ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ ДВУХФАЗНОГО ПОТОКА СЫПУЧИХ ВЕЩЕСТВ, ПЕРЕМЕЩАЕМЫХ ВОЗДУХОМ ПО МЕТАЛЛИЧЕСКОМУ ТРУБОПРОВОДУ Российский патент 2008 года по МПК G01F1/74 G01F1/86 G01F1/66 

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах автоматического контроля и регулирования параметров двухфазного потока сыпучих веществ, в первую очередь, агрессивных, перемещаемых воздухом по металлическому трубопроводу.

Известно устройство для измерения параметров двухфазного потока сыпучих веществ, перемещаемых воздухом по трубопроводу, описанное в патенте Японии № 5-11250, G01F 1/74. Устройство содержит генератор микроволн, СВЧ-резонатор, трубопровод, проходящий через СВЧ-резонатор, схему отслеживания резонансной частоты СВЧ-резонатора, фильтр высоких частот - ФВЧ, выделяющий переменную составляющую схемы, дифференциальный фильтр, установленный на выходе ФВЧ. По выходному сигналу ФВЧ определяют расход порошкового материала.

Недостаток устройства в том, что из-за малости размеров объемного СВЧ-резонатора, обусловленной малостью рабочей длины волны, участок трубопровода, проходящий через резонатор, имеет ограничения по диаметру. Это накладывает существенные ограничения на величину измеряемых параметров потока. Кроме того, материал трубопровода в месте, где он проходит через резонатор, должен быть выполнен из диэлектрика. В этом случае не допускается использование агрессивных/абразивных веществ.

Известно устройство для измерения массового расхода жидких и сыпучих сред по авторскому свидетельству № 896418, G01F 1/66. Устройство содержит передающую и приемную антенны, расположенные на измерительном участке трубопровода, СВЧ-генератор, соединенный с передающей антенной и первым входом смесителя, связанного своим вторым входом с приемной антенной, а выходом с фильтром, два сумматора, модулятор частоты, соединенный с СВЧ-генератором, второй фильтр, соединенный с выходом смесителя и со вторыми входами сумматоров, вычислитель плотности среды, делитель и умножитель, причем выход первого фильтра соединен с первыми входами второго и первого сумматора, выход которого соединен с первым входом делителя и через вычислитель плотности среды - с первым входом умножителя, а выход второго сумматора соединен со вторым входом делителя, подключенного ко второму входу умножителя.

Недостаток устройства в том, что для формирования сигналов, пропорциональных плотности среды и скорости потока, перемножением которых, в конечном счете, получают массовый расход, используется частотный сдвиг сигнала приемной антенны, т.е. сигнала, прошедшего через поток. Для радиотехнических систем в отличие, например, от ультразвуковых такое решение не является типичным. Вместе с тем, когда речь идет о двухфазных потоках сухих веществ, необходимо иметь в виду, что диэлектрические свойства сухих веществ выражены слабо. Кроме того, потоки «воздух - сухое вещество» характеризуются еще и низкой объемной концентрацией вещества. Объемная концентрация или степень заполнения трубопровода сухим веществом не превышает в таких случаях 10%. В результате диэлектрические свойства среды оказываются резко сниженными. Движущаяся среда согласно эффекту Френеля-Физо слабо «увлекает» электромагнитную волну, и доплеровский сдвиг частоты сигнала на выходе измерителя по отношению к частоте сигнала на входе измерителя существенно падает. По причине малого расстояния между передающей и приемной антеннами падает и составляющая частотного сдвига выходного сигнала, обусловленная задержкой выходного сигнала относительно входного. Это затрудняет реализацию основных частотно-зависимых элементов устройства (прежде всего фильтров, сумматоров). Помимо этого, устройство не позволяет различать отдельные компоненты скорости потока, возникновение которых является характерным признаком потоков сухих веществ. В конечном счете все это затрудняет реализацию всего устройства и приводит к снижению точности измерения всех параметров потока.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство для измерения параметров двухфазного потока сыпучих веществ, перемещаемых воздухом по металлическому трубопроводу, описанное в обзоре Министерства энергетики Великобритании: М.Jagger, Microwave coal - flow devices, CEGB digest, N.E. Region, Scientific Services Dept., Kirkstall Power Station. - vol.24. - p.11-14. Этот устройство принято за прототип предлагаемого изобретения.

