способ определения расхода потока жидкости

Формула изобретения

Способ определения расхода потока жидкости, включающий сканирование теплового поля поверхности потока с помощью тепловизионного устройства, осуществляющего построчно-кадровую развертку термоизображения поверхности потока, регистрацию на полученном термоизображении меток потока и определение расхода потока по скорости их переноса, отличающийся тем, что в качестве меток потока используют термоизображения локальных областей естественных флуктуаций температуры поверхности потока жидкости от ее фонового значения, выбирают направление кадровой развертки термоизображения поверхности потока совпадающим с направлением его движения, на термоизображении поверхности потока отмечают линию профиля температур, параллельную направлению движения потока, определяют профиль температур по отмеченной линии, затем изменяют скорость кадровой развертки таким образом, чтобы она стала равной скорости перемещения метки потока вдоль линии профиля температур, величину которой фиксируют при обеспечении равенства между собой значений уровней профиля температур по этой линии, и по полученному значению скорости кадровой развертки определяют местную скорость потока вдоль линии на его поверхности, соответствующей линии профиля температур на термоизображении поверхности потока, затем проводят повторение циклов измерения местных скоростей потока вдоль линий на его поверхности, параллельных первоначальной, расположенных на различных расстояниях от нее, и определяют расход потока жидкости по этим значениям местных скоростей потока.

Описание изобретения к патенту

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

Известен способ определения расхода потока жидкости, заключающийся в регистрации в двух сечениях потока с помощью электродов термоэлектрических преобразователей, размещенных на трубопроводе, изменений термоЭДС, возникающих под действием температурных флуктуаций, вызванных турбулентными пульсациями скорости потока жидкости, и вычислении временного сдвига максимума взаимно-корреляционной функции сигналов в двух сечениях потока, по которому определяется расход потока жидкости (А.с. 1455238 СССР, М. Кл. G 01 F 1/712, 30.01.89).

Известный способ имеет низкую точность измерения расхода, что связано с вероятностным характером процесса определения времени прохождения потоком контрольного участка между двумя сечениями потока, а также с тем, что расход определяется лишь по местной скорости потока в зоне размещения электродов, без учета профиля скоростей по всему сечению потока.

Наиболее близким аналогом изобретения является меточный способ определения расхода потока жидкости, при котором в качестве меток потока используют содержащиеся в нем взвешенные частицы (Патент РФ 2060467, М. Кл. G 01 F 1/68, G 01 F 1/704, 20,05.96). Указанный способ включает сканирование теплового поля поверхности потока с помощью тепловизионного устройства, осуществляющего построчно-кадровую развертку термоизображения поверхности потока, регистрацию на полученном термоизображении меток потока и определение расхода потока по скорости их переноса. Причем направление строчной развертки, проводимой с переменной скоростью, совпадает с направлением движения потока. При этом скорость движения метки потока вдоль его оси определяется в момент ее совпадения со скоростью строчной развертки, который фиксируется при равенстве нулю электрического сигнала строчной развертки.

Известный способ характеризуется невысокой точностью, что обусловлено несоответствием между скоростью взвешенной частицы, по значению которой определяется расход, и скоростью потока.

Другой недостаток способа - ограниченная область применения, так как он не обеспечивает возможности измерения расхода потоков жидкости, не содержащих взвешенные частицы.

Целью изобретения является повышение точности измерения расхода потока жидкости, а также расширение области применения способа за счет обеспечения возможности измерения расхода потоков жидкости, не содержащих взвешенные частицы.

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения расхода потока жидкости, включающем сканирование теплового поля поверхности потока с помощью тепловизионного устройства, осуществляющего построчно-кадровую развертку термоизображения поверхности потока, регистрацию на полученном термоизображении меток потока и определение расхода потока по скорости их переноса, в качестве меток потока используют термоизображения локальных областей естественных флуктуаций температуры поверхности потока жидкости от ее фонового значения, выбирают направление кадровой развертки термоизображения поверхности потока, совпадающим с направлением его движения, на термоизображении поверхности потока отмечают линию профиля температур, параллельную направлению движения потока, определяют профиль температур по отмеченной линии, затем изменяют скорость кадровой развертки таким образом, чтобы она стала равной скорости перемещения метки потока вдоль линии профиля температур, величину которой фиксируют при обеспечении равенства между собой значений уровней профиля температур по этой линии, и по полученному значению скорости кадровой развертки определяют местную скорость потока вдоль линии на его поверхности, соответствующей линии профиля температур на термоизображении поверхности потока, затем проводят повторение циклов измерения местных скоростей потока вдоль линий на его поверхности, параллельных первоначальной, расположенных на различных расстояниях от нее, и определяют расход потока жидкости по этим значениям местных скоростей потока.

