Устройство для определения сплошности газожидкостного потока

Изобретение относится к области электротехники, в частности к измерительной технике в виде устройства для определения сплошности газожидкостного потока, протекающего по диэлектрическому трубопроводу. Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции чувствительного элемента и повышение точности измерения. Устройство содержит микроволновой генератор 1, соединенный выходом с первым элементом связи 2, вогнутую металлическую пластину 3, второй элемент связи 4, подключенный со входом детектора 5, плоскую металлическую пластину 6, третий элемент связи 7, четвертый элемент связи 8, фазометр 9 и прибор для исследования амплитудно-частотных характеристик 10. Диэлектрические проницаемости анизотропного потока, обуславливающие преломление волн в параллельном и ортогональном направлениях, при их изменении, измеряются с использованием резонансной частоты открытого резонатора, образованного плоской и вогнутой металлическими пластинами 6 и 3. 1 ил.

 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах управления технологическими процессами.

Известно устройство для измерения сплошности газожидкостного потока (см. В.А.Викторов, Б.В.Лункин, А.С.Совлуков. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоиздат, 1989, с.179), в котором зигзагообразный проводник отрезка линии, укладываемый на поверхности диэлектрической трубы, вместе с металлическим экраном, окружающим диэлектрическую трубу, служит чувствительным элементом. В этом известном устройстве по резонансной частоте отрезка линии определяют сплошность потока.

Недостатком этого устройства является невысокая точность измерения из-за температурных изменений параметров отрезка линии.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятый автором за прототип сплошномер диэлектрических веществ (см. В.А.Викторов, Б.В.Лункин, А.С.Совлуков. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоиздат, 1989, с.178), основанный на характеристиках отрезка неоднородной длинной линии. Отрезок линии состоит из участка цилиндрического трубопровода, координатных решеток, устанавливаемых в торцевых сечениях трубопровода и предназначенных для крепления распределенной по измерительному объему тонкой металлической нити и двух специальных гермоводов. В этом устройстве информативным параметром является резонансная частота электромагнитных колебаний отрезка линии.

Недостатками этого сплошномера следует считать сложность конструкции чувствительного элемента для обеспечения необходимого равномерного распределения энергии в контролируемом объеме и низкую точность.

Задачей заявленного изобретения является упрощение конструкции чувствительного элемента и повышение точности измерения.

Поставленная задача решается тем, что в устройство для определения сплошности газожидкостного потока, протекающего по диэлектрическому трубопроводу, содержащее микроволновый генератор электромагнитных колебаний, чувствительный элемент, первый и второй элементы связи, детектор, соединенный выходом с прибором для исследования амплитудно-частотных характеристик, введены третий и четвертый элементы связи, фазометр, чувствительный элемент выполнен в виде плоской металлической пластины, закрепленной на наружной поверхности диэлектрического трубопровода, и вогнутой металлической пластины, установленной против плоской металлической пластины на противоположной стороне диэлектрического трубопровода, причем выход микроволнового генератора через первый элемент связи соединен с вогнутой металлической пластиной, которая через второй элемент связи соединена со входом детектора, плоская металлическая пластина через третий и четвертый элементы связи соединена соответственно с первым и вторым входами фазометра.

Существенными отличительными признаками указанной выше совокупности является наличие фазометра и выполнение чувствительного элемента в виде вогнутой и плоской металлических пластин.

В заявленном техническом решении благодаря свойствам перечисленных признаков использование вогнутой и плоской металлических пластин, образуемых открытый резонатор, дает возможность решить поставленную задачу: упростить конструкцию чувствительного элемента сплошномера газожидкостного потока в диэлектрическом трубопроводе и повысить точность измерения.

На чертеже приведена функциональная схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит микроволновой генератор 1, соединенный выходом с первым элементом связи 2, вогнутую металлическую пластину 3, второй элемент связи 4, подключенный ко входу детектора 5, плоскую металлическую пластину 6, третий элемент связи 7, четвертый элемент связи 8, фазометр 9 и прибор для исследования амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) 10. На чертеже позицией 11 обозначен диэлектрический трубопровод.

