УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ СЫПУЧЕГО МАТЕРИАЛА В ТРУБОПРОВОДЕ Российский патент 2005 года по МПК G01N27/00 G01N27/22 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения концентрации различных сыпучих материалов, перемещаемых по трубопроводам. В частности, оно может быть применено для контроля работы пневмотранспорта сыпучих материалов, в том числе для определения концентрации, массы транспортируемого вещества, расхода, контроля закупорки трубопровода сыпучим веществом. Области его возможного применения - пищевая промышленность (мука на хлебокомбинатах), промышленность строительных материалов (цемент), энергетика (молотый уголь) и др.

Известны различные устройства для определения концентрации материалов, перемещаемых по трубопроводам (авт. свид. СССР N913208, М. Кл. G 01 N 27/02; Европейский пат. N0308004, М. Кл. G 01 N 27/22). Они основаны на измерении электрофизических параметров (диэлектрической проницаемости, электропроводности) контролируемого вещества и функционально с ними связанной концентрации данного вещества.

Известно также техническое решение (статья в журнале: Journal of Physics E: Scientific Instruments. 1985. Vol. 18. N7. Р.587-592), которое содержит описание устройства, по технической сущности наиболее близкого к предлагаемому устройству и принятого в качестве прототипа. Это устройство-прототип содержит совокупность двух электродов, расположенных на поверхности диэлектрической трубы на измерительном участке трубопровода. Эти электроды образуют электрическую емкость и имеют форму, повторяющую форму трубопровода. Данные электроды расположены или на внешней поверхности указанной диэлектрической трубы, или на ее внутренней поверхности, находясь в последнем случае в непосредственном контакте с контролируемым материалом. Недостатком этого устройства-прототипа является невысокая точность измерения, обусловленная, во-первых, невысокой чувствительностью (при внешнем по отношению к трубе расположении электродов), во-вторых, невысокой точностью (при внутреннем расположении электродов). В последнем случае точность может снижаться вследствие влияния на результаты измерения переменной электропроводности контролируемого материала при контроле материалов (в частности, влагосодержащих материалов), являющихся несовершенными диэлектриками.

Целью предлагаемого изобретения является повышение чувствительности и точности измерения.

Поставленная цель в предлагаемом устройстве для измерения концентрации сыпучего материала в трубопроводе, содержащем измерительный участок в виде диэлектрической трубы с внутренним диаметром, равным внутреннему диаметру трубопровода, образующие электрическую емкость два электрода, которые выполнены по форме в виде сегментов диэлектрической трубы, установлены диаметрально противоположно и подсоединены к электронному блоку, достигается тем, что электронный блок содержит последовательно соединенные автогенератор, в частотозадающую цепь которого включена указанная электрическая емкость, и устройство обработки частот с индикатором, а электроды размещены внутри диэлектрической трубы измерительного участка. Поперечная длина каждого электрода может быть больше половины внутреннего диаметра трубопровода. Продольная длина каждого электрода может составлять не более половины длины диэлектрической трубы.

Существенными отличительными признаками, по мнению авторов, является, во-первых, указанная электрическая емкость включена в частотозадающую цепь автогенератора; во-вторых, оба электрода размещены ("утоплены") внутри диэлектрической трубы измерительного участка трубопровода; в-третьих, поперечный размер каждого электрода может составлять более половины внутреннего диаметра трубопровода, т.е. не менее πD/6, где D - внутренний диаметр трубопровода; в-четвертых, продольная длина каждого электрода может составлять не более половины длины диэлектрической трубы.

Совокупность отличительных признаков предлагаемого устройства обусловливает его новые свойства: возможность проведения измерений без нарушения динамики потока сыпучего материала при обеспечении высокой чувствительности к концентрации контролируемого материала и ее изменениям.

Данное свойство обеспечивает полезный эффект, сформулированный в цели предложения.

