vaihtelevat;

Kuviot 12 ja 13 ovat graafisia esityksiä paperikoneajois-ta eri virtausnopeuksilla, muiden olosuhteiden pysyessä muuttumattomina; 10 Kuvio 14 on graafinen esitys ristikorrelaatiokertoimista nopeuteen nähden kuvioiden 12 ja 13 kummassakin ajossa;

Kuvio 15 on graafinen esitys järjestelmän virheistä, jotka aiheutuvat ilmaisimen etäisyydestä perälaatikon suihkun yläpuolella; 15 Kuvio 16 on graafinen esitys, virheestä, joka aiheutuu ilmaisinpaikkojen vinoudesta perälaatikon suihkun virtaus-suuntaan nähden;

Kuvio 17 on graafinen esitys virheestä, joka aiheutuu il-maisupaikkojen pystysuorasta vinoudesta.

20 Viitaten kuvioon 1 mittaa tämän keksinnön ristikorrelaa- tiovirtausmittari ajan, jonka perälaatikon suihkun pinta-ja sisäkuviot vaativat liikkuakseen ensimmäisestä ilmai-sinpaikasta A toiseen ilmaisinpaikkaan B, joka on suoraan alavirtaan ilmaisinpaikasta A. Käyttämällä tätä aikaa Θ· 25 ja ilmaisimien välistä etäisyyttä voidaan virtausnopeus laskea seuraavasti: V = D/θ

Ristikorrelaatio on tekniikka, jota käytetään laskettaessa kulkuaikaa ilmaisimien tulostuksesta. Kummassakin il-30 maisimessa on vaihtovirtakomponentti f^(t) ja f^(t).

Il 5 82141

Ihannetapauksessa on fg(t) sama kuin f^(t) ajan viipyessä määrällä Θ, niin että fA(t) = fg(t+0).

Ristikorrelaatiotoiminta vertaa näitä kahta signaalia ja saa tulostuksen R._.(t), jonka maksimi on Θ.

At) 5 RAB(t) = f fP fA(t) f3<tte) dt> 0 jossa P on integroiva aikaväli. Vastaava digitaalinen algoritmi on

N

RAB(k) = Σ! fA (k At) fg(k At = j). k = 1

Jokaisessa todellisessa järjestelmässä on häiriöitä, joh-10 tuivatpa ne sitten ilmaisimien yhdensuuntaisuusvirheestä, signaalin vääristymästä tai ulkopuolisesta sähkömagneettisesta häiriöstä. Jos f^(t) esittää häiriötä, on ilmaisimien tulostusten välinen suhde . fA(t) = fB(t+0) + fN(t).

15 Korvaamalla edellä oleva ristikorrelaatioyhtälöllä saadaan RA3(t) = F J fA(t) rfB(t+e)tfN(t>l dt· 0 ~

Erottamalla sitten integraalit saadaan RABtt)=F / dt ♦ £ f fA(t)fM(t) dt.

o o

Jos tekijöiden f^(t) ja f^(t) välillä ei ole mitään suh-20 detta, pyrkii toinen aikaväli kohti nollaa. Jos kuiten kin komponentti fA(t) sisältää häiriökomponentin, mikä on tavallinen tila komponentille f^(t), on tulostuksessa RAB( t) voimakas huippu kohdassa t=Q. Tämä on erityisesti ' ongelma häiriön ollessa 60 Hz ja 120 Hz. Molemmilla funk- 25 tioilla fA(t) ja f^(t) on tehospektri, joka on voimak kaasti taajuusrajoitteinen, ja jonka kaistanleveys on 3W.

6 82141 θ:η kohdalle keskittyneen ristikorrelaatiofunktion R.n(t)

Ad huipun leveys sen keskipisteessä on 1/BW. Jotta maksimi-tulostuksesta R^(Ö) saataisiin tarkka arvo, on toivottavaa, että huipun leveys 1/3J on mahdollisimman pieni. Sen 5 vuoksi, mitä suurempi kaistanleveys on, sitä tarkempi on θ:η mitattu arvo.

Myös aikaintervallin Θ tarkkuus liittyy integroivaan jaksoon P. Mitä suurempi P on, sitä vähemmän Θ vaihtelee, kuitenkin niin, että nopeusmittausta varten on myös lyhyt 10 reagointiaika toivottava.

Integrointijakso P tulisi valita pitämällä nämä molemmat tekijät mielessä.

Ylipäästösuodatus parantaa P:n terävyyttä θ:η kohdalla ja eliminoi pientaajuushäiriön. Rajataajuus on kuitenkin 15 valittava huolella, jotta se ei vaikuttaisi signaalin voi makkuuteen tai kaistanleveyteen.

