Способ градуировки диэлькометрического измерителя сплошности двухфазных потоков

 

Использование: в технической физике, при градуировке диэлькометрического измерителя сплошности двухфазных потоков, в частности криогенных сред. Сущность изобретения: способ градуировки диэлькометрического измерителя сплошности двухфазных потоков включает заполнение контролируемой жидкостью и снятие показаний измерителя с последующей аппроксимацией. Измеритель заполняют дополнительно сухим газом, снятие показаний проводят при различных значениях температуры и давления раздельно для жидкости и газа. Затем осуществляют аппроксимацию на весь диапазон измерений кривой, описывающей выходную характеристику эквивалентной схемы градуируемого измерителя сплошности. 4 ил.

Изобретение относится к технической физике, а именно к исследованию материалов путем анализа их физических свойств, и может использоваться при градуировке диэлькометрического измерителя сплошности двухфазных потоков, в частности криогенных сред.

Известен способ градуировки диэлькометрического измерителя сплошности двухфазных потоков [1] по которому диэлектрический измеритель устанавливают вертикально, после чего в него заливают жидкость, измеряют ее уровень и снимают соответствующие отсчеты.

Недостатком этого способа является низкая точность, обусловленная влиянием краевых эффектов на показания диэлькометрического измерителя сплошности двухфазных потоков.

Наиболее близким к предлагаемому является барботажный способ градуировки [2] включающий заполнение диэлькометрического измерителя сплошности двухфазных потоков контролируемой жидкостью, барботирование через нее газа и одновременное измерение плотности жидкости и снятие показаний измерителя с последующей аппроксимацией показаний измерений.

Недостатками этого способа являются сложность проведения градуировки, обусловленная необходимостью использования барботажной колонны, и большая погрешность, вызванная как аппроксимацией на широкий диапазон газосодержания, так и неравномерностью распределения газа по высоте измерителя из-за роста объема газовых пузырьков по мере их всплытия. Кроме того, для криогенных жидкостей дополнительная погрешность вызывается также неконтролируемыми переходами газ жидкость газ вследствие паразитных теплопритоков.

Техническим результатом является повышение точности и упрощение градуировки.

Технический результат достигается тем, что по способу градуировки диэлькометрического измерителя сплошности двухфазных потоков, включающему заполнение измерителя контролируемой жидкостью, снятие показаний измерителя с последующей аппроксимацией на весь диапазон измерения, измеритель заполняют последовательно сухим газом, а затем однофазной жидкостью, снятие показаний проводят при различных значениях температуры и давления раздельно для жидкости и газа, а аппроксимацию осуществляют кривой, записывающей выходную характеристику эквивалентной схемы градуируемого измерителя сплошности.

Отличительными признаками предлагаемого способа градуировки являются заполнение датчика сухим газом и, следовательно, изменение диэлектрической проницаемости заполняющей датчик среды за счет изменения ее агрегатного (смена чистого газа чистой жидкостью) и термодинамического состояния (изменение давления и температуры), а не за счет создания смесей с различными плотностями, что позволяет существенно упростить процесс и оборудование калибровки, отказавшись от барботажной колонны; аппроксимация показаний функцией, описывающей выходную характеристику эквивалентной схемы датчика; что позволяет увеличить точность градуировки при аппроксимации результатов на весь диапазон измерений.

На фиг. 1 приведена характерная зависимость выходного параметра измерителя частоты f от величины диэлектрической проницаемости среды ε (гелий на линии насыщения, Р 10-210 кПа), где + экспериментальные значения, получение при калибровке; градуировочная зависимость f(ε)=K₁/ с коэффициентами К₁ и К₂, вычисленными методом наименьших квадратов по экспериментальным значениям.

Способ реализуется следующим образом. Подлежащий градуировке измеритель сплошности заполняют контролируемым газом, после чего газ начинают медленно нагревать, одновременно увеличивая давление. По мере нагрева производят одновременное измерение температуры и давления газа и показаний измерителя сплошности. Поскольку с ростом температуры меняется диэлектрическая проницаемость, а для контролируемого газа это известная зависимость, то происходит калибровка на верхнем (см. фиг.1) участке градуировочной кривой. Калибровка проводится до достижения температур и давлений, близких к критическим. Затем давление понижается и датчик заполняется известной жидкостью. После этого повышают давление с одновременным повышением температуры (аналогично предыдущей процедуре) и производят одновременное измерение температуры и давления жидкости и показаний измерителя сплошности. Поскольку для жидкости зависимость диэлектрической проницаемости от температуры и давления также известны, то это дает градуировку на нижнем участке градуировочной кривой. Средний участок градуировочной кривой характеристики получают путем аппроксимации кривой, описывающей выходную характеристику эквивалентной схемы градуируемого измерителя сплошности. В результате этого определяется реальная градуировочная характеристика измерителя сплошности как функция диэлектрической проницаемости контролируемого вещества. Для определения выходной характеристики измерителя сплошности как однозначной функции газосодержания применяют соответствующую пересчетную формулу.

