Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАССОВОГО РАСХОДА ЖИДКИХ СРЕД

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного измерения скорости потока и расхода диэлектрических 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 устройства 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 расхода 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 доплеровскую частоту ƒ_D. Неоднородностями в измеряемой жидкой среде при этом могут быть газовые и твердые включения, а также другие жидкости, обладающие электрофизическими параметрами ε, отличными от контролируемого вещества. Направления движения неоднородностей образуют различные углы с направлением этой волны, которая также распространяется не по прямой, как в идеальном случае, а в соответствии со своей диаграммой направленности. Произвольная ориентация неоднородностей, случайные значения фазы отраженных каждой неоднородностью сигналов приводят к образованию доплеровского сигнала сложной формы. Тем не менее, средняя доплеровская частота ƒ_D связана со средней скоростью потока V 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 V потока, можно определить массовый расход:

где Р - площадь поперечного сечения потока на измерительном участке. Подставив значение V из выражения (1) в (2), получим выражение для среднего массового расхода

Как видно из формулы (3), для точного измерения среднего массового расхода необходимо оценивать изменения в диэлектрической проницаемости среды и функционально с ней связанной плотностью контролируемого потока. Изменения этих параметров приводят к погрешностям в измерении и, как следствие, к недостаточной точности.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятое автором за прототип устройство для измерения массового расхода жидких и сыпучих сред (SU 896418, 07.01.1982). Устройство содержит частотный модулятор, генератор СВЧ, передающую и приемную антенны, смеситель, два фильтра и два сумматора, блок вычисления плотности, делитель и умножитель. При этом модулятор соединен с генератором СВЧ, выход которого соединен с передающей антенной и с первым входом смесителя, второй вход смесителя соединен с приемной антенной, а выход через первый и второй фильтр соединен с первым и вторым сумматором. Выходы первого и второго сумматора соединены с входами делителя, вход вычислителя плотности соединен с выходом первого сумматора, а выход с первым входом умножителя, второй вход которого соединен с выходом делителя.

Устройство работает следующим образом. Благодаря частотной модуляции генератора СВЧ по симметричному пилообразному закону, на выходе смесителя выделяется сигнал разностной частоты или частоты биений даже при отсутствии скорости потока с частотой:

где Δƒ - девиация частоты, Т_М - полупериод модуляции, D расстояние между антеннами. Частота ƒ_b, выделяющаяся на выходе смесителя и образованная из-за временной задержки распространения волны через участок трубы, заполненной средой, относительно волны, прошедшей на смеситель напрямую от генератора, будет одинаковой на падающем и растущем участке изменения частоты. При скорости потока V≠0, в зависимости от направления излучения антенны и направлением потока на выходе смесителя на растущем и падающем участке выделяются сигналы и ƒ₂=ƒ_b±ƒ_D за счет добавления или вычитания доплеровской частоты. Эти сигналы после фильтрации и преобразования суммируются, чтобы получить значение частоты ƒ_b, по которой можно определить ε в соответствии с формулой (4) и затем вычислить плотность в одноименном блоке. Во втором сумматоре по разности частот ƒ₁ и ƒ₂ определяется доплеровская частота и затем на делителе - скорость потока по формуле (1), где ƒ₀ в данном случае будет средней частотой СВЧ генератора. Значение расхода определяется в умножителе после вычисления произведения плотности и скорости потока.

Данное устройство позволяет учитывать влияние изменения физических свойств контролируемой среды на точность измерения расхода путем вычисления диэлектрической проницаемости и связанной с ней плотностью. Однако в реальности точность измерения расхода этим устройством недостаточно высокая. Это происходит из-за того, что сигнал разностной частоты, равно как и доплеровский сигнал, не являются идеальными гармониками. На самом деле они являются сигналами, имеющими спектры с конечной шириной, поэтому точность определения частот ƒ₁, ƒ₂, ƒ_b и ƒ_D невысокая, а это приводит к снижению точности в определении массового расхода.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерения.

Технический результат - повышение точности, достигается тем, что устройство для измерения расхода жидких сред содержит передающую и приемную антенны на измерительном участке трубопровода, модулятор частоты, генератор СВЧ, смеситель, при этом модулятор частоты первым выходом соединен с управляющим входом генератора СВЧ, выход которого соединен с первым входом смесителя и с передающей антенной, а второй вход смесителя соединен с приемной антенной. Дополнительно устройство содержит коммутирующий блок, первый и второй блок спектральной обработки, блок вычисления взаимной корреляции, блок вычисления диэлектрической проницаемости, вычислительный блок, при этом основной вход коммутирующего блока соединен с выходом смесителя, управляющий вход с вторым выходом модулятора частоты, первые входы блока вычисления взаимной корреляции и блока вычисления диэлектрической проницаемости соединены с первым выходом блока коммутации через первый блок спектральной обработки, а вторые входы этих блоков соединены со вторым выходом блока коммутации через второй блок спектральной обработки, выходы блоков вычисления диэлектрической проницаемости и блока вычисления взаимной корреляции соединены с вычислительным блоком.

