Радиоволновый расходомер



Радиоволновый расходомер
Радиоволновый расходомер
Радиоволновый расходомер
Радиоволновый расходомер

 


Владельцы патента RU 2611255:

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 массового расхода жидкостей в трубопроводах. В частности, при трубопроводной транспортировке нефтепродуктов, сжиженных газов, продуктов химического производства, в том числе химически агрессивных сред. Радиоволновой расходомер содержит генератор СВЧ, первый циркулятор, соединенную с ним первую приемо-передающую антенну, направленную через радиопрозрачное окно в трубопроводе под углом α к направлению движения потока, первый смеситель, соединенный с выходом первого циркулятора, и вычислительный блок, соединенный с выходом первого смесителя. Дополнительно устройство содержит делитель мощности на четыре, входом соединенный с выходом генератора СВЧ, второй циркулятор, соединенную с ним вторую приемопередающую антенну, направленную через радиопрозрачное окно в трубопроводе под углом α к направлению движения потока и расположенную на расстоянии L от первой вдоль оси трубопровода, второй смеситель, своим входом соединенный с выходом второго циркулятора, а выходом - с вычислительным блоком, при этом выходы делителя мощности последовательно соединены с входами первого смесителя, первого циркулятора, второго циркулятора и второго смесителя. Технический результат – повышение точности. 3 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного измерения массового расхода жидкостей в трубопроводах. В частности, при трубопроводной транспортировке нефтепродуктов, сжиженных газов, продуктов химического производства, в т.ч. химически агрессивных сред.

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 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 , отличной от частоты , зондирующей волны на частоту . 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 по формуле:

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

где S - площадь поперечного сечения потока на измерительном участке.

Как видно из формул, на точность определения расхода влияют изменения в плотности и диэлектрической проницаемости среды.

Измерение массового расхода возможно при использовании симметричной частотной модуляции зондирующих волн и определении суммы и разности разностных частот, зондирующих и отраженных (рассеянных) волн от движущегося вещества (его неоднородностей), соответствующих возрастанию и убыванию частоты зондирующей волны (SU 896418, 07.01.82). Такой метод используется в радиолокации для измерения скорости движущегося объекта и расстояния до него. В этом случае удается получить независимые выражения для эффективной диэлектрической проницаемости среды и скорости потока, при некотором эффективном расстоянии lэф между приемо-передающей системой и движущейся средой, что при известной функциональной зависимости между плотностью среды и ε позволяет оценить ее реальный массовый расход. Недостатком данного метода является сложность конструкции, высокая стоимость широкополосных систем с частотной модуляцией и недостаточная точность из-за зависимости lэф от состава среды и ее неоднородностей.

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 фиксированной частоты 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 плотности мощности, по максимуму которого определялась средняя доплеровская частота, по которой оценивался расход в соответствии с формулой (3). Недостатком этого устройства является зависимость, с одной стороны, скорости потока от эффективной диэлектрической проницаемости среды (см. формулу 1), а с другой стороны, еще и зависимость массового расхода от плотности среды (см. формулу 2), что снижает точность измерения. Также на точность измерения влияют вибрационные шумы и другие наводки, присутствующие при использовании расходомера в реальной ситуации.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерения.

Технический результат в предлагаемом радиоволновом расходомере достигается тем, что он содержит генератор СВЧ, первый циркулятор, соединенную с ним первую приемо-передающую антенну, направленную через радиопрозрачное окно в трубопроводе под углом α к направлению движения потока, первый смеситель, соединенный с выходом первого циркулятора, и вычислительный блок, соединенный с выходом первого смесителя. Дополнительно устройство содержит делитель мощности на четыре, входом соединенный с выходом генератора СВЧ, второй циркулятор, соединенную с ним вторую приемопередающую антенну, направленную через радиопрозрачное окно в трубопроводе под углом α к направлению движения потока и расположенную на расстоянии L от первой вдоль оси трубопровода, второй смеситель, своим входом соединенный с выходом второго циркулятора, а выходом - с вычислительным блоком, при этом выходы делителя мощности последовательно соединены с входами первого смесителя, первого циркулятора, второго циркулятора и второго смесителя.

Предлагаемое устройство поясняется чертежом, где на Фиг. 1 приведена его структурная схема, а на Фиг. 2 и Фиг. 3 - временные диаграммы работы устройства.

Устройство содержит генератор СВЧ 1, делитель мощности 2, циркуляторы 3 и 4, приемопередающие антенны 5 и 6, смесители 7 и 8, вычислительный блок 9 (см. Фиг. 1).

Устройство работает следующим образом.