Jräässä tämän keksinnön konstruktioista käytetään ilmaisimia, jotka käsittävät linssin kautta suihkuun tarkennetun valodiodin. Heijastunut signaali keskitettiin valodio-20 din kanssa hyvin yhteen sopivaan fotodiodiin. Tällä rakenteella voitiin saada aikaan voimakas signaali vain kun valo-diodi ja fotodiodi olivat polttopisteessään. Ilmaisimien sijoitus oli kriittinen ja mikä tahansa muutos suihkun kulmassa edellytti ilmaisimien uudelleensijoitusta. Valodio-25 din pieni teho teki välttämättömäksi sijoittaa ilmaisimet hyvin lähelle suihkua. Kuten edellä mainittiin, oli tästä seurauksena erittäin epätasainen signaali ja roiskeet pimensivät usein linssin, jolloin signaalia ei tullut lainkaan .

30 Viitaten kuvioihin 2 ja 3 eliminoitiin edellä oleva varjo puoli, s.o. lievennettiin sijoitusherkkyyttä, käyttämällä kaksihaaraisia optisia kuitukimppuja valokytkemään valonlähde anturipariin, kuten PIN-antureihin. Valolähteenä 7 82141 käytettiin hehkulamppua, jonka voimakkuutta voitiin vaihdella. Tämä ratkaisi ongelman pienitehoisesta valonlähteestä ja optiset kuidut minimoivat roiskeiden vaikutuksen.

Fotodiodista tulevat signaalit syötettiin 200 ilz:n yli-5 päästösuodattimeen suodatettaviksi, vahvistettiin ja tal lennettiin myöhempää analyysiä varten. Tietojen analysointia varten käytettiin kaksikanavaista FFT Ubiquitous spekt-riänälysaattoria.

Kuvioissa 2 ja 3 merkitään yleisnumerolla 10 perälaatikon 10 päätä, joka käsittää huulen 12, joka muodostaa suihkun 14, joka syötetään tasoviiralle 16, jota kannattaa tela 18, joka selvyyden vuoksi on esitetty perälaatikon huulen 12 oikealla puolella sen sijaan, että se olisi välittömästi perälaatikon alapuolella. Kuvion 1 ilmaisinpaikat A ja B 15 esitetään suihkun 14 yläpuolella erillä toisistaan virtauk sen suunnassa.

Optinen kuiturakenne 20 yhdistää valonlähteen 29, joka tässä tapauksessa on hehkulamppu, perälaatikon suihkusta 14 peräisin olevan heijastuksen avulla valoilmaisinpariin, 20 tässä tapauksessa fotodiodeihin 24 ja 26. Kuten parhaiten näkyy kuviossa 3, käsittää optinen kuiturakenne 20 parin optisia kuitunippuja 28 ja 30. Kuten kohdissa 32-38 esitetään, on kumpikin optinen kimppu kaksihaarainen, niin että valonlähde 29 syöttää haaroja 32 ja 36 siirtämään va-25 lonsädeparin kohti perälaatikon suihkua, samalla kun haa rat 34 ja 38 ylläpitävät suihkusta tulevia heijastumia vastaaviin fotodiodeihin 24 ja 26.

Palataksemme kuvioon 2 syötetään fotodiodien kehittämät sähkösignaalit esivahvistimeen 40 ennenkuin ne johdetaan 30 ylipäästösuodattimeen 42, joka esimerkiksi voi olla 200 ilz:n ylipäästösuodatin. Suodatetut signaalit vahvistetaan sitten vahvistimessa 44 ja syötetään tallentimeen 46 sekä spektrianalysaattoriin 48.

a 82141 Tässä tutkimuksessa suoritettiin koe tämän keksinnön ristikorrelaationopeusmittarilla tarkkuuden, lineaarisuuden ja toiminnan määrittelemiseksi epäedullisissa olosuhteissa sekä sijoituksen vaikutuksen toteamiseksi 5 nopeusmittauksiin.

Näissä kokeissa suoritettiin tarkkuus-, lineaarisuus- ja sijoitusvirheisiin liittyvät ensin nestemekaanisessa la-boratoriovirtaussilmukassa. Kaikki seuraavassa esitetyt tulokset kalibroitiin vertaamalla laserdonpleranemomet-10 riin. Myös signaalin suihkuun tunkeutumisen ja suihkun pinnan ominaisuuksien vaikutukset korreloituun nopeuteen määriteltiin. Sen j'ilkeen käytettiin nopeusmittaria koepaperikoneen yhteydessä laajempaa toimintatutkimusta varten noissa olosuhteissa. Kuten seuraavasta käy ilmi, ver-15 rattiin tuloksia perälaatikon laskettuihin virtausnopeuk siin ja tuloksiin, kokeista, jotka oli suoritettu neste-mekaniikan laboratoriossa.

Viimeinen koesarja suoritettiin suurella virtaussilmukal-la ristikorreloidun nopeuden vertaamiseksi Pitot'n putki-20 mittauksesta laskettuun nopeuteen. Myös kaikki nämä tulok set esitetään seuraavassa.

