СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ЖИДКОЙ ИЛИ ГАЗООБРАЗНОЙ ИЗМЕРЯЕМОЙ СРЕДЫ Российский патент 2013 года по МПК G01F1/708 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения расхода жидких и газообразных сред, содержащих частицы твердого полярного диэлектрика во взвешенном состоянии, например, в гибридных ракетных двигателях. Предшествующий уровень техники

Наиболее близким аналогом - прототипом предлагаемого способа измерения расхода жидкой или газообразной измеряемой среды является способ измерения расхода, основанный на измерении времени перемещения части (метки) потока на контрольном участке пути, описанный в кн. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества: Справочник. - Л.: Машиностроение, 1989, с. 535, 536, 548 (в описании указанная книга обозначена как литература [1]).

Способ измерения расхода - прототип - используется для измерения расхода диэлектрических жидкостей. При этом ионизационную метку создают путем поляризации жидкости в электрическом поле. Для определения объемного расхода диэлектрической жидкости служит формула:

Q_O=κ·L·S/Δτ,

где κ=υ_C/υ;

υ_C - средняя скорость потока диэлектрической жидкости;

υ - скорость метки;

L - длина контрольного участка пути;

S - площадь поперечного сечения трубопровода;

Δτ - время перемещения метки на контрольном участке пути.

Зная плотность диэлектрической жидкости (ρ), можно определить массовый расход диэлектрической жидкости:

Q_M=ρ·Q_O.

Устройство, осуществляющее техническую реализацию способа измерения расхода - прототипа, предназначено для измерения расхода индустриального или трансформаторного масла (см. литературу [1], с.551, 552), которое помещают внутри трубопровода. Ионная метка создается с помощью высоковольтного импульса напряжения. Источник и приемник ионной метки размещены на расстоянии друг от друга в отрезке трубы (трубопровода) из диэлектрического материала.

Источник ионной метки состоит из расположенного в центре по оси трубы высоковольтного электрода, к которому периодически подаются импульсы напряжения 5÷15 кВ, и находящегося в этом же сечении низковольтного электрода, утопленного в стенке трубы. При подаче импульса напряжения образуется униполярное ионное облачко, которое, дойдя до кольцевого приемника, также утопленного в стенке трубы, создает падение напряжения на сопротивлении, соединенным с приемником ионной метки. Разрядный ток 10÷20 мкА. Измерительная схема (измерительно-регистрационный блок) фиксирует время перемещения метки на контрольном участке пути.

В способе измерения расхода - прототипе, при измерении расхода создают ионную метку в потоке диэлектрической жидкости, путем ее поляризации электрическим полем.

В предлагаемом способе измерения расхода жидкой или газообразной измеряемой среды метку в потоке жидкой или газообразной измеряемой среды, содержащей частицы твердого полярного диэлектрика во взвешенном состоянии, создают путем дипольной, ориентационной поляризации частиц твердого полярного диэлектрика, ориентируя дипольные молекулы частиц твердого полярного диэлектрика преимущественно вдоль направления внешнего электрического поля.

Раскрытие изобретения

Задачей создания изобретения является расширение арсенала технических средств для измерения расхода жидкой или газообразной измеряемой среды, содержащей частицы твердого полярного диэлектрика во взвешенном состоянии.

Поставленная задача решается с помощью признаков, указанных в 1-м пункте формулы изобретения общих с прототипом, таких как внутри трубопровода помещают жидкую измеряемую среду, поляризуют электрическим полем часть потока жидкой измеряемой среды, проходящей между двумя электродами с помощью подаваемого к двум электродам импульса напряжения, вследствие этого создают метку в потоке жидкой измеряемой среды, а расход жидкой измеряемой среды измеряют за счет времени перемещения метки на контрольном участке пути и отличительных существенных признаков, таких как осуществляют дипольную, ориентационную поляризацию частиц твердого полярного диэлектрика, находящихся в жидкой или газообразной измеряемой среде во взвешенном состоянии, а конечный момент времени перемещения метки на контрольном участке пути между двумя электродами и двумя обкладками конденсатора, включенного в колебательный контур, определяют за счет разности длительностей первого и второго, положительного и отрицательного полупериодов периода резонансных колебаний электромагнитного поля колебательного контура.

