Изобретение относится к области измерения расхода и может быть использовано для измерения расхода газообразных и жидких веществ. The invention relates to the field of flow measurement and can be used to measure the flow of gaseous and liquid substances.
Цель изобретения - увеличение точности и упрощение устройств, осуществляющих измерение. The purpose of the invention is to increase the accuracy and simplification of devices that measure.
Сущность изобретения заключается в подсчете импульсов, возникающих при сравнении колебаний, распространяющихся в измеряемом веществе, и в подсчете колебаний, составляющих эти импульсы. При этом каждый импульс соответствует объему вещества, равному произведению площади поперечного сечения потока измеряемого вещества на длину волны применяемых для измерения колебаний, а каждое колебание соответствует определенной (например, 0,001) части этого объема. Длина волны применяемых для измерения колебаний стабилизируется путем подачи сигнала обратной связи, образующегося при изменении длины волны, на вход генератора, вырабатывающего колебания. The essence of the invention consists in counting the pulses that occur when comparing the vibrations propagating in the measured substance, and in counting the vibrations that make up these pulses. Moreover, each pulse corresponds to the volume of the substance equal to the product of the cross-sectional area of the measured substance’s flow and the wavelength used for measuring the vibrations, and each vibration corresponds to a certain (for example, 0.001) part of this volume. The wavelength used for measuring the oscillations is stabilized by applying a feedback signal generated when the wavelength changes, to the input of the oscillating oscillator.
Механизм возникновения импульсов объясняется на конкретном примере, который иллюстрируется фиг. 1-4; вид возникающих импульсов и колебаний их составляющих представлен фиг. 5 и 6; на фиг. 7 дана блок-схема устройства, реализующего данный способ измерения. The mechanism of occurrence of pulses is explained with a specific example, which is illustrated in FIG. 1-4; the type of arising pulses and oscillations of their components is presented in FIG. 5 and 6; in FIG. 7 is a block diagram of a device that implements this measurement method.
На фиг. 1 представлено распределение гармонических колебаний в двух трубопроводах, в одном из которых вещество перемещается со скоростью 0,33 м/с, а в другом - неподвижно. В трубопроводах на одинаковых расстояниях друг от друга, равных целому числу длин волн, применяемых для измерения колебаний, установлены излучатели 1, приемники 2. Поступающие от генератора 3 на излучатели 1 колебания излучаются в движущееся и неподвижное вещество, принимаются приемниками 2 и в противоположных фазах подаются на сумматор 4. Сигнал на выходе сумматора 4 через 0,01, 0,02, 0,03 и т.д. секунд представлен на фиг. 1 рядом с картиной распределения колебаний в трубопроводах. На фиг. 2 дана картина распределения колебаний и вид возникающих при этом импульсов при скорости вещества 0,66 м/с, т.е. при увеличении скорости в 2 раза. На фиг. 3 дана картина распределения колебаний и вид возникающих при этом импульсов при скорости 0,99 м/с, т.е. при увеличении скорости в 3 раза. На фиг. 4 дана картина распределения колебаний и вид возникающих при этом импульсов для случая, когда скорость вещества меньше чем 0,33 м/с и составляет 0,33/4 м/с. Для удобства подсчета импульсы детектируются. На фиг. 5а, 6а представлены импульсы и колебания, составляющие импульсы до детектирования, на фиг. 5б, 6б - после детектирования. На фиг. 7 представлена блок-схема устройства для измерения по данному способу. Здесь уже упоминавшиеся излучатели 1 и приемники 2, генератор 3, сумматор 4 и трубопровод с измеряемым веществом 5. Трубопровод с неподвижным веществом представлен небольшим контрольным объемом 6, который соединен с измеряемым потоком импульсными трубками 7. Выход сумматора 4 связан со счетчиком импульсов 8 и со счетчиком колебаний, составляющих импульсы 9. Приемник неподвижного вещества 2, находящийся в контрольном объеме 6 связан с генератором колебаний 3 линией обратной связи 10. In FIG. 1 shows the distribution of harmonic vibrations in two pipelines, in one of which the substance moves at a speed of 0.33 m / s, and in the other - motionless. In pipelines at the same distances from each other, equal to the integer number of wavelengths used to measure the oscillations, emitters 1, receivers 2 are installed. The oscillations coming from the generator 3 to emitters 1 are emitted into a moving and stationary substance, are received by receivers 2, and in