UA77083C2

UA77083C2 - Method for measuring the flow rate of working medium by the statistical noise characteristics

Info

Publication number: UA77083C2
Application number: UA20041209957A
Authority: UA
Inventors: Stepan Ivanovych Melnychuk; Oleh Petrovych Pashkevych
Original assignee: Stepan Ivanovych Melnychuk; Oleh Petrovych Pashkevych
Priority date: 2004-12-06
Filing date: 2004-12-06
Publication date: 2006-10-16

Abstract

The proposed method for measuring the flow rate of working medium by the statistical noise characteristics consists in determining the change of the statistical characteristics, such as dispersion, entropy, and spectral density, of the noise generated by the working medium. The changes of the said statistical characteristics are proportional to the velocity of the working medium. The present invention provides a possibility to increase the measurement accuracy, decrease the effect of interferences on the measurement results, and extend the measurement range.

Description

Опис винаходуDescription of the invention

Винахід належить до витратовимірювальної техніки та метрології і може бути використаний для вимірювання 2 об'єму та об'ємної витрати.The invention belongs to flow measurement technology and metrology and can be used to measure 2 volume and volume flow.

Відомий акустичний спосіб вимірювання витрати, який грунтується на вимірюванні переміщення акустичних коливань рухомим середовищем (коливання можуть направлятися: за потоком, проти потоку та під кутом до потоку), а також на визначенні зсуву фази звукової хвилі та ефекті Допплера. Звукові коливання генеруються випромінювачем і проходять через середовище, що рухається і реєструються приймачем, який знаходиться на 70 певній відстані від випромінювача. Після чого порівнюються (зміщення, фазовий зсув, частоти повторення коротких імпульсів чи пакетів ультразвукових коливань, часи проходження коротких імпульсів) генерований та прийнятий звукові сигнали. Величини, отримані в результаті такого порівняння є пропорційними до витрати середовища |Расходомерь и счетчики количества: Справочник. - 4-е изд., перераб. и доп. - Л.: Машиностроение, 1989. - 44Ос). 12 Проте швидкість поширення звукових коливань залежить від фізико-хімічних властивостей вимірюваного середовища, що у випадку реалізації згаданого способу вимірювання приводить до необхідності застосування спеціальних методів та засобів компенсації, які знижують точність вимірювання та суттєво ускладнюють реалізацію такого способу. Крім того даний спосіб забезпечує вимірювання середньої швидкості тільки по лінії ультразвукового променя, а не дійсну середню швидкість потоку.There is a known acoustic method of flow measurement, which is based on measuring the movement of acoustic vibrations through a moving medium (oscillations can be directed: downstream, against the flow, and at an angle to the flow), as well as on determining the phase shift of the sound wave and the Doppler effect. Sound vibrations are generated by the emitter and pass through the moving medium and are registered by the receiver, which is located at a certain distance from the emitter. After that, the generated and received sound signals are compared (displacement, phase shift, repetition rates of short pulses or packets of ultrasonic oscillations, transit times of short pulses). The values obtained as a result of such a comparison are proportional to the consumption of the medium | Flow meter and quantity counters: Reference book. - 4th ed., revised. and additional - L.: Mashinostroenie, 1989. - 44Os). 12 However, the speed of propagation of sound vibrations depends on the physical and chemical properties of the measured medium, which in the case of the implementation of the mentioned method of measurement leads to the need to use special methods and means of compensation, which reduce the accuracy of measurement and significantly complicate the implementation of such a method. In addition, this method provides measurement of the average speed only along the line of the ultrasonic beam, and not the actual average speed of the flow.