Электромагнитные колебания генератора СВЧ 1 с частотой делятся на четыре части в делителе мощности 2, после чего поступают через циркуляторы 3 и 4 на приемопередающие антенны 5, 6 и на опорные входы смесителей 7 и 8. Излучение СВЧ через радиопрозрачное окно 10 в трубопроводе 11 проникает внутрь и отражается от неоднородностей, присутствующих в потоке. Эти отраженные волны принимаются антеннами 5, 6 и через циркуляторы 3, 4 попадают на измерительные входы смесителей 7 и 8. С выходов смесителей доплеровские сигналы x(t) и y(t) (см. Фиг. 2а и Фиг. 2б) поступают в вычислительный блок 9. Поскольку, расстояние между антеннами равно L, то эти сигналы имеют временную задержку относительно друг друга на время τm прохождения потоком этого отрезка пути. Для этого в блоке 9 вычисляют взаимно-корреляционную Rxy функцию двух этих доплеровских сигналов x(t) и y(t) (см. Фиг. 2б) по формуле:

При необходимом времени интегрирования Т, Rxy имеет максимальное значение тогда, когда временной сдвиг между функциями x(t) и y(t) равен времени перемещения τm неоднородностей в потоке между двумя антеннами. Средняя скорость потока определится по формуле:

Также в блоке 9 по двум доплеровским сигналам x(t) и y(t) вычисляется их взаимный спектр плотности мощности (ВСПМ), максимальное значение которого будет соответствовать доплеровской частоте (см. Фиг. 3). При этом, поскольку сигналы поступают в блок 9 через антенны с временным сдвигом, а вибрационные и шумовые акустические наводки воспринимаются антеннами одновременно, то результат обработки - ВСПМ будет мало восприимчив к ним. Таким образом, получив уточненное значение и вставив в формулу (1) значение из формулы (4), получим:

Для жидких и сыпучих сред существует функциональная зависимость между плотностью ρ и эффективной диэлектрической проницаемостью εэф, в некоторых случаях эта зависимость выражается аналитически. Так, для неполярных диэлектрических жидкостей (жидкий азот, водород, метан и др.) эта связь выражается уравнением Клаузиуса-Мосотти. При небольших изменениях для большинства сред можно считать, что плотность ρ пропорциональна εэф, т.е. ρ=Kεэф, где K - коэффициент пропорциональности. В итоге, с учетом этого выражения, формул (5) и (4), формула (2) для массового расхода преобразуется в следующее выражение, зависящее только от и τm:

На Фиг. 2 и 3 представлены результаты расчета нефтяного потока при L=0,1 м, ГГц, α=30°. Получаем, что при τm=89 мс, Гц, скорость потока м/с и εэф=2,2.

Таким образом, данное устройство позволяет повысить точность массового расхода среды за счет вычисления взаимной корреляционной функции двух доплеровских сигналов, а также их взаимного спектра плотности мощности.

Радиоволновый расходомер, содержащий генератор СВЧ, первый циркулятор, соединенную с ним первую приемо-передающую антенну, направленную через радиопрозрачное окно в трубопроводе под углом α к направлению движения потока, первый смеситель, соединенный с выходом первого циркулятора, и вычислительный блок, соединенный с выходом первого смесителя, отличающийся тем, что устройство содержит делитель мощности на четыре, входом соединенный с выходом генератора СВЧ, второй циркулятор, соединенную с ним вторую приемо-передающую антенну, направленную через радиопрозрачное окно в трубопроводе под углом α к направлению движения потока и расположенную на расстоянии L от первой вдоль оси трубопровода, второй смеситель, своим входом соединенный с выходом второго циркулятора, а выходом - с вычислительным блоком, при этом выходы делителя мощности последовательно соединены с входами первого смесителя, первого циркулятора, второго циркулятора и второго смесителя.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике. Особенностью заявленного электромагнитного измерителя компонент вектора скорости электропроводной жидкости является то, что магниты ориентированы так, что магнитное поле направлено вдоль оси вращения магнитного блока, на каждом из магнитов на его полюсах закреплены наконечники из магнитного материала, свободные концы которых расположены на минимально возможном расстоянии, исходя из прочностных характеристик конструкции, от рабочих поверхностей электродов, которые находятся посередине длины корпуса в зоне концентрации магнитного поля, при этом корпус имеет удлиненную форму с соотношением длины и диаметра, обеспечивающим прочность корпуса во время океанографических измерений.

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.

Изобретение относится к электроизмерениям и может быть использовано для измерения скорости электропроводной жидкости и ее флуктуаций. Устройство для измерения скорости жидкости содержит измеритель электрического сопротивления и два подключенных к нему электрода, один из которых закреплен неподвижно напротив другого.

