Устройство для измерения скорости потока вещества



Устройство для измерения скорости потока вещества

 


Владельцы патента RU 2415440:

Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН (RU)

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах управления технологическими процессами. Устройство содержит: генератор электромагнитных колебаний с перестраиваемой частотой; первый и второй датчики, выполненные в виде тороидальных резонаторов; первый и второй детекторы; первый и второй измерители амплитудно-частотных характеристик; тройник и коррелятор. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения. 1 ил.

 

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

Известно устройство, реализуемое доплеровским СВЧ-измерителем расхода криогенных жидких сред (см. В.В.Викторов и др. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин, М.: «Наука», 1978, стр.265-266), в котором по доплеровской частоте, отфильтрованной из спектра частот выходного сигнала смесителя, определяют скорость шугообразных частиц в потоке.

Недостатком этого известного устройства является нестабильность, связанная со сложностью выделения из спектра частот доплеровского сигнала.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятый автором за прототип СВЧ-рачходомер (см. В.В.Викторов и др. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин, М.: «Наука», 1978, стр.269), в основе построения которого лежит измерение резонансных частот.

Данное устройство содержит расположенные вдоль трубопровода два датчика, воспринимающие статическое давление, по перепаду которого между этими датчиками судят о скорости жидкости. Каждый из датчиков содержит объемный резонатор, резонансная частота которого является функцией статического давления контролируемой жидкости. В предпочтительном варианте каждый из резонаторов, имеющий цилиндрическую форму, располагается на поверхности трубопровода. Общая для резонатора и трубопровода стенка представляет собой гибкую мембрану. Перемещение мембраны вследствие изменения давления вызывает изменение продольного размера резонатора и соответственно его резонансной частоты.

Недостатком этого устройства следует считать погрешность из-за линейного теплового расширения материала гибкой мембраны при изменении температуры окружающей среды.

Задачей заявляемого технического решения является повышение точности измерения.

Поставленная задача достигается тем, что в устройство для измерения скорости потока вещества, перемещаемого по трубопроводу, содержащее генератор электромагнитных колебаний с перестраиваемой частотой, первый и второй датчики, подключенные выходами через первый и второй детекторы к входам первого и второго измерителей амплитудно-частотных характеристик соответственно, введены тройник и коррелятор, первый и второй датчики выполнены в виде тороидальных резонаторов, которые сочленены резонансными полостями с трубопроводом в разных его сечениях, при этом выход генератора электромагнитных колебаний с перестраиваемой частотой соединен с первым плечом тройника, второе плечо тройника подключено ко входу первого датчика, третье плечо тройника соединено со входом второго датчика, выход первого измерителя амплитудно-частотных характеристик соединен с первым входом коррелятора, второй вход которого подключен к выходу второго измерителя амплитудно-частотных характеристик.

Существенными отличительными признаками указанной выше совокупности является наличие тройника, коррелятора и тороидальных резонаторов.

В заявляемом техническом решении благодаря свойствам перечисленных признаков определение максимума взаимно корреляционной функции двух частотных сигналов тороидальных резонаторов дает возможность решить поставленную задачу:

обеспечить высокую точность измерения скорости потока вещества, перемещаемого по трубопроводу.

На чертеже приведена функциональная схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит генератор электромагнитных колебаний с перестраиваемой частотой 1, тройник 2, первый тороидальный резонатор 3, второй тороидальный резонатор 4, первый детектор 5, второй детектор 6, первый измеритель амплитудно-частотных характеристик 7, второй измеритель амплитудно-частотных характеристик 8, соединенный выходом со вторым входом коррелятора 9. На чертеже цифрой 10 обозначен трубопровод.

Устройство работает следующим образом. С выхода генератора электромагнитных колебаний с перестраиваемой частотой 1 сигнал поступает на первое плечо тройника 2. Здесь по принципу действия тройника (волноводный) сигнал делится поровну между вторым и третьим плечами. После этого сигналы, снимаемые со второго и третьего плеч тройника, вводят соответственно в резонансные полости первого 3 и второго 4 тороидальных резонаторов. В рассматриваемом случае первый и второй тороидальные резонаторы сочленены с трубопроводом 10 резонансными полостями в разных его сечениях. При этом в местах сочленения сечение трубопровода должно соответствовать сечениям резонансных полостей первого и второго тороидальных резонаторов, т.е. вещество должно перемещаться по трубопроводу и резонансным полостям беспрепятственно и с одной и той же скоростью.

При отсутствии вещества в трубопроводе (резонансных полостях) возбуждают электромагнитные колебания в первом и втором резонаторах. В данном случае наличие резонанса контролируется сигналами, выведенными из резонансных полостей первого и второго резонаторов с помощью первого и второго детекторов. Эти сигналы далее передаются на соответствующие входы первого 7 и второго 8 измерителей амплитудно-частотных характеристик. В этих измерителях определяют собственные резонансные частоты тороидальных резонаторов и отслеживают их изменения.