На чертеже схематически изображена схема предлагаемого устройства (показано поперечное сечение измерительного участка трубопровода). Здесь введены обозначения: 1 - трубопровод; 2 - диэлектрическая труба; 3 и 4 - электроды; 5 и 6 - соединительные проводники; 7 - электронный блок; 8 - индуктивность, 9 - автогенератор; 10 - частотомер.

Устройство работает следующим образом. На измерительном участке трубопровода 1, по которому перемещается контролируемый сыпучий материал, установлена диэлектрическая труба 2 с тем же внутренним диаметром, как и у трубопровода 1. При этом не нарушается динамика потока сыпучего материала. Внутри этой трубы 2 установлены ("утоплены") диаметрально противоположно два электрода 3 и 4, которые выполнены в виде вогнутых сегментов поверхности трубопровода (или трубы 2). Они образуют электрическую емкость, величина которой является функцией концентрации перемещаемого сыпучего вещества. Выбором глубины погружения данных электродов в материал трубы 2, а также их продольного и поперечного размеров можно регулировать чувствительность датчика концентрации материала. Как показывают эксперименты, целесообразно (с точки зрения обеспечения высокой чувствительности датчика) выбирать поперечную длину каждого электрода в зависимости от размера поперечного сечения трубопровода, соответствующего центральному углу θ не менее 60° (фиг.1), а продольную длину каждого электрода - не более половины длины L диэлектрической трубы. Центральному углу θ соответствует дуга длиной l=πDθ/360, где угол θ записан в градусах; D - внутренний диаметр трубы 2. Следовательно, поперечная длина l каждого электрода должна быть не менее πD/6 (в единицах измерения диаметра D, например, в мм), то есть более половины внутреннего диаметра трубопровода.

При поперечной длине каждого электрода 3 и 4, меньшей, чем πD/6, снижается чувствительность из-за того, что электрическое поле не охватывает все поперечное сечение трубопровода. Это особенно недопустимо при неполном заполнении сечения трубопровода контролируемым веществом.

Выбор продольной длины каждого электрода 3 и 4 обусловлен следующим. При ее большем, чем L/2, значении увеличиваются значения электрической емкости между электродами и металлическими фланцами измерительного участка трубопровода. Это же, однако, приводит к нежелательному перераспределению электрического поля между электродами. А именно, энергия электрического поля уменьшается в центральной части поперечного сечения; линии электрического поля искривляются в сторону фланцев.

Электроды 3 и 4 подсоединены односторонними концами с помощью соединительных проводников 5 и 6 к электронному блоку 7. Он содержит автогенератор 8, в частотозадающую цепь которого включена электрическая емкость, образованная электродами 3 и 4, а также индуктивность 8. Данные емкость и индуктивность образуют колебательный контур, резонансная частота которого зависит от измеряемой концентрации сыпучего материала. К выходу автогенератора 9 подсоединен частотомер 10, по показаниям которого судят об искомой концентрации. Выбор частоты автогенератора в

качестве информативного параметра устройства обеспечивает высокую точность ее определения и, следовательно, и измеряемой концентрации сыпучего материала.

Этот фактор, а также отсутствие контакта электродов с этим материалом и их расположение в толще сечения трубы 2, обеспечивающее отсутствие влияния на динамику потока при сохранении высокой чувствительности устройства, характеризуют преимущества данного устройства по сравнению с прототипом. Возможность изменения глубины погружения измерительных электродов 3 и 4 в диэлектрическую трубу 2 позволяет, в отличие от прототипа, управлять чувствительностью устройства к измеряемой концентрации с учетом электрофизических параметров контролируемого вещества.

