Корреляционный расходомер

 

Использование: в приборостроении для измерения расхода жидких и газообразных сред. Сущность изобретения: расходомер содержит измерительный участок трубопровода, первый и второй датчики случайных сигналов, первый и второй усилители сигналов датчиков, блок вычитания, сумматор по модулю два, первый и второй мультиплексоры, индикатор направления, многоканальный коррелятор, многоотводную линию задержки, многоканальный перемножитель, многоканальный фильтр нижних частот, многоканальный блок сравнения, регистр сдвига, генератор тактовых импульсов, элемент сравнения, элемент задержки, счетчик, первый и второй регистры хранения, цифровой компаратор и измеритель расхода. 2 ил.

Изобретение относится к приборостроению и предназначено для измерения расхода жидких и газообразных сред.

Работа известных корреляционных расходомеров [1] основана на аппаратурном определении времени прохождения потоком расстояния между чувствительными датчиками, воспринимающими случайно распределенные физические неоднородности жидкости и преобразующими их в случайные электрические сигналы. В качестве неоднородностей могут использоваться, например, турбулентные пульсации скоростей потока.

Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является корреляционный расходомер [2] , который выбран в качестве прототипа. Данный расходомер содержит формирователь меток потока, два датчика (термопары), два усилителя сигналов датчиков, множительное устройство, интегратор, индикатор уровня корреляционной функции, экстремальный регулятор, блок регулируемой задержки и индикатор расхода.

Указанное устройство обеспечивает измерение расходов вещества, т. е. его количества, протекающего через определенное сечение в единицу времени только в одном направлении. Это могут быть жидкости, газы, порошкообразные вещества, двухфазные и многофазные смеси и т. д. Кроме того, известное устройство не обеспечивает представления результата измерения в цифровом виде.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей устройства за счет обеспечения измерения реверсивных потоков.

Цель достигается тем, что в устройство введены первый и второй мультиплексоры, блок вычитания, сумматор по модулю два, индикатор направления, блок сравнения, регистр сдвига, генератор тактовых импульсов, элемент совпадения, элемент задержки, счетчик, цифровой компаратор, первый и второй регистры хранения, причем коррелятор выполнен многоканальным. Между выходами первого и второго усилителей сигналов датчиков и входами коррелятора включены соответственно первый и второй мультиплексоры. вторые входы которых через последовательно включенные блок вычитания и сумматор по модулю два соединены соответственно с выходами первого и второго усилителей сигналов датчиков и с индикатором направления, а третьи входы соединены соответственно с выходами второго и первого усилителей сигналов датчиков, второй вход сумматора по модулю два соединен с выходом первого канала блока сравнения, выходы которого соединены с выходами коррелятора, а выходы подключены к соответствующим входам регистра сдвига, тактовый вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов и через элемент совпадения - с первым входом счетчика, второй вход которого через элемент задержки соединен с другим входом элемента совпадения, выходом регистра сдвига и первым входом первого регистра хранения, второй вход которого подключен к выходу счетчика, а выход - к первому входу второго регистра хранения и первому входу цифрового компаратора, выход которого через второй регистр хранения соединен с его вторым входом и входом измерителя расхода.

Структурная схема корреляционного расходомера представлена на фиг. 1; на фиг. 2 показана таблица истинности.

Корреляционный расходомер содержит измерительный участок трубопровода 1, первый и второй датчики случайных сигналов 2 и 3, первый и второй усилители 4 и 5 сигналов датчиков, блок 6 вычитания, сумматор 7 по модулю два, первый и второй мультиплексоры 8 и 9, индикатор 10 направления, многоканальный коррелятор 11, многоотводную линию задержки 12 i (i= 1,2. . . , ), многоканальный перемножитель 13i, многоканальный фильтр 14 нижних частот, многоканальный блок 15i сравнения, регистр 16 сдвига, генератор 17 тактовых импульсов, элемент 18 совпадения, элемент 19 задержки, счетчик 20, первый и второй регистры 21 и 22 хранения, цифровой компаратор 23 и измеритель 24 расхода. Причем к датчикам 2 и 3 случайных сигналов, расположенным последовательно на трубопроводе 1, через усилители 4 и 5 подключены мультиплексоры 8 и 9, вторые входы которых через последовательно включенные блоки 6 вычитания и сумматор 7 по модулю два соединены с выходами усилителей 4 и 5, а третьи входы соединены с выходами усилителей 5 и 4 соответственно. Второй вход сумматора 7 по модулю два соединен с выходом первого канала 15₁ блока 15i сравнения. К выходу мультиплексора 8 последовательно подключены многоотводная линия задержки 12i(i= 1,2, . . . , ), многоканальный перемножитель 13i, второй вход которого соединен с выходом мультиплексора 9, многоканальный блок 15 сравнения, регистр 16 сдвига, тактовых вход которого соединен с выходом генератора 17 тактовых импульсов и через элемент 18 совпадения - с первым входом счетчика 20, второй вход которого через элемент 19 задержки соединен с другим входом элемента 18 совпадения, выходом регистра 16 сдвига и первым входом регистра 21 хранения, второй вход которого подключен к выходу счетчика 20, а выход - к первому входу регистра 22 хранения и к первому входу цифрового компаратора 23, выход которого через регистр 22 хранения соединен с его вторым входом и входом измерителя 24 расхода.

