Способ измерения массового расхода жидких сред



Способ измерения массового расхода жидких сред
Способ измерения массового расхода жидких сред

 


Владельцы патента RU 2597666:

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 расхода жидких сред в трубопроводах. Радиоволну направляют через радиопрозрачное окно в трубопроводе под углом α к направлению движения потока. Отраженную волну смешивают с частью падающей волны и выделяют доплеровский сигнал их разности со средней частотой. При этом радиоволну подают с выхода умножителя частоты, на вход которого поступает радиоволна с частотой ƒk, которую образуют путем перестройки частоты задающего генератора до обеспечения нуля разности фаз между введенной в трубопровод радиоволной и выведенной из нее на расстоянии L. В то же время под углом α к направлению движения потока возбуждают акустическую волну с частотой . Принимают отраженную волну и выделяют акустическую доплеровскую частоту путем смешивания с частью падающей волны, а массовый расход определяют по радиоволновой доплеровской частоте и отношению между радиоволновой и акустической доплеровскими частотами. Технический результат заключается в повышении точности измерения. 1 ил.

 

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

В настоящее время известны и применяется 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 скорости потока 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 движущейся жидкости и поступают на приемную антенну с частотой f отличной от частоты f0 зондирующей волны на частоту fд. Неоднородностями в измеряемой жидкой среде при этом могут быть газовые и твердые включения, а также другие жидкости, обладающие электрофизическими параметрами ε, отличными от таковых для контролируемого вещества, в том числе вода. 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 по формуле:

где α - угол между направлением излучения и потоком в трубе, - длина волны в среде измерения, а ε - ее диэлектрическая проницаемость, с - 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 из выражения (1) в (2), получим выражение для среднего массового расхода

Известно техническое решение, принятое в качестве прототипа (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат, 1989, 136-137 с.), - способ измерения расхода жидкости, заключающийся в том, что радиоволна с частотой f0 направляется через радиопрозрачное окно в трубопроводе под углом α к направлению движения потока, отраженная волна с частотой f смешивается с частью падающей волны и выделяется доплеровский сигнал их разности со средней частотой , а по этой частоте в соответствии с формулой (2) определяется расход. 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 герметичное радиопрозрачное окно. При этом для связи между генератором, антенной и смесителем использовался циркулятор. После фильтрации и записи доплеровского сигнала, по максимуму спектральной плотности которого определялась средняя доплеровская частота, по которой оценивался расход в соответствии с формулой (3).

Данный способ имеет существенные недостатки. Из формулы (1) следует, что скорость потока

зависит от диэлектрической проницаемости среды, которая в реальных условиях может постоянно меняться из-за изменений химического состава и температуры. Это приводит к погрешности в измерении скорости потока и, следовательно, расхода. С другой стороны из-за постоянных флуктуаций плотности среды ρ при изменениях температуры и состава примесей, погрешность измерения имеет накопительный эффект и приводит к существенным потерям в точности измерения массового расхода (см. фор-лу 3).

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерения.

Технический результат достигается тем, что в способе измерения массового расхода жидких сред радиоволна с частотой f0 направляется через радиопрозрачное окно в трубопроводе под углом α к направлению движения потока, отраженная волна с частотой f смешивается с частью падающей волны и выделяется доплеровский сигнал их разности со средней частотой . В дополнении к этому, радиоволны с частотой f0 подаются с выхода умножителя частоты на k, на вход которого поступают радиоволны с частотой fk, которые образуются путем перестройки частоты задающего генератора до обеспечения нуля разности фаз между введенными в трубопровод радиоволнами и выведенными из нее на расстоянии L, в то же время, под углом α к направлению движения потока возбуждается акустическая волна с частотой , принимается отраженная волна, выделяется акустическая доплеровская частота путем смешивания с частью падающей волны, а массовый расход определяется по радиоволновой доплеровской частоте и отношению между радиоволновой и акустической доплеровскими частотами.

Предлагаемый способ поясняется чертежом, где представлена структурная схема устройства, его реализующее.