Määritettäessä mittausvirheitä määrättiin ristikorrelaa-tiokerroin ja signaali-häiriösuhde. Ristikorrelaatioker-roin ZCC on mitta siitä, missä määrin signaali f^(t) ja 25 f^(t) vaikuttaa korrelaatiohuippuun R^(0). Ristikorre- laatiokerroin lasketaan lausekkeella RAu(Ö) XCC = - - - — \a(0) R8B<0>]1/2 jossa arvo "1" on identtisiä signaaleita varten ja arvo ”0" on ei-samankaltaisia signaaleita varten.

30 Signaali-häiriösuhde 3/N lasketaan jakamalla signaalin : autokorrelaation R^(0) lausekkeen mukaisen häiriöfunk-

II

9 82141 tion autokorrelaatiolla R,.„(0)

A A

raa(o) s/J rmm <: o) ·

jj i J

Mitä valopisteen geometriaan tulee ja viitaten kuvioon 4 ovat signaalit f^(t) ja f^it) perälaatikon suihkun pin-5 nalla olevien kahden valopisteen takaisinsirontaa. Valo pisteiden ala on äärellinen, niin että niistä mitatut signaalit ovat silmänräpäyksellisiä keskiarvoja niiden pintojen poikki sattuvista tapahtumista. Pisteiden muoto ja kohdistus vaikuttaa signaalien laatuun ja tarkkuuteen.

10 Pisteiden leveyden lisääminen virtaussuunnan poikki (tässä x-suunta) suurentaa ilmaisimen näkökenttää, niin että voidaan korreloida useita samanlaisia signaaleita. Tämä suurentaa korrelaatioastetta tai korrelaatiokerrointa XCC sekä signaali-häiriösuhdetta. Valopisteen leveys ra-15 joittuu ilmaisimien näkökenttään eikä sen enemmästä li säämisestä ole mitään hyötyä.

Pisteen pituuden vähentäminen virran suunnassa (tässä z-suunta) kaventaa valopisteen keskimääräistä alaa, mikä suurentaa kaistanleveyttä. Tämä saa aikaan terävän huipun 20 kohdassa RAB(-Ö) , mutta jos pituutta vähennetään liikaa, vaikuttaa se signaalin voimakkuuteen.

Viitaten kuvioon 5 saa valopisteiden yhdensuuntaisuus-virhe virtaussuunnassa eli z-suunnassa aikaan kosinivir-heen erotusetäisyydessä D ja pienentää ristikorrelaatio-25 kerrointa XCC. Jos yhdensuuntaisuusvirhe on riittävän suuri, ei valopisteillä ole yhtään yhteistä pistettä virrassa ja korrelaatiokerroin on nolla. Pisteiden leventäminen luonnollisesti helpottaa tätä ongelmaa.

Ilmaisuoptiikan sijoitus perälaatikon suihkun yläpuolelle 30 saa aikaan joitakin virheitä, jotka liittyvät valopiste- ja kosinivirheisiin. Näiden virheiden määrittelemiseksi 10 821 41 tehdyssä kokeessa käytettiin pyöreätä valopistettä, jonka halkaisija oli 1,982 mm ja ilmaisimien väli oli 5,974 mm. Tutkitut parametrit olivat etäisyys suihkun pinnasta, vaakasuora vinous, pystysuora vinous ja ilmaisimien ero-5 tus.

Ilmaisimien etäisyys suihkun pinnasta ei määrätyissä rajoissa pidettynä saanut aikaan merkittävää virhettä korreloituun nopeuteen. Tämä johtui paljolti kuituoptiikan käytöstä, mikä: pitää pisteen koon paljon muuttumattomam-10 pana kuin linssi. Kun ilmaisimia siirretään poispäin suih kun pinnnasta, alkua pisteen koko kasvaa, mikä kaventaa tehollista kaistanleveyttä ja saa korrelaatiohuipun levenemään. Myös ris tikorrelaatiokerro.in XCC pienenee, mistä on seurauksena pienempi signaali-häiriösuhde. Ollessaan 15 noin 6,35 mm:n etäisyydellä suihkun pinnasta alkavat valo pisteet mennä limittäin. Tämä limittyminen siirtää ilmaisimien keskimääräiset alat kohti toisiaan, mikä saa ilmaisimien erotuseiäisyyden näyttämään pienemmältä ja nopeuden kasvamaan, kuten kuviossa 15 esitetään.

20 Vinouttamalla ilmaisimia vaakasuorassa virtaussuuntaan nähden aiheuttaa, kuten edellä mainittiin, kosinivirheen etäisyydessä D ja pienentää signaali-häiriösuhdetta pienentämällä pisteiden sitä alaa, joka on korreloitavissa, siten, että etäisyys D* noudattaa nyt suhdetta 25 D’ = DCOS0.