opposite phases are fed to the adder 4. The signal at the output of the adder 4 through 0.01, 0.02, 0.03, etc. seconds is shown in FIG. 1 next to the pattern of distribution of vibrations in pipelines. In FIG. Figure 2 gives a picture of the distribution of vibrations and the form of the pulses that arise in this case at a substance velocity of 0.66 m / s, i.e. with a speed increase of 2 times. In FIG. Figure 3 gives a picture of the distribution of vibrations and the type of pulses arising from this at a speed of 0.99 m / s, with a speed increase of 3 times. In FIG. Figure 4 gives a picture of the distribution of vibrations and the form of the pulses arising from this for the case when the speed of the substance is less than 0.33 m / s and is 0.33 / 4 m / s. For ease of counting, pulses are detected. In FIG. 5a, 6a show pulses and oscillations constituting the pulses before detection, FIG. 5b, 6b — after detection. In FIG. 7 shows a block diagram of a device for measuring by this method. Here, the already mentioned emitters 1 and receivers 2, generator 3, adder 4 and the pipeline with the measured substance 5. The pipeline with the stationary substance is represented by a small control volume 6, which is connected to the measured flow by impulse tubes 7. The output of the adder 4 is connected to the pulse counter 8 and a counter of oscillations constituting the pulses 9. A fixed substance receiver 2 located in the control volume 6 is connected to the oscillation generator 3 by a feedback line 10.
Исходные данные для примера, поясняющего способ. The source data for an example illustrating the method.
Расстояние между излучателями 1 и приемниками 2 - 3,3 м. The distance between the emitters 1 and the receivers 2 is 3.3 m.
Скорость звука в веществе (воздухе) Vзв=330 м/с.The speed of sound in a substance (air) V sv = 330 m / s.
Время движения колебаний от излучателя неподвижного вещества до приемника неподвижного вещества t = 0,01 с. The motion time of the oscillations from the emitter of the stationary substance to the receiver of the stationary substance is t = 0.01 s.
Частота колебаний вырабатываемых генератором 3f = 100 кГц. The oscillation frequency generated by the generator 3f = 100 kHz.
Определим:
1. Длина волны в неподвижном веществе
.Define:
1. The wavelength in a stationary substance
.
2. Скорость потока вещества V, при которой происходит перемещение вещества потока за 0,01 с на λ = 0,0033 м, ν = 0,33 м/c. . 2. The flow velocity of the substance V, at which the flow substance moves over 0.01 s by λ = 0.0033 m, ν = 0.33 m / s. .
При этих условиях:
Через 0,01 с после включения генератора 3 1-е колебание в неподвижном веществе достигнет приемника 2 и между излучателем 1 и приемником 2 неподвижного вещества расположатся 1000 колебаний (синусоид). В этот же момент через 0,01 с 1-е колебание движущегося вещества расположится за приемником 2, а между приемником 2 и излучателем 1 движущегося вещества расположатся 999 колебаний (фиг. 1а). Это следует из того, что длина волны каждого из 1000 колебаний, поступающих в поток вещества, удлиняется на поскольку длина волны в потоке λ=(Vзв+V)•T=(330+0,33)•T, где T остается неизменным, . Таким образом, 1-е, первые колебания 1-й тысячи колебаний, излученных в неподвижное и движущееся вещество, которые в момент излучения совпадения по фазе, при приеме оказались сдвинутыми по фазе на 360o. Как видно из фиг. 1б и фиг. 1в, то же происходит и с тысячными, 1000-ми, 2000-ми и т.д. колебаниями через 0,02, 0,03 и т.д. секунд. Все эти колебания, которые в момент излучения совпадают по фазе, в момент приема оказываются сдвинутыми по фазе на 360o. Сдвиг по фазе на 360o 1-го, 1000-го, 2000-го и т.д. колебаний движущегося вещества является результатом движения вещества, которое за 0,01 с успевает переместить находящиеся в нем колебания (сгущения и разрежения вещества) на 0,0033 м, на длину волны λ , вырабатываемых генератором 3 и излучаемых в движущееся вещество колебаний. Однако 1000-е, 2000-е и т.д. колебание движущегося вещества может оказаться сдвинутым на 360o по отношению к 1000-му, 2000-му и т.