Способ определения сплошности потока жидкости в трубопроводе

 

Относится к области измерительной техники. Способ определения сплошности потока жидкости в трубопроводе основан на использовании характеристик зондирующей контролируемую жидкость электромагнитной волны и прошедшей через контролируемую жидкость электрической волны, при этом зондирование осуществляется перпендикулярно потоку контролируемой жидкости, а прием прошедшей через контролируемую жидкость электромагнитной волны - со стороны, противоположной зондированию, затем выделяют из прошедшей через контролируемую жидкость электромагнитной волны две ортогонально поляризованные составляющие и по разности фаз между ними определяют сплошность контролируемого потока. 1 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах контроля сплошности неоднородных двухфазных (газ и жидкость) потоков в трубопроводах.

Известен способ, реализуемый измерителем сплошности двухфазных криогенных сред жидкого водорода и его смеси с воздушными включениями, в котором для измерения сплошности применяется объемный резонатор, сконструированный так, что контролируемая среда может проходить внутри резонатора и оказывать влияние на его резонансные свойства [1] Недостатком этого измерителя можно считать погрешность, связанную с неопределенностью конфигураций потоков.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятый автором за прототип способ измерения сплошности потока в трубопроводе, заключающийся в том, что зондируют контролируемую жидкость электромагнитной волной, принимают прошедшую через контролируемую жидкость электромагнитную волну, при этом зондирование осуществляется перпендикулярно потоку контролируемой жидкости, а прием со стороны, противоположной зондированию [2] В способ информацию о контролируемом параметре получают путем сравнения характеристик прошедшей через измеряемую среду электромагнитной волны с аналогичными характеристиками зондирующей волны.

Недостатком этого известного способа является погрешность, обусловленная сложностью процедуры сравнения характеристик прошедших и зондирующих электромагнитных волн.

Целью заявляемого способа является уменьшение погрешности.

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения сплошности потока жидкости в трубопроводе, основанном на использование характеристик зондирующей контролируемую жидкость электромагнитной волны, при котором зондирование осуществляют перпендикулярно потоку контролируемой жидкости, а прием прошедшей через контролируемую жидкость электромагнитной волны со стороны, противоположной зондированию, выделяют две ортогонально поляризованные составляющие из прошедшей через контролируемую жидкость электромагнитной волны определяют сплошность контролируемого потока.

Сущность заявляемого изобретения, характеризуемого совокупностью указанных выше признаков, состоит в использовании свойств поляризации электромагнитных волн в анизотропной среде, выделении ортогонально поляризованных прошедших через измеряемую среду волн и измерении между ними разности фаз.

Наличие в заявляемом способе перечисленных существенных признаков позволяет решить поставленную задачу определения сплошности различных газожидкостных потоков с использованием свойств распространения электромагнитных волн с желаемым техническим результатом, т.е. более простым путем и высокой точностью измерения.

На чертеже приведена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит генератор электромагнитных колебаний 1, излучатель 2, установленный по одну сторону трубопровода, по которому протекает измеряемая среда, приемник 3, установленный по другую сторону трубопровода против излучателя, блок для выделения параллельно поляризованной волны 4, блок для выделения перпендикулярно поляризованной волны 5 и измеритель разности фаз 6, подключенный входами к выходам соответственно блоков для выделения параллельно и перпендикулярно поляризованных волн. Цифрой 7 обозначен трубопровод.

Заявляемый способ основывается на использовании свойств анизотропных сред, имеющих тензорный характер магнитной и диэлектрической проницаемости. Как известно, при зондировании анизотропной среды электромагнитными волнами в контролируемой среде может иметь место поляризация электромагнитного поля, согласно которой колебания электрического и магнитного полей происходят не хаотически, а строго в одном направлении. В соответствии с этим при распространении электромагнитной волны в анизотропной среде подающую волну можно разложить на две одинаковые по амплитуде составляющие, которые поляризованы параллельно и перпендикулярно направлению распространения волны. При этом эти составляющие распространяются с разной скоростью, поскольку значения показателя преломления для них различаются на величину Δh определяемую формулой (см. В.Д.Большаков и др. Радиогеодезические и электрооптические измерения. М. Недра, 1985, с. 118) h_l= h_o+Δh = h_o+λBE², где h_o показатель преломления среды для волны с плоскостью поляризации, ортогональной силовым линиям электрического поля; λ длина волны излучения; E напряженность электрического поля и В зависящий от свойств данной среды коэффициент, называемый Керра; n_e показатель преломления волны с плоскостью поляризации, параллельной силовым линиям электрического поля.