Tutkimuksissa osoittautui kosinivirhe vähäpätöiseksi verrattuna ristikorrelaatioprosessin näytteitysjaksovirhei-siin. Sellainen vinous ei vaikuta huipun sijoittumi seen, kunnes ilmaisimen kohdistusraja saavutetaan. Sig-30 naali-häiriösuhteen pieneneminen valopisteissä olevien yhtäläisyysalueiden pienenemisen mukana vastaa odotettua suorituskykyä, kuten kuviossa 16 osoitetaan. Ilmaisinpaik-kojen välinen erotus on erittäin kriittinen tämän keksinnön mukaan konstruoidun laitteen toiminnassa. Ilmaisin-

II

n 82141 paikkojen välisen etäisyyden lisääminen tarjoaa suihkun pinnan tuntomerkeille enemmän aikaa muuttua valopisteiden välillä. Tämä suurentaa signaali-häiriösuhdetta, kunnes korrelaatio lonulta häviää. Pienentämällä ilmai-5 simien välistä etäisyyttä paranee korrelaatio, mutta koska ilmaisimien väliset siirtymäajat lyhenevät, lisääntyy korrelaatiokojeen mittaaman aikaviiveen Θ epävarmuus .

Minimietäisyys mittausjaksoepävarmuuksien pitämiseksi 10 0,5 %:n puitteissa voidaan laskea lausekkeesta D . =10 0 PV/M.

mm

Myös valopisteiden koko ja muoto rajoittavat niiden minimi väliä .

Pyörresignaalihäviö ei vaikuta huipun sijoittumi- 15 seen, niin että se ei muodostu merkittäväksi tekijäksi ristikorrelaatiofunktiossa, ennenkuin signaali-häiriösuh-de merkittävästi pienenee. Valopisteen koko saa signaaleissa aikaan suodatus- ja keskiarvoistumisvaikutuksen siten, että sen z-leveyttä voidaan käyttää ilmaisinpaikko-20 jen maksimieron likimääräiseen laskemiseen lausekkeen

D = jw max J

mukaan, niin että D:n arvo on rajojen

jrw^ D ^100 PV/N

sisäpuolella.

25 Muita virheitä aiheuttaa signaalin tunkeutuminen suihkuun. Näitä virheitä ovat: 1) Signaalin häviäminen—pieni ristikorrelaatiokerroin XCC; i2 82 1 41 2) heijastuminen suihkun alapinnasta--R^(ö):n muutos ja/tai laajenerninen\ 3) Pystynopeuden profiilin keskinkertaistuminen--kapeam-pi kaistanleveys ja Κ^^(9):η muutos.

5 Ensimmäinen virhe 1) ei suoraan vaikuta ristikorrelaatio- funktion aika-asemaan. Sen pääasiallinen vaikutus on signaalin voimakkuuden pieneneminen, mikä on merkittävä vain läpinäkyvissä liuoksissa, joissa on erittäin vähän pyör-teisyyttä.

10 Toisessa virnelähteessä 2) siirtyy osa signaalista suih kun läpi sen alapintaan, mistä se heijastuu takaisin ilmaisimiin. Jos suihkun alapinnan nopeus eroaa hiukan yläpinnan nopeudesta, tulee signaalien f^Ct) ja fy(t) suhteeksi „ A0 fB <tteP ♦ AlfB(t*V .

15 fA(t) · A'q TT"-

Silloin on ristikorrelaatiofunktio: 1 p ΓΑηίΒ(ΐ+θι) + A.f. (t+9 ) RA3(t) * ? f fA(t) A'0 ♦ fr-~-1 dt 0 — “

A rP a f. P

p fV'V J fA(t)fa(t+9i) dt+ pcAq+Aj^) j ^ o fA<t)fB(t+92) dt.

Tämä saavuttaa huippunsa kohdissa t+θ^ ja t+ö^. Jos suih-20 kujen nopeudet ovat lähes samat, esiintyy ristikorrelaa- tiofunktiossa vain yksi huippu, joka kuitenkin laajenee ja muuttuu ajan mukana.

kuvio 7 esittää laserdoppleranemometrillä mitattua pystysuoraa nopeusprofiilia. Tämän graafisen esityksen päälle 25 on asetettu ristikorreloitu nopeus läpinäkyvässä vedessä samoissa olosuhteissa. Jos suihkun yläpinta on 1,626 mm:n i3 82141 etäisyydellä sen keskustasta, tulisi ristikorreloidun nopeuden tuossa pisteessä olla 7,95 m/s. Mitattu nopeus on 8,08 m/s eron ollessa 1,6 «, mikä voi osittain johtua pienemmästä pinnan heijastuksesta. Kun mitattu liuos tulee 5 sameammaksi, ei tällä virhelähteellä ole merkitystä.

