Устройство для измерения скорости жидкости в двухфазном потоке Советский патент 1990 года по МПК G01P5/08 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть исполь зовано для измерения скорости фазы локального газосодержания в двухфазном газожидкостном потоке.

Цель изобретения - повышение точности измерений.

На фиг. 1 представлена схема устройства для измерения скорости жидкое ти в двухфазном потоке; на фиг . 2 - эквивалентная схема подключения термопары; на фиг. 3 - временные диаграммы напряжений.

Устройство для измерения скорости жидкости в двухфазном потоке содержит трансформатор 1, первичная обмотка 2 которого подключена к генератору 3 переменного напряжения. Первая вторичная обмотка 4 трансформатора 1 подключена через разделительный конденсатор 5 параллельно со спаем b термопары, являющимся одновременно одним из электродов кондукционного датчика, к входам дифференциального усилителя 7, выход которого подключен к входу фильтра 8 нижних частот. Один из термоэлектродов спая 6 термопары подключен через RC-цепь к нулевой шине 9 и к первому входу сумматора 10, к вто- рому входу которого подключена вторая вторичная обмотка 11 трансформатора 1. Выход фильтра 8 нижних частот подключен к ключу 12, управляющий вход которого подключен к формирова- телю 13, вход которого подключен к выходу сумматора 10. Выход ключа 12 подключен к регистрирующему прибору 14. Спай 6 термопары расположен в заполненной исследуемой средой ме- таллической трубе 15, также соединенной с нулевой шиной 9.

Устройство работает следующим образом.

При подключении спая 6 термопары к вторичной обмотке 4 трансформатора 1 происходит выделение джоулевой теплоты. При этом температура спая при постоянной величине переменного тока зависит только от коэффициента теплоотдачи, определяемого скоростью омывающей спай жидкости.

Сигнал термоЭДС отделяется в фильтре 8 нижних частот от переменного напряжения нагрева термопары и подает- ся на вход ключа 12. Кроме того, при протекании по термоэлектродам переменного тока на спае возникает электрический потенциал, обуславливающий

электрический ток через жидкость и входное сопротивление первого входа сумматора 10, величина которого и, следовательно, падение напряжения на входном сопротивлении первого входа сумматора 10 зависят от того, в какой фазе потока находится неизолированный спай 6 термопары. Падение напряжения на первом входе сравнивается с опорным напряжением, задаваемым при подключении к второму входу сумматора 10 вторичной обмотки 11 трансформатора 1. Разность этих напряжений подается на вход формирователя 13, который в зависимости от величины разности напряжений, определяемой фазой потока, формирует различные по величине сигналы, поступающие на управляющий вход ключа 12, который пропускает на регистрирующий прибор 14 сигнал термоЭДС только в те моменты времени, когда спай 6 находится в жидкой фазе. Более подробно принцип работы устройства поясняется эквивалентной схемой термопары (фиг. 2), где Z и 2 сопротивления термоэлектродов спая b термопары; Z } - жидкостное сопротивление между чувствительным элементом (спаем термопары) и стенкой трубы; Z - сопротивление RC-цепи; Zc - сопротивление разделительного конденсатора 5; Јы ( ZвцЈ входные сопротивления дефференциального усилителя 7; Z8xi - входное сопротивление первого входа сумматора 10; U0 - напряжение, .снимаемое с обмотки 4 трансформатора 1; U - напряжение на первом входе сумматора 10.

RC-цепь является определенным образом подобранной нагрузкой по переменному току для получения максимального разностного сигнала от жидкой и газовой фаз потока. Конденсатор 5 необходим для разрыва цепи нагрева термопары по постоянному току.

z , 2 + b±z4jLzjsL1j zЈL,) .

С I У +/ 4-У II /II

|| /. BKJ II zBx3 Zt« Zj+Z4 || Z exi jl Z6r);

Z4 Если Z9M79 Z,v; R,; KH7 || ,„

где U - действительная часть комплексного сопротивления, то

U,-U,

.&-.Јо (Z,+Z2)(Z,+Z4)

напряжение термоЭДС спая 6 термопары, подаваемое на вход дифференци10

альноге усилителя 7, практически не зависит от сопротивления R, так как по постоянному току (именно для этого RC-цепь состоит из последовательно соединенных К и С) и поэтому не шунтирует сопротивление Kgr2JIRB)r3

выделяемая на термопаре мощность практически постоянна и не зависит от величины Z,.

В этом случае температура спая, а следовательно, и возникающая термо- ЭДС, зависят только от коэффициента теплоотдачи, который определяется скоростью жидкости и тем, в какой фазе потока находится чувствительный элемент. С цепью компенсации измене-- ний температуры жидкости в разрыв цепи в точке А (фиг. 1) возможно подключение дополнительной термопары, спай которой должен находиться в потоке .

Так как сигнал с выхода дифференциального усилителя 7 имеет две составляющие: термоЭДС и переменное напряжение нагрева спая 6 термопары, а величина термоЭДС много меньше величины этого переменного напряжения, то выделение сигнала термоЭДС осуществляется с помощью активного фильт- зо ра 8 нижних частот. При этом частота напряжения питания датчика должна значительно превышать наибольшую ожидаемую частоту в спектре исследуемых пульсаций скорости и газосодержания.

