УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСХОДА ДВУХКОМПОНЕНТНЫХ ВЕЩЕСТВ В ТРУБОПРОВОДЕ Российский патент 2002 года по МПК G01F1/74 G01F1/712 G01N22/04 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах управления технологическими процессами.

Известен радиоволновый расходомер, содержащий вдоль трубопровода два объемных резонатора, воспринимающих через гибкую металлическую мембрану статическое давление, по перепаду которого на участке между резонаторами судят о скорости и расходе жидкости в трубопроводе (см. В.А.Викторов и др. "Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин", М.: "Наука:, 1978, стр. 269).

Недостатком этого устройства следует считать невысокую чувствительность, связанную со степенью гибкости мембраны.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятый автором за прототип микроволновый доплеровский расходомер (см. В.А.Викторов и др. "Радиоволновые измерения параметров технологических процессов", М.: Энергоиздат, 1969. стр. 137-138), содержащий микроволновый генератор, соединенный с передающей антенной, приемную антенну, подключенную через приемный блок ко входу блока выделения и обработки доплеровского сигнала. В этом устройстве при взаимодействии электромагнитных волн с неоднородностями вещества (частицами сыпучего материала, твердыми или газовыми включениями в жидкости и др. ) образуется доплеровский сигнал, по частоте которого определяют скорость и расход контролируемой среды в трубопроводе.

Недостатком этого известного расходомера является погрешность, обусловленная сложностью выделения из частотного спектра информативного сигнала доплеровскую частоту, пропорциональную скорости потока.

Задачей, решаемой заявляемым техническим решением, является повышение точности измерения.

Поставленная задача достигается тем, что в устройство для определения расхода двухкомпонентных веществ в трубопроводе, содержащее первый генератор, первые входной и выходной элементы связи, введены первый и второй кольцевые резонаторы, выполненные в виде свернутых волноводов и встроенные последовательно в трубопровод, второй генератор, вторые входной и выходной элементы связи, первый и второй детекторы, первый и второй измерители амплитудно-частотных характеристик, коррелятор, вычислитель и умножитель, причем выходы первого и второго генераторов через соответственно первый и второй входные элементы связи соединены со входами первого и второго кольцевых резонаторов, выходы первого и второго кольцевого резонатора через соответствующий выходной элемент связи и последовательно соединенные с ним детектор и измеритель амплитудно-частотных характеристик соединены соответственно с первым и вторым входом коррелятора, выход первого измерителя амплитудно-частотных характеристик подключен ко входу вычислителя, выход которого соединен с первым входом умножителя, ко второму входу которого подключен выход коррелятора, а выход умножителя является выходом устройства.

Существенным отличительным признаком в указанной выше совокупности является наличие двух кольцевых резонаторов, встроенных последовательно в трубопровод, и коррелятора.

В заявляемом техническом решении благодаря свойствам совокупности перечисленных признаков измерение взаимно корреляционной функции амплитудно-частотных характеристик двух кольцевых резонаторов и колебательных характеристик одного из них позволяет решить поставленную задачу: обеспечить более высокую точность измерения.

На чертеже приведена функциональная схема заявляемого устройства.

Устройство содержит первый и второй генераторы 1, 2, соединенные выходами через первый и второй входные элементы связи 3, 4 с соответствующими входами первого и второго кольцевых резонаторов 5, 6, первый и второй выходные элементы связи 7, 8, подключенные через первый и второй детекторы 9, 10 к соответствующим входам первого и второго измерителя амплитудно-частотных характеристик 11, 12, коррелятор 13, вычислитель 14 и умножитель 15. На чертеже под номером 16 обозначен трубопровод.

В местах (поверхность кольцевых резонаторов) расположения входных и выходных элементов связи, осуществляющих ввод в металлические резонаторы и вывод из них электромагнитных колебаний, необходимо предусмотреть герметичные диэлектрические окна.

Устройство работает следующим образом. Выходными электромагнитными сигналами генераторов 1, 2, поступающими на входы входных элементов связи 3, 4, возбуждают электромагнитные колебания одновременно в первом и втором резонаторах 5, 6. В данном случае так как кольцевые резонаторы встроены последовательно в трубопровод 16, то при протекании по нему контролируемого вещества для собственных резонансных частот первого f_p1 и второго f_p2 кольцевых резонаторов соответственно можно записать

где n=1, 2, 3,..., С - скорость распространения электромагнитных волн в свободном пространстве, ε - диэлектрическая проницаемость вещества, L_сред1 и L_сред2 - средняя длина первого и второго кольцевых резонаторов соответственно. Если кольцевые резонаторы идентичные, то можно принимать f_p1=f_p2.

Как известно, для определения расхода потоков в трубопроводах, например, объемного необходимо знание сечения трубопровода или струи потока и скорость движения контролируемого вещества.

