Расходомер двухфазных сред

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 1 Г 1/ РЕТЕНИЯ ледоватеьных приивановао СССР, 1989. ьскии оро О СУДА Р СТВЕ ННОЕ ПАТЕНТНОЕЕДОМСТВО СССРгоспАтент сссР) ОПИСАНИЕ И АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬ(54) РАСХОДОМЕР ДВУХФАЗНЫХ СРЕД (57) Сущность изобретения: расходомер содержит 2 источника радиоактивного излучения (1,2). 1 трубопровод(3), 2 радиоизотопных датчика (4,5), 2 преобразователя (6,7), 1 блок усредне:ия (8), 1 блок вычитания (9), 2 регистра сдвига (10,11), 1 многоканальный управляемый преобразователь код - код (12), 1 реверсивный сумматор - вычитатель (13), 1 формирователь задержки (14), 1 тактовый генератор (15). 1 - 4-6 - 8 - 10- 12-13, 2 - 5 - 7 - 9-11 - 12, 15 - 14-13, 6-9, 7 - 8, 15-6, 15-7, 15-11, 15-10, 8-12. 1 з.п, ф-лы, 2 ил.Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения расхода двухфазных или многофазных сред,транспортируемыхпотрубопроводам, в химической, нефтяной и других отраслях промышленности для контроля и управления различными технологическими процессамй. Устройство может быть также исйользовано для измерения скорости движения контролируемой среды без непосредственного койтакта с ней.Известен кбрреляционный расходомер двухфазных сред, содержащий первый и второй первичные преобразователи, четыре формирователя временных интервалов, два блока регулируемой задержки, четыре умножителя, два вычитающих устройства, два интегратора и суммирующее устройство, К недостаткам известного устройства относится низкое быстродействие регулировки времени транспортного запаздывания изза регулировки этого времени последовательно во времени через временные интервалы, определяемые величиной транспортного запаздывания. Последнее также приводит к значительным погрешностям в случае нестационарного изменения расхода, Необходимость последующего косвенного определения скорости Ч потока по формуле Ч =/то (где- расстояние между датчиками го- измеряемый временной интервал транспортного запаздывания) приводит к увеличению времени и погрешности измерения.Наиболее близким к предлагаемому устройству является расходомер двухфазных сред, содержащий первый и второй источники радиоизотопного излучения, объект исследования, первый и второй радиоизотопные датчики, соответственно два выходных преобразователя, блок усреднения, первый и второй блоки вычитания, блок регулируемой задержки, блок логического сравйения, преобразователь код-код и блок управления, Причем блок усреднения первым и вторым входами подключен к выходам соответственно первого и. второго выходных преобразователей и к первому и второму входам первого блока вычитания. Выход блока усреднения подключен ко второму входу блока регулируемой задержки и к первому входу. второго блока вычитания, вторым входом подключенного к выходу блока регулируемой задержки. Недостатками прототипа является необходимость косвенного измерения скорости через непосредственное измерение времени транспортного запаздывания с последующим делением величины расстояния междудатчиками на измеренное значение времени транспортного запаздывания, Косвенное измерение скорости приводит к увеличению погрешности, времени измерения и снижению помехоустойчивости. Кроме того, в прототипе регулировка временной задержки осуществляется последовательно во времени, что приводит либо к снижению быстродействия, либо к снижению точности 10 при увеличении быстродействия.Цель устройства - повышение быстродействия при сохранении точности и помехоустойчивости измерения расхода для нестационарного потока двухфазных сред. Сущность заявляемого изобретения состоит в том, что за счет введения многоканальной обработки сигналов для измерения расхода используется информация об изменении аналога структурной функции, рав 15 20 ной абсолютной величине разности текущего сигнала и его задержанного значения, не в точке, а на интервале, то есть в нескольких ее значениях, определяемых числом параллельных выходов первого и раллельных выходов ограничивается допустимой сложностью устройства, а также погрешностью аппроксимации аналога структурной функции линейным приближе 30 нием. В отличие от известного расходомера