Вышеперечисленная совокупность существенных признаков позволяет получить следующий технический результат - расширение арсенала технических средств для измерения расхода жидкой или газообразной измеряемой среды.

Краткое описание фигур чертежей

Устройство, осуществляющее техническую реализацию предлагаемого способа измерения расхода жидкой или газообразной измеряемой среды, иллюстрируется следующими чертежами:

Фиг.1. Продольный разрез расходомера.

Фиг.2. Разрез по A-A фиг.1.

Фиг.3. Разрез по B-B фиг.1.

Фиг.4. Структурная схема расходомера.

Осуществление изобретения

Устройство, осуществляющее техническую реализацию предлагаемого способа измерения расхода жидкой или газообразной измеряемой среды, содержит трубопровод 1 (см. фиг.1) с прямоугольным отверстием (см. фиг.2 и фиг.3), выполненный из диэлектрического материала и состоящий из двух частей, соединенных вместе, колебательный контур 8 и измерительно-регистрационный блок 9 (см. фиг.4).

Колебательный контур 8 содержит конденсатор 7 и катушку индуктивности 10 колебательного контура 8. Вывод 11 первой 5 и вывод 12 второй 6 обкладок конденсатора 7 соединены соответственно с первым и вторым выводами катушки индуктивности 10 колебательного контура 8.

Измерительно-регистрационный блок 9 содержит первый 3 и второй 4 электроды, ключ 13, который может быть транзисторным, катушку индуктивности 14 подкачки энергии в колебательный контур 8, катушку индуктивности 15 считывания частоты резонансных колебаний колебательного контура 8, элемент ИЛИ 16, транзистор 17, компаратор 18 и вычислительное устройство (на фиг.4 не показано).

Вывод 19 первого 3 и вывод 20 второго 4 электродов соединены соответственно с выводом «Общий» питания и первым выводом ключа 13, второй вывод которого соединен с плюсовым выводом 21 первого источника питания постоянного тока (на фиг.1 не показан) измерительно-регистрационного блока 9.

Второй 22 вход элемента ИЛИ 16 является входом запуска непрерывных незатухающих резонансных колебаний электромагнитного поля колебательного контура 8. Выход элемента ИЛИ 16 соединен с базой транзистора 17, эмиттер которого соединен с выводом «Общий» питания.

Первый и второй выводы катушки индуктивности 14 подкачки энергии в колебательный контур 8 соединены соответственно с коллектором транзистора 17 и плюсовым выводом 23 второго источника питания постоянного тока (на фиг.1 не показан) измерительно-регистрационного блока 9.

Первый и второй выводы катушки индуктивности 15 считывания частоты резонансных колебаний колебательного контура 8 соединены соответственно с выводом «Общий» питания и прямым входом компаратора 18, на инверсный вход которого подают опорное напряжение. Выход компаратора 18 соединен с первым входом элемента ИЛИ 16 и вычислительным устройством.

Катушка индуктивности 10 колебательного контура 8, катушка индуктивности 14 подкачки энергии в колебательный контур 8 и катушка индуктивности 15 считывания частоты резонансных колебаний колебательного контура 8 могут быть выполнены путем намотки проводом на диэлектрическом каркасе.

На фиг.1, 4 стрелкой показано направление потока жидкой или газообразной измеряемой среды, содержащей частицы твердого полярного диэлектрика во взвешенном состоянии.

В качестве примера, будем измерять расход водной дисперсии поливинилацетата, описанной в кн. под ред. Корицкого Ю. В. Справочник по электротехническим материалам. Т.1. - М.: Энергоатомиздат, 1986, с.117 (в описании указанная книга обозначена как литература [2]).

Водная дисперсия поливинилацетата содержит частицы твердого полярного диэлектрика - поливинилацетата размером от 0,05 и до 2 мкм, и содержанием твердой фазы 50-55%.

Устройство, осуществляющее техническую реализацию предлагаемого способа измерения расхода жидкой или газообразной измеряемой среды, работает следующим образом.

Внутри трубопровода 1 помещают указанную водную дисперсию поливинилацетата.

