Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ 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 f отличной от частоты f₀ зондирующей волны на частоту f_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, - 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 f_k, 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 f_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 f_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 f_k и усредненного значения ε. Электромагнитные колебания с частотой f_k поступают на вход умножителя частоты на k, с выхода которого они уже с частотой f₀=kf_k 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=kf_k, 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=kf_k, 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.