Устройство содержит генератор микроволн, к выходу которого подключены последовательно соединенные два датчика падающей на поток мощности и датчик отраженной от потока мощности. Выход последнего датчика подключен к передающей антенне. Передающая антенна направляет микроволны через входное диэлектрическое окно, расположенное на нижнем 90°-ом изгибе трубопровода, в направлении потока. Мощность микроволн, прошедших поток, через аналогичное выходное диэлектрическое окно, расположенное на другом нижнем 90°-ом изгибе трубопровода, попадает в приемную антенну, которая подключена к одному из входов детектора уровня. С помощью третьего и четвертого 90°-ых изгибов измерительный участок трубопровода подключается к штатному трубопроводу. Вторичная линия одного датчика падающей на поток мощности и вторичная линия датчика прошедшей через поток мощности подключены к детектору уровня. Вторичная линия другого датчика падающей мощности и вторичная линия датчика отраженной мощности подключены к диодному смесителю. На выходе детектора уровня формируется сигнал, пропорциональный плотности потока, а на выходе частотного анализатора формируется сигнал, пропорциональный скорости потока. Остающиеся концы вторичных линий всех датчиков подключены к балластным нагрузкам. Выходы детектора уровня и частотного анализатора подключены к двум входам перемножителя, на выходе которого формируется сигнал, пропорциональный массовому расходу вещества в потоке.

Однако прототип имеет ряд недостатков.

Поскольку передающая и приемная антенны, осуществляющие связь с входным и выходным диэлектрическими окнами, относятся к классу открытых, т.е. излучающих волноведущих структур, то вблизи устройства всегда имеется «паразитное» СВЧ-излучение, неблагоприятно воздействующее на обслуживающий персонал. По этой же причине лишь малая часть мощности СВЧ-генератора попадает в трубопровод и используется по назначению. Большая же часть его мощности бесполезно теряется в окружающем пространстве. В результате кпд и чувствительность системы снижаются.

Ряд других недостатков прототипа связан с наличием на измерительном участке трубопровода четырех 90°-ых изгибов. Наличие четырех изгибов снижает надежность измерителя, т.к. при работе с агрессивными веществами 90°-е изгибы быстро разрушаются потоком и выходят из строя. Наличие четырех 90°-ых изгибов усложняет конструкцию устройства и его монтаж. Кроме того, наличие четырех 90°-ых изгибов повышает входное сопротивление трубопровода и для его преодоления необходимо резко (примерно в четыре раза) поднять напор воздуха, движущего поток.

Задачей предлагаемого изобретения является улучшение условий безопасной работы обслуживающего устройство персонала, повышение кпд, чувствительности и надежности устройства, упрощение конструкции устройства и его монтажа, а также снижение напора воздуха, движущего поток.

Указанная задача достигается тем, что в измеритель параметров двухфазного потока сыпучих веществ, перемещаемых воздухом по металлическому трубопроводу, содержащий отрезок пылепровода с двумя диэлектрическими окнами щелевого типа, генератор микроволн, соединенный с последовательно включенными двумя датчиками падающей на поток мощности и датчиком отраженной от потока мощности, датчик прошедшей через поток мощности, причем первичная линия датчика прошедшей через поток мощности и вторичные линии датчиков падающей на поток мощности и датчика отраженной от потока мощности подключены к балластным нагрузкам, смеситель, входы которого подключены к вторичной линии второго датчика падающей на поток мощности и к вторичной линии датчика отраженной от потока мощности, введены устройство направленного ввода и устройство направленного вывода энергии микроволн в/из трубопровода, два амплитудных детектора, соединенные между собой последовательно микропроцессор и индикатор, при этом устройство направленного ввода и устройство направленного вывода энергии микроволн в/из трубопровода выполнены по схеме направленного ответвителя с полной связью, при этом диэлектрические окна щелевого типа являются отверстиями связи в указанных устройствах и расположены сверху вдоль отрезка трубопровода, выполненного прямым, вход одного из амплитудных детекторов подключен к вторичной линии датчика падающей на поток мощности, вход другого амплитудного детектора подключен к вторичной линии датчика прошедшей через поток мощности, с которым соединено устройство направленного вывода энергии микроволн, датчик отраженной от потока мощности соединен с устройством направленного ввода энергии микроволн, выходы детекторов и смесителя подключены к микропроцессору.

На чертеже изображена схема предлагаемого измерителя.