После включения питания из параллельного канала вычислительного устройства на второй 22 вход элемента ИЛИ 16 подают единичный положительный импульс. Вследствие этого на базу транзистора 17 поступает положительный импульс, который открывает транзистор 17, и через катушку индуктивности 14 подкачки энергии в колебательный контур 8 начинает протекать ток, который наводит ЭДС - электродвижущую силу индукции в колебательном контуре 8, в котором возникают резонансные колебания электромагнитного поля.

Частоту резонансных колебаний электромагнитного поля колебательного контура 8 измеряют путем снятия частоты с катушки индуктивности 15 считывания частоты резонансных колебаний колебательного контура 8, которая затем поступает на прямой вход компаратора 18, на инверсный вход которого подают опорное напряжение. С выхода компаратора 18 положительные сигналы прямоугольной формы поступают на первый вход элемента ИЛИ 16 (на второй 22 вход элемента ИЛИ 16 в это время подают уровень логического нуля) и в вычислительное устройство.

С выхода элемента ИЛИ 16 прямоугольные импульсы поступают на базу транзистора 17, при открывании которого через катушку индуктивности 14 подкачки энергии в колебательный контур 8 течет ток, при изменении которого в колебательном контуре 8 возникает ЭДС индукции, под действием которой в колебательном контуре 8 возникают токи, согласные с направлением тока в колебательном контуре 8 в каждый полупериод колебаний колебательного контура 8.

Причем в положительный полупериод колебаний в колебательном контуре 8 происходит подкачка энергии во время увеличения тока в катушке индуктивности 14 подкачки энергии в колебательный контур 8, а в отрицательный полупериод колебаний подкачка энергии происходит во время уменьшения тока в катушке индуктивности 14 подкачки энергии в колебательный контур 8, так как передача энергии происходит в моменты изменения тока в катушке индуктивности 14 подкачки энергии в колебательный контур 8.

Таким образом в колебательном контуре 8 возбуждают непрерывные незатухающие резонансные колебания электромагнитного поля с подкачкой энергии в определенные моменты времени, увеличивают в эти моменты амплитуду колебаний и преобразуют эти колебания в положительные сигналы прямоугольной формы.

По команде из вычислительного устройства происходит включение ключа 13 на определенное время. При этом к первому 3 и второму 4 электродам подают импульс напряжения и создают между ними электрическое поле (внешнее электрическое поле).

Вследствие этого создают метку в потоке жидкой дисперсии поливинилацетата, путем ориентации дипольных молекул частиц твердого полярного диэлектрика (поливинилацетата) преимущественно вдоль направления вектора напряженности в каждой точке внешнего электрического поля. При этом вектор напряженности связанных зарядов указанных дипольных молекул в каждой точке направлен противоположно вектору напряженности внешнего электрического поля. Вследствие этого происходит ослабление внешнего электрического поля внутри частиц твердого полярного диэлектрика (поливинилацетата).

Дипольная, ориентационная поляризация относится к числу «медленных» видов поляризации (см. литературу [2], с.27}). При этом время поляризации оценивается по времени релаксации - постоянной времени т процесса уменьшения индуцированного электрического момента частиц твердого полярного диэлектрика (поливинилацетата) приблизительно в 2,718 раза.

Для поливинилацетата при температуре плюс 60 градусов Цельсия постоянная времени τ может составить более 1 мсек (10^-3 секунды) и оценивается по некоторой критической частоте f_к, когда поляризация уже не успевает полностью установиться за один полупериод и диэлектрическая проницаемость поливинилацетата снижается (см. литературу [2], с.28).

При этом количество дипольных молекул частиц твердого полярного диэлектрика, находящихся в некотором объеме и ориентированных вдоль направления силовых линий напряженности внешнего электрического поля, а следовательно и индуцированный указанными дипольными молекулами электрический момент прямопропорционален напряженности внешнего электрического поля (см. литературу [2], с.23, 24).

Напряжение первого источника питания постоянного тока может составить десять вольт и более, а напряжение второго источника питания постоянного тока - один вольт и менее.

При прохождении метки между первой 5 и второй 6 обкладками конденсатора 7 колебательного контура 8 сохраняется преимущественная ориентация (дипольная поляризация) дипольных молекул частиц твердого полярного диэлектрика (поливинилацетата), созданная внешним электрическим полем между первым 3 и вторым 4 электродами.