Устройство работает следующим образом. Электромагнитные колебания с выхода микроволнового генератора 1 через первый элемент связи 2 направляются в сторону вогнутой металлической пластины 3. Часть этих колебаний после их взаимодействия с контролируемой средой в диэлектрическом трубопроводе 11 с помощью второго элемента связи 4 поступает на вход детектора 5. Одновременно колебания, распространяющиеся в сторону плоской металлической пластины 6, с помощью третьего элемента связи 7 и четвертого элемента связи 8 подаются на соответствующие входы фазометра 9.

Как известно, при взаимодействии электромагнитной волны, например, с анизотропным веществом (см. В.Д.Большаков и др. Радиогеодезические и электрооптические измерения. М.: Недра, 1985, стр.118) показатель преломления h_|| волны с плоскостью поляризации, параллельной силовым линиям поля, может изменяться по закону

где h_┴ - показатель преломления волны с плоскостью, ортогональной силовым линиям приложенного электрического поля, λ - длина волны излучения, Е - напряженность электрического поля, В - коэффициент (постоянная) Керра, Δh - разность показателей преломления поляризованных волн.

Рассмотрим случай зондирования диэлектрического анизотропного потока в диэлектрическом трубопроводе электромагнитной волной. В данном случае падающую волну можно разложить на две одинаковые по амплитуде составляющие, которые поляризованы параллельно и перпендикулярно. При этом эти составляющие распространяются с разной скоростью, поскольку значения показателя преломления для них различаются на величину Δh. В результате на выходе из анизотропной среды между этими составляющими возникает разность фаз Ψ

,

где l - длина пути волны в анизотропной диэлектрической среде.

Сплошность потока S, связанная с физическим состоянием двухфазных 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, стр.237):

где V₁ и V₂ - соответственно объем жидкости и газа на единице длины трубопровода.

Соотношение (3) показывает, что при отсутствии жидкости (S=0) V₁=0 и V₂=макс., а при наличии потока жидкости без газовых включений (S=1) V₁=макс. и V₂=0. Отсюда следует, по величинам объемов V₁ и V₂, рассчитанных по площади поперечного сечения трубопровода при изменении его внутреннего диаметра d от 0 до его максимального значения, можно судить о сплошности газожидкостного потока.

Анализ газожидкостного потока в трубопроводе показывает, что при формировании объема V₁ длина пути l (см. формулу (2)) 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. В результате в формуле (2) 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 d (диаметр трубопровода). В соответствии с этим выражение (2) можно переписать как:

.

Таким образом, при минимальном и максимальном значениях длины пути распространяющейся в измеряемой среде волны, соответствующих отсутствию и наличию потока в трубопроводе, по изменению разности фаз Ψ от 0 до Ψ_макс можно определить сплошность потока. При этом при l=0(S=0) Ψ=0, а при l=d (S=1) Ψ=Ψ_макс.

Анализ выражения (4) показывает, что при изменении электрофизических свойств контролируемого диэлектрического анизотропного потока, влияющих на Δh и Е, точность измерения сплошности может снижаться.

Согласно эффекту Керра для показателей преломления волн с плоскостью поляризации, параллельной и ортогональной силовым линиям электрического поля, можно записать

;

,

где ξ_|| и ξ_┴ - диэлектрические проницаемости анизотропного потока, обуславливающие соответственно преломление волн в параллельном и ортогональном направлениях. Здесь принимается, что магнитные проницаемости потока µ_|| и µ_┴ равны единице. Из этого рассуждения вытекает, что для повышения точности измерения сплошности необходимо получить информацию о параметрах ξ_|| и ξ_┴ при их изменении. Для этого в данном устройстве предлагается измерить, например, ξ_|| потока и затем вычислить ξ_┴. В рассматриваемом случае для измерения параметра ξ_|| используется резонансная частота открытого резонатора, образованного плоской и вогнутой металлическими пластинами 6 и 3.

