УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СПЛОШНОСТИ ПОТОКОВ КРИОПРОДУКТОВ Российский патент 1998 года по МПК G01N22/00 G01F1/704 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения сплошности потоков диэлектрических неполярных и слабополярных сред, преимущественно криогенных.

Известно устройство для измерения сплошности потока жидкости, содержащее резонатор, связанный через элементы связи с генератором и индикатором, при этом внутри резонатора, по его оси расположен трубопровод, объем резонатора заполнен диэлектриком, а трубопровод выполнен в виде двух металлических труб, разделенных зазором [1].

Недостатками данного устройство являются невысокие точность и чувствительность измерений из-за значительной неоднородности распределения электрического поля на измерительном участке трубопровода и из-за того, что лишь малая часть электрического поля резонатора используется для измерения (значительная часть электрического поля сосредоточена в диэлектрике).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является устройство для измерения сплошности потоков криопродуктов, содержащее резонатор в виде цилиндрического корпуса с диэлектриком и установленный по его оси участок трубопровода в виде двух труб, расположенных последовательно с зазором между ними и электрически связанные с корпусом генератор и индикатор, при этом на внутренних поверхностях труб выполнены параллельно оси резонатора ребра обтекаемой формы, причем концы ребер выступают в зазор трубами, ребра одной трубы смещены относительно ребер другой трубы, а наименьшее расстояние между соседними ребрами противоположных труб σ связано с расстоянием между торцами труб Δ и расстоянием l по оси между концами ребер соотношением l/3<σ<Δ . Кроме того, это устройство может быть снабжено установленным на резонаторе центральным стержнем, электрически связанным с корпусом посредством перемычки, выполненной на его внутренней поверхности, а труба с центральным ребром выполнена в виде кольца, электрически связанного с центральным стрежнем посредством центрального ребра [2].

Недостатками известного устройства являются недостаточно высокие точность и чувствительность измерений из-за того, что не все электрическое поле резонатора используется для измерений (некоторая часть электрического поля сосредоточена в диэлектрике).

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности и чувствительности измерения за счет увеличения диапазона перестройки резонансной частоты при сохранении сосредоточенного однородного электрического поля на измерительном участке резонатора.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения сплошности потоков криопродуктов, содержащем генератор, индикатор и резонатор в виде цилиндрического корпуса с установленным по его оси участком трубопровода, на внутренней поверхности которого выполнена одна группа ребер обтекаемой формы, и центральным стержнем, электрически связанным с одной стороны с корпусом посредством перемычки, выполненной на его внутренней поверхности, а с другой стороны - со второй группой ребер, причем одна группа ребер смещена относительно другой группы ребер, а наименьшее расстояние между соседними ребрами противоположных групп ребер σ связано с размером l перекрытия по оси двух групп ребер соотношением l/3<σ , согласно изобретению резонатор внутри не имеет диэлектрических частей, внутренний диаметр корпуса равен диаметру трубопровода, ребра второй группы не имеют контакта с последним и крепятся к центральному стрежню с помощью дополнительного центрального ребра.

Кроме того, оно может быть снабжено дополнительными центральным стержнем и перемычкой и вторым центральным ребром.

Кроме того, с целью расширения функциональных возможностей, а именно для измерения расхода потока, ребра корпуса могут быть разделены на несколько разнесенных последовательно по потоку на одинаковое расстояние друг от друга l_T групп ребер одинаковой длины l_i, не превышающей расстояния между ними l_T, суммарная длина которых по потоку равна размеру перекрытия l.

Сопоставительный анализ с прототипом показал, что предложенное техническое решение имеет новые признаки, отсутствующие в прототипе, а именно: отсутствие диэлектрических частей внутри резонатора, равенство внутреннего диаметра корпуса диаметру трубопровода, отсутствие контакта ребер второй группы с корпусом и крепление их к центральному стержню с помощью дополнительного центрального ребра. Кроме того, введение дополнительных центрального стержня и перемычки и второго центрального ребра. Кроме того, разделение ребер корпуса на несколько разнесенных последовательно по потоку на одинаковое расстояние друг от друга l_T групп ребер одинаковой длины l_i, не превышающей расстояния между ними l_T, суммарная длина которых по потоку равна размеру перекрытия l.

