Устройство для измерения объемного расхода жидкости Российский патент 2021 года по МПК G01F1/708 

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к устройствам измерения расхода потоков веществ.

Известно устройство, реализующее способ измерения расхода потока (см. RU 2152593 С1, 10.07.2000), содержащее канал в виде металлического патрубка, на наружной поверхности стенки которого размещены проволочный нагреватель; первый и второй измерительные термопреобразователи; первый и второй компенсационные термопреобразователи (пленочные терморезисторы), включенные в схемы неуравновешенных первого и второго мостов постоянного тока с усилителями; блок управления нагревателем и вычислительный (микропроцессорный) блок. В этом техническом решении измерение объемного расхода вещества сводится к тому, что блоком управления периодически включают нагреватель, генерирующий в потоке тепловые метки. Одновременно с этим, при включении нагревателя, подается команда микропроцессорному блоку на начало измерения времени. По достижении максимума величины реакции на первом терморезисторе, от прохождения тепловой метки, усиленный сигнал с первого моста обеспечивает фиксацию процесса переноса метки от нагревателя до контролируемого участка и начинается отсчет времени переноса метки между первым и вторым терморезисторами. При возникновении максимума сигнала на втором терморезисторе, через второй мост с усилителем, вычислительным блоком определяется время переноса метки потоком по контрольному участку, а, следовательно, и величина объемного расхода.

Недостатком этого известного способа измерения можно считать погрешность в измерении объемного расхода из-за разности скоростей между тепловыми метками и контролируемым потоком.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятое автором за прототип доплеровский расходомер бистатической конфигурации для криогенных жидкостей, протекающих по диэлектрическому (стеклянному) трубопроводу (см. стран. 141, В.А. Викторов, Б.В. Лункин, А.С. Совлуков. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат, 1989. - 208 с.). В этом техническом решении с помощью передающей антенны с выхода СВЧ - генератора, одна часть электромагнитных колебаний поступает в поток криогенной жидкости, а другая часть колебаний поступает непосредственно на первый вход смесителя. Электромагнитная волна, зондирующая поток, рассеивается на неоднородностях (шуга) в потоке и далее поступает на приемную антенну. Улавливаемый приемной антенной сигнал после этого поступает на второй вход смесителя, затем - на фильтр. Спектр выходного сигнала смесителя, образованного смешением колебаний генератора и прошедшего через контролируемое вещество сигнала, содержит много различных частотных составляющих, все из которых, за исключением доплеровской частоты, отфильтровываются. В итоге измерение доплеровской частоты с учетом сечения трубопровода дает возможность вычислить объемный расход криогенной жидкости.

Недостатком этого известного технического решения является погрешность, связанную с разностью скоростей между шугой и потоком, а также сложностью выделения (фильтрация) из частотного спектра выходного сигнала смесителя доплеровской частоты, пропорциональной скорости потока контролируемой среды.

Техническим результатом данного устройства является повышение точности измерения объемного расхода жидкости.

Технический результат достигается тем, что в устройство для измерения объемного расхода жидкости, содержащее СВЧ - генератор, передающую антенну, расположенную на наружной поверхности отрезка трубопровода и осуществляющую ввод СВЧ - колебаний в отрезок трубопровода, по которому протекает контролируемое вещество, введены, термопара, усилитель, измеритель частоты СВЧ - колебаний и измеритель термодвижущей силы, отрезок трубопровода выполнен из электропроводящего материала, причем выход СВЧ - генератора соединен с входом измерителя частоты СВЧ - колебаний и передающей антенной, выход термопары подключен к входу усилителя, выход которого соединен с входом измерителя термодвижущей силы.

Сущность заявляемого изобретения, характеризуемого совокупностью указанных выше признаков, состоит в том, что разность частот, вычисленных при разных скоростях потока вещества, нагретого СВЧ - мощностью, дает возможность измерить объемный расход контролируемого материала.

Наличие в заявляемом способе совокупности перечисленных существующих признаков, позволяет решить задачу измерения объемного расхода жидкости на основе разности частот, вычисленных при разных скоростях потока вещества, нагретого СВЧ -мощностью, с желаемым техническим результатом, т.е. повышение точности измерения объемного расхода жидкости.