Например, параметры элементов рассматриваемого устройства могут быть следующие. Труба 2, изготовленная из фторопласта, имеет следующие размеры: внутренний диаметр 60 мм, наружный диаметр 100 мм. Трубопровод 1 из металла или диэлектрика имеет такие же размеры. Два медных электрода 3 и 4, имеющих толщину 1 мм, продольную и поперечную длину 40 мм, установлены в трубе 2 на глубине 2 мм или 3 мм от внутренней поверхности этой трубы. Плоские медные электроды 5 и 6 имеют ширину 10 мм. Катушка индуктивности 8 из фторопласта диаметром 30 мм имеет 2,5 витка медного провода. При включении данной конструкции датчика в частотозадающую цепь автогенератора 9 его частота генерации составляет 120 МГц в отсутствие контролируемого материала в трубе 2. Схема автогенератора содержит источник питания 5 В. Выходной сигнал (частота) автогенератора поступает в устройство обработки частот 10. В нем производится измерение текущего значения частоты автогенератора, вычисление разности данной частоты и исходной (в отсутствие контролируемого материала) частоты автогенератора. Данная разность частот функционально зависит от измеряемой концентрации сыпучего материала. Она, в свою очередь, зависит от электрофизических параметров (диэлектрической проницаемости, проводимости) контролируемого материала. При контроле потока муки изменение частоты реально уменьшается до примерно 110 МГц при полном заполнении рассматриваемого трубопровода. Определяя величину этой частоты, можно, в частности, контролировать степень заполнения трубопровода сыпучим материалом, например, мукой, сигнализировать о прекращении (останове) потока, вызванного его забивкой материалом. В зависимости от контролируемого материала параметры конструкции устройства выбираются в пределах указанных соотношений размеров электродов 3 и 4 датчика и диэлектрической трубы 2.

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает высокую чувствительность к измеряемой концентрации (за счет параметров конструкции датчика), высокую точность измерения (за счет выбора информативного параметра устройства). Оно может быть применено в различных технологических процессах для высокоточного, оперативного определения концентрации сыпучих материалов, перемещаемых по трубопроводам, для контроля работы пневмотранспорта, а также в устройствах для определения массового расхода перемещаемых сыпучих материалов. Также оно может быть использовано для определения текущих значений физических параметров (плотности, концентрации и т.п.) жидкостей в трубопроводах.

Предлагается устройство для высокоточного измерения концентрации различных сыпучих материалов, перемещаемых по трубопроводам. В частности, оно может быть применено для контроля работы пневмотранспорта сыпучих материалов, в том числе для определения концентрации, массы транспортируемого вещества, расхода, контроля закупорки трубопровода сыпучим материалом. Области его возможного применения - пищевая промышленность (мука на хлебокомбинатах), промышленность строительных материалов (цемент), энергетика (молотый уголь) и др. Сущность: устройство содержит измерительный участок в виде диэлектрической трубы с внутренним диаметром, равным внутреннему диаметру трубопровода. Образующие электрическую емкость два электрода, которые выполнены по форме в виде сегментов диэлектрической трубы, установлены диаметрально противоположно и подсоединены к электронному блоку. Электронный блок содержит последовательно соединенные автогенератор, в частотозадающую цепь которого включена указанная электрическая емкость, и устройство обработки частот с индикатором. Электроды размещены внутри диэлектрической трубы измерительного участка. Поперечная длина каждого электрода может составлять величину, большую половины внутреннего диаметра трубопровода. Продольная длина каждого электрода может не превышать половины длины диэлектрической трубы. Технический результат изобретения: повышение чувствительности и точности измерений. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для измерения концентрации сыпучего материала в трубопроводе, содержащее измерительный участок в виде диэлектрической трубы с внутренним диаметром, равным внутреннему диаметру трубопровода, образующие электрическую емкость два электрода, которые выполнены по форме в виде сегментов диэлектрической трубы, установлены диаметрально противоположно и подсоединены к электронному блоку, отличающееся тем, что электронный блок содержит последовательно соединенные автогенератор, в частотозадающую цепь которого включена указанная электрическая емкость, и устройство обработки частот с индикатором, а электроды размещены внутри диэлектрической трубы измерительного участка.2. Устройство для измерения концентрации сыпучего материала в трубопроводе по п.1, отличающееся тем, что поперечная длина каждого электрода составляет величину, большую половины внутреннего диаметра трубопровода.3. Устройство для измерения концентрации сыпучего материала в трубопроводе по п.1, отличающееся тем, что продольная длина каждого электрода не превышает половину длины диэлектрической трубы.