Вышеизложенное позволяет сделать вывод о соответствии предложенного технического решения критерию "новизна".

Анализ патентной и научно-технической информации в области измерительной техники не позволил обнаружить признаки, являющиеся отличительными в заявленном изобретении.

Вышеуказанные признаки являются необходимыми и достаточными для достижения положительного эффекта.

Так наличие такого признака, как отсутствие диэлектрических частей внутри резонатора позволило использовать все электрическое поле резонатора для измерений, тем самым увеличив диапазон перестройки резонансной частоты до максимально возможного, что увеличило точность и чувствительность измерений. Наличие такого признака, как равенство внутреннего диаметра корпуса диаметру трубопровода позволило избавиться от диэлектрика и, кроме того, уменьшило габариты датчика. Наличие такого признака, как отсутствие контакта ребер второй группы с корпусом позволило сконцентрировать все электрическое поле резонатора на измерительном участке.

Кроме того, наличие такого признака, как введение дополнительных центрального стержня и перемычки и второго центрального ребра способствует увеличению жесткости системы емкостных зазоров, что еще более увеличивает точность и чувствительность измерений.

Кроме того, наличие такого признака, как разделение ребер корпуса на несколько разнесенных последовательно по потоку на одинаковое расстояние друг от друга l_T групп ребер одинаковой длины l_i, не превышающей расстояния между ними l_T, позволило расширить функциональные возможности устройства, а именно позволило, кроме сплошности, измерять еще расход двухфазных потоков путем статистического автокорреляционного анализа сигнала резонатора.

Следовательно, можно сделать вывод о том, что предложенное техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Данный датчик предназначен прежде всего для контроля потоков низкотемпературных криопродуктов (гелий, водород, азот, кислород и т.д.), которые имеют низкие значения диэлектрической проницаемости ε . Так, например, значения диэлектрической проницаемости при нормальном атмосферном давлении составляют: для жидкого гелия ε = 1,042; для жидкого азота ε = 1,43. Диэлектрическая проницаемость паров криопродуктов близка к 1. Поэтому в данных условиях для датчиков сплошности, принцип работы которых основан на различии диэлектрических проницаемостей паровой и жидкой фаз, важно иметь максимальную чувствительность, т. е. максимально возможный диапазон перестройки выходного сигнала. Известно [3], что СВЧ-резонаторы, полость которых может быть полностью заполнена контролируемой средой с диэлектрической проницаемостью ε , обладают максимальной перестройкой резонансной частоты f в соответствии с формулой f = f₀•ε^-1/2 , где f_o - резонансная частота при ε = 1. Назовем такие резонаторы "образцовыми". Однако известные конструкции "образцовых" СВЧ-резонаторов малопригодны для измерения сплошности криопродукторв, т.к. они не имеют однородного распределения сосредоточенного электрического поля на измерительном участке и, следовательно, показания таких датчиков будут зависеть от структуры двухфазного потока.

Предложенное техническое решение обладает одновременно максимальной чувствительностью и однородно распределенным сосредоточенным на измерительном участке электрическим полем. Кроме того, оно может быть использовано для измерения расхода. Эти признаки позволяют надеяться на широкое промышленное применение предложенного датчика в криогенной, холодильной и других областях техники.

Эксперименты с макетами предложенного датчика подтвердили возможность его создания и достижения желаемого технического результата.

Вышеизложенное доказывает соответствие заявленного технического решения критерию "промышленная применимость".

На фиг. 1 приведена конструкция устройства; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - конструкция устройства с вторым центральным стержнем, второй перемычкой и вторым дополнительным центральным ребром; на фиг. 4 - конструкция устройства с ребрами трубы, разделенными на три группы; на фиг. 5 - конструкция устройства с вторым центральным стержнем, второй перемычкой и вторым дополнительным центральным ребром и с ребрами трубы, разделенными на три группы; на фиг. 6 - электрическая схема резонатора.