Отличительными признаками предлагаемого способа определения расхода потока жидкости является то, что в качестве меток потока используют термоизображения локальных областей естественных флуктуаций температуры поверхности потока жидкости от ее фонового значения выбирают направление кадровой развертки термоизображения поверхности потока, совпадающим с направлением его движения, на термоизображении поверхности потока отмечают линию профиля температур, параллельную направлению движения потока, определяют профиль температур по отмеченной линии, затем изменяют скорость кадровой развертки таким образом, чтобы она стала равной скорости перемещения метки потока вдоль линии профиля температур, величину которой фиксируют при обеспечении равенства между собой значений уровней профиля температур по этой линии, и по полученному значению скорости кадровой развертки определяют местную скорость потока вдоль линии на его поверхности, соответствующей линии профиля температур на термоизображении поверхности потока, затем проводят повторение циклов измерения местных скоростей потока вдоль линий на его поверхности, параллельных первоначальной, расположенных на различных расстояниях от нее, и определяют расход потока жидкости по этим значениям местных скоростей потока.

Благодаря этому повышается точность измерения расхода потока жидкости, а также расширяется область применения предложенного способа за счет обеспечения возможности измерения расхода потоков чистых жидкостей, не содержащих взвешенных частиц.

Пример практической реализации способа измерения иллюстрируется на фиг.1, где представлена блок-схема расходомера для осуществления способа. На фиг.2 приведено термоизображение поверхности потока жидкости. На фиг.3 и 4 показаны профили температур на термоизображении поверхности потока жидкости по линии, параллельной направлению его движения, при скорости кадровой развертки соответственно неравной и равной скорости перемещения метки потока вдоль отмеченной линии.

Расходомер содержит тепловизионное устройство 1 для сканирования теплового излучения поверхности потока жидкости 2, включающее тепловизионную камеру 3 с подключенными к ней генераторами кадровой развертки 4 и строчной развертки 5, функциональный блок 6, подключенный к выходу тепловизионной камеры 3, и видеоконтрольное устройство 7, соединенное с выходом функционального блока 6.

Измерительная схема расходомера включает запоминающее устройство 8, сравнивающее устройство 9, блок регулирования скорости кадровой развертки 10, блок управления 11 и вычислительное устройство 12. Причем выход функционального блока 6 подключен к входу запоминающего устройства 8 и одному из входов сравнивающего устройства 9, второй вход которого соединен с выходом запоминающего устройства 8, а выход подключен к входу блока регулирования скорости кадровой развертки 10, выход которого соединен с управляющим входом генератора кадровой развертки 4. Один вход вычислительного устройства 12 соединен с выходом генератора кадровой развертки 4, а второй вход - с первым выходом блока управления 11, второй и третий выходы которого подключены соответственно к функциональному блоку 6 и запоминающему устройству 8.

В качестве тепловизионного устройства 1 для контроля теплового поля поверхности потока по его инфракрасному излучению может быть использован серийный тепловизор, осуществляющий построчно-кадровую развертку термоизображения, с оптико-механическим или электронным сканированием теплового поля. С помощью функционального блока 6, в котором производится обработка сигналов, поступающих с тепловизионной камеры 3, обеспечивается выполнение следующих стандартных операций контроля теплового поля поверхности: представление на видеоконтрольном устройстве 7 термоизображения поверхности, находящейся в поле обзора тепловизионной камеры 3, и определение профиля температур на термоизображении поверхности вдоль линии.

Расходомер работает следующим образом.

Тепловое излучение поверхности потока 2, которая состоит из локальных областей естественных флуктуаций температуры относительно ее фонового значения, попадает на тепловизионную камеру 3 с растровой разверткой термоизображения, осуществляемой с помощью генераторов кадровой развертки 4 и строчной развертки 5. При этом направление кадровой развертки выбирают совпадающим с направлением движения потока. Тепловизионная камера 3, контролирующая поверхность потока 2 сканирующим пятном, соизмеримым по геометрическим размерам с этими локальными областями, преобразует их температуру в электрические сигналы, которые после обработки в функциональном блоке 6 поступают на видеоконтрольное устройство 7, где представляется термоизображение поверхности потока 2 (фиг.2), на котором каждому пикселу термоизображения соответствует локальная область естественных флуктуаций температуры относительно ее фонового значения, просмотренная сканирующим пятном, а значения температуры этих локальных областей поверхности потока представлены в серых полутонах или в цветовой температурной гамме окраски соответствующих пиксел изображения. Далее по сигналу блока управления 11 на выходе функционального блока 6 формируются сигналы, соответствующие профилю температуры на термоизображении поверхности потока по линии профиля температур LM, параллельной направлению движения потока, поперечное положение которой задается блоком управления 11. Сформированные функциональным блоком 6 сигналы подаются на видеоконтрольное устройство 7, где отображается температурный профиль по линии LM, а также на запоминающее устройство 8 и сравнивающее устройство 9 для работы в автоматическом режиме.

