Устройство для измерения сплошности парожидкостного потока

 

Предлагаемое техническое решение относится к области измерительной техники. Цель предложения - упрощение конструкции и процесса получения первичной информации. Устройство содержит диэлектрическую трубку, по которой протекает парожидкостная среда, проводящий цилиндрический экран, установленный поверх диэлектрической трубы, чувствительный элемент, выполненный в виде двух проводящих сегментов, расположенных диаметрально на наружной поверхности диэлектрической трубки с зазором один относительно другого, сверхвысокочастотный генератор, подключенный выходом к первому плечу тройника, измеритель разности фаз, подключенный вторым выходом к первому плечу циркулятора, первая и вторая индуктивные катушки и индикатор, подключенный в выходу измерителя разности фаз, осуществляющего определение разности фаз сигналов между тройником и циркулятором. 2 ил.

Предполагаемое изобретение относится к области измерительной техники и может использоваться в системах управления технологическими процессами, системах контроля питания двигателя.

Известно устройство для определения сплошности потока жидкости в трубопроводе (см. а.с. СССР N 1185092, кл. G 01N 1/66, 1985), содержащее трубопровод, установленный внутри него турбинный датчик расхода жидкости с измерителем скорости вращения турбинки и последовательно соединенные акустический преобразователь, установленный на трубопроводе, усилитель, полосовый фильтр, детектор среднего значения и вычислительный блок. В устройстве по отношению мощности акустического сигнала и скорости потока жидкости определяют сплошность.

Недостатком этого устройства является контактность турбинного датчика с измеряемой средой, приводящая к нарушению структуры потока жидкости.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятое авторами за прототип устройство для измерения сплошности потока в трубопроводе (см. а.с. СССР N 1020774, кл. G 01N 22/04, 1983), содержащее проводящий цилиндрический экран, установленный поверх диэлектрической трубки, подключенный к первому сверхвысокочастотному генератору и первому регистратору резонансной частоты, чувствительный элемент в виде замкнутого зигзагообразного проводника, нанесенного на внешнюю поверхность диэлектрической трубки, третий и четвертый элементы связи, соединенные соответственно с вторым сверхвысокочастотным генератором и вторым регистратором резонансной частоты, и индикатор, подключенный через сумматор к выходам сверхвысокочастотных генераторов. В этом устройстве по частоте резонансной системы, образованной замкнутым зигзагообразным проводником и проводящим цилиндрическим экраном, получают информацию о сплошности потока в трубопроводе.

Недостатком данного устройства следует считать сложность в обеспечении двух взаимно перпендикулярных однородных полей, связанных с реализацией замкнутого зигзагообразного проводника.

Целью заявляемого изобретения является упрощение конструкции и процесса получения первичной информации о сплошности.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее диэлектрическую трубку, по которой протекает измеряемая среда, проводящий цилиндрический экран, установленный поверх диэлектрической трубки, чувствительный элемент, связанный со сверхвысокочастотным генератором, и индикатор, введены измеритель разности фаз, первая и вторая индуктивные катушки, расположенные на диэлектрической трубке, тройник и циркулятор, чувствительный элемент выполнен в виде двух проводящих сегментов, расположенных диаметрально на наружной поверхности диэлектрической трубки с зазором один относительно другого, при этом выход сверхвысокочастотного генератора подключен к первому плечу тройника, второе плечо которого соединено с первым входом измерителя разности фаз, третье плечо тройника соединено с первым плечом циркулятора, второе плечо которого подключено к второму входу измерителя разности фаз, третье плечо циркулятора подключено к первому выводу первой индуктивной катушки, второй вывод которой через первый проводящий сегмент чувствительного элемента соединен с первым выводом второй индуктивной катушки, второй вывод которой через второй проводящий сегмент чувствительного элемента подключен к третьему выводу первой индуктивной катушки, а выход измерителя разности фаз соединен с входом индикатора.

Cущественным отличительным признаком в указанной выше совокупности является наличие измерителя разности фаз, двух проводящих сегментов, индуктивных катушек, тройника и циркулятора.

Наличие в заявляемом устройстве перечисленных признаков позволяют путем несложного процесса фазового измерения сплошности потока решить поставленную задачу измерения этого параметра конструктивно простым и дешевым прибором.

На фиг. 1 и 2 представлены соответственно функциональная схема предлагаемого устройства и зависимость фазового сдвига от изменений сплошности потока.

Устройство содержит диэлектрическую трубку 1, по которой протекает измеряемая парожидкостная среда, проводящий цилиндрический экран 2, установленный поверх диэлектрической трубки, первый и второй проводящие сегменты 3 и 4, размещенные на наружной поверхности трубки, сверхвысокочастотный генератор 5, подключенный выходом к первому плечу тройника 6, измеритель разности фаз 7, подключенный вторым входом к первому плечу циркулятора 8, первую индуктивную катушку 9, подключенную вторым выводом через первый проводящий сегмент к первому выводу второй индуктивной катушки 10, и индикатор 11, подключенный к выходу измерителя разности фаз.

