ИЗМЕРИТЕЛЬ РАСХОДА ДВУХФАЗНОГО ПОТОКА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ, ПЕРЕМЕЩАЕМЫХ ВОЗДУХОМ ПО МЕТАЛЛИЧЕСКОМУ ТРУБОПРОВОДУ

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах автоматического контроля и измерения расхода диэлектрических материалов, перемещаемых воздухом по металлическому трубопроводу. Известно устройство для измерения скорости и расхода твердого компонента в двухфазных потоках по авторскому свидетельству СССР №1275215 А1, кл. G01F 1/00, G01P 5/00, опубликованному 07.12.1986 г. Устройство содержит установленные на диэлектрической трубе два измерительных емкостных дифференциальных датчика, вторичные преобразователи сигнала которых через коррелятор связаны с первым входом перемножителя, и компенсационный емкостной дифференциальный датчик с вторичным преобразователем сигнала, причем один из измерительных емкостных дифференциальных датчиков через преобразователь сигнала и сумматор связан с выходом вторичного преобразователя сигнала компенсационного дифференциального датчика, а выход сумматора соединен с вторым входом перемножителя. С целью уменьшения погрешности измерения, в него введены измерительный индукционный датчик, вторичный преобразователь индукционного датчика, делитель, блок коррекции и измеритель температуры, причем измерительный индукционный датчик через вторичный преобразователь сигнала подключен к первому входу делителя, второй вход которого подключен к выходу перемножителя, выход перемножителя подключен к первому входу блока коррекции, к второму и третьему входам которого подключены выходы измерителя температуры и делителя соответственно, при этом выход блока коррекции является выходом устройства.

Движущиеся частички материала, попадая в индукционный датчик, наводят в нем ЭДС индукции пропорционально количеству и скорости перемещения заряда. После делителя сигнал, пропорциональный значению коэффициента зависимости емкости датчика от величины заряда транспортируемого материала, подается на вход блока коррекции, на который подается сигнал с измерителя температуры, пропорциональный значению зависимости температурного коэффициента диэлектрической проницаемости. На выходе блока коррекции возникает сигнал, пропорциональный измерению массового расхода.

Недостатком устройства, работающего на корреляционном методе, является зависимость сигналов от случайных флуктуационных процессов в пневмопроводе, нарушение подобия сигналов с увеличением расстояния между датчиками приводит к снижению точности измерения расхода. Статистическая обработка сигналов значительно усложняет техническую реализацию измерителя.

Выходной сигнал с блока 12 для последующей обработки в пункт учета расхода передается по проводной линии, восприимчивой к внешним электромагнитным полям, что повышает технические требования к помехозащищенности измерительной системы.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является измеритель расхода двухфазного потока сыпучих диэлектрических материалов, перемещаемых воздухом по металлическому трубопроводу (патент РФ №2 435141 С1, кл. G01F 1/00, опубл. 27.11.2011 г. ). Это устройство принято за прототип предлагаемого изобретения.

Измеритель расхода двухфазного потока сыпучих диэлектрических материалов, перемещаемых воздухом по металлическому трубопроводу, содержит соединенные последовательно между собой микропроцессор и индикатор, в металлический трубопровод встроена измерительная вставка из диэлектрического материала, на которой расположены обкладки измерительного конденсатора, соединенные последовательно с обкладками регистрирующего конденсатора с диэлектрической вставкой из поляризуемого напряжением кристалла, при этом с одной стороны от регистрирующего конденсатора размещены поляризатор света и лазерный излучатель, а с другой стороны - анализатор света и фотоприемник, выход которого соединен с входом усилителя, выход которого соединен с входом микропроцессора, выход которого соединен с индикатором, в качестве поляризуемого напряжением кристалла использован кристалл ниобата лития.

Однако прототип имеет ряд недостатков.

В измерителе применяется классическая ячейка Поккельса с однократным прохождением световой волны через оптический кристалл, что ограничивает точность измерителя. Выход фотоприемника связан проводной линией с системой обработки измерительного сигнала, что повышает требования к защите от влияния внешних электромагнитных полей.

Задачей предлагаемого изобретения является совершенствование измерителя расхода двухфазного потока диэлектрических материалов, перемещаемых воздухом по металлическому трубопроводу.

Технический результат от использования изобретения заключается в повышении точности измерителя и защиты от внешних электромагнитных полей.

Указанный технический результат достигается тем, что в измеритель расхода двухфазного потока диэлектрических материалов, перемещаемых воздухом по металлическому трубопроводу, содержащий соединенные последовательно между собой микроконтроллер, индикатор, измерительную вставку из диэлектрического материала, встроенную в металлический трубопровод, с расположенными на ней обкладками измерительного конденсатора, соединенными последовательно с обкладками регистрирующего конденсатора с диэлектрической вставкой из поляризуемого напряжением кристалла, поляризатор света, лазерный излучатель, анализатор света и фотоприемник, при этом с одной стороны от регистрирующего конденсатора размещено плоское зеркало, а с другой стороны корректирующая пластина, поляризатор - анализатор света, соединенный оптической линией с фотоприемником, соединенный через преобразователь тока в напряжение с микроконтроллером, соединенным с жидкокристаллическим индикатором и персональным компьютером.

В качестве поляризуемого напряжением кристалла могут быть использованы кристаллы танталата лития LiТаО₃, ниобата лития LiNbO₃, бета бората бария ВВО и кристаллы серии КТР.

На чертеже изображена функциональная схема измерителя.

Измеритель содержит измерительную вставку 1 из диэлектрического материала, встроенную в металлический трубопровод, на которой расположены цилиндрические обкладки измерительного конденсатора 2, соединенные последовательно с обкладками регистрирующего конденсатора 3 с диэлектрической вставкой из поляризуемого напряжением кристалла танталата лития (LiTаО₃).