Відомий також вихровий спосіб вимірювання, який грунтується на створенні в потоці середовища, що рухається стійкого периферійного вихору за допомогою пристроїв завихрення потоку (нерухоме тіло, гвинтоподібний шнек, тощо). Утворення вихору в основному потоці зумовлює втрату стійкості периферійних вихрових утворень, в наслідок чого центральна вихрова доріжка починає коливатись відносно геометричної осі пристрою завихрення з частотою, яка пропорційна середній швидкості потоку і амплітудою, що рівна до с відповідних параметрів пристрою завихрення. З аналогічною частотою та амплітудою, що рівна швидкості Ге) потоку, буде змінюватись і тиск потоку. Перетворивши при допомозі амплітудно-частотного давача пульсації тиску в електричний сигнал і поділивши його амплітудні значення на частотні отримують величину яка пропорційна до витрати середовища, що рухається |Расходомерь и счетчики количества: Справочник. - 4-е изд., перераб. и доп. -Л.: Машиностроение, 1989. - 361с.1. оA vortex measurement method is also known, which is based on the creation of a stable peripheral vortex in the flow of a moving medium using flow vortex devices (fixed body, helical screw, etc.). The formation of a vortex in the main flow leads to the loss of stability of the peripheral vortex formations, as a result of which the central vortex track begins to oscillate relative to the geometric axis of the vortex device with a frequency that is proportional to the average flow speed and an amplitude equal to the corresponding parameters of the vortex device. With a similar frequency and amplitude, which is equal to the velocity of the flow, the pressure of the flow will also change. Converting the pressure pulsation into an electrical signal with the help of an amplitude-frequency transducer and dividing its amplitude values by frequency values gives a value that is proportional to the flow rate of the moving medium | Flow meter and quantity counters: Reference book. - 4th ed., revised. and additional - L.: Mashinostroenie, 1989. - 361p.1. at

Проте реалізація вказаного методу з використанням пристроїв завихрення потоку створює додатковий опір с на шляху руху вимірюваного середовища, що приводить до зменшення його швидкості, крім того даний спосіб практично не чутливий до ламінарних потоків, а наявність акустичних та вібраційних перешкод суттєво знижує о точність вимірювання. чаHowever, the implementation of the specified method using flow vortex devices creates additional resistance c in the path of movement of the measured medium, which leads to a decrease in its speed, in addition, this method is practically insensitive to laminar flows, and the presence of acoustic and vibrational interference significantly reduces the accuracy of measurement. Cha

Найбільш близьким за технічною суттю до запропонованого винаходу є спосіб, що грунтується наThe closest in technical essence to the proposed invention is the method based on

Зо перетворенні випадкових коливань (шумів) за допомогою відповідного давача в неперервний електричний - сигнал, величина якого пропорційна до рівню шумів контрольованого середовища з подальшим порівнянням спектральних характеристик випадкових коливань, які виникають у вимірюваному середовищі в наслідок його переміщення. Перетворивши випадкові коливання (шуми), які утворюються внаслідок переміщення, а також « зміни теплових, вібраційних та інших фізико-хімічних властивостей вимірюваного середовища, за допомогою З відповідного давача в сигнал зручний для обробки і визначивши зміну спектральних (амплітудно-частотної, с фазочастотної тощо) характеристик отриманого сигналу визначають величину, яка пропорційна до витратиFrom the transformation of random oscillations (noise) with the help of a suitable transducer into a continuous electrical signal, the magnitude of which is proportional to the noise level of the controlled environment, followed by a comparison of the spectral characteristics of random oscillations that occur in the measured environment as a result of its movement. By converting random oscillations (noises) that are formed as a result of movement, as well as "changes in thermal, vibrational and other physico-chemical properties of the measured medium, with the help of a suitable sensor into a signal convenient for processing and determining the change in spectral (amplitude-frequency, c phase-frequency, etc. ) characteristics of the received signal determine the value that is proportional to the consumption

Із» середовища, що рухається |Деклараційний патент ОА 62387А (з01Е25/00. Бюл. Мо12, 15.02.2003.From" the moving medium | Declaration patent OA 62387А (z01E25/00. Bull. Mo12, 15.02.2003.

Проте під час реалізації згаданого методу використання лише спектральної характеристики випадкових коливань не дає повну картину шумового процесу і не дозволяє досягти бажаної точності вимірювання.However, during the implementation of the mentioned method, the use of only the spectral characteristic of random fluctuations does not give a complete picture of the noise process and does not allow to achieve the desired measurement accuracy.