Kolmas ja viimeinen tunkeumavirheen 3) lähde on keskimää-räistyminen. Tämä tulee merkittäväksi hyvin ympätyssä liuoksessa ja se on itse asiassa laajempi tapaus pinta-heijastusvirneestä. Nesteessä, joka on ymnätty sulppukui-13 duilla, tai muulla heijastavalla aineella, tunkeutuu va lopiste ja saa aikaan takaisinsirontasignaaleita eri vaiheiden kohdalla olevista osasista. Voimakkaimmat signaalit tulevat läheltä pintaa, mutta eri syvyyksistä tulevat, eri nopeuksilla kulkevat signaalit saavat aikaan 15 virheitä signaaliin. Ristikorrelaatiofunktio signaalia varten on RAB(t) = Ii^A0+A1 + A2+. .VAn)" A0 J" fA( t)fB( t+9i)dt+Ai Γ n L O *0 fA( t)f3(t+ö2)dt+. . ,+A J~ f^( t) fg(t+&n) dt , 0 — ja keskimääräinen huippu on A. ΚΛΓ,(θηί +AiR K(do)+AoRAn(0o> + · · ·+A R.a(& ). d f n i \ — 0 ABI lab2 2 AB 3 n AB n AB^0 ; A.+A +A.+..7Ä 0 1/ n

Mitä sameampaa liuos on, sitä pienempi on tunkeumasyvyys ja aikahajonta on kapeamni.

it 82141

Kuviossa 7 esitetään myös ristikorreloitu nopeus 0,3 %:n havuouumassaliuosta varten. Pintanopeuden ja mitatun nopeuden välinen ero on 5,2 %. Tämä osoittaa paljon suurempaa keskimääräistä tunkeumaa suihkuun kuin nopeuteen va-5 dessä, mikä oli odotettavissa johtuen suuremmasta nopeus erosta syvyysnäytteen poikki. Tämä virhe saattaa olla toivottava, jos on mitattava suihkun keskimääräinen nopeus. Lisäämällä valonlähteen 28 tehoa saadaan tunkeuma suuremmaksi ja nopeuden keskiarvo totuudenmukaiseksi.

10 Seuraava taulukko on edellä tarkasteltujen tutkimusten virheanalyysi t iivis telmä.

TAULUKKO I

VI R.IEAUALYYSITII VISTELM.A

epävarmuus-% virhelähde "normaali" "2^hin_tapaus" 15 Signaalin käsittely ääytteitys +0,29 +0,49

Kaistanleveys +0,01 +1,67 (arvio)

Ilmaisimien sijainti

Etäisyys suihkusta 0 +3,13 20 Vaakasuora vinous +0,06 +3,13

Pystysuora vinous 0 +1,56

Erotus +0,29 +0,49

Tunkeuma virtaan +1,50 +4,39 (verrat tuna pin-tanopeu-teen)

Suurin epävarmuus-% 2,15 % 15,59 % 25 Jos virtaan tunkeutumisen aiheuttamat virheet kompensoi daan tai jos ne ovat haluttuja voidaan epävarmuus-% normaalikäyttöä varten alentaa 0,65 prosenttiin.

Seuraavassa taulukossa esitetään symbolit ja niiden merkitykset edellä olevien yhtälöiden symbolielementtejä varten .

Il is 82141

TAULUKKO II

Symboli N i mi t: γ s A, 13 Ilmaisinpaikat A ,A^... Vahvistuskerroin, joka esittää signaa- 5 Iin takaisinsiroontuneen osan voimakkuutta EVJ Kaistanleveys D Ilmaisinpaikkojen välinen etäisyys Käyte, joka vastaa ilmaisinpaikkojen välistä aikaviivettä Θ 10 k Alueella N' oleva näyte, joka vastaa aikaa t N Otettujen näytteiden kokonaismäärä P Ajanjako, jolle signaalit integroidaan R^ Ris tikorrelaatiof unktio 15 Rxx(0) Autokorrelaatiosignaalin arvo t=0 koh dalla V Suihkun nopeus w Pisteen leveys suunnassa z (virran suun nassa) 20 0 Kulmailmaisimien sijainti ei ole suihkun suuntainen Θ Ilmaisinpaikkojen A ja B välinen aika viive.

ie 82141

Kuviossa 6 esitetään ristikorrelaatiovirtausnittarin kalibrointi laserdoppleranemometriin nähden. Veden risti-korreloitu nopeus on mittauksista epätarkin ja sen lineaarisuus on 0,99370. Käytettäessä sulppua on nopeuden line-5 aarisuus 0,9997, mikä on sama kuin laserdoppleranemomet- rillä mitatun nopeuden lineaarisuus. Virhe ristikorreloi-dussa nopeudessa on suurempi pienemmillä suihkunopeuksil-la, erityisesti vesisuihkussa. Tämä virhe johtuu osaksi kaventuneesta kaistanleveydestä, jonka aiheuttaa taajuu-10 deltaan alhaisempi pyörteisyys, ja jos kysymys on vedes tä, osaksi heijastumisesta suihkun alemmista pinnoista.

