Расходомер



Расходомер

 


Владельцы патента RU 2534450:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук (RU)

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения расхода веществ, перемещаемых по трубопроводам, и применимо в пищевой, химической, нефтяной и других отраслях промышленности, в энергетике и др. Предлагаемый расходомер содержит два расположенных вдоль трубопровода с внешней его стороны чувствительных элемента в виде полых волноводов, каждый из которых имеет общую с трубопроводом упругую торцевую стенку, каждый волновод соединен с соответствующим электронным блоком, блок сравнения информативных параметров чувствительных элементов, имеющий два входа, подключенные соответственно к выходам указанных двух электронных блоков, и выход, соединенный с индикатором. При этом в каждом волноводе элемент возбуждения и элемент съема электромагнитных колебаний расположены у одного и того же конца волновода, а частота возбуждаемых в каждом волноводе электромагнитных волн фиксирована и выбрана ниже частоты возбуждения в нем электромагнитных волн низшего типа. Технический результат - упрощение конструкции устройства. 1 ил.

 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения расхода веществ, перемещаемых по трубопроводам, и применимо в пищевой, химической, нефтяной и других отраслях промышленности, в энергетике и др. Во всех этих отраслях преимущественная область применения - измерение расхода в трубах достаточно большого диаметра (более 200 мм).

Известны расходомеры, основанные на разных физических принципах (Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. Л.: Машиностроение (Ленинградское отделение), 1975). В частности, известны описанные в этой книге (главы I-V) расходомеры, основанные на измерении перепада давления в магистралях и связанные с применением расположенных внутри трубопроводов сужающих устройств-сопел различных форм и конструкций. Применение таких расходомеров вызывает нарушение структуры потока, развитие турбулентности, нарушение цельнометаллической конструкции трубопровода при отборе давления. Во многих практических задачах это недопустимо. Например, при измерениях расхода в тяжелых эксплуатационных условиях (на объектах химии, энергетики и др.) необходимо применение приборов, не имеющих указанных недостатков. В то же время применяемые приборы должны быть простыми и надежными в эксплуатации, при проведении ремонтных и регламентных работ, быть взаимозаменяемыми.

Известен также расходомер (пат. РФ №2120111, МКИ G01F 1/56), содержащий два датчика давления, расположенных вдоль длины трубопровода с внешней его стороны в двух сечениях. Каждый из датчиков выполнен в виде волноводного резонатора П-образной формы, имеющего обе, общие с трубопроводом, упругие торцевые стенки. Наличие у каждого из резонаторов упругих торцевых стенок обеспечивает увеличение (вдвое) чувствительности к измеряемому расходу по сравнению с вышеописанным расходомером, у которого каждый резонатор имеет только одну упругую торцевую стенку, общую с трубопроводом.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является расходомер, принятый авторами за прототип (Billeter T.R., Phillipp L.D., Schemmel R.R. Microwave fluid flow monitor. Пат. США N 3939406, НКИ: 324-58.5). Этот расходомер является бесконтактным, не нарушающим структуру и динамику потока. Он содержит два объемных СВЧ-резонатора, которые установлены снаружи трубопровода в разных сечениях вдоль его длины. Каждый из этих резонаторов имеет с трубопроводом общую упругую торцевую стенку (мембрану, диафрагму и т.п.), а также соединенные с каждым резонатором блоки для генерации резонансной (собственной) частоты электромагнитных колебаний резонатора и блок сравнения резонансных частот указанных резонаторов. Выходной сигнал блока сравнения соответствует измеряемому расходу. Такое устройство обеспечивает сохранение цельнометаллической конструкции трубопровода и не содержит внутри него каких-либо конструктивных элементов. Это не приводит к нарушению гидродинамических характеристик и структуры потока. Резонансная частота каждого объемного резонатора является функцией давления внутри трубопровода в том его сечении, в области которого установлен данный резонатор. Эта частота имеет обычно величину порядка нескольких гигагерц и зависит от размеров резонатора, выбранного "рабочего" типа электромагнитных колебаний. При этом изменение давления в трубопроводе приводит к смещению гибкой стенки, общей для резонатора (это его торцевая стенка) и трубопровода, изменяя продольный размер полости резонатора и, как следствие, его резонансную частоту. В трубопроводе давление имеет разную величину в разных его сечениях. Соответствующие этим величинам давления значения прогиба торцевых стенок резонаторов, расположенных вдоль трубопровода в двух его сечениях, также различны. Перепад давления зависит функционально от скорости потока вещества в трубопроводе. Определяя этот перепад давления по разности резонансных частот двух резонаторов, можно найти скорость потока и расход вещества. У такого расходомера чувствительность зависит, помимо других факторов, не связанных с устройством, также и от расстояния между резонаторами, установленными на трубопроводе вдоль его длины.