С одной стороны от регистрирующего конденсатора 3 размещено плоское зеркало 6, а с другой стороны корректирующая пластина 4, поляризатор-анализатор света 5, соединенный оптической линией 8 с лазерным излучателем 7 и фотоприемником 9, соединенным через преобразователь тока в напряжение 10 с микроконтроллером 11, соединенным с жидкокристаллическим индикатором 12 и персональным компьютером 13.

Измеритель работает следующим образом.

Двухфазный материал - воздушный поток при прохождении между цилиндрическими обкладками измерительного конденсатора 2 вызывает изменение емкости пропорционально изменению концентрации материала в объеме измерительной вставки 1, что приводит к изменению напряженности электрического поля в последовательно включенном регистрирующем конденсаторе 3. Это вызывает амплитудную модуляцию светового потока, проходящего через диэлектрическую вставку из поляризуемого напряжением кристалла танталата лития (LiТаО₃). Световой поток генерируется лазерным излучателем 7, передается по световоду волоконно-оптического кабеля 8 в призму Глана 5, которая на входе светового потока используется в качестве поляризатора. После прохождения поляризатора световой поток приобретает линейную поляризацию, проходит в прямом и, отразившись от плоского зеркала 7, обратном направлениях через регистрирующий конденсатор 3 (амплитудный оптический модулятор света, основанный на поперечном эффекте Поккельса) и корректирующую пластину 4, которая осуществляет оптическое смещение первого рода, преобразуя входящие в нее световые волны с круговой поляризацией в световые волны с линейной поляризацией. Дважды амплитудно-модулированный, в зависимости от концентрации проходящего через измерительную вставку 1 объема вещества, световой поток проходит через призму Глана 5, которая на выходе светового потока используется в качестве анализатора и по световоду волоконно-оптического кабеля 8 поступает на регистрацию в фотоприемник 9, с выхода которого электрический сигнал через преобразователь тока в напряжение 10 передается на обработку согласно алгоритму в микроконтроллер 11, с выхода которого информация поступает на индикатор 12 и персональный компьютер 13, информационно связанный с АСУ ТП (автоматизированной системой управления технологическими процессами). Микроконтроллер создает образ представления результатов измерения расхода в виде цифр, графиков, гистограмм на индикаторе 12. Повышение точности измерения в измерителе расхода достигается путем удвоения длины оптического пути светового потока в электрооптическом элементе за счет отражения в плоском зеркале.

Примененная в устройстве оптическая схема позволяет использовать только одну призму Глана одновременно в качестве поляризатора и анализатора, что технически упрощает устройство. Применение волоконно-оптических световодов значительно повышает помехозащищенность измерителя от внешних электромагнитных полей.

Массовый расход Q_m потока, создаваемого пневмотранспортной установкой определяется по формуле Q_m=K×S, где K - калибровочный массовый коэффициент, определяемый экспериментально при пропускании через измерительную вставку стандартной калибровочной массы данного измеряемого вещества m_cm, S - площадь, ограниченная кривой графической зависимости интенсивности сигнала датчика от времени за период измерения.

Калибровочный коэффициент определяется согласно зависимости: , где S_cm - площадь, ограниченная кривой графической зависимости интенсивности сигнала датчика за контрольный период измерений.

Объемный расход Q_v определяется согласно зависимости: , где ρ - плотность транспортируемого вещества.

В качестве регистрирующего конденсатора 3 использована электрооптическая ячейка Поккельса, представляющая кристалл танталата лития размером 6×6×30 мм с напыленными электродами из G+Au на X-поверхности, производства ООО «Элан» (г. Санкт-Петербург). (Возможно также применение кристаллов ниобата лития, бета бората бария и КТР). В качестве поляризатора-анализатора света 5 использована призма Глана и пластина λ/8 производства ООО «Элан» (г. Санкт-Петербург). В качестве лазерного излучателя 7 использован лазерный модуль KLM - Д650-5-5 с блоком питания производства «ФТИ-Оптроник» (г. Санкт-Петербург). В качестве приемника оптического излучения 9 использован лавинный фотодиод серии SAE 650 НМ производства компании Laser Components (Германия). Преобразователь тока в напряжение 10 собран на интегральной схеме МАХ 323 2 CUE+ производства Maxim integrated (США). В качестве микроконтроллера 11 использован микроконтроллер cFP - 2020 производства фирмы Nationale Instruments (Венгрия). В качестве индикатора 12 использован монитор «Acer», LSD Monitor V 193A (Китай). В качестве персонального компьютера 13 может быть использован любой компьютер не ниже Pentium 4, 1.5 ГГц. Для оптической связи применен многомодовый оптический кабель 8 с торцевыми линзами для ввода-вывода светового потока производства завода «Еврокабель-1» (Россия), возможно применение оптического кабеля BELDEN GIPS2E2 (США) и других производителей.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет повысить точность измерения за счет увеличения разрешающей способности измерительной системы в результате удвоения длины оптического пути модулируемого светового потока в электрическом элементе.

Кроме того, повышает защиту измерителя от влияния внешних электромагнитных полей за счет использования многомодового волоконно-оптического кабеля для передачи измерительной информации из ячейки Покельса, конструктивно расположенной на измерительной вставке в трубопровод, в систему обработки и отображения информации, которая может быть установлена в пункте управления на значительном расстоянии.

Упрощение технической реализации устройства достигается за счет применения комплектных изделий, серийно выпускаемых промышленностью.

Ожидаемый экономический эффект от использования измерителя составил 1,5% от стоимости транспортируемого по трубопроводу диэлектрического материала.