Устройство содержит генератор СВЧ 1, направленные ответвители 2, 3 и 8, устройство ввода электромагнитной волны в трубопровод 4 и вывода из него 5, фазовый детектор 6, умножитель частоты 7, циркулятор 9, приемо-передающую антенну 10, смеситель 11, вычислительный блок 12, задающий генератор акустических колебаний 15, излучающий 16 и принимающий 17 акустические датчики, смеситель 18.

Устройство работает следующим образом.

Электромагнитные волны, поступающие от генератора СВЧ 1 с частотой fk через направленные ответвители 2 и 3 поступают через устройство ввода 4 в трубопровод с жидкостью, затем принимаются устройством вывода электромагнитных волн 5, расположенного на расстоянии L от ввода и подаются на вход фазового детектора 6. Поскольку на второй вход фазового детектора поступают электромагнитные колебания от дополнительного выхода направленного ответвителя 3, на его выходе формируется напряжение пропорциональное разности фаз, которое поступает на вход управления генератора СВЧ, перестраивая его частоту fk до момента равенства нулю сигнала на выходе фазового детектора. Диапазон перестройки генератора СВЧ выбран таким образом, что длина волны в среде λ0, равная , много больше размеров неоднородностей, присутствующих в потоке. В результате этого, фаза принимаемого сигнала будет зависеть только от расстояния L, частоты fk и усредненного значения ε. Электромагнитные колебания с частотой fk поступают на вход умножителя частоты на k, с выхода которого они уже с частотой f0=kfk поступают через направленный ответвитель 8 и циркулятор 9 на приемо-передающую антенну 10, затем излучаются через герметичное радиопрозрачное окно 13 в трубопроводе 14 под углом α к направлению потока. Часть сигнала с частотой f0 через дополнительный выход направленного ответвителя 8 приходит на первый вход смесителя 11. На второй вход смесителя через циркулятор поступают электромагнитные волны, отраженные от неоднородностей в потоке, которые в этом случае соизмеримы с длиной волны излучения, и принятые антенной 10. В результате, на выходе смесителя формируется доплеровский сигнал, который обрабатывается в вычислительном блоке 12, где по максимуму спектральной плотности определяется средняя доплеровская частота (см. формулу (1)), которая зависит как от частоты СВЧ излучения f0, так и от диэлектрической проницаемости среды распространения ε. Поскольку с увеличением или уменьшением ε, соответственно уменьшается или увеличивается f0=kfk, произведение остается постоянным. Таким образом, доплеровская частота и скорость потока остается неизменной, несмотря на изменение ε внутри возможного диапазона ее изменения: ε-Δε≤ε≤ε+Δε.

Выражение можно записать исходя из условия равенства нулю сигнала на выходе фазового детектора L=nλ0/2, или , где n - целое число полуволн электромагнитных колебаний в среде, в данном случае это постоянная величина в пределах изменения ε , отсюда следует:

Подставив выражение (5) в формулу (4) с учетом того, что f0=kfk, получим выражение для скорости потока, не зависящее от ε:

отсюда

Одновременно излучаются акустические колебания с частотой от генератора 15 через излучатель 16 под углом α к потоку и поступают, после отражения от неоднородностей, в приемник 17, диаграмма направленности которого также расположена под углом α к направлению потока. Для упрощения выбран тот же угол α, что и для радиоволнового доплеровского датчика. В результате смешивания этой принятой волны с частью падающей, на выходе смесителя 18 выделяется доплеровский акустический сигнал с частотой

где с′ - скорость звука в среде. Отношение доплеровских частот (7) и (8) будет прямо пропорционально скорости звука в протекающей по трубе жидкости независимо от скорости потока:

Поскольку известно, что скорость звука в жидких диэлектрических средах, подобных нефти, нефтепродуктам и сжиженным газам пропорциональна ее плотности ρ согласно формуле с′=Аρ+В, где А и В константы, то

зависит только от отношения доплеровских радиоволновой и акустической частот. Таким образом, при неизменной скорости потока, изменение этого отношения будет связано только с изменением в плотности жидкой среды.