На Фиг. 1 представлена структурная схема устройства.

На Фиг. 2 изображены временные диаграммы сигналов на выходах генератора СВЧ и смесителя при симметричной пилообразной частотной модуляции.

На Фиг. 3 представлены огибающие спектров сигналов разностной частоты в относительных величинах при нулевой скорости потока - S₀(ƒ) и при скорости потока V в моменты роста и спада частоты на выходе генератора СВЧ, соответственно S₁(ƒ) и S₂(ƒ).

На Фиг. 4 изображена взаимно-корреляционная функция между этими огибающими S₁(ƒ) и S₂(ƒ) в относительных величинах.

На Фиг. 5 представлен спектр в относительных величинах.

Устройство содержит частотный модулятор 1, генератор СВЧ 2, передающую антенну 3, приемную антенну 4, смеситель 5, коммутирующий блок 6, первый блок спектральной обработки 7, второй блок спектральной обработки 8, блок вычисления взаимной корреляции 9, блок вычисления диэлектрической проницаемости 10 и вычислительный блок 11 (см. Фиг. 1).

Устройство работает следующим образом. Частотный модулятор 1 пилообразным симметричным напряжением линейно модулирует частоту генератора СВЧ 2 в диапазоне Δƒ=ƒ₂-ƒ₁, где ƒ₁ и ƒ₂ его начальная и конечная частота (см. кривая 1 на Фиг. 2). Сначала за время Т_М частота растет от ƒ₁ до ƒ₂, затем за это же время линейно уменьшается от ƒ₂ до ƒ₁. Соответственно в это время с помощью коммутирующего блока 6, управляемого от генератора пилообразного напряжения 1, сигнал с выхода смесителя обрабатывается блоками спектральной обработки 8 и 9. Электромагнитные колебания от генератора СВЧ 2 поступают на первый, опорный вход смесителя напрямую, а на второй вход по следующему пути. Сначала происходит излучение с помощью антенны 3 через диэлектрическое окно 12 на измерительном участке трубопровода 13 под углом α навстечу направлению потока, затем после отражений от неоднородностей, присутствующих в потоке принимаются антенной 4 и поступают на второй вход смесителя 5. При отсутствии движения в потоке, на выходе смесителя образуется сигнал биений согласно формуле (4) в виде спектра гармоник конечной ширины S₀(ƒ) (см. Фиг. 3), одинаковый для растущего и падающего участка (см. кривая 2 на Фиг. 2а). При наличии движения потока со скоростью V к сигналу биений добавляется спектр доплеровской составляющей в соответствии с формулой (1), также в виде спектра гармоник конечной ширины. При этом на растущем участке модуляции частоты суммарного спектра растут, а на падающем - уменьшаются на частоту ƒ_D, соответственно S₁(ƒ)=S₀(ƒ)+ƒ_D и S₂(ƒ)=S₀(ƒ)-ƒ_D (см. Фиг. 2 и Фиг. 3). Эти спектры вычисляются в блоках 7 и 8, после чего поступают на блок 9, где вычисляется их взаимно-корреляционная функция C(ƒ) в относительных единицах (см. Фиг. 4). Частотный сдвиг, соответствующий максимуму этой функции - ƒ_m будет в точности соответствовать удвоенной доплеровской частоте, поэтому

ƒ_D=ƒ_m/2.

Одновременно спектры S₁(ƒ) и S₂(ƒ) поступают в блок 10 вычисления диэлектрической проницаемости. Здесь необходимо определить текущее значение частоты биений ƒ_b для спектра S₀(ƒ) при скорости потока V=0. Эта частота фактически является осью симметрии между спектрами S₁(ƒ) и S₂(ƒ) (см. Фиг. 2 и Фиг. 3), поэтому процедура вычисления будет следующей. Сначала определяется модуль разности спектров , а затем находится частота ƒ_b путем перебора в диапазоне спектров S₁(ƒ) и S₂(ƒ), до соблюдения условия:

где b - диапазон частот, определяемый из возможной ширины полосы частот сигнала биений и доплеровских частот, связанных с возможными скоростями потока. Т.е. площадь суммарного спектра справа и слева от точки ƒ_b должны быть равны (см. Фиг. 5). После определения ƒ_b диэлектрическая проницаемость вычисляется из формулы (4):

Далее в итоговом вычислительном блоке 11 по значению ε от блока 10 вычисляется функционально связанная с ней плотность ρ и затем с использованием ƒ_D от блока 9 происходит вычисление расхода среды в соответствии с формулой (3), где ƒ₀ в данном случае будет равна средней частоте несущей.

Таким образом, точность определения массового расхода сред увеличивается по сравнению с прототипом за счет увеличения точности в определении доплеровской частоты и частоты биений. Устройство позволяет компенсировать влияние на точность измерения наличие конечного нестабильного спектра в доплеровском сигнале и в сигнале биений, возникающего по причинам наличия конечных диаграмм направленности антенн, турбулентности отражающих неоднородностей в потоке, нелинейности частотной характеристики генератора СВЧ и др.