Корреляционный расходомер работает следующим образом. Работа расходомера основана на аппаратном определении времени прохождения потоком расстояния l между чувствительными датчика 2 и 3, расположенными на трубопроводе 1, воспринимающими случайно распределенные физические неоднородности жидкости и преобразующими их в случайные электрические сигналы. В качестве неоднородности могут использоваться, например, турбулентные пульсации скорости потока. В этом случае датчики 2 и 3 должны быть чувствительны к изменению локальности скорости. Полученные на выходе датчиков 2 и 3 электрические сигналы f₁(t) и f₂(t) f₁(t-) усиливаются усилителя 4 и 5 и через мультиплексоры 8 и 9 подаются на коррелятор 11, состоящий из многоотводной линии задержки 12i(i= 1,2, . . . , ), многоканального перемножителя 13i и многоканального фильтра 14i нижних частот, на выходе которого образуется напряжение, пропорциональное корреляционной функции R( ), которое будет иметь максимальное значение при = _оl/v где v - скорость потока жидкости.

С выходов коррелятора 11 напряжения соответствующих каналов поступает на входы многоканального блока 15i сравнения, который состоит из n аналоговых компараторов. Каждый компаратор представляет собой аналоговый элемент сравнения, в котором сравниваются два напряжения: входное U_вх и опорное U_оп. В случае превышения входного напряжения над опорным (U_вх>U_оп) на выходе i-го компаратора формируется напряжение, соответствующее логической "1". Напряжения с выходов многоканального коррелятора 11 подаются компараторы 15i таким образом, что на два соседних компаратора подается одно и то же напряжение, причем на один из компараторов в качестве входного напряжения U_вх, а на другой - опорного U_оп.

Таким образом, на выходах компараторов образуется параллельный двоичный код, в котором "1" соответствует превышению напряжения в (i+1)-м канале коррелятора 11 над напряжением в i-м канале. Последовательность единиц двоичного кода соответствует возрастанию корреляционной функции R( ), а последовательность нулей соответствует спаду корреляционной функции. Следовательно, последняя единица в двоичном коде будет соответствовать максимуму корреляционной функции R( ). Подсчитав количество единиц двоичного кода N, можно определить номер канала, в котором = _o а, следовательно, и значение _o.

Параллельный двоичный код с выходов компараторов 15 поступает на регистр 16 сдвига, где он преобразуется в последовательный двоичный код. Сдвиг параллельного двоичного кода в регистре 16 сдвига осуществляется подачей на его управляющий вход (вход синхронизации) тактовых импульсов от генератора 17. Счетные импульсы формируются с помощью элемента 18 совпадения, на один из входов которого поступают тактовые импульсы с выхода генератора 17, а на другой - последовательный двоичный код с выхода регистра 16i сдвига. Последовательность счетных импульсов, количество N которых соответствует числу "1" двоичного кода, поступает на вход счетчика 20, где производится подсчет числа "1". Счет прекращается по окончании последовательности единиц двоичного кода с выхода регистра 16 сдвига, т. е. при переходе от уровня "1" к уровню "0". По окончании счета его результат необходимо записать в регистр 21 хранения, а затем перевести счетчик 20 в нулевое состояние. Запись в регистр 21 хранения осуществляется одновременно с окончанием счета управляющим сигналом с выхода регистра 16 сдвига. Для перевода счетчика 20 в нулевое состояние именно после записи результата счета в регистр 21 хранения управляющий сигнал с выхода регистра 16 сдвига задерживается элементом 19 задержки и поступает на вход сброса счетчика 20.

Значение двоичного кода, записанного в регистре 21 хранения, сравнивается со значением двоичного кода, имеющегося в регистре 22 хранения, с помощью цифрового компаратора 23. Это делается для исключения повторной записи одного и того же значения двоичного кода, соответствующего одному и тому же значению _o.

Если сравниваемые двоичные коды не равны, то на выходе цифрового компаратора 23 формируется сигнал, соответствующий уровню логической "1", который поступает на управляющий вход регистра 22 хранения, разрешая запись нового значения двоичного кода.