двухфазных сред предлагаемое устройство позволяет также повысить быстродействие при сохранении заданной точности и помехоустойчивости за счет параллельного на 35 копления информаций об изменении плотности потока в зависимости от изменения его скорости с последующим усреднением, Причем параллельное накопление информации в предлагаемом устройстве 40 стало возможным благодаря введению нелинейной многоканальной обратной связи,образуемой сумматором-усреднителем и многоканальным управляемым преобразователем код - код с приспособленной инди 45 видуально для каждого канала нелинейной регулировкой в зависимости от величины задержки, формируемой регистрами сдвига,На фиг.1 приведена блок-схема заявля 50 емого устройства; на фиг.2 - блок-схема многоканального управляемого преобразователя код - код.Расходомер двухфазных сред(фиг.1) содержит радиоизотопные первичные преобразователи плотности, включающие: первый 1 и второй 2 источники радиоизотопного излучения, связанные через трубопровод 3 с радиоизотопными датчиками 4 и 5, выходами подключенными к выходным преобразователям 6 и 7, блок 8 управления 25 второго регистров сдвига. Причем число паи блок 9 вычитания, первый 10 и второй 11 регистры сдвига, многоканальный управляемый преобразователь 12 код-код, реверсивный суглматор-вычитатель 13, формирователь задержки 14 и тактовый генератор 15. Многоканальный управляемый иреобразователь код - код.12 (фиг,2) содержит с первого по гп-й сумматор 16 по модулю два, с первого по т)-й управляемый делитель частоты 17, с первого по т-й блоки 18 памяти, первый 19 и второй 20 суглматоры, Практическая реализация предлагаемого устройства обеспечена применяемостью стандартных узлов измерительной и вычислительной техники. Для первого 1 и второго 2 источников радиоизотопного излучения могут использоваться БГИА П 1 В 2, либо БГИ - 75 А П 1 В 2. В качестве радиоизотопных датчиков можно использовать детекторы типаБДСлибо БДГ. Первый и второй выходные преобразователи реализуются на последовательно включенных сравнивающем устройстве К 521 СА 1, триггере Шмитта К 155 ТЛ 2 (555 ТЛ 2) и формирователе К 155 АГЗ 555 АГЗ). Блоки 8 усреднения и 9 вычитания реализуются на микросхемах 155 ТН 2 (555 ТН 2) и К 155 ЛП 5 555 ЛП 5) соответственно, Первый 10 и второй 11 регистры сдвига могут быть реализованы, например; на микросхеме К 155 ИР 13.Многоканальный управляемый преобразователь код-код 12 выполняется на следующих элементах,Сумматор по модулю два 16 - на микросхеме К 155 ЛП 5; управляемый делитель частоты 17 - на микросхегле К 589 ХЛ 4; блок памяти 18 - на микросхемах Р 537 РУ 8 или К 53 РФ 5; сумматоры 19 и 20 - на микросхемах К 555 ИМ 6. Реверсивный сумматор-усреднитель 13 выполняется на накапливающем сумматоре, состоящем из микросхем К 555 ИМ 6 и регистре К 555 ТМ 8.Формирователь задержки 14 выполняется на микросхеме 555 АГЗ, а тактовый генератор 15 - на микросхеме К 531 ГГ 1.Расходомер двухфазных сред работает следующим образом,От источников 1 и 2 потоки гамма-квантов проходят через трубопровод 3 с протекающим через него двухфазным потоком (нефть-газ, вода- пар) и поступают на радиоизотопные датчики 4 и 5, где энергия гамма-квантов преобразуется в электрические сигналы, промодулированные по частоте экспоненциальной функцией, зависящей от плотности двухфазного потока.Изменение плотности двухфазного потока во времени связано со скоростью его перемещения в трубопроводе,Сигналы от датчиков 4 и 5 поступаот напервый 6 и второй 7 выходные преобразователи, где они преобразуются в нормированные по длительности и амплитуде сигналы5, со случайной частотой. Эти преобразованные сигналы при совпаденйи с сигналамитактового генератора 15 поступают на входы блока 8 усреднейия и блока 9 вычитания,В блоке 8 усреднения частоты сигналов пер 10 вого 6 й второго 7 выходных преобразователей складываются и делятся пополам, а вблоке 9 вычитания определяется их абсолютная разность, В блоке 8 усреднения определяется среднее значение двух сигналов15 в соответствии с формулойуср = 0,5 1 о ( ехр- ар (1 Ц ++ ехр - ар(т-тоф,где р(т),р(т - го) - изменяющееся во времени значение плотности в моменты времени20 1 д - хо,т, - время транспортного запаздывания, величина которого связана с измеряемой скоростью потока Ч и расстояниеммежду датчиками 1 равенством25Ч=1ехр 1.