Устройство для измерения массового расхода жидких и сыпучих сред



Устройство для измерения массового расхода жидких и сыпучих сред
Устройство для измерения массового расхода жидких и сыпучих сред

 


Владельцы патента RU 2585320:

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

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного измерения скорости потока и расхода жидких и сыпучих сред в трубопроводах. В частности, при трубопроводной транспортировке нефтепродуктов и сжиженных газов. Устройство для измерения расхода жидких и сыпучих сред содержит генератор СВЧ, соединенный с его выходом делитель мощности, два циркулятора, первые выводы циркуляторов соединены с выходами делителя мощности, вторые выводы соединены с приемо-передающими антеннами, направленными под одинаковым углом по направлению потока и против него, третьи выводы соединены с входами смесителя, выход смесителя соединен с вычисляющим устройством. Технический результат - повышение чувствительности измерения скорости потока. 1 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного измерения скорости потока и расхода жидких и сыпучих сред в трубопроводах. В частности, при трубопроводной транспортировке нефтепродуктов, сжиженных газов и др.

В настоящее время известны и применяются много типов анеометров и расходомеров, основанных на разных физических принципах действия, среди которых актуальны доплеровские радиоволновые способы измерения скорости потока из-за своей способности работать в сложных эксплуатационных условиях (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат, 1989. 133-144 с.). Эти способы не предполагают применение элементов внутри труб, контактирующих со средой, создающих препятствия и неоднородности в потоке, устойчивы к температурным характеристикам эксплуатации. Обычно функциональная схема доплеровского измерителя в простейшем случае содержит генератор электромагнитных колебаний, которые поступают на передающую антенну. Излучаемые антенной волны через радиопрозрачное окно в стенке трубопровода поступают внутрь и рассеиваются на неоднородностях движущегося вещества и поступают на приемную антенну с частотой f, отличной от частоты f0 зондирующей волны на частоту fд. Неоднородностями вещества при этом могут быть частицы сыпучего материала, газовые и твердые включения в жидкости, твердые частицы и капли жидкости в потоке газа, обладающие электрофизическими параметрами ε, отличными от таковых для контролируемого вещества. Направления движения неоднородностей образуют различные углы с направлением этой волны. Произвольная ориентация неоднородностей, случайные значения фазы отраженных каждой неоднородностью сигналов приводят к образованию доплеровского сигнала сложной формы. Тем не менее, средняя доплеровская частота связана со средней скоростью потока ν ¯ по формуле:

где α - угол между направлением излучения и потоком в трубе, - длина волны в среде измерения, а ε - ее диэлектрическая проницаемость, c - скорость света в вакууме. Зная объемную плотность ρ вещества и скорость ν потока, можно определить массовый расход:

где S - площадь поперечного сечения потока на измерительном участке. Подставив значение v из выражения (1) в (2), получим выражение для среднего массового расхода

Как видно из формулы на точность определения расхода при постоянных величинах плотности и диэлектрической проницаемости сильно влияет точность определения средней доплеровской частоты.

Известно техническое решение - доплеровский расходомер, содержащий генератор СВЧ, направленный ответвитель, циркулятор, приемо-передающую антенну, смеситель, полосовой фильтр, регистрирующее устройство, по технической сущности наиболее близкое к предлагаемому устройству и принятое в качестве прототипа (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат, 1989. 136-137 с.). Доплеровский сигнал в данном устройстве выделялся на выходе смесителя, на один вход которого поступал опорный сигнал от задающего генератора через направленный ответвитель, а на второй - сигнал, отраженный от потока вещества после облучения его через приемо-передающую антенну под углом α к потоку в трубе через радиопрозрачное окно. При этом для связи между генератором, антенной и смесителем использовался циркулятор. После фильтрации и записи доплеровского сигнала определялся его спектр, по максимуму которого определялась средняя доплеровская частота, по которой оценивался расход в соответствии с формулой (3).

Данное измерительное устройство имеет существенный недостаток. Поскольку поток вещества имеет заметную турбулентность и локальные неоднородности, спектр доплеровского сигнала имеет сложный вид, зачастую с рядом равноценных пиков, что затрудняет определение максимума. Это происходит еще и из-за того, что в полосу частот фильтра попадают паразитные сигналы от вибраций трубопровода, которые имеют место при использовании расходомера в условиях технологического процесса. Все это снижает точность определения массового расхода.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерения.