Увеличения чувствительности расходомера можно добиться путем увеличения этого расстояния между резонаторами, что часто не представляется возможным. Так, например, в устройстве-прототипе для определения скорости жидкого натрия в трубопроводе, равной ~1,8 м/с (минимальная величина) по падению давления, расстояние между резонаторами должно составлять ~3 м. При меньшем расстоянии чувствительность расходомера оказывается недопустимо низкой. При этом существует необходимость в измерении с высокой точностью значений резонансных частот обоих резонаторов, поскольку перемещения мембран, зависящие от давления в области их нахождения, малы по сравнению с размерами полостей резонаторов.

Недостатком устройства-прототипа является достаточно высокая сложность его реализации, обусловленная необходимостью наличия в его конструкции функциональных элементов для требуемого измерения с высокой точностью значений резонансных частот электромагнитных колебаний обоих резонаторов.

Техническим результатом настоящего изобретения является упрощение конструкции устройства.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемом расходомере, содержащем два расположенных вдоль трубопровода с внешней его стороны чувствительных элемента в виде полых волноводов, каждый из которых имеет общую с трубопроводом упругую торцевую стенку, каждый волновод соединен с соответствующим электронным блоком, блок сравнения информативных параметров чувствительных элементов, имеющий два входа, подключенные соответственно к выходам указанных двух электронных блоков, и выход, соединенный с индикатором, при этом в каждом волноводе элемент возбуждения и элемент съема электромагнитных колебаний расположены у одного и того же конца волновода, а частота возбуждаемых в каждом волноводе электромагнитных волн фиксирована и выбрана ниже частоты возбуждения в нем электромагнитных волн низшего типа.

Предлагаемое устройство поясняется фиг.1, где приведена его структурная схема.

На фиг.1 показаны трубопровод 1, волноводные резонаторы 2 и 3, упругие торцевые стенки 4 и 5, элементы связи 6, 7, 8, 9, генераторы электромагнитных колебаний 10 и 11, детекторы 12 и 13, блок сравнения 14, индикатор 15.

Устройство работает следующим образом.

В данном устройстве обеспечивается восприятие значения давления P (за счет измерения величины прогиба упругой торцевой стенки, в частности мембраны) в каждом из двух сечений трубопровода 1. Информативным параметром в данном устройстве является амплитуда E(l) ослабеваемых электромагнитных волн в каждом из двух волноводов, где l - величина прогиба мембраны, точнее ее центральной части относительно ее исходного положения, соответствующего отсутствию движения потока вещества.

Как приведено в описании к устройству-прототипу, падение давления ΔP на участке длиной L между двумя областями расположения резонаторов выражается следующей формулой:

Δ P = ρ μ ν 2 L 144 D 2 g ,

где ρ - плотность вещества, ν - вязкость, D - диаметр трубопровода, µ - коэффициент трения, g - ускорение свободного падения.

Изменение скорости потока и расхода вещества приводит к соответствующим изменениям величины коэффициента трения, который зависит также от степени шероховатости стенок трубопровода. Упругая стенка может быть изготовлена, например, из нержавеющей стали. Толщина диафрагмы может составлять 0,1÷0,2 мм, а диаметр ~10÷40 мм (в зависимости от диаметра трубопровода).

В предлагаемом устройстве осуществляют возбуждение электромагнитных волн в волноводе на частоте, которая ниже критической частоты для волны низшего типа, при этом вдоль волновода существует только реактивное поле, убывающее при удалении от возбуждающего элемента у одного из торцов каждого волновода.