-ар(т)3, ехр 1,- а( - хо)Я - слагаемые,определяющие затухание первоначальнойинтенсивности в двухфазной среде;1 о - интенсивность гамма-квантов на выходах источников 1 и 2 с учетом поглощенияв стенках трубопровода;а - коэффициент, зависящий от геометрии трубопровода и состава двухфазной35 смеси,На выходе блока 9 вычитания образуется разностьа (хп ) = )а 1 ахр -а р- . ахр- а р а -ха) ),Сигналы с выхода блока 8 усредненияпоступают одновременно на входы первого регистра сдвига 10 и многоканального уп равляемаго преобразователя код - код 12. Впреобразователе код - код 12 сигналы с выхода блока 8 усреднения поступают на вторые входы сумматоров по модулю два 16, на первые входы которых поступают сигналы с 50 параллельных выходов первого регистрасдвига 10 с задержкой 1 Ьт, зависящей от 1-го номера выхода регистра 10. В результате сложения сигналов.в сумматорах 16 по модулю два на их выхода образуются сигна лы Ь у 1 = 1,2.,гп), равные абсолютнойвеличине разности их входных сигналов, то естьУ)- = 0,5 1 о ехр-а р (т+ ехр 1"-а р (т - го- - ах р -а р с - Ъ - ах р- а р т - ра - аа) Ц,1783304 второго регистра сдвига 11. Результаты суммирования на первом 19 и втором 20 сумматорах в виде двоичных кодов поступают через выходы "сложение" и "вычитание" 5 многоканального управляемого преобразователя код-код 12 на соответствующие входы реверсивного сумматора-усреднителя 13, где они суммируются с учетом знака слагаемых, На сумматоре-усреднителе 13 10 по сигналу с выхода формирователя задержки 14 на каждом периоде тактовых импульсов генератора 15 накапливается двоичный .код в соответствии с итерационной формулой15. с (и + 1) Ь с 3 = с (и Ь с) + Х (ЛяГ с)1 Ьс, - Ьх),где 3 с (и + 1) Ьс), с (и Ьс) - . значение кода насумматоре-усреднителе 13 на (и + 1) -м и пм шагах итерации;1 К(п Ьс)Ьс - период следования сигналов тактового генератора 15;И + г -число разрядов в сумматоре-усреднителе 13, причем г = одев.Так как код с (и Ьс) с выхода сумматораусреднителя 13 поступает через вход преобразователя код - код 12 на адресные входыблоков памяти 18, то тем самым формируется цифровая нелинейная обратная связь,благодаря которой обеспечивается сходимость кода К (п Ьс) к предельному значению .Ко, т,е. 20где х,у - сигналы, поступающие на первый ивторой входы сумматоров 16.Сигнал с выхода 1-го сумматора 16 счастотой, равной разности Ьуь поступает навход 1-го управляемого делителя частоты 17, 25входйая частота которого делится в зависимости от кода, поступающего на его управляемые входы с выхода 1-го блока памяти 18В блок памяти 18 записывается предварительно информация в виде кода Р(ф), соответствующего функции от кода адреса с.имеющей видРМ= Ь ),где) - квадратные скобкщие взятие целой части отскобках выражения,=1,2.,т; К =-1,2Е;К - максимальное значение адреса блка 18 памяти, 40Для значения разностиЬу =1 оаЬсрср(с, го),где рср (с, го) - среднее значение производной от функции плотилиности р (с) в интервале (с, с - го) на выходе1-го управляемого делителя частоты 17 устанавливается следующее значение частоты1 Оа= 1,2в.иНа каждом периоде тактовой частоты носгенератора 15 значейиясйгнэлов в виде нуляили единицы, соответствующие наличиюили отсутствию высокого потенциала на выходах делителей 17, суммируются на первомсумматоре 19, На втором сумматоре 20 синхронно с первым сумматором 19 суммируются сигналы с пар"ллельных выходов тор и, определяюуказанного в 1 а К(п Ьс)=и -ф 00 При этом дляется приближенности измерения оуРср ( г, и )= оа р(с+1 Ьс) со Так как 0 ( Ьснение производн и р(с) незначит Рар Ь то)/э (1 учитывая равенст 7 о, а на интервале со ой от функции плот льно, то+Ьс) ,Во Tо = - ., полЧ ивше- умма- венно где хо =Ьс - время задержки сигнала на 1-ом выходе регистра сдвига 10,- 1,2.,т;Ьу - вьходной сигнал 1-го сумматора по модулю два 16;Ьс - период следования сигналов тактового генератора 15,Так как вычитаются нормированные импульсные сигналы, то их вычитание с операцией взятия абсолютной величины разности эквивалентно выполнено операций сложения по модулю два в соответствии с прайи- лом значения кода Ко выполняное, сточностьюдо погреш, равенствоЬс ) - Ьх =0 Ко = Ч, то есть величина устан значения кода на реверсивное-усреднителе 13 непосредградуируется в единицах измеряемой скорости потока и подается на выходную шину,Объемный С 1 и массовый ЧЧ расходы определяются непосредственно по скорости потока по известным зависимостям:Я =Ч 3; Я =Ч 5где Я - площадь сечения трубопровода.