Измеритель состоит из последовательно соединенных генератора микроволн 1, датчиков падающей на поток мощности 2, 3, датчика отраженной от потока мощности 4 и устройства направленного ввода энергии микроволн 5 в трубопровод 6. Устройство направленного вывода энергии микроволн 7 из трубопровода 6 соединено с датчиком прошедшей через поток мощности 8. Окна связи в устройствах 5, 7 выполнены в виде диэлектрических окон щелевого типа 9 и 10 и расположены сверху вдоль трубопровода. Выход первичной линии датчика 8 подключен к балластной нагрузке. Вторичные линии датчиков 3, 4 соединены с входами смесителя 11, вторичная линия датчика 2 соединена с входом амплитудного детектора 12, а вторичная линия датчика 8 с входом амплитудного детектора 13. Выход смесителя 11, выполненного по схеме фазового детектора, и выходы амплитудных детекторов 12, 13 соединены с микропроцессором 14, а выход микропроцессора 14 с индикатором 15. Остальные выводы вторичных линий всех датчиков соединены с балластными нагрузками.

Генератор микроволн 1 может быть выполнен на базе полупроводниковой умножительно-усилительной цепочки с кварцевой стабилизацией частоты. Датчики 2, 3, 4 и 8 представляют собой направленные ответвители и выполняются, например, на базе микрополосковых линий. Устройства направленного ввода/вывода энергии микроволн 5, 7 в/из трубопровода 6 выполняются по схеме направленных ответвителей с полной связью, которые относятся к классу закрытых-неизлучающих структур. Первичная линия устройства 5 и вторичная линия устройства 7 выполнены на базе прямоугольного волновода, работающего на волне низшего типа Н₁₀. Вторичной линией устройства 5 и первичной линией устройства 7 является трубопровод 6, представляющий собой на участке движения микроволн круглый волновод, работающий также на волне низшего типа Н₁₁._{Энергия микроволн подводится и отводится к/от устройств 5, 7 с помощью коаксиально-волноводных переходов.}

Для повышения чувствительности смеситель 11 выполнен по схеме двухтактного фазового детектора, а амплитудные детекторы 12, 13 выполняются на базе СВЧ-диодов, включаемых в микрополосковую линию. В качестве микропроцессора 14 целесообразно использовать цифровые сигнальные процессоры, а в качестве индикатора 15 символьные или графические жидкокристаллические дисплеи. Устройство измеряет плотность, скорость и расход потока, массовый и/или объемный.

Измеритель работает следующим образом.

Микроволны от генератора микроволн 1, пройдя датчики 2, 3, 4, с помощью устройства 5 направленно вводятся в прямой участок трубопровода 6 в сторону устройства 7. Пройдя участок трубопровода 6, микроволны выводятся из трубопровода и через датчик 8 поступают в балластную нагрузку. Таким образом, измерительный участок трубопровода постоянно просвечивается микроволнами. Направление микроволн может совпадать с направлением потока, а может быть направлено навстречу ему. Диэлектрические окна препятствуют утечке воздуха из трубопровода, находящегося под избыточным давлением. Балластные нагрузки в устройствах 5, 7 поглощают остаточную мощность микроволн, возникающую из-за неидеальной направленности устройств 5, 7. Аналогичную роль выполняют балластные нагрузки во всех датчиках.

Сигналы датчика 2 детектируются амплитудным детектором 12, а сигналы датчика 8 - амплитудным детектором 13. В микропроцессоре 14 эти сигналы оцифровываются и через отношение квадратов амплитуд этих сигналов (коэффициент передачи по мощности) формируется сигнал, количественно определяющий погонную массу m' - количество вещества, находящегося в границах 1 м трубопровода. Смеситель 11 выделяет огибающую биений сигнала генератора микроволн 1 и сигнала, отраженного от потока. Огибающая биений поступает на вход микропроцессора 14 и оцифровывается. Далее этот сигнал подвергается процедуре быстрого преобразования Фурье (БПФ). В результате определяется частота биений, которая представляет доплеровский сдвиг сигнала, отраженного от потока, по отношению к сигналу генератора. Если поток однороден, доплеровский сдвиг отраженного сигнала однозначно определяет скорость потока. Если поток содержит компоненты, движущиеся с разными скоростями, то результатом БПФ будет набор доплеровских частот f_i, соответствующих набору скоростей компонент потока υ_i.

