способ измерения скорости потока и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ измерения скорости потока, основанный на измерении частоты вращения вертушки, установленной в потоке на валу электродвигателя, определении точки перегиба зависимости частоты вращения вертушки от одного из электрических параметров питания электродвигателя и определении скорости потока по частоте вращения вертушки, соответствующей точке перегиба, отличающийся тем, что питание электродвигателя модулируют гармоническим сигналом, а точку перегиба огибающей определяют по изменению спектральных компонент гармоник, суммарных и разностных частот.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве спектральных компонент выходного сигнала применяют четные гармоники и по минимизации сочетания уровней гармоник судят о прохождении точки перегиба.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве спектральных компонент и четных гармоник выходного сигнала применяют вторую гармонику.

4. Устройство для осуществления способа по п.1, содержащее вертушку на вале электродвигателя, муфту и электронный корректор, отличающееся тем, что оно содержит модулятор с источником питания электродвигателя, генератор гармонического сигнала, подключенный к модулятору, устройство выделения 2-й гармоники на огибающей выходного сигнала датчика частоты вращения вертушки, устройство вычисления скорости потока по частоте вращения вертушки, соответствующей минимизации 2-й гармоники сигнала, а муфта сцепления между валом двигателя и валом вертушки выполнена выдвижной.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что оно содержит 2-мерный осциллограф, к обоим входам которого подключены входной и выходной сигналы для отображения фигуры Лиссажу и гармонических искажений, причем входной сигнал подключен через частотный детектор.

6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что корректор содержит ключи для селекции частоты выходного сигнала, соответствующей точке перегиба (минимизации четных гармоник).

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике, а точнее к калибровке и самокалибровке с противоскольжением, и может быть использовано для измерения скоростей и расходов потоков жидкостей и газов с повышенной точностью и в широком рабочем диапазоне, а также в составе мобильных калибровочных (образцовых) систем.

Имеются изобретения по патентам Японии JP 5070114 B4 и JP 5074023 B4 на анемометры для использования при низких температурах, которые содержат на валу вертушки электродвигатель с магнитной муфтой и выводы его концов наружу. Отношения эти изобретения непосредственно к противоскольжению вертушки не имеют, а обеспечивают только известную компенсацию порога чувствительности при заморозке подшипников вертушки.

Есть самые ранние изобретения вертушек с электродвигателями, но принцип компенсации скольжения не указан, неполный и несовершенный, например, с электрическими контактами в рабочей среде и для постоянно функционирующих трубопроводов: патенты США 1244693 с приоритетом от 1917 (заявлен в 1907, это самый первый патент, найденный именно нами по теме и опубликованный в журнале «Вопросы управления предприятием», 2011, № 3, с.36), Германия 477072 от 1927 г., США 2406723 от 1944, СССР 149583 от 1961, СССР 168949 от 1964, США 2493931 от 1946 и др. Есть также изобретение СССР 1058415 с присвоенным именем И.П. Андреева, который реализует идею измерения скольжения по перепаду давлений на вращающейся турбинке, метрологически хорошо испытан с высоким эффектом повышения точности (от 3 до 33 раз на разных вязкостях авиакеросина) и применен для точной доводки крупных авиадвигателей НК-32 на форсированном режиме сверхзвукового самолета Ту-160 в 1980 году. Без точной доводки двигатели боевых самолетов при запуске и на форсаже иногда разрушаются.

Известен турбинный (вертушечный, крыльчатый) измеритель скорости потока с компенсацией трения сцепления, предназначенный, в частности, для изменения малых скоростей потока. Он содержит присоединенный к валу электродвигатель, вращающий турбинку со скоростью, отличной от нуля (патент ФРГ № 1241650, МПК G01Р 5/06, опубликован в 1957 г.), причем электрические параметры электродвигателя служат "дифференциальной мерой" скорости потока. Изобретение согласно описанию снижает порог чувствительности измерителя в 100 раз. Недостатком изобретения является неизменная точность из-за отсутствия обратной связи. Эффект снижения порога чувствительности в 20 раз получен нами в 1980 году в демонстрационном макете по изобретению СССР 1058415 с электродвигателем и ферромагнитной вертушкой, использованной в качестве ротора электродвигателя. Этот макет использован в нашем докладе на научно-техническом совете под председательством генерального конструктора двигателей НК академика Н.Д.Кузнецова.