Устройство содержит генератор 1, индикатор 2 и резонатор 3 в виде отрезка металлической трубы, на внутренней поверхности которой выполнены металлические ребра 4, 5 обтекаемой формы, и металлического центрального стержня 6, электрически связанного с одной стороны с корпусом 3 посредством металлической перемычки 7, выполненной на внутренней поверхности трубы 3, а с другой стороны через центральное ребро 8 - с металлическими ребрами 9, 10, 11 второй группы, причем одна группа ребер смещена относительно другой группы ребер, концы ребер противоположных групп либо перекрывают друг друга (как это показано на фиг. 1), либо находятся на одном уровне, либо не доходят друг от друга.

Резонатор внутри не имеет диэлектрических частей, внутренний диаметр корпуса равен диаметру трубопровода d, ребра 9, 10, 11 второй группы не имеют непосредственного контакта с трубой и крепятся к центральному стержню 6 с помощью введенного дополнительного центрального ребра 7.

В СВЧ-технике такой резонатор относится к классу коаксиальных резонаторов с торцевым емкостным зазором. В этом резонаторе расстояние σ между соседними ребрами противоположных групп мало по сравнению с размерами других полостей резонатора, где может быть сосредоточено электрическое поле, а диаметр d_ст. центрального стрежня 6 по крайней мере в 2,5 раза меньше внутреннего диаметра d трубы 3. Эти условия превращают резонатор в квазисосредоточенный: индуктивная часть сосредоточена на участке центрального стержня, а емкостная часть, являющаяся чувствительным элементом датчика, - в зазорах между ребрами противоположных групп.

Электрическая схема резонатора (фиг. 6) представляет собой колебательный контур с параллельно включенными сосредоточенными индуктивностью L и емкостью C. В заявленном устройстве роль индуктивности выполняет центральный стержень 6, а емкость образована между рядами плоскопараллельных пластин, т.е. между ребрами 4, 5 трубы 3 и ребрами 9, 10, 11 противоположной группы. Электрическая схема измерительной емкости представляет собой емкость, образованную между рядами плоскопараллельных пластин, распределение электрического поля между которыми, как известно, весьма однородно. Конструктивно измерительная емкость выполнена в виде параллельных ребер 4, 5, 9, 10, 11, представляющих собой тонкие пластины, жестко прикрепленные, соответственно, к внутренней поверхности трубы 3 и к центральному ребру 8. Для плавного обтекания потоком концы ребер по потоку заострены. Толщина ребер выбирается такой, чтобы чрезмерно не зауживать сечение трубопровода. Целесообразно соблюдение следующего соотношения между площадью поперечного сечения ребер F_P и трубопровода F_TP: F_P/F_TP<0,15.

Таким образом, выполнение резонатора без диэлектрических частей с внутренним диаметром корпуса, равным диаметру трубопровода при отсутствии непосредственного контакта ребер центрального стрежня с трубой, позволило сосредоточить на измерительном участке все электрическое поле резонатора с распределением, близким к однородному, что увеличило диапазон перестройки датчика и, соответственно, обеспечило по сравнению с прототипом повышение чувствительности и точности измерений. Кроме того, по сравнению с прототипом уменьшились габариты датчика.

Как известно, электрическая емкость между плоскопараллельными пластинами пропорциональна площади пластин и обратно пропорциональна расстоянию между пластинами. Поэтому измерительная емкость датчика увеличивается при увеличении величины перекрытия ребер l и уменьшении расстояния между ребрами σ . Однако при чрезмерном увеличении емкости датчика падает его добротность, и, следовательно, уменьшается точность измерения резонансной частоты. Кроме того, уменьшение расстояния σ связано с зауживанием проходного сечения трубопровода ребрами, что приводит к увеличению гидродинамических потерь давления, возмущению потока и в конечном счете к потере точности измерений.