Условием распространения электромагнитных волн по любому волноводу является выполнение неравенства: f>fкр, которому должны удовлетворять рабочая частота f и критическая частота fкр для волны низшего типа, в частности в круглом волноводе - для волны типа H11. Для волн типа H11 будем иметь fкр=2c/3,41D, где D - диаметр волновода (Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Т.1. М.: Высшая школа. 1970. С.78-94). При f<fкр имеет место запредельный режим, при котором распространения волн по волноводу не происходит, а существует только ослабевающее реактивное поле, убывающее при удалении от элемента возбуждения волн. В запредельном волноводе поле изменяется вдоль координаты z (оси волновода) по закону:

E = E m e α z e j ω t , H = H m e α z e j ω t , ( 1 )

а постоянная ослабления α есть

α = 2 π ε μ c f к р 2 f 2 ( 2 )

В этих формулах Em и Hm - амплитуды напряженности соответственно электрического и магнитного полей при z=0; ω=2πf; ε и µ - соответственно диэлектрическая и магнитная проницаемость вещества в волноводе, c - скорость света.

Выбирая соотношение между f и fкр, можно управлять величиной ослабления α.

В предлагаемом устройстве к трубопроводу 1 в двух его сечениях вдоль него подсоединены снаружи к нему два волновода 2 и 3 одним из своих торцов 3 и 4 соответственно (фиг.1). В качестве такой торцевой стенки каждого из волноводов 2 и 3 применяют гибкую металлическую мембрану. Величина прогиба мембран 3 и 4 зависит от скорости потока (расхода) жидкости в трубопроводе 1.

В волноводах 2 и 3, располагаемых на поверхности трубопровода 1 и имеющих с ним общие стенки 3 и 4 соответственно, являющиеся гибкими металлическими мембранами, возбуждают через элементы связи 6 и 8 с помощью соответствующего генератора фиксированной частоты (10 и 11) электромагнитные волны на частоте f, меньшей критической частоты fкр для этого волновода (фиг.1). Напряженность электрического поля E и магнитного поля H при удалении от элемента связи спадает в соответствии с соотношением (1). При этом значение E (и H) зависит от величины прогиба l торцевой мембраны каждого из волноводов 2 и 3. У того же торца каждого из волноводов 2 и 3 (фиг.1) принимаемые сигналы поступают через соответствующие элементы связи 7 и 9 на детекторы 12 и 13 соответственно. Затем продетектированные сигналы поступают на входы блока сравнения 14 для определения амплитуды E(l) сигнала, служащего информативным параметром. Выход блока сравнения 14 подсоединен к регистратору 15.

Выражение для E(z) должно учитывать распространение электромагнитных волн вдоль волновода, а также и их отражение от его торца - гибкой торцевой мембраны (3 и 4 у волновода 2 и 3 соответственно).

Для схемы устройства на фиг.1 амплитуда напряженности результирующего электромагнитного поля E(z) в некотором сечении с координатой z в данном случае есть

E ( z ) = E m ( e α z e α z 2 α l ) ( 3 )

где Em - амплитуда напряженности зондирующего электромагнитного поля при z=0, то есть у элемента связи 4, где z=0; l - расстояние, отсчитываемое от элемента связи 4.

Величина коэффициента α определяется соотношением (2).

Величина l определяется степенью прогиба гибкой мембраны (3 или 4) в месте ее расположения и, следовательно, зависит от давления P в каждом из двух сечений трубопровода 1: l=l0+l(P), где l0 - значение l при нулевом прогибе мембраны, т.е. при P=0; l(P) - величина прогиба мембраны в области ее расположения.

Следовательно, как следует из (3), амплитуда результирующего значения напряженности электромагнитного поля в сечении с координатой z=0 есть

E ( P ) = E m ( 1 e 2 α l ( P ) ) ( 4 )

Для волноводов 2 и 3 с гибкими мембранами соответственно 4 и 5 будем иметь

E 1 ( P 1 ) = E m 1 ( 1 e 2 α 1 l 1 ( P 1 ) ) ( 5 )

E 2 ( P 2 ) = E m 2 ( 1 e 2 α 2 l 2 ( P 2 ) ) ( 6 )

где индексы 1 и 2 при символах E, Em, α, P и l соответствуют мембранам 4 и 5 (т.е. волноводам 2 и 3).