На линии LM выделена метка потока - элемент S термоизображения поверхности потока жидкости со значением температуры Ts, расположенный в начальный момент в пикселе J_o, перемещающийся вдоль этой линии со скоростью Vs относительно линейки пикселов J ₀... J_n. Отмеченной на термоизображении линии LM соответствует линия L'M' на поверхности потока жидкости 2, а выделенному элементу термоизображения S - контролируемая сканирующим пятном тепловизионной камеры 3 локальная область S' поверхности потока 2, имеющая температуру Ts, которая движется с местной скоростью потока Vs' вдоль линии L'M'. Скорости Vs и Vs' связаны соотношением

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

Кадровая развертка термоизображения поверхности потока 2 осуществляется со скоростью V_кр, задаваемой генератором кадровой развертки 4. В случае неравенства скоростей Vs и V _кр в каждом пикселе линейки J₀ ... J_n будут фиксироваться термоизображения локальных областей поверхности потока 2, имеющих температуру, отличную от температуры локальной области S', равной Ts, поэтому профиль температур по линии LM, воспроизводимый видеоконтрольным устройством 7, будет иметь вид, показанный на фиг.3, где отклонения температуры Т от предыдущего пиксела к последующему на линейке пикселов J ₀ ... J_n значительно превышают порог чувствительности тепловизионного устройства 1. При равенстве скоростей Vs и V_кр, что осуществляется ручной или автоматической регулировкой частоты генератора кадровой развертки 4, на профиле температур по линии LM (фиг.4) вследствие синхронного движения термоизображения S локальной области S' поверхности потока 2 со скоростью развертки V_кр вдоль линейки пикселов J₀ ... J_n, в каждом из этих пикселов будет фиксироваться температура Ts локальной области S', поэтому различия температур в смежных пикселях минимальны, они значительно меньше порога чувствительности тепловизионного устройства 1 и определяются уровнем сходимости результатов измерения значения температуры Ts локальной области S' в пикселях J ₀ ... J_n.

Проведенные эксперименты показали, что свободная поверхность как неподвижной, так и движущейся жидкости состоит из локальных областей с температурами, отличающимися друг от друга и от фоновой температуры поверхности жидкости. Имеющие место естественные флуктуации температуры, т.е. локальные отклонения температуры, возникающие под действием теплового движения и молекулярных сил, превышают порог чувствительности современных тепловизионных устройств, составляющий 0,01... 0,1 К, а временной масштаб изменчивости температуры локальных областей естественных флуктуаций температуры поверхности потока жидкости от ее фонового значения достигает нескольких секунд. Отмеченные обстоятельства обеспечивают возможность использования термоизображений таких локальных областей, полученных при контроле поверхности потока сканирующим пятном тепловизионной камеры, имеющим линейные размеры, соизмеримые с размерами этих локальных областей, в качестве меток потока.

При работе в автоматическом режиме в запоминающем устройстве 8 по сигналу от блока управления 11 запоминается сигнал с функционального блока 6, соответствующий значению температуры в пикселе изображения J₀, и в сравнивающем устройстве 9 происходит сравнение амплитуды сигнала в пикселе J₀ с амплитудами сигналов в пикселях J_1...J_n линейки пикселов J₀ ... J_n, и с его выхода на блок регулирования скорости кадровой развертки 10 подается сигнал рассогласования. Блок регулирования скорости кадровой развертки 10 снижает частоту генератора кадровой развертки 4, а следовательно, и скорость кадровой развертки V_кр от ее максимального значения таким образом, чтобы сигнал рассогласования с выхода сравнивающего устройства 9 стал равен нулю, что соответствует равенству между собой значений уровней профиля температур вдоль отмеченной линии профиля температур. При этом скорость кадровой развертки V_кр станет равной скорости перемещения Vs метки потока - термоизображения S локальной области S' поверхности потока 2 вдоль линии LM.

Для обоих режимов работы в вычислительном устройстве 12 по значению частоты с выхода генератора кадровой развертки 4, соответствующему значению скорости кадровой развертки, равному скорости движения Vs, определяется местная скорость потока вдоль линии L'M' на его поверхности. В следующих циклах измерения с помощью блока управления 11 производятся изменения поперечного положения линии профиля температур и аналогичным образом вычисляются местные скорости потока вдоль линий на поверхности потока жидкости, параллельных первоначальной линии L'M', расположенных на различных расстояниях от нее, т.е. определяется поле местных скоростей потока жидкости по его поверхности 2.

В вычислительном устройстве 12 по полученным значениям местных скоростей потока, с учетом теоретических или экспериментальных зависимостей, связывающих местные скорости на поверхности потока с распределением скоростей по его глубине, определяется расход потока жидкости.

К достоинствам способа относятся высокая точность измерения расхода потока жидкости, а также возможность измерения расхода потоков чистых жидкостей, не содержащих взвешенных частиц.