Технический результат достигается тем, что устройство для измерения расхода жидких и сыпучих сред содержит генератор СВЧ, циркулятор, приемо-передающую антенну, направленную через радиопрозрачное окно в трубопроводе под углом к направлению движения потока, смеситель, вычислительный блок, соединенный с выходом смесителя. Дополнительно содержит делитель мощности, входом соединенный с выходом генератора СВЧ, второй циркулятор и вторую приемопередающую антенну, направленную через радиопрозрачное окно в трубопроводе под тем же углом, в противоположном направлении к движению потока, при этом первые выводы циркуляторов соединены с выходами делителя мощности, вторые выводы соединены с приемо-передающими антеннами, а третьи выводы соединены с входами смесителя.

Предлагаемое устройство поясняется чертежом, где приведена его структурная схема.

Устройство содержит генератор СВЧ 1, делитель мощности 2, циркуляторы 3 и 6, приемопередающие антенны 4 и 5, смеситель 7 и вычислительный блок 8.

Устройство работает следующим образом.

Электромагнитные колебания генератора СВЧ 1 с частотой f0 делятся пополам на делителе мощности 2, после чего поступают через циркуляторы 3 и 6 на приемопередающие антенны 4 и 5, после чего излучаются через радиопрозрачные окна 10 в трубопроводе 9. Антенны расположены таким образом, что их излучение для одной направлено под углом α по направлению потока, а для другой - против направления потока под этим же углом α.

Средняя принимаемая каждой из антенн мощность, рассеянная потоком -

где Риз - излучаемая мощность; G - коэффициент усиления каждой из антенн; λ - длина зондирующей волны в среде; - площадь эффективного сечения рассеяния от неоднородностей в среде; - среднее эффективное расстояние между антенной и неоднородностями в среде. Предположим, что концентрация неоднородностей в трубопроводе одинакова, а сами они совершают хаотические небольшие перемещения с равной вероятностью по разным направлениям, что происходит при наличии турбулентности. Если в трубопроводе нет никакого течения, то на смеситель приходят от антенн две совокупности сигналов с одинаковым спектром - , где N - число неоднородностей в зоне действия антенн, Ai - амплитуда сигнала с частотой fi отраженного от i-ой неоднородности. Частота fi отличается от f0 на некоторую доплеровскую составляющую, носящую случайный характер и вызванную случайным вектором скорости , где αi - угол между направлением излучения и вектором скорости ν i i-ой частицы в среде. В результате на выходе смесителя будет минимальный уровень из-за взаимного вычитания сигналов с одинаковым вероятностным распределением.

При наличии течения со средней скоростью потока ν ¯ неоднородности приобретают дополнительное направленное движение вдоль трубопровода в направлении, показанном на чертеже. Тогда принимаемые антеннами 4 и 5 электромагнитные колебания для антенн, направленных против потока Sf- и по нему Sf+ под одинаковыми углами α, в соответствии с законом Доплера, определятся как

и

где .

Сигнал на выходе смесителя будет равен разности частот входящих сигналов Sf- и Sf+

, а будет определена как частота максимума этого спектра. Таким образом, частота среднего доплеровского сигнала в этом случае будет в два раза выше, чем у прототипа, при той же средней скорости потока ν ¯ . Определение , скорости потока и массового расхода согласно формулам (1) и (3) происходит в вычислительном блоке 8.

В результате чувствительность измерения скорости потока и расхода по доплеровской частоте согласно формулам (1) и (3) возрастает в два раза, что приводит к увеличению точности. Кроме этого дифференциальная схема измерения приводит к тому, что паразитные сигналы от вибраций и турбулентностей из-за своей синфазности одинаково воздействуют на оба канала и их частоты вычитаются, а остаются только составляющие, связанные с направлением течения потока, что позволяет определить максимум спектра доплеровского сигнала со значительно большей точностью.