Диэлектрическая проницаемость жидкой дисперсии поливинилацетата при ослаблении внешнего электрического поля внутри частиц твердого полярного диэлектрика - поливинилацетата (вектор напряженности внешнего электрического поля между первой 5 и второй 6 обкладками конденсатора 7 направлен сверху вниз (от второй 6 к первой 5 обкладке конденсатора 7) будет больше, чем диэлектрическая проницаемость жидкой дисперсии поливинилацетата в случае усиления внешнего электрического поля внутри частиц твердого полярного диэлектрика - поливинилацетата по сравнению с предыдущим случаем (вектор напряженности внешнего электрического поля между первой 5 и второй 6 обкладками конденсатора 7 направлен снизу вверх (от первой 5 ко второй 6 обкладке конденсатора 7).

Вследствие этого, длительности первого и второго, положительного и отрицательного полупериодов периода резонансных колебаний электромагнитного поля колебательного контура 8 будут отличаться друг от друга.

Конечный момент времени перемещения метки на контрольном участке пути L определяют по разности длительностей первого и второго, положительного и отрицательного полупериодов периода резонансных колебаний колебательного контура 8.

Промышленная применимость

Устройство, реализующее предлагаемый способ измерения расхода жидкой или газообразной измеряемой среды, может быть изготовлено из доступных элементов и материалов в условиях радиотехнического производства. Предлагаемый способ измерения расхода жидкой или газообразной измеряемой среды найдет широкое применение в устройствах применения настоящего изобретения, специалистам будут очевидны и другие частные случаи автоматизации измерения расхода.

Из описания и практические формы его выполнения. Данное описание и примеры рассматриваются как материал, иллюстрирующий изобретение, сущность которого и объем патентных притязаний определены в нижеследующей формуле изобретения, совокупностью существенных признаков и их эквивалентами.

Предлагаемый способ измерения расхода жидкой или газообразной измеряемой среды может быть использован в гибридных ракетных двигателях, для измерения расхода топлива, состоящего из твердого горючего, содержащего частицы твердого полярного диэлектрика и жидкого или газообразного окислителя.

Способ измерения расхода жидкой или газообразной измеряемой среды, заключающийся в том, что внутри трубопровода помещают жидкую измеряемую среду, поляризуют электрическим полем часть потока жидкой измеряемой среды, проходящей между двумя электродами с помощью подаваемого к двум электродам импульса напряжения, вследствие этого создают метку в потоке жидкой измеряемой среды, а расход жидкой измеряемой среды измеряют за счет времени перемещения метки на контрольном участке пути. В предлагаемом способе измерения расхода жидкой или газообразной измеряемой среды осуществляют дипольную, ориентационную поляризацию частиц твердого полярного диэлектрика, находящихся в жидкой или газообразной измеряемой среде во взвешенном состоянии, а конечный момент времени перемещения метки на контрольном участке пути между двумя электродами и двумя обкладками конденсатора, включенного в колебательный контур, определяют за счет разности длительностей первого и второго, положительного и отрицательного полупериодов периода резонансных колебаний электромагнитного поля колебательного контура. Технический результат - расширение арсенала технических средств для измерения расхода жидкой или газообразной измеряемой среды. 4 ил.

Способ измерения расхода жидкой или газообразной измеряемой среды, заключающийся в том, что внутри трубопровода помещают жидкую измеряемую среду, поляризуют электрическим полем часть потока жидкой измеряемой среды, проходящей между двумя электродами с помощью подаваемого к двум электродам импульса напряжения, вследствие этого создают метку в потоке жидкой измеряемой среды, а расход жидкой измеряемой среды измеряют за счет времени перемещения метки на контрольном участке пути, отличающийся тем, что осуществляют дипольную, ориентационную поляризацию частиц твердого полярного диэлектрика, находящихся в жидкой или газообразной измеряемой среде во взвешенном состоянии, а конечный момент времени перемещения метки на контрольном участке пути между двумя электродами и двумя обкладками конденсатора, включенного в колебательный контур, определяют за счет разности длительностей первого и второго, положительного и отрицательного полупериодов периода резонансных колебаний электромагнитного поля колебательного контура.