Проведенные нами эксперименты по излучению влияния перекрытия ребер на добротность резонатора показали, что увеличение перекрытия l до 3σ соответствует уменьшению добротности примерно в 10 раз. Поскольку погрешность измерения резонансной частоты обратно пропорциональна добротности, то при этом крайнем случае погрешность измерения резонансной частоты, и, соответственно, сплошности, увеличилась в 10 раз.

Учитывая изложенное выше, оптимальное соотношение между наименьшим расстоянием σ между соседними ребрами противоположных групп и величиной перекрытия l должно удовлетворять неравенству l/3<σ .

Согласно п. 2 изобретения, с целью повышения точности и чувствительности измерений, резонатор может быть снабжен (см. фиг. 3) вторым центральным стержнем 12, второй перемычкой 13 и вторым центральным ребром 14. В данной конструкции произошло существенное увеличение жесткости системы измерительных емкостных зазоров из-за введения дополнительной опоры для ребер 9, 10, 11. В результате уменьшилась возможная вибрация ребер 9, 10, 11 центрального стержня и связанная с ней флуктуация (шум) резонансной частоты, что способствует повышению точности и чувствительности измерений. В данной конструкции размер перекрытия l равен длине ребер трубы 4, 5.

Согласно п. 3 изобретения, с целью расширения функциональных возможностей, ребра корпуса могут быть разделены (см. фиг. 4, 5) на несколько расположенных последовательно по потоку на одинаковом расстоянии l_T друг от друга групп ребер одинаковой длины l_i, не превышающей расстояния между ними l_T, суммарная длина которых по потоку равна размеру перекрытия l. Например, как это показано на фиг. 4, ребра корпуса разделены на три группы: 4 и 5, 12 и 13, 14 и 15. На фиг. 5 соответственно 4 и 5, 15 и 16, 17 и 18. Разделение ребер корпуса позволило создать в одном датчике несколько разнесенных на известное расстояние по потоку чувствительных емкостных элементов, образованных в зазоре межу ребрами трубы 3 (4 и 5, 12 и 13, 14 и 15 на фиг. 4, 4 и 5, 15 и 16, 17 и 18 на фиг. 5) и ребрами 9, 10, 11, и регистрирующих прохождение диэлектрических неоднородностей контролируемого потока. Как известно [4, 5] , подобная компоновка датчика позволяет измерять расход двухфазных потоков путем статистического спектрального или автокорреляционного анализа сигнала датчика.

Устройство работает следующим образом. Резонатор 3 возбуждается с помощью генератора 1 на резонансной частоте, величина которой зависит от диэлектрической проницаемости контролируемого потока, зависящей в свою очередь от соотношения объемов жидкой и паровой фаз в потоке, т.е. сплошности потока. Поскольку распределение электрического поля межу ребрами 4, 5 и 9, 10, 11 близко к однородному, резонансная частота не зависит от структуры двухфазного потока. Кроме того, перестройка резонансной частоты, т.е. чувствительность измерений, равна максимально возможной, поскольку резонатор не имеет диэлектрических частей. Отсчет величины резонансной частоты, являющейся мерой сплошности, производится с помощью подсоединенного к резонатору индикатора 2, например цифрового частотомера.

Кроме того, устройство по п. 3 формулы изобретения может служить для измерения расхода потока следующим образом. Поток двухфазной среды имеет движущиеся с потоком диэлектрические неоднородности (пузырьки пара или сгустки жидкости), которые вызывают колебания резонансной частоты датчика. Благодаря тому, что датчик имеет несколько разнесенных по потоку емкостных чувствительных элементов, на кривой спектральной плотности мощности сигнала датчика имеется пик, абсцисса которого соответствует частоте, равной скорости потока, деленной на расстояние между центрами емкостных элементов. Проведя соответствующую статистическую обработку спектральной плотности мощности сигнала датчика, можно определить скорость и расход контролируемого потока. Преимуществом данного датчика является его высокая чувствительность, благодаря чему для измерения расхода требуются весьма небольшие флуктуации диэлектрической проницаемости потока.