В заявляемом техническом решении по положению максимума взаимно корреляционной функции амплитудно-частотных характеристик двух кольцевых резонаторов, отнесенных друг от друга на некотором расстоянии l, можно определить скорость потока V, выраженную формулой
V=l/τ_т,
где τ_т - время транспортного запаздывания амплитудно-частотной характеристики второго кольцевого резонатора по отношению к амплитудно-частотной характеристике первого кольцевого резонатора и наоборот.

Для оценки параметра τ_т выходные сигналы резонаторов с помощью соответствующих выходных элементов связи 7, 8 через первый и второй амплитудные детекторы 9, 10 поступают на входы первого и второго измерителей амплитудно-частотных характеристик 11, 12 соответственно. После этого частотные сигналы измерителей амплитудно-частотных характеристик, сдвинутые по времени из-за транспортного запаздывания, поступают на соответствующие входы коррелятора 13. На выходе коррелятора взаимно корреляционная функция входных сигналов коррелятора при равенстве времени задержки опережающего сигнала и времени τ_т должна иметь максимальное значение, т.е. путем отыскания максимума взаимно корреляционной функции всегда можно найти время τ_т.
Пусть по трубопроводу перемещается обводненный нефтепродукт с влажностью не более 5% и требуется измерять объемный расход нефтепродукта в потоке. Тогда, как известно, в таких случаях, т.е. с малым содержанием влаги в нефтепотоке, справедлива формула Винера (см. "Теория и практика экспрессного контроля влажности твердых и жидких материалов", под общ. ред. Е.С.Кричевского. - М.: Энергия, 1980, стр. 61)
ε = ε_н(1+3W) (2),
где ε_н - диэлектрическая проницаемость нефти, w - влагосодержание (объемное) в потоке.

Практика показывает, что в случае протекания по трубопроводу двухкомпонентного вещества для определения расхода того или иного компонента необходимо знать сечение струи соответствующего компонента. Следовательно, если известно сечение измерительного участка (кольцевого резонатора), то при контроле, например, нефти для сечения струи этого компонента S_н можно записать
S_н=S_кр-S_в,
где S_кр - сечение (полное) свернутого волновода, используемого в качестве измерительного кольцевого резонатора, S_в - сечение струи воды. Учитывая, что в данном случае сечение струи воды может быть определено как
S_в=wS_кр,
то для S_н имеем
S_н=S_кр(1-w).

Итак, в данном случае через величину влагосодержания в обводненном нефтепотоке можно оценить сечение струи нефти.

Совместное решение формулы (2) и одного из уравнений системы (1), например первого, позволяет записать

Из полученной формулы видно, что при E_н=const (одной сортности нефти) по резонансной частоте f_p1 можно определить влагосодержание w.

В предлагаемом устройстве для измерения параметра w выходной сигнал первого измерителя амплитудно-частотных характеристик одновременно поступает и на вход вычислителя 14. После этого по преобразованию в умножителе 15 выходных сигналов коррелятора и вычислителя, соответствующих скорости и влагосодержанию, получают информацию о расходе двухкомпонентных веществ в трубопроводе.

Таким образом, в предлагаемом техническом решении благодаря использованию двух кольцевых резонаторов и коррелятора можно обеспечить определение расхода двухкомпонентных веществ в трубопроводе более высокой точности измерения.

Изобретение может быть использовано для измерения объемного расхода потока нефти с влажностью не более 5%. Устройство содержит первый и второй генераторы, соединенные через входные элементы связи с соответствующими входами первого и второго кольцевых резонаторов, выходные элементы связи, подключенные через первый и второй детекторы ко входам первого и второго измерителей амплитудно-частотных характеристик, коррелятор и вычислитель, подключенные ко входам умножителя, выход которого является выходом устройства. Резонаторы выполнены в виде свернутых волноводов, встроенных последовательно в трубопровод. По резонансной частоте одного из резонаторов определяют влагосодержание обводненного нефтепотока. Изобретение обеспечивает повышение точности измерения. 1 ил.

Устройство для определения расхода двухкомпонентных веществ в трубопроводе, содержащее первый генератор, первые входной и выходной элементы связи, отличающееся тем, что в него введены первый и второй кольцевые резонаторы, выполненные в виде свернутых волноводов и встроенные последовательно в трубопровод, второй генератор, вторые входной и выходной элементы связи, первый и второй детекторы, первый и второй измерители амплитудно-частотных характеристик, коррелятор, вычислитель и умножитель, причем выходы первого и второго генераторов через соответственно первый и второй входные элементы связи соединены со входами первого и второго кольцевых резонаторов, выходы первого и второго кольцевого резонатора через соответствующий выходной элемент связи и последовательно соединенные с ним детектор и измеритель амплитудно-частотных характеристик соединены соответственно с первым и вторым входами коррелятора, выход первого измерителя амплитудно-частотных характеристик подключен ко входу вычислителя, выход которого соединен с первым входом умножителя, ко второму входу которого подключен выход коррелятора, а выход умножителя является выходом устройства.