Устройство для измерения расхода жидких и сыпучих сред, содержащее генератор СВЧ, циркулятор, приемо-передающую антенну, направленную через радиопрозрачное окно в трубопроводе под углом к направлению движения потока, смеситель, вычислительный блок, соединенный с выходом смесителя, отличающееся тем, что содержит делитель мощности, входом соединенный с выходом генератора СВЧ, второй циркулятор и вторую приемопередающую антенну, направленную через радиопрозрачное окно в трубопроводе под тем же углом, в противоположном направлении к движению потока, при этом первые выводы циркуляторов соединены с выходами делителя мощности, вторые выводы соединены с приемо-передающими антеннами, а третьи выводы соединены с входами смесителя.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения прохождения сигналов через контролируемую среду в трубопроводе. Способ прохождения сигналов через контролируемую среду заключается в том, что формируют исходный сигнал, обеспечивают его передачу в прямом направлении через контролируемую среду, как минимум, по одной передающей электрической цепи, принимают сигнал, прошедший в прямом направлении через контролируемую среду, как минимум, по одной приемной электрической цепи, обеспечивают передачу сформированного исходного сигнала в обратном направлении через контролируемую среду, как минимум, по одной приемной электрической цепи, принимают сигнал, прошедший в обратном направлении через контролируемую среду, как минимум, по одной передающей электрической цепи и обеспечивают, таким образом, прохождение сигналов через контролируемую среду.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в устройствах для измерений расхода газа в трубопроводах. Заявлен способ измерения расхода газа в трубопроводах и устройство для его осуществления.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам измерения расхода жидкостей и газов в трубопроводах без контакта с контролируемой средой. Изобретение может быть использовано во многих областях промышленности и жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ), в том числе там, где требуется измерение расхода на коротких прямых участках трубопровода.

Использование: для измерения расхода высокотемпературной текучей среды. Сущность изобретения заключается в том, что ультразвуковой датчик содержит пьезоэлектрический вибратор, выполненный из ниобата лития и имеющий в качестве поверхности выхода поверхность, полученную путем поворота поверхности, перпендикулярной оси Υ кристалла ниобата лития, на угол 36°±2° вокруг оси X; демпфер, выполненный из титана; и соединяющий слой для соединения одной поверхности демпфера с поверхностью выхода; при этом соединяющий слой выполнен из серебра и стеклянной фритты, причем стеклянная фритта имеет коэффициент линейного расширения в диапазоне от 5×10-6 K-1 до 15×10-6 K-1.

Использование: для измерения потока. Изобретение относится к измерению потока, в частности к системе измерения потока путем пространственного пересечения множества путей приема-передачи друг с другом внутри трубопровода.

Предложены система и способ ультразвукового измерения расхода. В одном варианте реализации ультразвуковая измерительная система для измерения расхода содержит канал для потока текучей среды и множество ультразвуковых расходомеров.

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение для измерения расхода сред в различных отраслях промышленности, связанных с транспортировкой жидких и газообразных сред по трубопроводам, например в нефтеперерабатывающей, нефтегазодобывающей отраслях, в системах ЖКХ, энергетике.

Изобретение относится к ультразвуковым расходомерам для измерения расхода жидкости и газа. Расходомер содержит основной корпус расходомера, кожух, камеру, расположенную между кожухом и основным корпусом расходомера, охватывающий корпус, соединенный с основным корпусом расходомера и выполненный с возможностью размещения электронных средств.

Изобретение относится к блоку из ультразвукового преобразователя и держателя преобразователя. Блок из ультразвукового преобразователя (1) и держателя (2) преобразователя, причем ультразвуковой преобразователь (1) имеет корпус (3) преобразователя и преобразовательный элемент (4), причем корпус (3) преобразователя имеет ультразвуковое окно (5), корпусную трубку (6) и корпусный фланец (7), причем преобразовательный элемент (4) предусмотрен либо вблизи от ультразвукового окна (5) корпуса преобразователя или на удалении от ультразвукового окна корпуса преобразователя, причем держатель (2) преобразователя имеет фланец (8) держателя, и причем корпусный фланец (7) корпуса (3) преобразователя с помощью контрфланца (9) с промежуточным включением уплотнительного кольца (10) прижат к фланцу (8) держателя держателя (2) преобразователя.

Изобретение относится к ультразвуковому преобразователю. Ультразвуковой преобразователь как существенная часть ультразвукового расходомера, с корпусом преобразователя, имеющим ультразвуковое окно, корпусную трубку и корпусный фланец, и преобразовательным элементом, выполненным для передачи и приема ультразвуковых волн и предусмотренным либо вблизи ультразвукового окна корпуса преобразователя, либо на удалении от ультразвукового окна корпуса преобразователя, причем предусмотрена относительно мягкая механическая система сопряжения, предпочтительно имеющая по меньшей мере один слабо связанный механический резонатор или по меньшей мере два слабо связанных механических резонатора, отличается тем, что предусмотрена вторая мягкая механическая система сопряжения, причем из двух систем сопряжения одна система сопряжения расположена с ближней к ультразвуковому окну стороны корпусного фланца, а другая система сопряжения расположена с дальней от ультразвукового окна стороны корпусного фланца, при этом система сопряжения, предусмотренная с ближней к ультразвуковому окну стороны корпусного фланца, на своем ближнем к ультразвуковому окну конце соединена с корпусной трубкой, а на своем удаленном от ультразвукового окна конце соединена с корпусным фланцем, и система сопряжения, предусмотренная с дальней от ультразвукового окна стороны корпусного фланца, на своем удаленном от ультразвукового окна конце соединена с корпусной трубкой, а на своем ближнем к ультразвуковому окну конце соединена с корпусным фланцем.

