Устройство для измерения массового расхода жидких сред

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного измерения 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, первый смеситель, первый направленный ответвитель, основной выход которого соединен с первым входом циркулятора, а дополнительный выход соединен с первым входом смесителя, при этом второй вход смесителя соединен со вторым выводом циркулятора, а третий вывод циркулятора соединен с приемо-передающей антенной, вычислительный блок, соединенный с выходом смесителя. Дополнительно устройство содержит второй и третий направленные ответвители, фазовый детектор, выходом соединенный с управляющим входом генератора СВЧ, выход которого соединен с входом второго направленного ответвителя, основной выход которого, в свою очередь, соединен с входом третьего направленного ответвителя, дополнительный выход которого соединен с первым входом фазового детектора, устройства ввода и вывода электромагнитной волны в трубопровод, соединенные соответственно с основным выходом третьего направленного ответвителя и со вторым входом фазового детектора, умножитель частоты, входом соединенный с дополнительным выходом второго направленного ответвителя, а выходом со входом первого направленного ответвителя, генератор акустических колебаний, излучатель и приемник акустических колебаний, направленных под углом α к направлению движения потока, второй смеситель, первый вход которого соединен с выходом акустического приемника, при этом выход генератора акустических колебаний соединен с акустическим излучателем и со вторым входом смесителя, частотный дискрименатор, первым входом соединенный с выходом второго смесителя, а вторым входом с выходом первого смесителя, а выходом с управляющим входом акустического генератора, при этом вычислительный блок соединен также с выходом акустического генератора. 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 устройства 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 ƒ, отличной от частоты ƒ₀ зондирующей волны на частоту ƒ_д. 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, λ₀=c/ƒ₀ $$\sqrt{\epsilon }$$ - длина волны в среде измерения, а ε - ее диэлектрическая проницаемость, с - скорость света в вакууме. Зная объемную плотность ρ вещества и скорость v 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 - доплеровский измеритель расхода, 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 герметичное радиопрозрачное окно. При этом для связи между генератором, антенной и смесителем использовался циркулятор. После фильтрации и записи доплеровского сигнала, по максимуму спектральной плотности определялась средняя доплеровская частота, по которой оценивался расход в соответствии с формулой (3).

Данное измерительное устройство имеет существенные недостатки. Из формулы (1) следует, что скорость потока

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

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерения.

Технический результат достигается тем, что устройство измерения массового расхода жидких сред содержит генератор СВЧ, циркулятор, приемо-передающую антенну, направленную через радиопрозрачное окно в трубопроводе под углом к направлению движения потока, первый смеситель, первый направленный ответвитель, основной выход которого соединен с первым входом циркулятора, а дополнительный выход соединен с первым входом смесителя, при этом второй вход смесителя соединен со вторым выводом циркулятора, а третий вывод циркулятора соединен с приемо-передающей антенной, вычислительный блок, соединенный с выходом смесителя. Дополнительно устройство содержит второй и третий направленный ответвитель, фазовый детектор, выходом соединенный с управляющим входом генератора СВЧ, выход которого соединен с входом второго направленного ответвителя, основной выход которого, в свою очередь, соединен с входом третьего направленного ответвителя, дополнительный выход которого соединен с первым входом фазового детектора, устройства ввода и вывода электромагнитной волны в трубопровод, соединенные соответственно с основным выходом третьего направленного ответвителя и со вторым входом фазового детектора, умножитель частоты, входом соединенный с дополнительным выходом второго направленного ответвителя, а выходом со входом первого направленного ответвителя, генератор акустических колебаний, излучатель и приемник акустических колебаний, направленных под углом α к направлению движения потока, второй смеситель, первый вход которого соединен с выходом акустического приемника, при этом выход генератора акустических колебаний соединен с акустическим излучателем и со вторым входом смесителя, частотный дискрименатор, первым входом соединенный с выходом второго смесителя, а вторым входом с выходом первого смесителя, а выходом с управляющим входом акустического генератора, при этом вычислительный блок соединен также с выходом акустического генератора.

