способ определения расхода потока жидкости

Формула изобретения

Способ определения расхода потока жидкости, включающий визуализацию структуры потока и определение расхода потока по скорости переноса нерегулярно существующих на визуализированном изображении меток потока, отличающийся тем, что осуществляют визуализацию структуры потока с помощью тепловизионного устройства путем формирования по инфракрасному излучению поверхности потока ее термоизображения, на котором в серых полутонах или в цветовой непрерывной гамме фиксируют существующие на поверхности потока локальные области естественных флуктуаций температуры относительно ее фонового значения, выделяют контурами на полученном термоизображении образованные локальными областями зоны с характерным температурным рельефом, например зоны с максимальными или минимальными температурами, и(или) зоны с температурой выше или ниже фоновой температуры, которые используют в качестве меток потока, а расход потока определяют по местным скоростям перемещения по направлению движения потока точек контуров этих зон, занимающих различные поперечные положения на термоизображении поверхности потока.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения расхода потока жидкости и его поля скоростей.

Известен меточный способ определения расхода потока, при котором в нем формируются тепловые метки за счет нагрева потока с помощью СВЧ или ИК-излучателей и измеряется время переноса тепловой метки в потоке (А.с. 605096 СССР, М. Кл. G 01 F 1/70, 30.04.78). Недостатком способа является его сложность, что связано с необходимостью применения неконтактного источника тепловых меток.

Из известных способов определения расхода потока жидкости наиболее близким является способ определения расхода потока двухкомпонентной жидкости (смеси нефти и воды), включающий визуализацию структуры потока путем пропуска через него инфракрасного излучения и разделение изображений отдельных компонентов жидкости по различной интенсивности их следов на визуализированном изображении потока. При этом в качестве меток потока используют полученные таким образом изображения отдельных элементов компонентов жидкости и определяют расход потока по скорости переноса этих нерегулярно существующих на визуализированном изображении меток потока (А.с. 1753282 СССР, М. Кл. G 01 F 1/704, 07.08.92). Недостатком прототипа является ограниченная область применения, вследствие того, что он не обеспечивает возможность определения расхода потока однокомпонентной жидкости. Другой недостаток прототипа - невысокая точность измерения, т.к. расход потока определяется по его местной скорости в одной точке поверхности без учета деформации поля скоростей потока.

Целью изобретения является расширение области применения способа за счет обеспечения возможности определения расхода потока однокомпонентной жидкости, а также повышение точности определения расхода потока с деформированным полем скоростей.

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения расхода потока жидкости, включающем визуализацию структуры потока и определение расхода потока по скорости переноса нерегулярно существующих на визуализированном изображении меток потока, проводят визуализацию структуры потока с помощью тепловизионного устройства путем формирования по инфракрасному излучению поверхности потока ее термоизображения, на котором в серых полутонах или в цветовой непрерывной гамме фиксируют существующие на поверхности потока локальные области естественных флуктуаций температуры относительно ее фонового значения, выделяют контурами на полученном термоизображении образованные локальными областями зоны с характерным температурным рельефом, например зоны с максимальными или минимальными температурами, и (или) зоны с температурой выше или ниже фоновой температуры, которые используют в качестве меток потока, а расход потока определяют по местным скоростям перемещения по направлению движения потока точек контуров этих зон, занимающих различные поперечные положения на термоизображении поверхности потока.

Отличительными признаками предлагаемого способа определения расхода потока жидкости является то, что проводят визуализацию структуры потока с помощью тепловизионного устройства путем формирования по инфракрасному излучению поверхности потока ее термоизображения, на котором в серых полутонах или в цветовой непрерывной гамме фиксируют существующие на поверхности потока локальные области естественных флуктуаций температуры относительно ее фонового значения, выделяют контурами на термоизображении образованные локальными областями зоны с характерным температурным рельефом, например зоны с максимальными или минимальными температурами, и (или) зоны с температурой выше или ниже фоновой температуры, которые используют в качестве меток потока, а расход потока определяют по местным скоростям перемещения по направлению движения потока точек контуров этих зон, занимающих различные поперечные положения на термоизображении поверхности потока.

Благодаря этому расширяется область применения способа за счет обеспечения возможности определения расхода потоков однокомпонентной жидкости. Кроме того, повышается точность определения расхода потока жидкости с деформированным полем скоростей.

На фиг.1 представлена блок-схема расходомера для осуществления способа. На фиг.2 показано термоизображение поверхности потока жидкости.

Расходомер содержит тепловизионное устройство 1 для визуализации теплового поля поверхности потока жидкости 2 по испускаемому им инфракрасному излучению, включающее тепловизионную камеру 3, подключенный к ее выходу функциональный блок 4 и видеоконтрольное устройство 5, первый вход которого соединен с выходом функционального блока 4. Второй выход функционального блока 4 соединен с входом запоминающего устройства 6 и первым входом блока вычитания изображения 7, второй вход которого подключен к выходу запоминающего устройства 6, а выход - ко второму входу видеоконтрольного устройства 5 и к первому входу измерительно-вычислительного устройства 8. Второй вход измерительно-вычислительного устройства 8 соединен с первым выходом блока управления 9, второй и третий выходы которого подключены соответственно к функциональному блоку 4 и запоминающему устройству 6.