П р и м е р. Конкретное оборудование и выбор значений режимных параметров для калибровки рассмотрим на примере датчиков измерения истинного объемного газосодержания двухфазных потоков криоагентов. Резонансный датчик, например, с кольцевым поперечным сечением представляет собой короткозамкнутый коаксиальный резонатор с индуктивным возбуждением колебаний. Конструкция и один из вариантов эквивалентной схемы датчика приведены на фиг.2-4, где 1 центральный электрод, 2 внешний электрод, 3 диэлектрическая вставка, 4 петля связи.

Из эквивалентной схемы датчика получают выражение для резонансной частоты: f=1/ (1) где L_c эффективная индуктивность конструкции; C_ϕ эффективная сигнальная емкость, зависящая от величины средней диэлектрической проницаемости потока; С_о конструкционная емкость, не зависящая от . Выражение эффективной сигнальной емкости C_ϕ такого датчика для первой гармоники колебаний класса ТЕМ (именно эти колебания возбуждаются в резонаторе при измерениях) совпадает с формулой емкости коаксиального конденсатора: C_ϕ 2 πεε_o l_m/ln((d_in + 2 δ)/d_in) const ε. (2) где const константа, зависящая только от геометрических характеристик датчика. Следовательно, резонансная частота определяется как f=K₁/ (3) где в рассматриваемом физическом приближении параметры К₁ и К₂ являются константами и определяются конкретной конструкцией датчика.

При калибровке измеряются резонансные частоты f_о2 (при заполнении датчика газообразным криоагентом) и f₀₁ (при заполнении жидкостью) на линии насыщения. При этом диэлектрические проницаемости фаз ε_og,ε₀₁определяются величиной давления Р_оs насыщения: ε_og=ε_og (P_os) и ε₀₁ ε₀₁ (P_os).

Последовательность действий при калибровке датчика на гелии.

Датчик помещается в криостат. Криостат заполняется жидким гелием до уровня, при котором отсутствует градиент температуры по длине датчика, но жидкость не попадает в датчик. Устанавливается первое фиксированное значение давления P_os1 10 кПа (ε_og1 1,0008248). После установления равновесия в системе проводится первое измерение резонансной частоты f_og1. Затем задается следующее давление P_os2 и проводится второе измерение f_og2. Подобным образом делается несколько измерений при заполнении датчика газом f_ogi до P_osN 210 кПа (ε_ogN 1,01838).

После проведения измерений резонансных частот f_ogi в криостат доливается жидкий гелий до полного погружения датчика в жидкость. Проводятся измерения резонансных частот f_oli аналогично рассмотренным только для случаев заполнения датчика жидкостью P_os1 10 кПа, ε_oll 1,05718; P_osN 210 кПа, ε_olN 1,03748. С помощью регрессивного анализа находятся наиболее достоверные значения К₁ и К₂ для формулы (3): K₁ 233,903; К₂ 0,229232.

Как видно из фиг.1, интервал изменения ε, непосредственно "промеренный" при калибровке, составляет 2/3 от всего сигнального диапазона измерений, что позволяет определить форму градуировочной кривой не менее точно, чем при непосредственной калибровке на двухфазной смеси.

При определении выходной характеристики датчика как функции газосодержания учитывается, что диэлектрическая проницаемость двухфазного потока связана с истинным объемным газосодержанием ϕ зависимостью ε_gϕ+ε₁(1-ϕ) Тогда в соответствии с формулой (3) градуировочная характеристика датчика может быть записана в следующей форме: ϕ Таким образом, на основе несложных измерений только в однофазных областях получена точная градуировочная зависимость датчика как функция истинного объемного газосодержания ϕ от резонансной частоты датчика f.

Формула изобретения

СПОСОБ ГРАДУИРОВКИ ДИЭЛЬКОМЕТРИЧЕСКОГО ИЗМЕРИТЕЛЯ СПЛОШНОСТИ ДВУХФАЗНЫХ ПОТОКОВ, включающий заполнение измерителя контролируемой жидкостью с определенной плотностью и снятием показаний измерителя с последующей аппроксимацией показаний измерений, отличающийся тем, что измеритель дополнительно заполняют сухим газом, а снятие показаний проводят при различных значениях температуры и давления раздельно для жидкости и газа, затем осуществляют аппроксимацию кривой, описывающей выходную характеристику эквивалентной схемы градуируемого измерителя сплошности.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4