Изобретение относится к акустическим расходомерам для неинвазивного определения потока или интенсивности расхода в проточных для сред электропроводящих объектах, прежде всего в трубах или трубопроводах. Акустический расходомер содержит передающий преобразователь для создания в объекте по меньшей мере одной ультразвуковой волны, вводимой в среду на обращенной к среде внутренней стороне объекта в виде продольной волны, и принимающий преобразователь для обнаружения в объекте ультразвукового сигнала, по меньшей мере частично возникающего за счет продольной волны. Передающий преобразователь выполнен в виде высокочастотной индукционной катушки с отказом от акустической связи передающего преобразователя с поверхностью объекта для создания в близкой к поверхности области объекта, прежде всего металлического объекта, варьирующегося магнитного поля. За счет взаимодействия магнитного поля со статическим или квазистатическим магнитным полем в этой области создается ультразвуковая волна. Отличительной особенностью является то, что передающий преобразователь выполнен для генерации направленных волн. Технический результат - снижение требования к точности взаимного расположения передающего и принимающего преобразователей и обеспечение более равномерного распределения мощности прозвучивания среды в направлении потока среды через объект. 18 з.п. ф-лы, 22 ил.

Изобретение в целом относится к расходомерам для измерения расхода жидкости и газа. Более конкретно, оно относится к устройству и к системе для защиты кабелей, отходящих от ультразвуковых расходомеров. Предложен расходомер, который содержит корпус, охваченный кожухом, содержащим податливый пояс, расположенный по меньшей мере частично вокруг корпуса. Кожух защищает приемопередатчики и кабели приемопередатчиков. Кожух образует камеру между этим кожухом и корпусом и содержит съемную часть для обеспечения доступа в камеру. Технический результат - повышение зашиты кабелей от повреждений с одновременным упрощением доступа к ним. 4 н. и 25 з.п. ф-лы, 24 ил.

Устройство и способы для проверки измерений температуры в ультразвуковом расходомере. В одном варианте реализации измерительная система для ультразвукового измерения расхода содержит канал для потока текучей среды, датчик температуры и ультразвуковой расходомер. Датчик температуры размещен для измерения температуры текучей среды, протекающей в канале. Ультразвуковой расходомер содержит множество пар ультразвуковых преобразователей и управляющие электронные устройства. Каждая пара преобразователей выполнена с возможностью формирования хордальной траектории сквозь канал между преобразователями. Управляющие электронные устройства соединены с ультразвуковыми преобразователями. Управляющие электронные устройства выполнены с возможностью измерения скорости звука между каждой парой преобразователей на основании ультразвуковых сигналов, проходящих между преобразователями пары. На основании измеренных скоростей определяют наличие градиента температуры, на основании которого определяют, точно ли измеренное значение температуры, выданное датчиком температуры, отражает температуру текучей среды, протекающей в канале. Технический результат - повышение точности определения расхода среды. 3 н. и 19 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам измерения расхода жидкостей и газов в трубопроводах без контакта с контролируемой средой. Система определения расхода жидкости и газа при помощи ультразвука содержит источник и приемник ультразвука, устройство управления и блок измерения. Дополнительно в систему введены две пьезоячейки, блок автоматического контроля взаимных позиций первичных преобразователей, блок коммутации преобразователей, усилитель, АЦП, блок обработки и анализа сигналов и толщиномер со следующими соединениями: входы/выходы пьезоячеек через информационную шину М соединены с блоком коммутации преобразователей, который через усилитель и АЦП соединен с информационным выходом блока обработки и анализа сигналов, выход последнего при помощи двухсторонней шины связан с блоком автоматического контроля взаимных позиций первичных преобразователей. Первая пьезоячейка состоит из четырех обратимых пьезопреобразователей, расположенных по два на разных концах сечения, перпендикулярного продольному направлению трубопровода. Вторая пьезоячейка состоит из шести обратимых пьезопреобразователей, расположенных: два в общей точке хорд и четыре - по два на каждой хорде и смещенных друг относительно друга по вертикальной оси на определенную величину. Расстояние между двумя пьезопреобразователями с каждой стороны трубопровода строго ориентировано и определяется углами раскрытия диаграммы направленности. Технический результат - повышение точности измерения и удобства системы в эксплуатации. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.
Наверх