На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит СВЧ - генератор 1, измеритель частоты СВЧ - колебаний 2, передающую антенну 3, отрезок металлического трубопровода 4, термопару 5, усилитель 6 и измеритель термодвижущей силы 7.

Принцип работы предложенного устройства заключается в использовании теплоотдачи за счет конвекции движущуюся по трубопроводу контролируемой среды при ее диэлектрическом нагреве.

Как известно, диэлектрический нагрев обеспечивает высокую скорость и равномерный нагрев материалов и может быть использован для нагрева непроводящих материалов (диэлектриков), а также полупроводников и проводников.

В последнее время диэлектрический нагрев различных материалов все чаше осуществляют на сверхвысоких частотах (СВЧ). Этот вид нагрева по сравнению с нагревом на низких частотах значительно повышает удельную активную мощность P_v, а, следовательно, и интенсивность нагрева даже при сниженных значениях напряженности электрического поля.

При диэлектрическом нагреве СЧВ - мощностью, например, диэлектрического материала, для мощности P_v, поглощаемой этим материалом в высокочастотном поле, можно написать

где ε' - действительная часть материала, tgδ - тангенс угла потерь, Е - напряженность электрического поля и f - частота электромагнитного поля.

Приведенная выше формула показывает, что при таком нагреве диэлектрического вещества электромагнитной мощностью при постоянных значениях ε' и tgδ, эффективность нагрева определяется параметрами Е и f. Кроме того, как правило, постоянство параметров s' и tg5 (отсутствие участков вещества с разными значениями ε' и tgδ), может обеспечить равномерный нагрев материала, что немало важно для конвекционного процесса, например, в однородных жидкостях по определению скорости потока этих веществ.

В рассматриваемом случае для нагрева вещества, выходную мощность СВЧ -генератора 1 одновременно направляют на входы измерителя частоты СВЧ - колебаний 2 и передающей антенны 3 соответственно. Поступлением СВЧ - мощности внутрь отрезка трубопровода 4 (через «диэлектрическое окно») с помощью передающей антенны, расположенной на наружной поверхности отрезка металлического трубопровода, можно обеспечить диэлектрический нагрев потока контролируемой однородной жидкости в отрезке трубопровода. При этом в зависимости от величины СВЧ - мощности, подводимой в поток, можно варьировать процесс нагрева жидкости.

Как известно, при движении нагретого вещества за счет конвекции может иметь место теплоотдача, т.е. тепло будет уноситься потоком, и как вследствие, степень теплоотдачи изменятся в зависимости от скорости потока. В предлагаемом техническом решении эффект конвекции по температуре отслеживается термопарой 5, расположенной на наружной поверхности отрезка трубопровода напротив передающей антенны. Контактирующая с наружной поверхностью отрезка трубопровода термопара (горячий спаи) в этом случае, дает возможность измерить температуру в целом, как наружной поверхности отрезка трубопровода, так и движущего по нему потока. Следовательно, измерение температуры в дальнейшем может быть использовано для определения скорости потока.

В данном устройстве при измерении температуры принимается равенство температур на наружной поверхности отрезка трубопровода и протекающего по нему вещества, нагретых СВЧ - мощностью.