Массовый расход Q_m однородного потока, когда все частицы движутся с одинаковой скоростью, определяется, как показано в [Новиков В.Ф. Сборник докладов IV-й Международной научно-технической конференции "ДОСТИЖЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭНЕРГЕТИКИ СИБИРИ". - Красноярск: СибВТИ Красноярского филиала ОАО «Сибирский ЭНТЦ». - 2005 г. - с.с.255-260.], через произведение погонной массы m' и скорости потока υ:

Погонная масса m' равна массе вещества, находящегося в границах 1 м трубопровода, т.е. массе вещества в границах измерительного участка m, деленной на длину измерительного участка l.

Если поток неоднороден и содержит n компонент, то при определении скорости можно использовать, например, среднее значение скорости :

И тогда массовый расход Q_m и объемный расход Q_V будут равны:

где ρ - плотность вещества.

Микропроцессор 14 создает также образ представления результатов измерения параметров потока, например, в виде цифр, графиков, гистограмм, на индикаторе 15.

Удаление из схемы излучающих устройств антенн исключает наличие микроволн возле измерителя и таким образом позволяет полностью избежать вредного воздействия микроволн на обслуживающий персонал. Это также существенно повышает кпд и чувствительность устройства, т.к. в прототипе большая часть мощности генератора микроволн бесполезно терялась в окружающем пространстве, а в данном устройстве вся мощность генератора используется по прямому назначению, т.е. для взаимодействия с веществом потока и организации измерительного процесса. Замена однодиодного смесителя на двухтактный (двухдиодный) фазовый детектор также повышает чувствительность устройства.

Удаление из схемы четырех 90°-ых изгибов повышает надежность устройства, упрощает конструкцию и монтаж устройства, а также позволяет снизить примерно в четыре раза напор воздуха, обеспечивающего транспорт потока сухого вещества.

Изобретение может быть использовано для измерения объемного и массового расхода потока преимущественно агрессивных сыпучих веществ. Измеритель содержит отрезок трубопровода с двумя диэлектрическими окнами щелевого типа, генератор микроволн, соединенный с последовательно включенными двумя датчиками падающей на поток мощности и датчиком отраженной от потока мощности, датчик прошедшей через поток мощности, смеситель, устройство направленного ввода и устройство направленного вывода энергии микроволн в/из трубопровода, выполненные по схеме направленного ответвителя с полной связью, два амплитудных детектора, микропроцессор и индикатор. Диэлектрические окна щелевого типа являются отверстиями связи в устройствах ввода/вывода энергии и расположены сверху вдоль отрезка трубопровода. Первичная линия датчика прошедшей через поток мощности и вторичные линии датчиков падающей на поток мощности и датчика отраженной от потока мощности подключены к балластным нагрузкам. Изобретение имеет повышенную чувствительность. Простая конструкция устройства облегчает его монтаж. 1 ил.

Измеритель параметров двухфазного потока сыпучих веществ, перемещаемых воздухом по металлическому трубопроводу, содержащий отрезок трубопровода с двумя диэлектрическими окнами щелевого типа, генератор микроволн, соединенный с последовательно включенными двумя датчиками падающей на поток мощности и датчиком отраженной от потока мощности, датчик прошедшей через поток мощности, причем первичная линия датчика прошедшей через поток мощности и вторичные линии датчиков падающей на поток мощности и датчика отраженной от потока мощности подключены к балластным нагрузкам, смеситель, входы которого подключены к вторичной линии второго датчика падающей на поток мощности и к вторичной линии датчика отраженной от потока мощности, отличающийся тем, что в него введены устройство направленного ввода и устройство направленного вывода энергии микроволн в/из трубопровода, два амплитудных детектора, соединенные между собой последовательно микропроцессор и индикатор, при этом устройство направленного ввода и устройство направленного вывода энергии микроволн в/из трубопровода выполнены по схеме направленного ответвителя с полной связью, при этом диэлектрические окна щелевого типа являются отверстиями связи в указанных устройствах и расположены сверху вдоль отрезка трубопровода, выполненного прямым, вход одного из амплитудных детекторов подключен к вторичной линии датчика падающей на поток мощности, вход другого амплитудного детектора подключен к вторичной линии датчика прошедшей через поток мощности, с которым соединено устройство направленного вывода энергии микроволн, датчик отраженной от потока мощности соединен с устройством направленного ввода энергии микроволн, выходы детекторов и смесителя подключены к микропроцессору.