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, первый смеситель 11, вычислительный блок 19, задающий генератор акустических колебаний 14, акустический излучатель 15 и акустический приемник 16, второй смеситель 17, частотный дискрименатор 18.

Устройство работает следующим образом.

Электромагнитные волны, поступающие от генератора СВЧ 1 с частотой ƒ_k 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 ƒ_k 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 ƒ_k и усредненного значения ε. Электромагнитные колебания с частотой ƒ_k поступают на вход умножителя частоты на k, с выхода которого они уже с частотой ƒ₀=kƒ_k поступают через направленный ответвитель 8 и циркулятор 9 на приемо-передающую антенну 10, затем излучаются через герметичное радиопрозрачное окно 12 в трубопроводе 13 под углом α к направлению потока. Часть сигнала с частотой ƒ₀ 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 19, где по максимуму спектральной плотности определяется средняя доплеровская частота (см. формулу (1)), которая зависит как от частоты СВЧ излучения ƒ₀, так и от диэлектрической проницаемости среды распространения ε. Поскольку с увеличением или уменьшением ε, соответственно уменьшается или увеличивается ƒ₀=kƒ_k, произведение остается постоянным. Таким образом, доплеровская частота и скорость потока остается неизменной, несмотря на измения ε внутри возможного диапазона ее изменения: ε-Δε≤ε≤ε+Δε.

Выражение можно записать исходя из условия равенства нулю сигнала на выходе фазового детектора 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 получим выражение для скорости потока, не зависящее от ε:

отсюда

Одновременно излучаются акустические колебания с частотой ƒ₀ от генератора 14 через излучатель 15 под углом α к потоку и поступают, после отражения от неоднородностей, в приемник 16, 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 17 выделяется доплеровский акустический сигнал с частотой

где c′ - скорость звука в среде. Радиоволновый и акустический доплеровские сигналы с частотами и поступают на входы частотного дискриминатора, который выделяет сигнал, который перестраивает частоту акустического генератора 14 до момента максимального частотного совпадения этих двух доплеровских сигналов. В этом случае из равенства частот (7) и (8) следует

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

В данном случае плотность изменяется пропорционально частоте акустического генератора. Таким образом, при неизменной скорости потока изменение частоты будет связано только с изменением 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 частоты акустического генератора, являются константами для конкретной диэлектрической жидкости типа нефти, нефтепродуктов или сжиженных газов. Таким образом, временные неоднородности в ε и ρ среды будут учитываться в процессе измерения расхода, что увеличит точность измерения.

Устройство для измерения массового расхода жидких сред содержит генератор СВЧ, циркулятор, приемо-передающую антенну, направленную через радиопрозрачное окно в трубопроводе под углом к направлению движения потока, первый смеситель, первый направленный ответвитель, основной выход которого соединен с первым входом циркулятора, а дополнительный выход соединен с первым входом смесителя, при этом второй вход смесителя соединен со вторым выводом циркулятора, а третий вывод циркулятора соединен с приемо-передающей антенной, вычислительный блок, соединенный с выходом смесителя, отличается тем, что устройство содержит второй и третий направленные ответвители, фазовый детектор, выходом соединенный с управляющим входом генератора СВЧ, выход которого соединен с входом второго направленного ответвителя, основной выход которого, в свою очередь, соединен с входом третьего направленного ответвителя, дополнительный выход которого соединен с первым входом фазового детектора, устройства ввода и вывода электромагнитной волны в трубопровод, соединенные соответственно с основным выходом третьего направленного ответвителя и со вторым входом фазового детектора, умножитель частоты, входом соединенный с дополнительным выходом второго направленного ответвителя, а выходом с входом первого направленного ответвителя, генератор акустических колебаний, излучатель и приемник акустических колебаний направленных под углом α к направлению движения потока, второй смеситель, первый вход которого соединен с выходом акустического приемника, при этом выход генератора акустических колебаний соединен с акустическим излучателем и со вторым входом смесителя, частотный дискрименатор, первым входом соединенный с выходом второго смесителя, а вторым входом с выходом первого смесителя, а выходом с управляющим входом акустического генератора, при этом вычислительный блок соединен также с выходом акустического генератора.