Для индикации измеренной температуры холодный спай термопары (из-за разности температур между горячим и холодным спаями), подключают к входу усилителя 6. Выходной сигнал термопары (термоЭДС) после усиления в усилителе поступает на вход измерителя термодвижущей силы 7. Здесь по показаниям этого измерительного прибора получают информацию об изменении температуры в потоке за счет конвекции самой жидкости. Так как в данном случае изменение температуры в потоке жидкости обусловлено из-за изменения скорости потока, то измерением температуры можно отслеживать изменение скорости потока. Для этого в предложенном техническом решении сначала измеряют температуру в нагретом потоке при одной постоянной мощности СВЧ - генератора и одной скорости потока. Затем при изменении скорости потока измеряют температуру и согласно формуле (1) изменением частоты электромагнитных колебаний обусловливают СВЧ - мощность, при которой восстановиться прежний температурный режим, но соответствующий другому значению скорости. Другими словами при изменении скорости надо обеспечить постоянство температуры за счет изменения частоты электромагнитных колебаний, приводящей к изменению СВЧ - мощности, т.е. информационным параметром в этом случае о скорости может стать частота. Отсюда следует, что если обозначить частоту электромагнитных колебаний f₁ при скорости v₁, температуре нагретого потока T₁ и мощности СВЧ - генератора P₁, то при изменении скорости потока, например, его увеличении (v₂), температура (Т₂) потока уменьшится, следовательно, для того, чтобы температура в потоке осталась прежней (T₁) при другой скорости v₂, мощность СВЧ - генератора необходимо увеличить, например до Р₂. В таком случае СВЧ - мощность можно увеличить увеличением частоты. Если обозначить частоту колебаний f₂, соответствующую мощности Р₂, то зная величины частот при разных значениях скорости потока, по разности частот, соответствующих разным мощностям, вычислением этих измеренных измерителем частоты СВЧ - колебаний 2, при постоянном поддержании температуры, можно судить об изменении скорости движущейся по отрезке трубопровода жидкости. В силу этого, если обозначить Δ_f=f₂-f₁ разность частот при увеличении скорости потока от v₁ до v₂ (Δ_v=v₂-v₁), то отсюда можно заключить, что разность Δ_f будет функциональна, связана с разностью Δ_v. В итоге, измерение частот, позволяющее производить слежение за постоянством температурного режима в перемещающейся по диэлектрической трубке жидкости, даст возможность измерить скорость потока по разности частот, измеренных измерителем частоты колебаний. В результате (за счет преобразования) при известной величины сечения отрезка металлического трубопровода и измеренных частот электромагнитных колебаний, связанных со скоростью потока, можно вычислить объемный расход жидкости в трубопроводе. Здесь потеря на теплопроводность самого материала считается постоянной величиной (известная зависимость коэффициента теплопроводности конкретного материала в зависимости от температуры), и может быть учтена градуировкой.

Таким образом, в предлагаемом техническом решении на основе вычисления разности частот электромагнитных колебаний СВЧ - диапазона, производимых нагрев потока жидкости в отрезке трубопровода с учетом конвекции нагретой жидкости, можно обеспечить повышение точности измерения объемного расхода жидкости.

Преимуществом предлагаемого устройства по сравнению с известными устройствами можно считать равномерный нагрев материала и минимизацию времени на нагрев материала и его охлаждение.

Предлагаемое устройство может быть реализовано на базе отечественных транзисторных генераторов типа ПП9138А с частотой и выходной мощностью 6 ГГц и 15 Вт соответственно.

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к устройствам измерения расхода потоков веществ. В устройство для измерения объемного расхода жидкости, содержащее СВЧ-генератор, передающую антенну, расположенную на наружной поверхности отрезка трубопровода и осуществляющую ввод СВЧ-колебаний в отрезок трубопровода, по которому протекает контролируемое вещество, введены термопара, усилитель, измеритель частоты СВЧ-колебаний и измеритель термодвижущей силы, отрезок трубопровода выполнен из электропроводящего материала, причем выход СВЧ-генератора соединен с входом измерителя частоты СВЧ-колебаний и передающей антенной, выход термопары подключен к входу усилителя, выход которого соединен с входом измерителя термодвижущей силы. Технический результат - повышение точности измерения объемного расхода жидкости. 1 ил.

Устройство для измерения объемного расхода жидкости, содержащее СВЧ-генератор, передающую антенну, расположенную на наружной поверхности отрезка трубопровода и осуществляющую ввод СВЧ-колебаний в отрезок трубопровода, по которому протекает контролируемое вещество, отличающееся тем, что в него введены термопара, усилитель, измеритель частоты СВЧ-колебаний и измеритель термодвижущей силы, при этом отрезок трубопровода выполнен из электропроводящего материала, выход СВЧ-генератора соединен с входом измерителя частоты СВЧ-колебаний и передающей антенной, а выход термопары подключен к входу усилителя, выход которого соединен с входом измерителя термодвижущей силы.