Ristikorreloidun nopeuden vinoutta verrataan laserdoppler-anemometriin, kuten käy ilmi kuviosta 7, joka esittää ristikorreloitujen signaalien keskimääräistä tunkeumaa 15 suihkun pintaan verrattuna pisteeseen, jossa laserdoppler- anemometrin signaalit koottiin. Kun suihkun nopeus muuttuu, vaihtuvat suihkussa olevat signaalien kokoanispisteet, mikä vinouttaa lopullista graafista esitystä. Koska ris-tikorrelaatio sulpussa on lähempänä laserdopplersignaalien 20 kokoamispistettä kuin vedessä, se vinoutuu vähemmän, mi kä käy helposti ilmi kuviosta 7. Vinous teoreettisesta on sitä pienempi, mitä syvemmälle signaali tunkeutuu suihkuun.

Viitaten kuvioon 8 verrataan ristikorreloitua suihkunopeut-25 ta paperikoneen perälaatikon paineesta laskettuun nopeu teen. Kuten on ilmeistä, on käyrien muoto sama, mutta hiukan poikkeamaa teoreettisesta suihkunopeudesta esiintyy. Kuvioiden 9 ja 10 graafiset esitykset esittävät paperikoneen ajoa käynnistyksestä pysäyttämiseen, kuten edellä 30 lyhyesti mainittiin. Mämä graafiset esitykset kuvaavat laitteen reaktioita vähäisiin nopeudenmuutoksiin, kun sitä käytetään jatkuvasti tulostavana laitteena. Kuvio 9 esittää jatkuvaa ajoa, kun taas kuvio 10 esittää ajoa, jossa virtausta vähennetään vaiheittain ajon lopussa.

Il

Edellä mainitun suuren virtaussilmukan tulokset esite tään kuvioissa 11, 12, 13 ja 14.

17 821 41

Kuvio 11 esittää vertailun tiedoista, jotka on saatu 21 ajon sarjasta, jossa virtausnopeudet ja huuliaukot vaih-5 telivat. Mittaukset ovat erittäin hyvin vertailukelpoi sia alemmilla nopeuksilla, samalla kun suuremmilla nopeuksilla esiintyy merkittäviä muutoksia. Tämä johtuu suihkun keskustassa tapahtuvien Pitot'n putkimittaus ten ja pinnan ristikorrelaationittaus ten tuloksista. Suuremmilla suih-10 kunopeuksilla on ero pinnan ja keskustan nopeuksilla suu rempi. Näiden tietojen lineaarinen regressioanalyysi antaa tulokseksi korrelaatiokertoimen 0,9572.

Kuviot 12 ja 13 esittävät suihkunopeutta verrattuna vir-tausmäärään koneessa, jossa ei ole lainkaan huuliaukkoa 15 ja jossa on 6,35 mm:n huuliaukko, vastaavasti. Virtaus nopeutta muutettiin, samalla kun kaikki muut olosuhteet pidettiin ennallaan. Saadut tiedot vastaavat yleisesti kuviossa 11 esitettyjä tietoja. Kuvioissa 12 ja 13 esitettyjen tietojen korrelaatiokertoimet ovat 0,9979 ja 20 0,9987, vastaavasti. Kuvio 10 on graafinen esitys risti- korrelaatiokertoimista verrattuina kuvioiden 12 ja 13 ajojen nopeuteen. Kun suihkun nopeus kasvaa, pienenee pintojen muutos ilmaisinkohtien välillä, mikä merkitsee suurempaa korrelaatioastetta. Suurempi nopeus lisää myös 25 kaistanleveyttä, mikä johtuu suihkun pinnan pyörteisyy- den suuremmasta taajuudesta.

Taulukon I virheanalyysiyhteenveto käsittää odotetun virheen normaalikäyttöä varten ilmaisimien ollessa hyvin kohdistetut ja "pahimmassa tapauksessa", jolloin signaali 30 ollaan vähällä kadottaa. Nämä virheet on laskettu olet taen, että ilmaisimien väli on 6 mm ja valopisteiden hal-• kaisija on 0,5 mm. Mitatun väliaineen oletetaan olevan : suhteellisen läpinäkymätön liuos, joka liikkuu nopeudel- la 2-20 m/s. Ristikorrelaatio käsittää 1024 näytettä, is 82141 jotka on otettu 3ms: n aikana.