При возбуждении электромагнитных колебаний в указанном выше открытом резонаторе для его резонансной частоты ω можно записать

,

где l_отр - расстояние между отражателями (пластинами) и равно (m=1,2,3,…); q - целое число (практически q>3); с - скорость распространения волны между отражателями. В данном случае в приведенной формуле вместо l_отр следует использовать геометрическую сумму диаметра диэлектрического трубопровода d и расстояние между центром вогнутой металлической пластины и обращенной к ней поверхностью диэлектрического трубопровода l₁, а вместо с - значение скорости волны при ее распространении через диэлектрический трубопровод с измеряемым анизотропным потоком. В результате эта формула примет вид:

,

где k - параметр, учитывающий влияние диэлектрических свойств данного трубопровода и контролируемого анизотропного диэлектрического потока на скорость распространения волны одновременно.

Параметр k с определенной точностью можно представить как функцию диэлектрических проницаемостей трубопровода ξ_тр и анизотропного потока ξ_||. Здесь следует отметить, что влияние параметра ξ_|| на скорость распространения волны обосновано спецификой работы открытого резонатора. Так как величина ξ_тр зависит от материала, из которого изготовлен трубопровод, то ее в процессе измерения можно считать постоянной. Тогда, как следует из последней формулы, при постоянных значениях d, l₁, ξ_тр и с изменение резонансной частоты ω будет определяться изменением параметра ξ_||. Согласно предлагаемому устройству для измерения резонансной частоты ω с выхода детектора 5 сигнал поступает на вход прибора для исследования АЧХ10, который дает возможность получить информацию о диэлектрической проницаемости анизотропного потока ξ_||.

Ввиду того что Δh=λBE² (см. формулу (1)), для вычисления ξ_┴ можно записать

Из формулы (5) видно, что при известных значениях λ, В, Е и наличии информации о ξ_|| по резонансной частоте ω можно определить величину ξ_┴. В рассматриваемом случае значения λ и Е задаются генератором электромагнитных колебаний, т.е. без учета влияния диэлектрических проницаемостей ξ_|| и ξ_┴ на характеристики распространения волны через анизотропный поток. Кроме того, постоянная Керра, зависящая от свойств данной среды, выбирается с учетом рабочей длины волны, т.е. λ. Следовательно, формула (4) примет вид:

В данном устройстве для измерения Ψ волна с плоскостью поляризации, параллельной силовым линиям поля, улавливается третьим элементом связи 7 и далее переносится на первый вход фазометра 9. Одновременно, волна с плоскостью поляризации, ортогональной силовым линиям поля, через четвертый элемент связи 8 поступает на второй вход фазометра. Следовательно, как видно из формулы (6), при постоянных значениях λ, d, измерением Ψ и вычислением Δh можно обеспечить определение сплошности газожидкостного потока в диэлектрическом трубопроводе.

Таким образом, в заявленном техническом решении показано, что использование плоской и вогнутой металлических пластин в качестве чувствительного элемента сплошномера дает возможность упростить конструкцию преобразователя и повысить точность измерения.

Устройство для определения сплошности газожидкостного потока, протекающего по диэлектрическому трубопроводу, содержащее микроволновой генератор электромагнитных колебаний, чувствительный элемент, первый и второй элементы связи, детектор, соединенный выходом с прибором для исследования амплитудно-частотных характеристик, отличающееся тем, что в него введены третий и четвертый элементы связи, фазометр, чувствительный элемент выполнен в виде плоской металлической пластины, закрепленной на наружной поверхности диэлектрического трубопровода, и вогнутой металлической пластины, установленной против плоской металлической пластины на противоположной стороне диэлектрического трубопровода, причем выход микроволнового генератора через первый элемент связи соединен с вогнутой металлической пластиной, которая через второй элемент связи соединена со входом детектора, плоская металлическая пластина через третий и четвертый элементы связи соединена соответственно с первым и вторым входами фазометра.