д. колебанию неподвижного вещества только в том случае, если все предшествующие ему колебания будут сдвигаться движущимся веществом на некоторую часть длины волны λ . Поэтому на входе сумматора 4 происходит непрерывное изменение фазы колебаний, поступающих от приемника движущегося вещества по отношению к колебаниям, поступающим от приемника неподвижного вещества. За каждые 0,01 с фаза изменяется от 0 до 360o, вследствие чего на выходе сумматора 4 появляются импульсы, каждый из которых состоит из 999 колебаний, частота которых равна частота колебаний, вырабатываемых генератором 3, а амплитуда изменяется от нуля, достигает максимума (суммы амплитуд колебаний, распространяющихся в движущемся и неподвижном веществе) и вновь становится равной нулю. Этот импульс является результатом перемещения вещества на λ=0,0033 м за 0,1 секунды и соответствует расходу вещества, равному произведению площади поперечного сечения потока вещества на длину волны применяемых для измерения колебаний: Q =S•λ . В том случае, если скорость вещества увеличится вдвое и составит 0,66 м/с (фиг. 2), то за время 0,01 с вещество успевает переместить находящиеся в нем колебания не на одну, а на две длины волны, на 2λ , в результате чего фаза колебаний движущегося вещества за 0,01 с изменяется по отношению к фазе колебаний неподвижного вещества на 2•360oC, а на выходе сумматора 4 за 0,01 с появятся 2 импульса. Поскольку в этом случае между излучателем и приемником движущегося вещества расположатся 998 колебаний, то каждый импульс будет содержать 998/2 колебаний. При увеличении скорости втрое, при скорости, равной 0,99 м/с, фаза колебаний движущегося вещества изменится на 3•360o, между излучателем и приемником движущегося вещества уложится 997 колебаний, а на выходе сумматора 4 за 0,01 с появятся 3 импульса, каждый из которых будет состоять из 997/3 колебаний и т.д. (см. фиг. 3). Каждый такой импульс соответствует объему вещества, равному произведению площади поперечного сечения потока вещества на длину волны, применяемых для измерения колебаний, распространяющихся в неподвижном веществе. В общем случае, подсчитывая количество импульсов, подсчитывают количество объемов Q. Процесс измерения заменяется процессом подсчета. Это радикально упрощает схему расходомера и повышает его точность. Рассмотрим картину распределения колебаний для случая, когда скорость движущегося вещества меньше чем 0,33 м/с. Очевидно, что непрерывное изменение фазы колебаний движущегося вещества по отношению к фазе колебаний неподвижного вещества будет иметь место точно так же, как это имело место и при скорости 0,33 м/с. Однако это изменение фазы не достигнет 360o, т.к. при скорости, меньшей чем 0,33 м/с, за 0,01 секунды движущееся вещество сможет переместить находящиеся в нем колебания не на целую длину волны λ , а на какую-то часть длины волны, а изменение фазы колебаний движущегося вещества по отношению к фазе колебаний неподвижного вещества будут меньше, чем 360o. Поскольку эти изменения будут происходить за те же 0,01 с, то образующиеся импульсы будут содержать не 999 колебаний, а меньшее число колебаний. А поскольку периоды колебаний, составляющих эти импульсы, будут теми же, то между импульсами будут паузы. Вид этих импульсов представлен на фиг. 4. При этом при изменении скорости вещества от 0 до 0,33 м/с количество колебаний, составляющих импульсы, увеличивается от 0 до 999. В этом диапазоне количество колебаний, составляющих импульсы, прямо пропорционально скорости вещества, тогда как, начиная со скорости 0,33 м/с, как мы видели, оно обратно пропорционально скорости. Каждое колебание, составляющее такие импульсы, соответствует 1/999 части объема Q = S•λ. . Подсчитывая колебания, составляющие импульсы, измеряем расход в диапазоне от 0 до 0,33 м/с. Скорость 0,33 м/с для данного примера, как видим, является пороговой. Импульсы, возникающие до пороговой скорости, - это неполные импульсы. Импульсы, возникающие после достижения пороговой скорости, - это полные импульсы. Полные импульсы детектируют и сглаживают составляющие их колебания с помощью емкости, неполные импульсы детектируют и подсчитывают положительные полуволны колебаний их составляющих. Вид полных и неполных импульсов до и после детектирования представлен на фиг. 5а, 6а и 5б, 6б. Поскольку фаза колебаний неподвижного вещества одинакова и на расстоянии 3,3 м и от излучателя и на расстоянии нескольких длин волн, то при реализации способа в устройстве, блок-схема которого представлена на фиг. 7, второй трубопровод заменяется небольшим контрольным объемом 6, в котором излучатель и приемник расположены на минимальном расстоянии друг от друга, равном 2-3λ , и который связан с измеряемым потоком импульсными трубками 7, обеспечивающими медленное, не влияющее на результат измерения движение измеряемого вещества через контрольный объем. Для ликвидации аддитивной погрешности от приемников контрольного объема 6 на вход генератора 3 по линии обратной связи 10 подается сигнал обратной связи. При увеличении длины волны частота генератора 3 увеличивается, а при уменьшении длины волны уменьшается, вследствие чего длина волны, служащая в данном способе мерой, остается постоянной.Under these conditions:
After 0.01 s after turning on the generator 3, the 1st oscillation in the stationary substance reaches receiver 2 and 1000 oscillations (sinusoids) are located between the emitter 1 and the stationary substance receiver 2. At the same time, after 0.01 s, the first oscillation of the moving substance will be located behind the receiver 2, and between the receiver 2 and the emitter 1 of the moving substance will be located 999 oscillations (Fig. 1a). This follows from the fact that the wavelength of each of the 1000 oscillations entering the substance flow is extended by since the wavelength in the stream λ = (V Sv + V) • T = (330 + 0.33) • T, where T remains unchanged, . Thus, the first, first oscillations of the 1st thousand oscillations emitted into a stationary and moving substance, which at the moment of radiation coincidence in phase, upon reception turned out to be phase shifted by 360 o . As can be seen from FIG. 1b and FIG. 1c, the same thing happens with thousandths, 1000s, 2000s, etc. oscillations through 0.02, 0.03, etc. seconds. All these vibrations, which at the time of radiation coincide in phase, at the time of reception are phase shifted by 360 o . 360 o phase shift of the 1st, 1000th, 2000th, etc. oscillations of the moving substance is the result of the movement of the substance, which in 0.01 s manages to move the vibrations (condensation and rarefaction of the substance) in it by 0.0033 m, to the wavelength λ generated by the generator 3 and emitted into the moving substance of the vibrations. However, the 1000s, 2000s, etc. the oscillation of a moving substance can be shifted by 360 o relative to the 1000th, 2000th, etc. vibration of a stationary substance only if all the vibrations preceding it are shifted by the moving substance by some part of the wavelength λ. Therefore, at the input of the adder 4, there is a continuous change in the phase of the vibrations coming from the receiver of the moving substance with respect to the vibrations coming from the receiver of the stationary substance. For every 0.01 s, the phase changes from 0 to 360 o , as a result of which pulses appear at the output of adder 4, each of which consists of 999 oscillations, whose frequency is equal to the frequency of oscillations generated by generator 3, and the amplitude changes from zero, reaches a maximum ( sum of the amplitudes of oscillations propagating in a moving and stationary substance) and again becomes equal to zero. This impulse is the result of moving the substance by λ = 0.0033 m in 0.1 second and corresponds to the consumption of the substance equal to the product of the cross-sectional area of the substance flow and the wavelength used to measure the oscillations: Q = S • λ. In that case, if the speed of a substance doubles and amounts to 0.66 m / s (Fig. 2), then in a time of 0.01 s the substance manages to move its vibrations not by one, but by two wavelengths, by 2λ, as a result, the phase of the oscillations of the moving substance in 0.01 s changes in relation to the phase of the oscillations of the stationary substance by 2 • 360 o C, and 2 pulses appear at the output of the adder 4 in 0.01 s. Since in this case 998 oscillations are located between the emitter and the receiver of the moving substance, each pulse will contain 998/2 oscillations. With a triple increase in speed, at a speed equal to 0.99 m / s, the phase of oscillation of the moving substance will change by 3 • 360 o , 997 oscillations will be placed between the emitter and receiver of the moving substance, and 3 pulses will appear at the output of adder 4 in 0.01 s , each of which will consist of 997/3 oscillations, etc. (see Fig. 3). Each such impulse corresponds to the volume of a substance equal to the product of the cross-sectional area of the substance flow by the wavelength used to measure the vibrations propagating in a stationary substance. In the general case, by counting the number of pulses, the number of volumes Q is counted. The measurement process is replaced by the counting process. This drastically simplifies the flowmeter circuit and improves its accuracy. Consider the pattern of the distribution of vibrations for the case when the speed of the moving substance is less than 0.33 m / s. It is obvious that a continuous change in the phase of oscillations of a moving substance with respect to the phase of oscillations of a stationary substance will take place exactly as it did at a speed of 0.33 m / s. However, this phase change does not reach 360 o , because at a speed of less than 0.33 m / s, in 0.01 seconds the moving substance will be able to move the vibrations