Разность E(Q) значений амплитуд E1(P1) и E2(P2) является здесь информативным параметром, позволяя определить искомый расход Q жидкости в трубопроводе 1:

E ( Q ) = E 1 ( P 1 ) E 2 ( P 2 ) = E m 1 ( 1 e 2 α l 1 ( P 1 ) ) E m 2 ( 1 e 2 α l 2 ( P 2 ) ) ( 7 )

Если волноводы 2 и 3 идентичны (для них Em1=Em2=Em; α12=α), то тогда

E ( Q ) = E m ( e 2 α l 2 ( P 2 ) e 2 α l 1 ( P 1 ) ) ( 8 )

Величина E(Q) является монотонной функцией Q, позволяя однозначно определять искомый расход жидкости, перемещаемой по трубопроводу.

Данное устройство характеризуется достаточно простой его конструкцией и реализацией. Оно не требует наличия объемных резонаторов и специальных прецизионных схемных элементов для высокоточного измерения их резонансных частот. Здесь требуется наличие лишь двух генераторов электромагнитных колебаний фиксированной частоты, двух волноводов с соответствующей торцевой гибкой металлической мембраной, общей со стенкой трубопровода, двух детекторов, блока определения разности принимаемых амплитуд и регистратора. При этом точность измерения может быть достаточно высокой: амплитуда принимаемых колебаний соответствует ослабеваемому реактивному электромагнитному полю в волноводах и не связана с омическими потерями электромагнитной энергии в них.

Для трубопроводов конкретных размеров выбором частоты f каждого генератора, подсоединенного к соответствующему измерительному волноводу, можно оптимизировать чувствительность расходомера в рабочем диапазоне изменения расхода.

Таким образом, в предлагаемом расходомере за счет проведения в каждом из двух волноводных резонаторов измерений на фиксированной частоте, меньшей критической частоты возбуждения в нем распространяющихся электромагнитных волн, достигается поставленная цель - упрощение конструкции. Такой расходомер может иметь широкое практическое применение для измерения расхода различных веществ, перемещаемых по трубопроводам, без введения каких-либо элементов внутрь трубопровода.

Расходомер, содержащий два расположенных вдоль трубопровода с внешней его стороны чувствительных элемента в виде полых волноводов, каждый из которых имеет общую с трубопроводом упругую торцевую стенку, каждый волновод соединен с соответствующим электронным блоком, блок сравнения информативных параметров чувствительных элементов, имеющий два входа, подключенные соответственно к выходам указанных двух электронных блоков, и выход, соединенный с индикатором, отличающийся тем, что в каждом волноводе элемент возбуждения и элемент съема электромагнитных колебаний расположены у одного и того же конца волновода, а частота возбуждаемых в каждом волноводе электромагнитных волн фиксирована и выбрана ниже частоты возбуждения в нем электромагнитных волн низшего типа.



 

Похожие патенты:

Способ контроля расхода и дозирования сыпучего материала включает пропуск материала из транспортера через входной патрубок на потокочувствительную турбинку типа лопастного метателя с горизонтальной осью вращения, приводимую в движение электродвигателем.

Способ относится к методам производственного контроля расхода и дозирования сыпучих материалов и может найти применение в отраслях промышленности, перерабатывающих сыпучие материалы.

Изобретение относится к силовой преобразовательной технике и является DC/DC-преобразователем с трансформаторной связью между источником питания и нагрузкой. Технический результат заключается в повышении эффективности и надежности заявленного устройства.

Датчик содержит корпус в виде цилиндра с входным и выходным отверстиями, резонатор, вибратор расходомера и термочувствительный элемент, расположенные внутри корпуса, датчик возбуждения колебаний расходомера, датчик съема колебаний расходомера, датчик возбуждения колебаний плотномера, датчик съема колебаний плотномера, усилитель расходомера, усилитель плотномера, преобразователь, регистратор плотности и температуры и регистратор расхода.

Изобретение относится к области гидрометрии и может быть использовано, в частности, для определения количества воды, прошедшей через бытовой фильтр. .

Изобретение относится к сельскому хозяйству. .

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для определения расхода жидкой и газообразной среды. .