Другим техническим решением является способ измерения скорости потока, предусматривающий вращение турбинки (вертушки, крыльчатки) в потоке без скольжения при помощи электродвигателя и измерение частоты вращения турбинки и электрических параметров питания электродвигателя (патент ФРГ № 1523168, МПК G01Р 5/06, опубликован в 1973 г.). Один из электрических параметров электродвигателя (напряжение, ток, сопротивление, мощность) изменяют таким образом, что другие параметры принимают значения, соответствующие вращению турбинки в вакууме или вращению вала электродвигателя без турбинки. Частоту вращения турбинки изменяют с помощью потенциометра или подобного устройства таким образом, чтобы пара величин (частота вращения и один из параметров питания) совпала с соответствующей парой величин, полученной при вращении турбинки в вакууме или вала электродвигателя без турбинки.

Устройство для осуществления способа содержит турбинку, установленную в потоке, датчик частоты вращения турбинки, электродвигатель, подсоединенный к турбинке, управляемый источник питания указанного электродвигателя, масштабный преобразователь частоты вращения турбинки и показывающий прибор.

Преимуществом технического решения является простота конструкции при отсутствии в потоке специального датчика скольжения турбинки.

Недостатком является недостаточная точность при изменении параметров среды (например, вязкости) и самого измерителя или электродвигателя (например, трения в опорах).

Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является изобретение по нашему патенту РФ 2173467, обеспечивающее повышение точности измерения скорости и расхода потока текучей среды (жидкости и газа) путем отслеживания точки перехода вращения турбинки с турбинного на компрессорный (насосный) и, наоборот, с компрессорного на турбинный, независимо от внешних влияний и возмущений.

Поставленная цель достигается в способе тем, что определяют точку перегиба зависимости частоты вращения турбинки от одного из электрических параметров питания электродвигателя и по частоте вращения турбинки, соответствующей точке перегиба, определяют скорость потока.

В устройстве поставленная цель достигается тем, что в него введены микро-ЭВМ, аналого-цифровые преобразователи частоты вращения турбинки и напряжения питания электродвигателя, выходы которых соединены с входами микро-ЭВМ, выход микро-ЭВМ подключен к показывающему прибору в виде дисплея, а устройство питания электродвигателя выполнено в виде генератора пилообразного (трапецеидального) напряжения, причем микро-ЭВМ содержит устройство для вычисления второй производной зависимости частоты вращения турбинки от напряжения питания электродвигателя и устройство вычисления скорости потока по частоте вращения турбинки, подключенное к устройству вычисления второй производной.

Кроме того, генератор пилообразного напряжения выполнен в виде генератора симметричной пилы (трапеции), а микро-ЭВМ содержит устройство определения среднего результата вычислений скорости потока, соответствующих восходящему и нисходящему фронтам пилы.

Для осуществления способа требуется сложное обеспечение идеальности пилообразного сигнала и двойного дифференцирования в условиях динамических процессов, сопровождающих работу электрического двигателя с нагрузкой вертушки на потоке. Другим недостатком является низкое быстродействие и широкий спектр частот сигнала пилообразной формы.

Целью изобретения является устранение этих недостатков по нашему патенту РФ 2173467 с проработкой других методов определения точки перегиба как известных, так и нового.

1. Численный метод Ньютона. Он широко применяется для вычисления точки перегиба. Его описание с рисунками и программой приведено в книге Б. Банди «Методы оптимизации. Вводный курс: Пер. с англ. - Радио и связь, 1988», с.15.

Как следует из текста (9-10 строки снизу), «точность» вычисления=0.00001, а с учетом того, что скольжение не превышает 3%, точность компенсации скольжения в пересчете на расход текучей среды получается очень высокой. Но вопрос искажения пилообразного сигнала этот метод не решает.

2. По справочнику «Измерения в промышленности: Справ. изд. в 3-х кн. Кн.3. Способы измерения и аппаратура: Пер. с нем. / Под ред. Профоса П. - 2-е изд. - М.: Металлургия, 1990», с.216-217, где положение точки перегиба кривой титрирования для количественного химического анализа раствора определяется графически с помощью двух окружностей, прямая через центры которых дает точку пересечения с кривой титрования. Достаточно сложный в реализации способ.

3. Согласно патенту США № 5623095 по Int. C1. 6 G01N 29/02, США C1 73/61.49; 73/61.79 и полю поиска 73/61.45, 61,49 на «Метод химического анализа с помощью акустических средств» создается переменная интенсивность звука. В сигнале с датчика проводятся измерения фундаментальной и нескольких гармонических звуковых сигналов амплитуды, а затем сравнивается сюжет из ответа образца звука с известным ответом, и находится звуковое решение, определяя тем самым решение типа и концентрации.