contained in it not by the whole wavelength λ, but by some part of the wavelength, but the change in the phase of the oscillations of the moving substance with respect to the oscillation phase of the stationary substance will be less than 360 o . Since these changes will occur in the same 0.01 s, the resulting pulses will contain not 999 oscillations, but a smaller number of oscillations. And since the periods of oscillations that make up these pulses will be the same, there will be pauses between the pulses. A view of these pulses is shown in FIG. 4. In this case, when the speed of the substance changes from 0 to 0.33 m / s, the number of vibrations making up the pulses increases from 0 to 999. In this range, the number of vibrations making up the pulses is directly proportional to the speed of the substance, whereas, starting from speed 0 , 33 m / s, as we have seen, it is inversely proportional to speed. Each oscillation making up such pulses corresponds to 1/999 of the volume Q = S • λ. . Counting the oscillations that make up the pulses, we measure the flow rate in the range from 0 to 0.33 m / s. The speed of 0.33 m / s for this example, as we see, is the threshold. Impulses arising up to a threshold speed are incomplete impulses. Impulses arising after reaching the threshold speed are total impulses. Full impulses detect and smooth their component vibrations with the help of a capacitance, incomplete pulses detect and count the positive half-waves of their component vibrations. The type of complete and incomplete pulses before and after detection is shown in FIG. 5a, 6a and 5b, 6b. Since the oscillation phase of the stationary substance is the same both at a distance of 3.3 m and from the emitter and at a distance of several wavelengths, when implementing the method in a device, the block diagram of which is shown in FIG. 7, the second pipeline is replaced by a small control volume 6, in which the emitter and receiver are located at a minimum distance from each other, equal to 2-3λ, and which is connected with the measured flow by impulse tubes 7, which provide a slow movement of the measured substance that does not affect the measurement result control volume. To eliminate the additive error from the receivers of the control volume 6, a feedback signal is fed to the input of the generator 3 via the feedback line 10. With an increase in the wavelength, the frequency of the generator 3 increases, and with a decrease in the wavelength decreases, as a result of which the wavelength, which serves as a measure in this method, remains constant.
Как следует из фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3 при каждом увеличении скорости на 0,33 м/с количество импульсов увеличивается на 100 импульсов в 1 секунду, поскольку при каждом увеличении скорости на 0,33 м/с количество импульсов в 0,01 с увеличивается с 1 импульса до 2, 3 и т.д., причем такое увеличение происходит пропорционально увеличению скорости во всем диапазоне измерения, начиная от пороговой скорости, равной 0,33 м/с. Но, если изменение скорости на 0,33 м/с соответствует изменению количества импульсов на 100 импульсов в 1 секунду, то изменению количества импульсов на 1 соответствует изменение скорости на 0,33/100 = 0,0033 м/с. При верхнем пределе измерения 10 м/с погрешность измерения, осуществляемого с помощью данного способа в диапазоне от 0,33 м/с до 10 м/с, составит . В диапазоне от 0 до 0,33 м/с одно колебание, учтенное расходомером, составляющее 1/999 от 0,33 м/с, соответствует ≈ 0,1%, для верхнего предела измерения 0,33 м/с. Для верхнего предела измерения 10 м/с погрешность .As follows from FIG. 1, FIG. 2 and FIG. 3 with each increase in speed by 0.33 m / s, the number of pulses increases by 100 pulses per 1 second, since with each increase in speed by 0.33 m / s the number of pulses in 0.01 s increases from 1 pulse to 2, 3 and etc., and this increase occurs in proportion to the increase in speed over the entire measurement range, starting from a threshold speed of 0.33 m / s. But, if a change in speed of 0.33 m / s corresponds to a change in the number of pulses per 100 pulses per 1 second, then a change in the number of pulses by 1 corresponds to a change in speed by 0.33 / 100 = 0.0033 m / s. With an upper measurement limit of 10 m / s, the measurement error carried out using this method in the range from 0.33 m / s to 10 m / s will be . In the range from 0 to 0.33 m / s, one oscillation taken into account by the flow meter, comprising 1/999 from 0.33 m / s, corresponds to ≈ 0.1%, for the upper limit of measurement 0.33 m / s. For the upper measuring range 10 m / s, the error .