В основу винаходу - Спосіб вимірювання витрати на основі статистичних характеристик шуму вимірюваного 7 середовища - поставлена задача розробки нового способу вимірювання об'єму та витрати шляхом порівняння -І декількох статистичних характеристик (дисперсії, ентропії спектру тощо) випадкових коливань (шумів), які виникають у вимірюваному середовищі в наслідок його переміщення, що дозволяє забезпечити підвищення о точності вимірювання, усунути вплив перешкод додаткових опорів по тракту руху вимірюваного середовища, о 20 суттєво зменшити вплив завад та розширити робочий діапазон вимірювальних пристроїв.The basis of the invention is the method of measuring the flow rate based on the statistical characteristics of the noise of the measured 7 medium. to the measured medium as a result of its movement, which makes it possible to increase the measurement accuracy, eliminate the influence of additional resistances along the path of movement of the measured medium, significantly reduce the influence of interference by 20 and expand the working range of measuring devices.

Вирішення поставленої задачі стає можливим завдяки тому, що здійснюється перетворення випадкових с» коливань (шумів) вимірюваного середовища за допомогою відповідного давача в неперервний електричний сигнал, величина якого пропорційна рівню цих шумів, і, згідно винаходу, для визначення величини витрати використовується зміна поточних статистичних характеристик (таких як дисперсія, ентропія, спектр тощо) 25 випадкових коливань, які генеруються вимірюваним середовищем і є пропорційні до швидкості його руху.The solution of the given problem becomes possible due to the fact that the transformation of random c" oscillations (noises) of the measured medium is carried out with the help of a suitable sensor into a continuous electrical signal, the magnitude of which is proportional to the level of these noises, and, according to the invention, a change in the current statistical characteristics is used to determine the flow rate (such as variance, entropy, spectrum, etc.) 25 random fluctuations that are generated by the measured medium and are proportional to the speed of its movement.

ГФ) Утворення випадкових коливань (шумів) та зміна їх статистичних характеристик в потоці вимірюваного юю середовища зумовлюється його фізико-хімічними властивостями, зміною температури, тиску, швидкості переміщення тощо, а також наявністю внутрішніх перешкод та зовнішніх впливів. Перетворивши випадкові коливання (шуми) за допомогою відповідного давача в сигнал зручний для обробки і визначивши зміну 60 статистичних характеристик отриманого сигналу обчислюють величину, яка пропорційна до витрати середовища, що рухається.GF) The formation of random fluctuations (noise) and the change in their statistical characteristics in the flow of the measured medium is determined by its physical and chemical properties, changes in temperature, pressure, speed of movement, etc., as well as the presence of internal obstacles and external influences. Having converted random fluctuations (noise) with the help of a suitable sensor into a signal convenient for processing and determining the change in 60 statistical characteristics of the received signal, they calculate a value that is proportional to the consumption of the moving medium.

В результаті запропоновано спосіб, який грунтується на вимірюванні зміни статистичних характеристик випадкових процесів (шумів), що дозволяє отримати кількісні та якісні характеристики середовища, а також суттєво зменшити вплив завад за рахунок розширення інформативної частини сигналу іншими статистичними бо характеристиками (крім спектральних).As a result, a method based on the measurement of changes in the statistical characteristics of random processes (noise) is proposed, which allows obtaining quantitative and qualitative characteristics of the environment, as well as significantly reducing the influence of interference due to the expansion of the informative part of the signal with other statistical characteristics (except for spectral ones).

Суть винаходу пояснюється визначенням величини зміни поточних статистичних характеристик (дисперсії, ентропії, спектру тощо) випадкових сигналів (шумів), які генеруються вимірюваним середовищем в наслідок зміни швидкості його переміщення, фізико-хімічних властивостей, температури, тиску тощо, і є пропорційні доThe essence of the invention is explained by determining the amount of change in the current statistical characteristics (dispersion, entropy, spectrum, etc.) of random signals (noises) that are generated by the measured medium as a result of changes in the speed of its movement, physical and chemical properties, temperature, pressure, etc., and are proportional to

Величини витрати вимірюваного середовища.Flow rates of the measured medium.