Это изобретение использует гармоники в совершенно другой области химии и техники и напрямую с точкой перегиба по настоящему изобретению никак не связано.

4. Согласно патенту РФ 2373494 по МПК G01B 11/30, G01B 11/30 на «Способ измерения высоты микрорельефа поверхности интерференционным методом» создают оптическую нелинейность и анализируют интерференцию с использованием «гигантских» вторых гармоник от поверхностей с микрорельефом и эталонного образца. Другая область техники и никакой точки перегиба при прохождении вертушкой на потоке нулевого скольжения.

5. По патенту РФ 2187200 по классам МПК H04B 3/54, H04B 7/00, H03L 7/00 на «Систему синхронизма частоты гетеродина и частоты сигнала в радиоканале» учитывают разложение некоторого выражения сигнала в ряд Фурье:

,

где присутствуют только четные гармоники выпрямленного сигнала.

Это изобретение не имеет прямого отношения к рассматриваемому по существу, но важно понимание разложения сигнала в ряд Фурье. При этом в справочнике Бронштейна И.Н. и Семендяева К.А. Справочник по математике. Для инженеров и учащихся втузов. Изд. 10. Наука. М.: 1964, с.554-557 дается таблица некоторых разложений в ряд Фурье, где выпрямленный сигнал имеет только четные гармоники, а более полно графики и ряды 7 и 10 - высшие нечетные гармоники, 9, 11, 13 - высшие четные гармоники.

Соответствующий фрагмент 13 из книги с четными гармониками 2х, 4х, 6х показан ниже.

13.

y=sinx для 0 x
y=0 для x 2

На этом можно ограничить поиск и разбор недостатков известных теорий, методов и решений поиска точки перегиба, близких по своим мотивам и математическому аппарату к рассматриваемому изобретению.

Целью изобретения является устранение всех указанных выше недостатков с упрощением и повышением эффективности (точности и быстродействия) изобретения по нашему патенту РФ 2173467.

Поставленная цель по п.1 формулы изобретения достигается тем, что в способе измерения скорости потока, основанном на измерении частоты вращения вертушки, установленной в потоке на валу электродвигателя, определении точки перегиба зависимости частоты вращения вертушки от одного из электрических параметров питания электродвигателя и определении скорости потока по частоте вращения вертушки, соответствующей точке перегиба, (отличающийся тем, что) питание электродвигателя модулируют гармоническим сигналом, а точку перегиба огибающей определяют по изменению спектральных компонент выходного сигнала, например, гармоник, суммарных и разностных частот.

В качестве спектральных компонент выходного сигнала применяют четные гармоники и по минимизации сочетания уровней гармоник судят о прохождении точки перегиба.

В качестве спектральных компонент и четных гармоник выходного сигнала применяют вторую гармонику.

Устройство для осуществления способа содержит вертушку на вале электродвигателя, муфту и электронный корректор, модулятор с источником источника питания электродвигателя, генератор гармонического сигнала, подключенный к модулятору, устройство выделения 2-й гармоники на огибающей выходного сигнала датчика частоты вращения вертушки, устройство вычисления скорости потока по частоте вращения вертушки, соответствующей минимизации 2-й гармоники сигнала, а муфта сцепления, например, магнитная, между валом двигателя и валом вертушки выполнена выдвижной.

Устройство для осуществления способа, содержащее вертушку на вале электродвигателя, муфту и электронный корректор, содержит 2-мерный осциллограф, к обоим входам которого подключены входной и выходной сигналы для отображения фигуры Лиссажу.

В устройстве для осуществления способа, содержащем вертушку на вале электродвигателя, муфту и электронный корректор, корректор содержит ключи для селекции частоты выходного сигнала, соответствующей точке перегиба (минимизации четных гармоник).

Суть изобретения поясняется с помощью рисунков.

На фиг.1 (ЦАГИ. Промышленная аэродинамика. Выпуск 22. Гидродинамическая теория решеток. Силовые и моментные аэродинамические характеристики решеток тонких профилей. Оборонгиз, М., 1962, фиг.12, и аналогичные фиг.83-94) представлена зависимость коэффициента В линейной связи тангенса угла выхода потока из решетки от угла аэродинамического (геометрического) выноса для компрессорных и турбинных решеток с густотой r решеток. Точка перегиба характеристик по рисунку находится в начале координат, а реально - на огибающей частоты вращения вертушки (не показано).