Если сравниваемые двоичные коды равны, то повторной записи в регистре 22 хранения не производится. Следовательно, на выходе регистра 22 хранения формируется двоичный код, который соответствует = = _o, т. е. значение задержки, при которой корреляционная функция R( ) имеет максимальное значение _o = N ₁, где N - число единиц в двоичном коде, соответствующее номеру элемента многоотводной линии задержки; ₁ - величина задержки одного элемента многоотводной линии задержки.

Показания расхода отсчитываются с помощью измерителя 24 расхода Q = K S l/_о, где Q - расход; S - сечение трубопровода или струи потока; l - расстояние между датчиками 2 и 3.

Описанная выше работа устройства соответствует случаю, когда направление движения потока жидкости происходит от датчика 2 к датчику 3. В этом случае на выходе первого канала 15₁ блока 15i сравнения буде "1", потому что при сравнении сигналов первого и второго каналов коррелятора 11 сигнал первого канала будет иметь большую задержку, при которой корреляционная функция принимает большее значение.

Если поток жидкости имеет противоположное направление, т. е. от датчика 3 к датчику 2, то для правильной работы коррелятора 11 необходимо произвести переключение приемных каналов. Для этого используются мультиплексоры 8 и 9, блок 6 вычитания и сумматор 7 по модулю два. На выходе блока 6 вычитаия напряжение появляется в том случае, когда электрические сигналы с датчиков 2 и 3 не равны, что соответствует "1" на выходе сумматора 7 по модулю два.

Если поток жидкости имеет направление от датчика 3 к датчику 2, то на выходе первого канала 15₁ блока 15i сравнения будет "0", так как сигнал второго канала будет больше сигнала первого канала, потому что он будет иметь большую задержку. Выходное напряжение сумматора 7 по модулю два управляет работой мультиплексоров 8 и 9 согласно таблице истинности, изображенной на фиг. 2. При этом направление движения потока жидкости в трубопроводе 1 фиксируется индикаторов 10 направления.

Таким образом, описанное устройство обеспечивает измерение расхода вещества, протекающего по трубопроводу не только в одном, но и в другом направлении. Представление результатов измерения расхода вещества в цифровом коде обеспечивает возможность для их длительного хранения, передачи на большие расстояния по каналам связи, дистанционного измерения и сопряжения с вычислительной техникой. (56) 1. Авторское свидетельство СССР N 1462110, кл. G 01 F 1/712, 1986.

2. Козубовский С. Ф. Корреляционные экстремальные системы, Киев, Наукова думка, 1973, с. 22.

Формула изобретения

КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ РАСХОДОМЕР , содеpжащий два датчика случайных сигналов, установленных последовательно на фиксиpованном pасстоянии на измеpительном участке тpубопpовода и соединенных с пеpвым и втоpым усилителями, а также коppелометp, отличающийся тем, что, с целью pасшиpения функциональных возможностей за счет обеспечения измеpения pевеpсивных потоков, в него введены пеpвый и втоpой мультиплексоpы, блок вычитания, сумматоp по модулю два, индикатоp напpавления, многоканальный блок сpавнения, pегистp сдвига, генеpатоp тактовых импульсов, элемент совпадения, элемент задеpжки, счетчик, цифpовой компаpатоp, пеpвый и втоpой pегистpы хpанения, а коppелятоp выполнен многоканальным, между выходами пеpвого и втоpого усилителей и входами коppелятоpа включены соответственно пеpвый и втоpой мультиплексоpы, втоpые входы котоpых соединены с индикатоpом напpавления непосpедственно, а с выходами соответственно пеpвого и втоpого усилителей чеpез последовательно соединенные блок вычитания и сумматоp, а тpетьи входы соединены соответственно с выходами втоpого и пеpвого усилителей, втоpой вход сумматоpа по модулю два соединен с выходом пеpвого канала многоканального блока сpавнения, входы котоpого соединены с выходами коppелятоpа, а выходы подключены к соответствующим входам pегистpа сдвига, тактовый вход котоpого соединен с выходом генеpатоpа тактовых импульсов и чеpез элемент совпадения - с пеpвым входом счетчика, втоpой вход котоpого чеpез элемент задеpжки соединен с дpугим входом элемента совпадения, выходом pегистpа сдвига и пеpвым входом пеpвого pегистpа хpанения, втоpой вход котоpого подключен к выходу счетчика, а выход - к пеpвому входу втоpого pегистpа хpанения и пеpвому входу цифpового компаpатоpа, выход котоpого чеpез втоpой pегистp хpанения соединен с его втоpым входом и входом измеpителя pасхода.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2