Изобретение относится к области измерительного оборудования, а именно к области средств измерения скорости перемещения твердых тел относительно жидких сред, и может быть использовано в навигационном приборостроении при конструировании и изготовлении лагов для водоизмещающих плавсредств.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к тензометрическим средствам измерения. Технический результат: расширение динамического диапазона преобразования напряженно-деформированных состояний сенсорной консоли вследствие воздействия на ее поверхность скоростного напора (динамического давления) газовых или жидкостных потоков.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения скорости потока электропроводящей жидкости, например морской воды. Способ повышения чувствительности электромагнитных датчиков пульсаций скорости преобразователей гидрофизических полей согласно изобретению включает нанесение платиновой черни на торцевые поверхности платиновых электродов, установленных в зазорах магнитной системы датчика, заподлицо с их внешней поверхностью, при этом перед нанесением платиновой черни электроизоляционный материал датчика покрывают дополнительным слоем электроизолирующего материала, инертного к соляной, азотной и платинохлористоводородной кислотам, при этом толщину дополнительного слоя выбирают исходя из возможности обеспечения блокировки диффузии примесей из компаунда в процессе платинирования электродов.

Группа изобретений относится к области измерений параметров движения, предназначена для исследования движения жидких сред и может быть использована для измерения составляющих пульсаций вектора скорости потока жидкости, в частности пресной и морской воды при проведении гидрологических исследований.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к электромагнитным устройствам для измерения скорости потока электропроводной жидкости и основывается на явлении электромагнитной индукции: при движении проводника в магнитном поле в нем индуцируется электродвижущая сила Е, пропорциональная магнитной индукции В и скорости V проводника, которая действует в направлении, перпендикулярном к движению жидкости и магнитному полю.

Группа изобретений относится к измерительной технике, представляет собой устройство и способ измерения скорости электропроводящей среды и может быть использована при добыче и транспортировке нефти.

Изобретение относится к области средств измерения скорости перемещения твердых тел относительно жидких сред и может быть использовано в навигационном приборостроении, а именно - при конструировании и изготовлении индукционных лагов судов.

Данное изобретение относится к расходомерному устройству для измерения параметра потока, образованного из текучей среды и текущего в трубопроводе в основном направлении потока.

Предложены устройство и способ ультразвукового измерения расхода вязких текучих сред. В одном примере осуществления изобретения ультразвуковая система измерения расхода содержит ультразвуковой расходомер, стабилизатор потока и сужающий переходник.

Изобретение относится к способу сварки корпуса измерительного преобразователя с корпусом измерительного устройства для установки и герметизации измерительных преобразователей в ультразвуковых расходомерах.

Данное изобретение относится к скважинному инструменту для определения скорости потока текучей среды во внутреннем объеме ствола скважины или обсадной колонны ствола скважины.

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 и сжиженных газов.

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах управления технологическими процессами. Техническим результатом заявляемого технического решения является упрощение процедуры измерения концентрации и повышение точности измерения.

Устройство и способ мониторинга работы расходомерной системы. В одном варианте реализации расходомерная система содержит расходомер, первый и второй датчики давления, стабилизатор потока и устройство для мониторинга состояния.

Предложены устройство и способы проверки результатов измерения температуры в ультразвуковом расходомере. Ультразвуковая система измерения расхода содержит канал для протекания текучей среды, датчик температуры, ультразвуковой расходомер и устройство обработки данных о расходе.

Изобретение относится к ультразвуковым расходомерам, которые могут быть использованы для измерения объемного расхода жидкостей, газов, газожидкостных смесей и жидкостей, содержащих нерастворенные твердые частицы.

Настоящее изобретение относится к способам и устройствам изучения смешанного потока газа, жидкости и твердых частиц. Газ и жидкость могут быть представлены водой, паром и различными фракциями углеводородов.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного измерения массового расхода жидкостей в трубопроводах. В частности, при трубопроводной транспортировке нефтепродуктов, сжиженных газов, продуктов химического производства, в т.ч. химически агрессивных сред. Cпособ измерения массового расхода жидких сред заключается в том, что радиоволна с частотой направляется через радиопрозрачное окно в трубопроводе под углом α к направлению движения потока, отраженные волны смешиваются с частью падающей волны и выделяется доплеровский сигнал их разности x(t) со средней частотой . Дополнительно часть мощности радиоволны с частотой направляется через радиопрозрачное окно в трубопроводе под углом α к направлению движения потока на расстоянии L по его оси от первой волны, отраженные волны смешиваются с частью падающей волны и выделяется доплеровский сигнал их разности y(t) со средней частотой , массовый расход определяется по времени максимума взаимно-корреляционной функции сигналов x(t) и y(t) и по частоте максимума их взаимного спектра плотности мощности. Технический результат – повышение точности. 3 ил.
Наверх