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к измерению расхода природного газа, в частности, добываемого на газоконденсатных месторождениях и содержащего жидкую углеводородную фазу в капельном или парообразном состоянии.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано на продуктивных газоконденсатных скважинах, на установках подготовки газа к транспорту, установках первичной переработки газа для определения расхода газа, расхода жидкости, доли воды и доли конденсата в жидкости без разделения продукта добычи на газообразную и жидкую фазы.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения уровня жидкости или ее расхода в открытых искусственных каналах типа желобов, лотков произвольного профиля.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения расхода воды, бензина, дизельного топлива, керосина. Устройство для измерения расхода жидкой среды содержит трубопровод из диэлектрического материала, постоянные магниты, расположенные по разные стороны от трубопровода, и колебательный контур, состоящий из катушки индуктивности и конденсатора, обкладки которого расположены по обе стороны от трубопровода. В колебательном контуре возбуждают резонансные колебания электромагнитного поля. Жидкая среда, перемещающаяся в постоянном магнитном поле, поляризуется под действием сил Лоренца, вследствие чего изменяется электрическое поле конденсатора колебательного контура, диэлектрическая проницаемость жидкой среды и длительность первого и второго полупериодов резонансных колебаний электромагнитного поля колебательного контура. Расход жидкой среды определяют по изменению длительности первого или второго полупериодов резонансных колебаний электромагнитного поля колебательного контура. Технический результат - повышение точности измерений. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Настоящее изобретение относится к обработке жидкой среды и главным образом к измерениям технологического потока и управлению им. В частности, изобретение относится к способам измерения для электромагнитных расходомеров. Устройство содержит участок трубопровода для технологического потока, катушку для создания магнитного поля поперек участка трубопровода, источник тока для возбуждения катушки для создания магнитного поля и электрод для обнаружения электродвижущей силы, индуцированной поперек технологического потока с помощью магнитного поля. Источник тока возбуждает катушку на множестве различных частот импульсов. Процессор вычисляет функцию электродвижущей силы на множестве различных частот импульсов и генерирует выходное значение расхода, основанное на функции. Технический результат - улучшение точности измерения потока и защита от неисправностей. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к технике измерения расхода электропроводных жидкостей с помощью электромагнитных расходомеров. Способ измерения расхода электропроводных жидкостей реализуется с помощью первичного преобразователя расхода, на трубопроводе которого расположена магнитная система с обмотками возбуждения и установлены два диаметрально-противоположно расположенных электрода. Запитка обмоток возбуждения осуществляется двухполярным импульсным током от программно-управляемого источника тока. Сигнал с электродов, пропорциональный расходу, поступает на измерительный усилитель, преобразуется в цифровой код в АЦП и подается на процессор. При расходе, соответствующем переходному значению, процессор по определенному алгоритму выдает команду регулятору и управляемому источнику тока на ступенчатое увеличение тока запитки, что приводит к увеличению индукции магнитного поля в первичном преобразователе расхода и, как следствие, к увеличению сигнала с электродов. Процессор формирует выходной сигнал, пропорциональный расходу в цифровом виде. Технический результат - повышение точности измерения расхода и расширение диапазона измерения расхода. 3 ил.

Способ измерения расхода электропроводных жидкостей относится к области приборостроения, а именно к технике измерения расхода электропроводных жидкостей с помощью электромагнитных расходомеров. Способ реализуется посредством трубопровода первичного преобразователя расхода с установленными на нем обмотками возбуждения магнитной системы. В трубопроводе установлены два диаметрально противоположно расположенных электрода. Запитка обмоток возбуждения осуществляется от программно-управляемого источника двухполярного импульсного тока. Сигнал с электродов, пропорциональный расходу, поступает на измерительный усилитель, преобразуется в цифровой код в АЦП и подается в процессор. Процессор по определенному алгоритму посредством регулятора управляет источником тока запитки. Выходной сигнал, пропорциональный току запитки, расходу Q и не зависящий от электрических процессов на электродах, снимается с резистора R, включенного последовательно в цепь запитки, преобразуется в цифровой код в АЦП и поступает в процессор. Процессор формирует сигнал, пропорциональный расходу в цифровом виде. Технический результат - возможность создания электромагнитных расходов с повышенной точностью в широком диапазоне измерения расхода. 3 ил.
Наверх