Tämän keksinnön mukainen ristikorrelaatiosuihkunnopeus-mittaus täyttää riittävässä määrin perälaatikon suihkun mittausvaatimukset. Se ei millään tapaa häiritse suihkua 5 ja se toimii luotettavasti erittäin epäedullisissakin olo suhteissa vähimmillä mahdollisella järjestelyllä ja kunnossapidolla.

Tarkkuus näyttää olevan parempi kuin useimmissa olemassaolevissa suihkunopeuden mittausmenetelmissä, jos elemen-10 tit on kunnolla kohdistettu. Siinäkin tapauksessa, että yhdensuuntaisuusvirne on määrätyn suuruinen, signaali tavallisesti katoaa, ennenkuin lukemavirhe tulee merkittäväksi .

Tämän keksinnön mukaan konstruoitu laite mittaa pintano-15 peuden. Jos halutaan suihkun keskiosan nopeutta, tarvi taan korjauskerrointa. Useimpia tapauksia varten ovat kuitenkin nopeuden suhteelliset muutokset riittäviä para-metrejä ja sellaisissa sovellutuksissa on tämän keksinnön mukaan konstruoitu laite erittäin tarkka.

20 Edellä olevasta tarkastelusta käy varsin selvästi ilmi, että kuvioiden 2 ja 3 kuituoptiikkaelementit 28 ja 30 on kiinnitetty siten, että niiden välistä etäisyyttä, niiden pystysuoraa ja vaakasuoraa vinoutta sekä sijaintia perä-laatikon suihkun yläpuolella voidaan säätää. On myös sel-25 vää, että valonlähteen 28 voimakkuutta voidaan muuttaa tunkeuman suihkuun lisäämiseksi tai vähentämiseksi.

Vaikka keksintöä onkin selitetty viitaten sen erääseen nimenomaiseen kuvaavaan suoritusmuotoon, yhdessä toimivien järjestelmien koetulosten graafisten esityksien kanssa, 30 on tekniikkaan perehtyneille selvää, että keksintöön voi daan tehdä monia muutoksia ja muunnoksia poikkeamatta sen

II

19 821 41 hengestä ja piiristä. Sen vuoksi on tarkoituksena liittää tässä myönnettyyn patenttiin kaikki sellaiset muutokset ja muunnokset, jotka kohtuudella ja oikein voidaan liittää osallisuuteen tässä tekniikassa.

Claims (10)

20 821 41

1. Laite nestesuihkun (14) nopeuden mittaamiseksi, joka sisältää: valonkehitysvälineet (29), jotka on asennettu nestesuihkun (14) läheisyyteen valon kehittämiseksi siten, että suihkun (14) nopeus voidaan määrätä, ensimmäiset kuituoptiset valonkytkentävälineet (28), jotka on sijoitettu valonkehitysvälineiden (29) ja nestesuihkun (14) väliin valon johtamiseksi valonkehitysvälineiden (29) ja nestesuihkun (14) välillä, ensimmäiset valoilmaisinvälineet (24) nestesuihkusta (14) ensimmäisten kytkentävälineiden (28) läpi (14) takaisin heijastuneen valon havaitsemiseksi ja ensimmäisten kytkentävälineiden (28) läpi takaisin heijastuneeseen valoon verrannollisen, ensimmäisen söhköisen signaalin kehittämiseksi, toiset kuituoptiset valonkytkentävälineet (30), jotka on sijoitettu valonkehitysvälineiden (29) ja nestesuihkun (14) väliin, mainittujen toisten kytkentävälineiden (30) ollessa sijoitettu virtaussuunnassa eteenpäin ensimmäisiin kytkentä-välineisiin (28) nähden valon johtamiseksi valonkehitysvälineiden (29) ja nestesuihkun (14) välillä, toiset valoilmaisinvälineet (26) toisten kytkentävälineiden (30) läpi virtaussuunnassa eteenpäin olevassa mainitussa asemassa nestesuihkusta (14) takaisin heijastuneen valon havaitsemiseksi ja toisten kytkentävälineiden (30) läpi takaisin heijastuneeseen valoon verrannollisen, toisen sähköisen signaalin kehittämiseksi, analysointivälineet (48), jotka suorittavat ensimmäisten ja toisten sähköisten signaalien vaihtovirtakomponenttien risti-korrelaation nestesuihkun (14) nopeutta edustavan lähdön saamiseksi, tunnettu siitä, että sekä ensimmäiset että toiset kuituoptiset valonkytkentävälineet käsittävät kukin toisen ensimmäisten ja toisten, välin päässä toisistaan sijaitsevien, kaksihaaraisten kuitukimppujen (28, 30) muodostamasta parista, jolloin ensimmäinen kuitukimppu (28) sisältää tämän ensimmäi- 11 21 82141 sen, toisen ja kolmannen pään, ensimmäisen pään sijaitessa nestesuihkun (14) läheisyydessä, toisen pään sijaitessa ensimmäisten valoilmaisinvälineiden (24) läheisyydessä ja kolmannen pään sijaitessa valonkehitysvälineiden (29) läheisyydessä; jolloin toinen kuitukimppu (30) sisältää ensimmäisen, toisen ja kolmannen pään, toisen kuitukimpun (30) ensimmäisen pään sijaitessa nestesuihkun (14) läheisyydessä sen mainitussa virtaussuunnassa eteenpäin olevassa asemassa ja virtaussuun-nassa eteenpäin suhteessa mainitun ensimmäisen kuitukimpun (28) ensimmäiseen päähän, toisen kuitukimpun (30) toisen pään sijaitessa toisten valoilmaisinvälineiden (26) läheisyydessä ja toisen kuitukimpun (30) kolmannen pään sijaitessa valonkehitysvälineiden (29) läheisyydessä; valonkehitysvälineiden (29) valonvoimakkuus on säädettävissä nestesuihkuun (14) tunkeutuvan valon läpitunkeutumisen ja nopeudenmittaussyvyyden vaihtelemiseksi; ensimmäisiin ja toissiin valoilmaisinvälineisiin (24, 26) on kytketty ylipäästösuodinvälineet (42) ensimmäisten ja toisten signaalien määrätyn taajuuden alapuolella olevien komponenttien suodattamiseksi pois; ylisuodinvälineisiin (42) on kytketty vahvistinvälineet (44) suodatettujen ensimmäisten ja toisten signaalien vahvistamiseksi, jolloin analysointivälineet (48) on kytketty mainittuihin vahvistinvälineisiin (44) vahvistettujen ensimmäisten ja toisten signaalien vaihtovirtakomponenttien ristikor-reloimiseksi; ja aseteltavat asennusvälineet on kytketty ensimmäisiin ja toisiin kuitukimppuihin (28, 30) mainittujen ensimmäisten ja toisten kuitukimppujen (28, 30) välin asettelemisen mahdollis tamiseksi suhteessa nestesuihkun pintaan; ja nestesuihku (14) koostuu paperikoneen perälaatikosta työnnetystä massasta.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, tunnettu siitä, että vaionkehitysvälineinä on hehkulamppu (29). 22 82 1 41

