УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАССОВОГО РАСХОДА ЖИДКИХ СРЕД

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 , отличной от частоты зондирующей волны на частоту . 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. 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, 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 из выражения (1) в (2), получим выражение для среднего массового расхода

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 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).

Данное измерительное устройство имеет существенный недостаток. 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.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерения.

Технический результат достигается тем, что устройство для измерения расхода жидких сред содержит первый 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 устройство содержит делитель мощности на 4, входом соединенный с выходом первого генератора СВЧ, первым выходом соединенный с входом первого смесителя, вторым выходом соединенный с входом циркулятора, передающую и приемную антенны, направленные через радиопрозрачные окна в трубопроводе навстречу друг другу и перпендикулярно направлению потока, второй, третий и четвертый смесители, второй генератор СВЧ и соединенный с его выходом делитель мощности на 2, выходы которого соединены с первыми входами второго и третьего смесителей, управляющий блок, при этом вторые входы второго и третьего смесителей соединены соответственно с четвертым выходом делителя мощности на 4 и с приемной антенной, а их выходы - с входами четвертого смесителя, выход которого соединен с управляющим входом первого генератора СВЧ через управляющий блок.

Предлагаемое устройство поясняется чертежом, где представлена его структурная схема.

Устройство содержит генератор СВЧ 1, делитель мощности на 4 - 2, смеситель 3, циркулятор 4, приемо-передающую антенну 5, передающую антенну 6 и приемную антенну 7, смесители 8, 9 и 10, второй генератор СВЧ 11, делитель мощности на 2 - 12, управляющий блок 13 и вычислительный блок 14.

Устройство работает следующим образом.

Электромагнитные колебания, поступающие от генератора СВЧ 1 с частотой , делятся на 4 части с помощью делителя мощности 2, после чего поступают с его первого выхода на вход первого смесителя 3, а со второго выхода, через циркулятор 4, - на приемо-передающую антенну 5, затем излучаются через герметичное радиопрозрачное окно 15 в трубопроводе 17 под углом α к направлению потока. На второй вход смесителя через циркулятор поступают электромагнитные волны, отраженные от потока и принятые антенной 5. В результате, на выходе смесителя формируется доплеровский сигнал, который обрабатывается в вычислительном блоке, где по максимуму спектральной плотности определяется средняя доплеровская частота (см. формулу (1)), которая зависит как от частоты СВЧ излучения , так и от диэлектрической проницаемости среды распространения ε. Одновременно, с третьего выхода делителя мощности 2 электромагнитные СВЧ-колебания поступают на антенну 6, откуда излучаются через радиопрозрачное окно 16 в трубопроводе 17, перпендикулярно направлению потока, прошедшие волны принимаются антенной 7 и поступают на второй вход смесителя 9. Также на второй вход смесителя 8 приходят СВЧ-волны напрямую с четвертого выхода делителя мощности 2. На первые входы смесителей 8 и 9 поступают СВЧ-колебания от генератора СВЧ 11 с опорной частотой через делитель мощности 12. Волна, прошедшая через трубу, будет задержана на время , где D - расстояние между антеннами, равное диаметру трубы. При соответствующей настройке можно добиться состояния, когда волна, поступающая на смеситель 9, будет запаздывать относительно волны на входе смесителя 8 ровно на величину t_зад. Соответственно, волны на выходе этих смесителей, равные колебаниям разностной частоты , также будут смещены на то же время. Поскольку оба этих сигнала поступают на входы смесителя 10, на его выходе формируется фазовый сдвиг

Значение фазы φ поступает на вход управляющего блока, который формирует напряжение, подстраивающее частоту генератора СВЧ 1 таким образом, чтобы поддерживать нулевой фазовый сдвиг. В этом случае, подставив в формулу (4) φ=2π, получим значение ε:

Таким образом, в результате работы устройства, флуктуации величины ε не будут влиять на измеренное значение скорости потока, поскольку они будут нивелироваться изменениями частоты СВЧ-генератора 1 - , т.е. произведение будет оставаться неизменным (см. формулу (4)). Выбор частоты генератора СВЧ 2 определяется из необходимости поддержания однозначности соответствия диэлектрической проницаемости среды и фазы согласно формуле (6) внутри возможного диапазона ее изменения: ε-Δε≤ε≤ε+Δε при текущем значении диаметра трубопровода D.