Быстродействие устройства повышается за счет того, что за один такт итерации (измерения) происходит сравнение информативных сигналов Ь у и Л х не в одном канале, а в гл параллельных каналах, В результате чего корректировка кода в сумматоре-усреднителе 13 осуществляется по более достоверной информации, чем в прототипе. Имеющаяся корреляция между сигналами Л у 1 и Л у + 1, х и Ь х + 1 незначительно влияет на скорость сходимости К (и Ь) к Ко и, следовательно, на быстродействие устройства из-за наличия конечной величины сечения коллиматорных отверстий в источнике 1, Иначе говоря, инерционность, возникающая от дополнительного скользящего усреднения, осуществляемого в предлагаемом устройстве для повышения трчности измерения посредством многоканального усреднения (или усреднения на текущем интервале гп Ь с),.не ухудшаетдинамическую погрешность измерения при соответствующем выборе числа каналов в по сравнению с соответствующей величиной динамической погрешности от коллиматора в прототипе. Ориентировочно быстродействием при фиксированной погрешности измерения или, наоборот, точность измерения при фиксияванном быстродействии повышается в Ч п 1 раз. Формула изобретения 1. Расходомер двухфазных сред, содержащий первый и второй источники радио- изотопного излучения, первый и второй : радиоизотопные датчики, выходы которых соединены с входами соответственно первого и второго выходных преобразователей, блок усреднения, первый и второй входы которого соединены с соответствующими выходами первого и второго выходных преобразователей и входами блока усреднения, тактовый генератор, соединенный с синхровходами первого и второго выходных преобразователей, о т л и ч а ю щи й с я тем, что, с целью повышения быстродействия, в него введены первый и второй регистры сдвига с параллельными выходами, много канальный управляемый преобразователь код - код, реверсивный сумматор-усредни- тель и формирователь задержки, при этом выход блока усреднения соединен с последовательными входами первого регистра10 сдвига и многоканального управляемого преобразователя код - код, выход блока вычитания соедийен с последовательным входом регистра сдвига, параллельные выходы первого и второго регистров сдвига соеди 15 нены соответственно с первыми и вторыми параллельными входами многоканального управляемого преобразователя код - код, выходы сложения и вычитания которого соединены с соответствующими входами ре 20 версивного сумматора-усреднителя, подключеннЬго управляющим входом к соовтетствующему входу многоканального преобразователя код - код и к выходной айне, входы синхронизации первого и вто 25 рого регистров сдвига непосредственно, а соответствующий вход реверсивного сумматора-усреднителя через формирователь задержки соединены с выходом тактового генератора,30 2. Расходомер по п.1, о т л и ч а ю щ и йс я .тем, что многоканальный управляемый преобразователь код - код содержит т сумматоров по модулю два, а управляемых делителей частоты, т блоков памяти и первый35 и:второй сумматоры, при этом первая группа параллельных входов преобразователя соед нена с первыми входами в сумматоров по модулю два, а последовательный вход преобразователя соединен с вторыми40 входами этих же сумматоров, выходы которых через управляемые делители частоты соединены с параллельными входами первого сумматора, управляющие входы в управляемых делителей частоты через45 соответствующие блоки памяти соединены с управляющим входом преобразователя, вторая группа параллельных входов которого соединена с соответствующими входами второго сумматора, выходы первого и второ 50 го сумматоров соединены с выходами сложения и вычитания преобразователя,За оизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 10 аз 4506 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5