На фиг.2 и 3 (Дробов С.А. Радиопередающие устройства. Воениздат, М., 1951, с.564) показана трансформация гармонического сигнала через кривую с точкой перегиба. На фиг.2, когда точка перегиба найдена, показаны сигналы с возможным искажением выходных сигналов по амплитуде, но сохранением их симметрии. В искаженном выходном сигнале присутствуют нечетные гармоники.

На фиг.3, когда точка перегиба не найдена, присутствуют четные гармоники, как показано выше (Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. Наука, 1964, с.556-557, графики и ряды: 7 и 10 - высшие нечетные гармоники, 13 - высшие четные гармоники).

Следовательно, поиск точки перегиба сводится фактически к выявлению и устранению спектральных компонент сигнала, в частности четных гармоник на выходе, в частом случае - 2-й гармоники при соответствующем входном сигнале с минимальной амплитудой.

На фиг.4 показана блок-схема устройства, реализующего способ измерения скорости потока согласно изобретению.

На фиг.5 показан вариант привязки электродвигателя с выдвижной муфтой к стандартному турбинному счетчику газа. Электронный корректор выполняется выносным (см. фиг.4) и на фиг.5 он не показан.

Устройство для осуществления способа содержит вертушку 1 (фиг.4), установленную на валу электродвигателя 2, датчик 3 частоты вращения вертушки, аналого-цифровой преобразователь 4, преобразующий частоту вращения вертушки в код, дисплей 5, источник питания 6 электродвигателя, стандартный программируемый генератор 7 с гармоническим сигналом частотой примерно 1-0,01 Гц (периодом 1-100 секунд), модулятор 8, полосовой фильтр 9 для выделения четных гармоник, определитель экстремума 10, электронный ключ 11, корректор 12 для внесения поправки в показания дисплея, частотный детектор 13, 2-канальный осциллограф 14. Блок 15 образует выносную часть системы калибровки.

На фиг.5 обозначены: 16 - выводы проводов и 17 - электродвигатель с выдвижной магнитной муфтой, управляемой по проводам.

Принцип действия устройства предусматривает подачу изменяемого гармоническим сигналом напряжения питания электродвигателя с целью поиска точки перегиба и более точного определения по ней скорости потока.

Последовательность работы устройства следующая.

Под действием потока вертушка 1 приводится во вращение и частотный сигнал с датчика 3 частоты вращения вертушки поступает на преобразователь 4 и далее на дисплей 5. На фиг.5 показано, что электродвигатель отключен с помощью выносной муфты от вертушки.

Далее с помощью блока 15 выносной части системы калибровки подключается выносная муфта (фиг.5) и блок 15 отрабатывает программу корректировки показаний скорости потока.

Далее частотный сигнал с датчика 3 поступает на полосовой фильтр 9, детектор 13 и на один из входов осциллографа 14. На второй вход осциллографа 14 поступает сигнал с генератора 7. На осциллографе отображается фигура Лиссажу с искажениями, характеризующими процесс поиска точки перегиба.

Напряжения от источника 6 и от генератора 7 поступают на модулятор 8 и создают на электродвигателе 2 дополнительный к потоку вращательный момент. Напряжение от источника 6 поступает также на преобразователь 4 для корректировки сигнала на дисплей 5.

От фильтра 9 сигнал поступает на определитель 10, осуществляющий поиск экстремума, например, по минимизации уровня 2-й гармоники. Срабатывает ключ 11 и частотный сигнал с датчика 3 поступает в корректор 12. Второй сигнал поступает с генератора 7. Выходной сигнал с корректора 12 поступает на преобразователь 4 и дисплей отображает скорректированные по скольжению вертушки показания.

При изменении частоты генератора 7 настройки фильтра 9 могут меняться (пунктирная стрелка).

По окончании калибровки блок 15 и выдвижная муфта (фиг.5) отключаются.

Как и в прототипе (патент РФ 2173467), второе значение скорости потока вычисляется при изменении огибающей сигнала (пилообразного напряжения) в обратном направлении. Здесь гармоническая огибающая сигнала частоты вращения.

Вычисляется средний результат скорости потока, который при нажатом ключе 11 выводится на дисплей 5 (фиг.4).

Благодаря своим уникальным свойствам, простоте и легковесности конструкций изобретение применимо для точных и широкодиапазонных измерений текучих сред (газа и жидкости), а также для использования в качестве портативных образцовых средств (калибраторов) расхода и метрологического обеспечения на магистралях газа и нефти.