×
25.08.2017
217.015.cedd

Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАССОВОГО РАСХОДА ЖИДКИХ СРЕД

Вид РИД

Изобретение

№ охранного документа
0002620779
Дата охранного документа
29.05.2017
Аннотация: 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. 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, а управляющий вход со вторым выходом модулятора частоты, первые входы блока взаимной корреляции и блока вычисления диэлектрической проницаемости соединены с первым выходом блока коммутации через первый блок спектральной обработки, вторые входы этих блоков соединены со вторым выходом блока коммутации через второй блок спектральной обработки, выходы блоков вычисления диэлектрической проницаемости и блока взаимной корреляции соединены с вычислительным блоком. Технический результат - повышение точности. 5 ил.

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 ƒD. 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 ƒD 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, ТМ - полупериод модуляции, D расстояние между антеннами. Частота ƒb, 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 ƒ2b±ƒD за счет добавления или вычитания доплеровской частоты. Эти сигналы после фильтрации и преобразования суммируются, чтобы получить значение частоты ƒb, 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, ƒb и ƒD 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=ƒ21, где ƒ1 и ƒ2 его начальная и конечная частота (см. кривая 1 на Фиг. 2). Сначала за время ТМ 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 ƒD, соответственно S1(ƒ)=S0(ƒ)+ƒD и S2(ƒ)=S0(ƒ)-ƒD (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 - ƒm будет в точности соответствовать удвоенной доплеровской частоте, поэтому

ƒDm/2.

Одновременно спектры S1(ƒ) и S2(ƒ) поступают в блок 10 вычисления диэлектрической проницаемости. Здесь необходимо определить текущее значение частоты биений ƒb 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 ƒb 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 ƒb должны быть равны (см. Фиг. 5). После определения ƒb 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 ƒD 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.

Устройство для измерения расхода жидких сред, содержащее 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, отличающееся тем, что дополнительно 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 со 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.
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАССОВОГО РАСХОДА ЖИДКИХ СРЕД
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАССОВОГО РАСХОДА ЖИДКИХ СРЕД
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАССОВОГО РАСХОДА ЖИДКИХ СРЕД
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАССОВОГО РАСХОДА ЖИДКИХ СРЕД
Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 181-190 из 276.
29.05.2018
№218.016.5772

Устройство для контроля и измерения сопротивления изоляции

Изобретение относится к электрическим измерениям, а именно к измерениям сопротивления изоляции электрических сетей любого рода тока. Техническим результатом заявляемого технического решения является повышение быстродействия и расширение функциональной возможности. Технический результат...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002654917
Дата охранного документа: 23.05.2018
29.05.2018
№218.016.5787

Устройство для измерения оборотов диска индукционного счетчика

Изобретение относится к области информационно-измерительной техники. Устройство для измерения оборотов диска индукционного счетчика содержит источник электрической сети, соединенный с входами катушки напряжения и токовой катушки, вращающейся между ними алюминиевый диск и постоянный магнит, в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002654919
Дата охранного документа: 23.05.2018
29.05.2018
№218.016.57c3

Способ измерения вектора путевой скорости транспортного средства

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам измерения путевой скорости транспортных средств с использованием эффекта Доплера для электромагнитных волн. Технический результат - повышение точности измерения путевой скорости достигается тем, что в способе измерения...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002654931
Дата охранного документа: 23.05.2018
29.05.2018
№218.016.57f0

Устройство для измерения малых значений токов

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники. Сущность заявленного технического решения заключает в том, что устройство для измерения малых значений тока содержит первичный преобразователь, выполненный в виде неподвижной катушки и подвижного сердечника, микроволновой...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002654911
Дата охранного документа: 23.05.2018
09.06.2018
№218.016.5c88

Способ измерения длины металлической трубы

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения длины металлических труб как готовых изделий, так и при их производстве на металлургических, машиностроительных предприятиях. Сущность заявленного технического решения заключается в том, что в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002656007
Дата охранного документа: 30.05.2018
09.06.2018
№218.016.5cac

Устройство для измерения длины протяженного металлического изделия

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения длины протяженных металлических изделий, в частности металлических труб как готовых изделий, так и при их производстве. Техническим результатом изобретения является расширение функциональных...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002656021
Дата охранного документа: 30.05.2018
09.06.2018
№218.016.5d0f

Способ измерения длины протяженного металлического изделия

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения длины протяженных металлических изделий, в частности металлических труб как готовых изделий, так и при их производстве. Техническим результатом изобретения является расширение функциональных...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002656016
Дата охранного документа: 30.05.2018
09.06.2018
№218.016.5d10

Способ определения длины протяженного металлического изделия

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного определения длины протяженных металлических изделий, в частности металлических труб как готовых изделий, так и при их производстве на металлургических, машиностроительных предприятиях. Сущность...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002656023
Дата охранного документа: 30.05.2018
09.06.2018
№218.016.5d15

Способ определения длины протяженного металлического изделия

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного определения длины протяженных металлических изделий, в частности металлических труб как готовых изделий, так и при их производстве на металлургических, машиностроительных предприятиях. Сущность...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002656012
Дата охранного документа: 30.05.2018
09.06.2018
№218.016.5edf

Способ и система выполнения распределенных операций счета и суммирования чисел с применением аналого-цифровых преобразователей уровня оптических сигналов

Изобретение относится к средствам выполнения поиска и обработки информации. Технический результат заключается в повышении скорости распределенных операций счета и суммирования чисел в компьютерных кластерах. Способ выполнения распределенных операций счета и суммирования чисел характеризуется...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002656738
Дата охранного документа: 06.06.2018
Показаны записи 181-181 из 181.
18.10.2019
№219.017.d7e6

Измеритель вектора перемещения транспортного средства

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к радиоволновым способам измерения перемещения транспортных средств с использованием эффекта Доплера для электромагнитных волн. Технический результат - увеличение точности измерения достигается тем, что устройство измерения перемещения...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002703281
Дата охранного документа: 16.10.2019
+ добавить свой РИД