Были изготовлены и испытаны на жидком азоте макеты датчиков сплошности со следующими размерами:
1. По п. 1 формулы изобретения. d=20, d_CT=3, l_CT=50, σ = 1, l=0 (концы ребер на одном уровне), δ = 0,35, число ребер трубы 7, число ребер центрального стержня 6.

Частота в парах азота составила F_П=558900 кГц, частота в жидком азоте составила F_Ж=467370 кГц. Перестройка частоты Δ F=F_П-F_Ж=91530 кГц. Эта перестройка равна максимальной теоретической перестройке для резонаторов, объем которых полностью заполнен контролируемой диэлектрической средой ( F_{жтеоретическое}= F_п/ε^1/2, , принимая ε_п = 1 и диэлектрическую проницаемость жидкого азота ε_ж = 1,43). Таким образом, отношение перестройки ΔF предложенного датчика к максимальной теоретической ΔF_т составило ΔF/ΔF_т= 1.
Для сравнения, у датчика-прототипа ΔF/ΔF_т= 0,6...0,7.
Таким образом, по сравнению с прототипом заявленное устройство позволяет повысить чувствительность и точность измерения сплошности, а также измерять расход контролируемого потока.

Источники информации принятые во внимание при экспертизе
1. Авторское свидетельство СССР N 845069, МКИ G 01 N 22/00, 1978.

2. Патент России N 2001391, МКИ G 01 N 22/00, 1993 (прототип).

3. Викроторов В. А. , Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин.- М.: Наука, 1978.-286с.

4. Lassahn G. D. Two-phase flow velocity measurement using radiation intensity correlation // Adv. Instrum.-Pittsburch, 1975.- Vol. 30, Part 3. -P. 745/1-745/3.

5. Заявка N 4755954/10 от 26.07.89, положительное решение от 28.06.91.

Использование: измерение сплошности и расхода потоков диэлектрических неполярных и слабополярных сред. Сущность изобретения: в корпусе 3 коаксиального СВЧ-резонатора в виде участка трубопровода установлен центральный стержень 6, на котором закреплена одна группа ребер 9, 10, 11 обтекаемой формы. Вторая группа ребер выполнена на внутренней поверхности корпуса резонатора. Центральный стержень связан с корпусом перемычкой 7. С помощью генератора 1 резонатор возбуждается на резонансной частоте, отсчет величины которой, являющейся мерой сплошности, производится по индикатору 2 (например, цифровому частотомеру). Для обеспечения возможности измерения скорости (расхода) потока в зазоре между ребрами трубы 3 (4 и 5, 15 и 16, 17 и 18) и ребрами 9, 10, 11 образовано несколько емкостных чувствительных элементов, разнесенных последовательно по потоку. 2 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Устройство для измерения сплошности потоков криопродуктов, содержащее коаксиальный СВЧ-резонатор, включающий отрезок металлической трубы, на внутренней поверхности которой выполнена первая группа ребер, и центральный металлический стержень, электрически связанный с одной стороны с металлической трубой посредством перемычки, выполненной на внутренней поверхности трубы, а с другой стороны - с второй группой ребер, смещенной относительно первой группы, причем наименьшее расстояние σ между соседними ребрами первой и второй групп связано с размером перекрытия l ребер соотношением l/3<σ, генератор и индикатор, электрически связанные с корпусом СВЧ-резонатора, отличающееся тем, что отрезок металлической трубы, внутренний диаметр которой равен диаметру трубопровода для подачи контролируемого потока, является корпусом резонатора, а вторая группа ребер посредством первого дополнительного ребра закреплена на центральном стержне, при этом резонатор внутри не имеет диэлектрических частей. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительными центральным стержнем и перемычкой и вторым дополнительным ребром, образующими дополнительную опору для второй группы ребер. 3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что ребра корпуса резонатора, образующие первую группу, разделены на несколько расположенных последовательно по потоку на одинаковом расстоянии l_т друг от друга групп ребер одинаковой длины l_i, не превышающей l_т, суммарная длина которых равна размеру перекрытия l.