Окончательно формула для расчета массового расхода жидкой среды (2) с учетом (6) и (9) будет выглядеть следующим образом:

В этой формуле все величины, кроме радиоволновой доплеровской частоты и ее отношения к акустической доплеровской частоте являются константами для конкретной диэлектрической жидкости типа нефти, нефтепродуктов и сжиженных газов.

Способ измерения массового расхода жидких сред, состоящий в том, что радиоволну с частотой ƒ0 направляют через радиопрозрачное окно в трубопроводе под углом α к направлению движения потока, отраженную волну с частотой ƒ смешивают с частью падающей волны и выделяют доплеровский сигнал их разности со средней частотой , отличающийся тем, что радиоволну с частотой ƒ0 подают с выхода умножителя частоты на k, на вход которого поступает радиоволна с частотой ƒk, которую образуют путем перестройки частоты задающего генератора до обеспечения нуля разности фаз между введенной в трубопровод радиоволной и выведенной из нее на расстоянии L, в то же время под углом α к направлению движения потока возбуждают акустическую волну с частотой , принимают отраженную волну, выделяют акустическую доплеровскую частоту путем смешивания с частью падающей волны, а массовый расход определяют по радиоволновой доплеровской частоте и отношению между радиоволновой и акустической доплеровскими частотами.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного измерения скорости потока и расхода жидких сред в трубопроводах. Устройство 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, и первый направленный ответвитель, основной выход которого соединен с первым входом циркулятора, а дополнительный выход соединен с первым входом смесителя.

Изобретение относится к системам водоотведения. В системе, включающей модуль перекачки воды, содержащий насосы, приемный резервуар с подводящим трубопроводом, модуль анализа диагностируемых параметров, модуль контрольно-измерительных приборов, блок ввода объемов приемного резервуара, блок анализа водопритока, модуль анализа диагностируемых параметров, снабженный блоками ввода геометрических характеристик приемного резервуара, ввода гидравлических характеристик подводящего трубопровода, анализа откачки воды из приемного резервуара, модуль контрольно-измерительных приборов снабжен датчиками уровня воды, установленными на подводящем трубопроводе и в приемном резервуаре, модуль перекачки воды снабжен запорно-регулирующим устройством с исполнительным органом, установленным на подводящем трубопроводе, устройством управления, при этом выходы блоков ввода геометрических характеристик приемного резервуара, ввода гидравлических характеристик подводящего трубопровода и блока анализа откачки воды из приемного резервуара подключены к входу блока анализа водопритока.

Изобретение относится к системе и способу ультразвукового измерения расхода. В одном варианте реализации измерительная система для ультразвукового измерения расхода содержит множество ультразвуковых расходомеров.

Изобретение относится к ультразвуковым расходомерам-счетчикам для безнапорного потока сточных вод и может быть использовано в других безнапорных потоках. Ультразвуковой расходомер-счетчик включает коллектор, датчики скорости и глубины потока, установленные на вершине перекатной вставки, закрепленной на дне коллектора.

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.

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.

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.

Изобретение относится к акустическим расходомерам для неинвазивного определения потока или интенсивности расхода в проточных для сред электропроводящих объектах, прежде всего в трубах или трубопроводах.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного измерения скорости потока и расхода жидких и сыпучих сред в трубопроводах.

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.

Группа изобретений относится к способу и устройству для контроля и/или оптимизации процессов течения, в частности процессов литья под давлением. В способе контроля и/или оптимизации процессов течения колебания, возникающие вследствие течения материала, регистрируются и оцениваются, причем спектр колебаний регистрируется и подвергается многомерному анализу в различные моменты времени или (квази) непрерывно. Оценку колебаний осуществляют на основе распознавания образов, являющихся характерными для соответствующего процесса литья под давлением. Устройство для контроля и/или оптимизации процессов литья включает акустические датчики, размещенные на узлах экструдера, для осуществления процесса литья под давлением. Технический результат, достигаемый при использовании способа и устройства по изобретениям, заключается в обеспечении точности контроля и оценки процесса литья под давлением. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 1 ил.
Наверх