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen laite, tunnet-t u siitä, että ensimmäiset ja toiset valoilmaisinvälineet sisältävät vastaavasti ensimmäisen ja toisen fotodiodin (24, 26), jolloin ensimmäinen fotodiodi (24) on valokytketty ensimmäisen kuitukimpun (28) yhteen haaraan (34) ja toinen fotodiodi (26) on valokytketty toisen kuitukimpun (30) yhteen haaraan (38); ja valonkehitysvälineet (29) on valokytketty kuitukimppujen (28, 30) kumpaankin toiseen haaraan (34, 36).

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen laite, tunnettu siitä, että mainitut aseteltavat asennusväli-neet mahdollistavat ensimmäisten ja toisten kuitukimppujen (28, 30) vaakasuuntaisen vinouden asettelun.

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen laite, tunnettu siitä, että mainitut aseteltavat asennus-välineet mahdollistavat ensimmäisten ja toisten kuitukimppujen (28, 30) pystysuuntaisen vinouden asettelun.

6. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen laite, tunnettu siitä, että ensimmäisten ja toisten valon-ilmaisinvälineiden (24, 26) ja ylipäästösuotimen (42) väliin on kytketty esivahvistin (40).

7. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen laite, tunnettu siitä, että mainitut analysointivälineet käsittävät nopean kaksikanavaisen fouriertransformoinnin (FFT) spektrianalysaattorin (48).

8. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen laite, tunnettu siitä, että vahvistinvälineisiin (44) on liitetty muistivälineet (46) vahvistettujen ensimmäisten ja toisten signaalien esittämien tietojen tallentamiseksi. Il 23 82 1 41

9. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen laite, tunnettu siitä, että analysointivälineet (48) on kytketty vahvistinvälineisiin (44) ensimmäisten ja toisten sähköisten signaalien vaihtovirtakomponenttien viiveajan määrittämiseksi ristikorrelaatiotoiminnan vertailulla.

10. Patenttivaatimuksen 7 mukainen laite, tunnettu siitä, että spektrianalysaattori (48) toimii seuraavan lausekkeen mukaan 1 fP fWt)=— fA(t) f.ft+θ) dt P Jo jossa fx(t) ja f»(t) esittävät ensimmäisten ja vastaavasti toisten kytkentävälineiden (28, 30) kautta kehitettyjä vaihto-virtakomponentteja, P on ennaltamäärätty integraatiojakso, Θ esittää f*.(t):n ja f»(t):n välistä viiveaikaa ja R*.»(t) on ristikorrelaatiotulos, jonka maksimi on Θ: n kohdalla. 24 821 41