В качестве тепловизионного устройства 1 для визуализации структуры потока по инфракрасному излучению его поверхности может быть использован серийный тепловизор, функциональный блок 4 которого обеспечивает выполнение стандартной операции - выделение на инфракрасном изображении поверхности зон с максимальными или минимальными температурами, и (или) зон с температурой выше или ниже фоновой температуры.

Расходомер работает следующим образом.

Инфракрасное излучение поверхности потока жидкости 2, на которой существуют локальные области естественных флуктуации температуры относительно ее фонового значения, воспринимается тепловизионной камерой 3 тепловизионного устройства 1, где преобразуется в электрические сигналы, значения которых соответствуют уровню температур локальных областей естественных флуктуаций температуры, составляющих поверхность потока жидкости, находящуюся в поле обзора тепловизионной камеры 3. Далее электрические сигналы поступают в функциональный блок 4, в котором после их преобразования осуществляется покадровая регистрация термоизображений поверхности потока жидкости 2, и на зафиксированных видеоконтрольным устройством 5 термоизображениях с помощью функционального блока 4 выделяются контурами зоны с характерным температурным рельефом, например зоны с максимальными или минимальными температурами, и (или) зоны с температурой выше или ниже фоновой температуры. Указанные зоны образуются из существующих на поверхности потока жидкости 2 локальных областей естественных флуктуаций температуры относительно ее фонового значения, вызванных действием теплового движения и молекулярных сил, и, поскольку при переносе потоком имеется тенденция к сохранению этих зон в течение определенного времени (порядка нескольких секунд), они могу быть использованы в качестве меток потока.

Со второго выхода функционального блока 4 электрические сигналы, соответствующие зарегистрированному кадру, поступают в запоминающее устройство 6. Затем с приходом сигнала от блока управления 9, на входы блока вычитания изображений 7 с выходов запоминающего устройства 6 и функционального блока 4 поступают электрические сигналы соответствующие начальному задержанному кадру и следующему кадру, зарегистрированному через определенный интервал времени. В блоке вычитания изображений 7 производится программное вычитание полученной пары термоизображений и электрические сигналы, соответствующие результирующему термоизображению, подаются на второй вход видеоконтрольного устройства 5, где производится формирование этого термоизображения.

На полученном результирующем термоизображении (фиг.2) показано смещение зоны с характерным температурным рельефом - метки потока из начального положения S, зафиксированного на задержанном кадре, в положение S₁, показанное на следующем кадре, за время смены кадров при движении потока жидкости. Вследствие различия скоростей в поперечном направлении по поверхности потока жидкости 2, при перемещении потоком зоны с характерным температурным рельефом из начального положения S в конечное положение S ₁, ее контур L изменяется и принимает очертание L₁ .

Для определения продольного перемещения выделенной зоны на результирующем термоизображении поверхности потока жидкости 2 с помощью функционального блока 4 по сигналам от блока управления 9 через точки, например, М и N контура L начального положения S выделенной зоны, занимающие различные поперечные положения на термоизображении поверхности потока жидкости 2, проводятся линии, параллельные направлению движения потока, до пересечения с контуром L₁ конечного положения S₁ этой зоны в точках M₁ и N₁. Далее в измерительно-вычислительном устройстве 8 по длинам линий mm₁ и NN₁, измеренным в пикселях термоизображения, и заданному времени смены кадров определяются местные скорости V_м и v_n перемещения по направлению движения потока точек М и N контура L выделенной зоны. Положению S этой зоны на термоизображении поверхности потока соответствует участок S¹ поверхности потока жидкости 2, ограниченный контуром L¹, а скоростям V_м и v_n на термоизображении (фиг.2) - местные скорости V_м’ и v_n’ на поверхности потока жидкости 2 (фиг.1).

Указанные скорости связаны соотношениями

где k - масштабный коэффициент, учитывающий увеличение или уменьшение линейных размеров поверхности на ее термоизображении.

Вычисленные таким образом местные скорости потока в точках, занимающих различные поперечные положения на его поверхности, позволяют за один цикл измерений определить поле скоростей потока по его поверхности.

По полученным значениям местных скоростей потока на его поверхности с учетом теоретических или экспериментальных зависимостей, связывающих скорости на поверхности потока с распределением скоростей по его глубине, определяется расход потока.

К достоинствам способа относится широкая область его применения за счет обеспечения возможности определения расхода потоков однокомпонентных жидкостей. Кроме того, возможность определения поля скоростей потока за один цикл измерений позволяет повысить точность определения расхода потока с деформированным полем скоростей.

Литература

1. Шахпаронов М.И. Введение в современную теорию растворов. Молекулярные взаимодействия. Строение. Простые жидкости. М., “Высшая школа”, 1976, 296 с. с ил.

2. Рабинович Е.З. Гидравлика. - М., “Наука”, 1974, 296 с.

3. Суслов В.Я. Решение задач о стабилизированном течении в прямоугольном канале. - Метрологические исследования в области измерения расхода и количества веществ. Сб. научных трудов. /ВНИИФТРИ- М., 1984, С.9-11.

4. Распопин Г.А. Распределение скоростей по глубине плоского потока. //Гидротехническое строительство. - 2001, №5, С.42-44.