Наличие вещества в трубопроводе и резонансных полостях приводит к тому, что резонансные частоты тороидальных резонаторов изменяются, и они могут быть определены как (см. И.В. Лебедев. Техника и приборы СВЧ. М: Высшая школа, 1970, стр.349-350)

;

,

где ω10 и ω20 - резонансные частоты первого и второго тороидальных резонаторов соответственно; r10 и r20 - радиусы резонансных полостей первого и второго тороидальных резонаторов соответственно; R1 и R2 - соответственно наружные радиусы первого и второго тороидалных резонаторов; d1 и d2 - высоты резонансных полостей первого и второго тороидальных резонаторов; ε и µ - диэлектрическая и магнитная проницаемость вещества соответственно; ε0 и µ0 - диэлектрическая и магнитная проницаемость вакуума соответственно. Пусть рассматриваемые тороидальные резонаторы идентичны по конструкции, т.е. r10=r20=r0; R1=R2=R; d1=d2=d. Тогда при µ≈1 для одного из тороидальных резонаторов можно принимать, что

где ω0 - резонансная частота одного из тороидальных резонаторов.

Из этой формулы видно, что при постоянных значениях r0, R, d, µ0 и ε0 по резонансной частоте ω0 одного из тороидальных резонаторов можно судить о диэлектрической проницаемости вещества.

Согласно предлагаемому техническому решению, так как тороидальные резонаторы сочленены с трубопроводом в разных его сечениях, их амплитудно-частотные характеристики (АЧХ), наблюдаемые на экранах соответственно первого и второго измерителей амплитудно-частотных характеристик, при перемещении вещества по трубопроводу должны быть смещены во времени. Если принимать, что поток вещества сначала проходит резонансную полость первого резонатора, а затем второго, то АЧХ первого резонатора должна опережать во времени АЧХ второго резонатора и наоборот. При этом запаздывание во времени τ3 АЧХ второго резонатора относительно АЧХ первого резонатора может быть определено отношением расстояния l между центрами тороидальных резонаторов к скорости потока вещества в трубопроводе. Таким образом, в данном случае определение скорости потока вещества υn предусматривает (при постоянном расстоянии l) оценку времени задержки τ3 АЧХ второго резонатора от АЧХ первого. Для этого в рассматриваемом случае выходные сигналы первого и второго измерителей амплитудно-частотных характеристик, соответствующие АЧХ первого и второго тороидальных резонаторов, поступают на соответствующие входы коррелятора 8. Здесь для оценки τ3 используется максимум взаимно корреляционной функции двух входных сигналов коррелятора (частотные сигналы двух тороидальных резонаторов). Согласно теории взаимно корреляционных функций задержкой опережающего сигнала (АЧХ первого резонатора) на время τ и равенством τ=τ3 можно добиться максимума корреляционно обрабатываемых сигналов. Следовательно, измеряя время, при котором достигается максимум взаимно корреляционной функции частотных сигналов тороидальных резонаторов, можно определить скорость потока вещества в трубопроводе.

Таким образом, в заявляемом техническом решении показано, что на основе определения максимума взаимно корреляционной функции частотных сигналов двух тороидальных резонаторов, сочлененных с трубопроводом в разных его сечениях, можно обеспечить повышение точности измерения скорости потока вещества.

Устройство для измерения скорости потока вещества, перемещаемого по трубопроводу, содержащее генератор электромагнитных колебаний с перестраиваемой частотой, первый и второй датчики, подключенные выходами через первый и второй детекторы к входам первого и второго измерителей амплитудно-частотных характеристик соответственно, отличающееся тем, что в него введены тройник и коррелятор, первый и второй датчики выполнены в виде тороидальных резонаторов, которые сочленены резонансными полостями с трубопроводом в разных его сечениях, причем выход генератора электромагнитных колебаний с перестраиваемой частотой соединен с первым плечом тройника, второе плечо тройника подключено к входу первого датчика, третье плечо тройника соединено с входом второго датчика, выход первого измерителя амплитудно-частотных характеристик соединен с первым входом коррелятора, второй вход которого подключен к выходу второго измерителя амплитудно-частотных характеристик.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для измерения пульсаций скорости потока электропроводящей жидкости, и может быть применено для измерения компонент вектора скорости течения с низким уровнем собственных шумов и, следовательно, с высокой разрешающей способностью, при исследованиях мелкомасштабной турбулентности в лабораторных и натурных условиях.

Изобретение относится к области исследования гидрофизических полей. .

Изобретение относится к области навигационного приборостроения и предназначено для использования в индукционных лагах быстроходных судов. .

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к электромагнитным устройствам для измерения скорости электропроводящей жидкости, и может быть использовано для измерения скорости, например, судов.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения скорости потока электропроводящей жидкости, например морской воды. .

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения скорости потока электропроводящей жидкости, например морской воды. .

Изобретение относится к области измерительной техники. .

Изобретение относится к навигации, в частности к средствам управления движением морских и речных судов. .

Изобретение относится к области исследования гидрофизических полей и может быть использовано при проведении экологических исследований, в океанологии и других областях техники, где требуется вести контроль параметров турбулентных пульсаций скорости в морской среде.

Изобретение относится к измерительной технике по ультразвуковым (у.з.) расходомерам, а именно к способам и устройствам измерения расхода объема и массы жидких и газовых сред в напорных трубопроводах круглого сечения.

Изобретение относится к созданию ячейки для измерения потока и кожуха для полностью электронного водомерного устройства. .

Изобретение относится к области измерения расхода газа. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в информационно-измерительных системах нефтеперерабатывающей, нефтедобывающей, химической и других отраслей промышленности.

Изобретение относится к способу определения и/или контроля параметра процесса. .

Изобретение относится к способу определения объемного или весового расхода среды в трубопроводе или в измерительной трубе посредством способа захвата звука. .

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к ультразвуковым способам измерения расхода жидких и/или газообразных сред и устройствам для его осуществления
Наверх