Устройство работает следующим образом. В сверхвысокочастотном тракте предлагаемого устройства, по которому передается и принимается энергия, образуются две контрольные точки в виде последовательно соединенных тройника 6 и циркулятора 8. Назначением тройника 6 является деление поступающей от сверхвысокочастотного генератора 5 мощности на две части. Распределенные поровну между вторым и третьим плечами тройника мощности далее поступают соответственно на первый вход измерителя разности фаз и на первое плечо циркулятора. Используемый в устройстве циркулятор осуществляет разделение прямого и обратного электромагнитных сигналов, т.е. на второй вход измерителя разности фаз поступает только отраженный от нагрузки сигнал. Передаваемый циркулятором сигнал, поступающий со стороны тройника, передается только в плечо циркулятора, подключенное к первому выводу первой индуктивной катушки. Отраженный от нагрузки сигнал, поступающий со стороны первой индуктивной катушки, передается только в плечо, подключенное к второму входу измерителя разности фаз. Сигналом сверхвысокочастотного генератора 5 возбуждают электромагнитные колебания в чувствительном элементе, включающем в себя первый и второй 3 и 4 проводящие элементы. По величине напряжения одного из двух входных сигналов измерителя разности фаз 7, подключенного к тройнику и циркулятору, определяют частоту сигнала, соответствующую нижней границе полосы пропускания резонатора, образованного сверхвысокочастотным трактом и чувствительным элементом.

Сверхвысокочастотный тракт от генератора (автогенератора) 5 с колебательной системой, состоящий из двух индуктивных катушек и проводящих сегментов, следует рассматривать как замкнутую на реактивное сопротивление длинную линию. В этом случае (см. Н.В. Зернов и др. Теория радиотехнических цепей. М. Энергия, 1965 г. стр. 232, 233) напряжение обратной (отраженной) волны в точке отражения сдвинуто по фазе относительно напряжения падающей волы на угол ϕ и зависит от нагрузки. В связи с этим для подключения измерителя разности фаз к вышеуказанному тракту необходимо иметь в тракте две измерительные точки, которые в данном случае образованы блоками 6 и 8. Причем блок 6 вторым плечом направляет часть падающей волны, образованной генератором 5, на первый вход блока 7, а третьим плечом другую часть падающей волны через блок 8 в нагрузку. Третье плечо блока 8 служит для улавливания отраженного сигнала, который через его второе плечо поступает на второй вход блока 7. В результате изменение реактивного сопротивления (емкости чувствительного элемента) приводит к изменению угла v, что можно использовать для определения сплошности потока измеряемой среды. В силу этого при данной частоте сигнала в сверхвысокочастотном тракте устанавливается режим стоячей волны с фазовым набегом, определяемым по выражению , где Z_o волновое сопротивление сверхвысокочастотного тракта, X₂ нагрузка, образованная чувствительным элементом, рассматриваемая как реактивная на конце отрезка длинных линий. Поскольку нагрузка X₂ в рассматриваемом случае представляет собой два проводящих сегмента с образованной между ними емкостью, то оценка разности фаз между двумя входными сигналами измерителя разности фаз, снимаемыми с двух контрольных точек сверхвысокочастотного тракта и соответствующими пучности и узлу амплитуды напряжения стоячей волны, позволяет судить об измерении емкостного характера нагрузки X₂.

Так как величина емкости между первым и вторым проводящими сегментами является функцией диэлектрической проницаемости контролируемой двухфазной парожидкостной среды и зависит еще от отсутствия в диэлектрической трубке 1, то оценка разности фаз между двумя сигналами, связанной с указанной емкостью, позволяет через ε получить информацию о сплошности парожидкостного потока (см. В. А. Викторов и др. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М. Наука, 1978 г. стр. 237).

Обозначим v₀ разность фаз, соответствующая отсутствию потока в диэлектрической трубке, ϕ₁ разность фаз, соответствующая потоку без газовых включений. Тогда при известной зависимости ε от S для контролируемой среды по разности Dv = ϕ₀-ϕ₁ можно определить сплошность потока в диэлектрической трубке (см. фиг. 2). С выхода измерителя разности фаз информативный сигнал поступает на вход индикатора 11, где отражается результат измерения сплошности парожидкостного потока при ее изменении от 0 (отсутствие потока) до 21 (сплошной поток).

В предлагаемом устройстве назначением индуктивных элементов 9 и 10 является то, что в результате их подключения параллельно к емкости, образованной первым и вторым проводящими сегментами, формируется колебательная система, входящая в частотно-задающую цепь автогенератора (генератора) 5. Кроме того, их использование позволяет снизить резонансную частоту емкостного чувствительного элемента, что может оказаться удобным и доступным при измерении и обработке информативного сверхвысокочастотного сигнала.

Лабораторные испытания натурного образца устройства на базе измерителя разности фаз ФК2-29 с частотой сверхвысокочастотного сигнала около 268 МГц по определению сплошности потока керосина при ее изменении от 0 до 1 в диэлектрической трубке диаметром 10 мм показали стабильные и надежные результаты измерения сплошности.

Формула изобретения

Устройство для измерения сплошности парожидкостного потока, содержащее диэлектрическую трубку, по которой протекает измеряемая среда, проводящий цилиндрический экран, установленный поверх диэлектрической трубки, чувствительный элемент, связанный с сверхвысокочастотным генератором, и индикатор, отличающееся тем, что в него введены измеритель разности фаз, первая и вторая индуктивные катушки, расположенные на диэлектрической трубке, тройник и циркулятор, чувствительный элемент выполнен в виде двух проводящих сегментов, расположенных диаметрально на наружной поверхности диэлектрической трубки с зазором один относительно другого, при этом выход высокочастотного генератора подключен к первому плечу тройника, второе плечо которого соединено с первым входом измерителя разности фаз, третье плечо тройника соединено с первым плечом циркулятора, второе плечо которого подключено к второму входу измерителя разности фаз, третье плечо циркулятора подключено к первому выводу первой индуктивной катушки, второй вывод которой через первый проводящий сегмент чувствительного элемента соединен с первым выводом второй индуктивной катушки, второй вывод которой через второй проводящий сегмент чувствительного элемента подключен к третьему выводу первой индуктивной катушки, а выход измерителя разности фаз соединен с входом индикатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2