В результате на выходе из анизотропной среды между обеими волнами возникает разность фаз: Ψ = 2πBlE² (1), где l длина пути волны в анизотропной среде.

Из соотношения (1) вытекает, что для данного случая при постоянных значениях параметров E и В разность фаз Ψ будет определяться расстоянием между излучателем и элементом для приема электромагнитных колебаний, т.е. длиной пути волны в заполненном контролируемой средой трубопроводе.

Сплошность потока, связанная с физическим состоянием двухформных сред, например, жидкости и газа, характеризует степень однородности и определяется соотношением (см. В.А.Викторов и др. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин: М. Наука, 1978).

S V₁/(V₁+V₂), где V₁, V₂ соответственно объем жидкости и газа на единице длины трубопровода.

Соотношение (2) показывает, что при отсутствии жидкости (S 0) V₁ 0 и V₂ мах, а при наличии потока жидкости без газовых включений (S 1) V₁= мах и V₂ 0. Отсюда следует, что по величинам объемов V₁ и V₂, рассчитанных по площади поперечного сечения трубопровода при изменении его внутреннего диаметра от 0 до a (максимальное значение), можно судить о сплошности газожидкостного потока.

Анализ газожидкостного потока в трубопроводе показывает, что при формировании объема V₁ длина пути l волны фактически определяет величину площади поперечного сечения потока. Следовательно, определение длины l, связанной с объемом V₁ на единице длины трубопровода через площадь поперечного сечения потока, дает возможность оценить величину сплошности потока в трубопроводе.

При зондировании потока электромагнитными волнами в точке, перпендикулярной потоку, в выражении (1) вместо l следует использовать значение длины пути волны, равное ld/2d-l. Это вытекает из того факта, что при вертикальном к направлению потока заполнении трубы средой длина l может изменяться от 0 до внутреннего диаметра трубопровода. С использованием ld/2d-l выражение (1) можно переписать как
Полученное выражение показывает, что при минимальном и максимальном значениях длины пути распространяющейся в измеряемой среде волны, соответствующем отсутствию и наличию потока в трубопроводе, по изменению разности фаз Ψ от 0 до j мах можно определить сплошность потока. При этом при l 0 (S 0) j = 0, а при l = d(S = 1)Ψ = Ψ_max.
В устройстве, реализующем предлагаемый способ, для оценки разности фаз Ψ электромагнитные колебания, генерируемые генератором 1, поступают на вход излучателя 2, установленного на наружной поверхности трубопровода 7 перпендикулярно направлению потока. С выхода излучателя электромагнитные волны направляются в измеряемый поток. Здесь благодаря анизотропным свойствам контролируемого потока образуется ортогонально поляризованные волны, которые принимаются приемником 3, установленным по другую сторону трубопровода против излучателя. Далее прошедшие через поток поляризованные волны одновременно поступают соответственно на выходы элементов для выделения параллельно и перпендикулярно поляризованных волн. После этого сигналы с выходов элементов 4 и 5 поступают на входы измерителя разности фаз, где отражаются изменения разности фаз j пропорционально сплошности потока.

Таким образом согласно предлагаемому способу на основе оценки разности фаз между прошедшими через измеряемый поток в трубопроводе поляризованными электромагнитными волнами можно обеспечить определение сплошности потока.

Формула изобретения

Способ определения сплошности потока жидкости в трубопроводе, основанный на использовании характеристик зондирующей контролируемую жидкость электромагнитной волны и прошедшей через контролируемую жидкость электрической волны, при котором зондирование осуществляют перпендикулярно потоку контролируемой жидкости, а прием прошедшей через контролируемую жидкость электромагнитной волны со стороны, противоположной зондированию, отличающийся тем, что выделяют две ортогонально поляризованные составляющие из прошедшей через контролируемую жидкость электромагнитной волны и по разности фаз между этими составляющими электромагнитной волны определяют сплошность контролируемого потока.

РИСУНКИ

Рисунок 1