Приклад реалізації запропонованого способу вимірювання витрати.An example of implementation of the proposed flow measurement method.

Для вимірювання витрати газу використовується первинний перетворювач акустичних коливань (тип давача: 60І-12), який здійснює перетворення випадкових акустичних процесів (шумів), що утворюються газом, в аналоговий електричний сигнал. Для цього на замірній ділянці 1 трубопроводу здійснюють монтаж первинного 7/0 перетворювача З таким чином, щоб він контактував з вимірюваним середовищем, не створював опору протіканню газу, а також був відділений від замірної ділянки за допомогою акустичного ізолятора 2 (Фіг).To measure gas flow, a primary transducer of acoustic oscillations (transducer type: 60I-12) is used, which converts random acoustic processes (noise) generated by gas into an analog electrical signal. For this purpose, the primary 7/0 transducer З is installed on the measuring section 1 of the pipeline so that it contacts the measured medium, does not create resistance to the gas flow, and is also separated from the measuring section by means of an acoustic isolator 2 (Fig).

Початкові вимірювання здійснюють в стані умовного спокою вимірюваного середовища, коли протікання газу по замірній ділянці відсутнє. Неперервні акустичні коливання, що утворюються газом, за допомогою давача З перетворюються в аналоговий сигнал, який з метою попередньої фільтрації передається на атенюатор 4.The initial measurements are carried out in a state of conditional rest of the measured medium, when there is no gas flow through the measuring area. The continuous acoustic oscillations produced by the gas are converted into an analog signal by means of the transducer C, which is transmitted to the attenuator 4 for the purpose of preliminary filtering.

Відфільтрований сигнал передається на блок перетворення в цифрові інформаційні пакети 5, які за допомогою обчислювача 6 безперервно зчитуються і одночасно трансформуються в статистичні характеристики кожного інформаційного пакету. Усереднені значення кожного пакету зіставляються з відповідною витратою газу і фіксуються в пам'яті обчислювача.The filtered signal is transmitted to the unit for conversion into digital information packets 5, which are continuously read using a computer 6 and simultaneously transformed into statistical characteristics of each information packet. The averaged values of each package are compared with the corresponding gas consumption and recorded in the computer's memory.

Аналогічні вимірювання здійснюються почергово для кожного значення витрати, внаслідок чого формується функціональна залежність зміни статистичних характеристик випадкових коливань (шумів) від зміни величини витрати газу. Отримана градуювальна характеристика використовується для обчислення поточних значень витрати газу в процесі вимірювання.Analogous measurements are performed alternately for each flow value, as a result of which the functional dependence of the change in the statistical characteristics of random fluctuations (noise) on the change in the gas flow rate is formed. The resulting calibration characteristic is used to calculate the current gas flow values during the measurement process.

Слід зауважити, що використання декількох статистичних характеристик (дисперсії, ентропії, спектру тощо) дозволяє суттєво зменшити вплив сторонніх завад і зменшити похибку вимірювання, при цьому метод с забезпечує незалежність точності вимірювання від характеристик потоку (ламінарний, турбулентний) та напряму його руху. і)It should be noted that the use of several statistical characteristics (dispersion, entropy, spectrum, etc.) allows you to significantly reduce the influence of extraneous interference and reduce the measurement error, while method c ensures the independence of the measurement accuracy from the characteristics of the flow (laminar, turbulent) and the direction of its movement. and)

Claims

The formula of the invention (ze) I I I I The method of measuring the flow rate based on the statistical characteristics of the noise of the measured environment, which is based on the transformation of random fluctuations, namely noise, with the help of a suitable transducer into a continuous electrical signal, the magnitude of which is proportional to the noise level of the controlled environment , which differs in that the change in the current statistical characteristics of random signals - noise generated by the measured medium as a result of changes in its movement speed, physicochemical properties, temperature, pressure, etc. is used to determine the flow rate and is proportional to the flow rate of the measured medium environment

-

. and? -i -i ("in) (ee) syu" name) 60 b5