пары, на выходе сумматора Ю появляется сигнал, отличный от нуля и равный по величине сумме напряжений:

20

и, u)+tV u« U,)-u, U,).

Идеальный сигнал с выхода сумматора 10 показан на фиг. 3,Ь.

При этом электроизоляция всей, за исключением спая 6, термопары позволяет определить на нем наличие газовой фазы. Затем сигнал поступает на формирователь 13, который преобразует его в прямоугольные импульсы, пока- 5 занные на фиг. 3,2. Сигнал от формирователя 13 поступает на управляющий вход ключа 12. При этом, если на управляющем входе напряжение О, ключ пропускает аналоговый сигнал со своего входа на регистрирующий прибор 14. Если же на управляющем входе 1, то ключ 9 запирается и на его выходе сигнал равен нулю. Напряжение на выходе ключа 9 представлено, на фиг. 3,4 Путем соответствующей обработки этого сигнала на регистрирующем приборе 14 можно получить среднее и среднеквад- ратическое значения и другие спектральные характеристики скорости жидкой фазы в газожидкостном потоке.

Формула изобретения Устройство для измерения скорости ,жидкости в двухфазном потоке, содер25

На фиг. 3,а показан сигнал с выхо- 35 жащее двухэлектродный кондукционный да фильтра 8 нижних частот.датчик, емкость с электролитом, генеЕсли Z 3 - сопротивление между стен- ратор переменного напряжения, ключ, кой трубы и чувствительным элементом в те моменты времени, когда спай термопары находится в жидкой, a Z - в газовой фазе, то

40

формирователь, фильтр нижних частот, выход которого подключен к ключу, управляющий вход которого подключен к выходу формирователя, а выход - к регистрирующему прибору, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, в него введены трансформатор с двумя вторичными обмотками, сумматор, дифференциальный усилитель и КС-цепь, а один из электродов кондукционного датчика образован спаем термопары, причем генератор переменного напряжения подключен к первичной обмотке трансформатора, первая вторичная обмотка которого i подключена через разделительный конденсатор параллельно со спаем термои ;)

3

U,(Z;),

II

где А

U .

°Z,+Z

50

Идеальный сигнал на первом входе сумматора 10 имеет вид, показанный

на фиг. 3,6.

л В с мматоре 10 напряжение U, снимаемое с обмотки 11 трансформатора 1,

алгебраически суммируется с напряже - .55

формирователь, фильтр нижних частот, выход которого подключен к ключу, управляющий вход которого подключен к выходу формирователя, а выход - к регистрирующему прибору, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, в него введены трансформатор с двумя вторичными обмотками, сумматор, дифференциальный усилитель и КС-цепь, а один из электродов кондукционного датчика образован спаем термопары, причем генератор переменного напряжения подключен к первичной обмотке трансформатора, первая вторичная обмотка которого i подключена через разделительный конденсатор параллельно со спаем термонием Uj(Z) таким образом, что и,) пары к входам дифференциального усилителя, выход которого подключен к - входу фильтра нижних частот, а один из термоэлектродов термопары подклю+иг о.

Таким образом, при накатывании пузырька на изолированный гпай 6 термопары, на выходе сумматора Ю появляется сигнал, отличный от нуля и равный по величине сумме напряжений:

и, u)+tV u« U,)-u, U,).

Идеальный сигнал с выхода сумматора 10 показан на фиг. 3,Ь.

При этом электроизоляция всей, за исключением спая 6, термопары позволяет определить на нем наличие газовой фазы. Затем сигнал поступает на формирователь 13, который преобразует его в прямоугольные импульсы, пока- занные на фиг. 3,2. Сигнал от формирователя 13 поступает на управляющий вход ключа 12. При этом, если на управляющем входе напряжение О, ключ пропускает аналоговый сигнал со своего входа на регистрирующий прибор 14. Если же на управляющем входе 1, то ключ 9 запирается и на его выходе сигнал равен нулю. Напряжение на выходе ключа 9 представлено, на фиг. 3,4. Путем соответствующей обработки этого сигнала на регистрирующем приборе 14 можно получить среднее и среднеквад- ратическое значения и другие спектральные характеристики скорости жидкой фазы в газожидкостном потоке.

Формула изобретения Устройство для измерения скорости ,жидкости в двухфазном потоке, содер

жащее двухэлектродный кондукционный датчик, емкость с электролитом, генератор переменного напряжения, ключ,

формирователь, фильтр нижних частот, выход которого подключен к ключу, управляющий вход которого подключен к выходу формирователя, а выход - к регистрирующему прибору, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, в него введены трансформатор с двумя вторичными обмотками, сумматор, дифференциальный усилитель и КС-цепь, а один из электродов кондукционного датчика образован спаем термопары, причем генератор переменного напряжения подключен к первичной обмотке трансформатора, первая вторичная обмотка которого i подключена через разделительный конденсатор параллельно со спаем термоФиг. 2.

Ч

- t

рие.З

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения скорости жидкой фазы и локального газосодержания в двухфазном газожидкостном потоке. Целью изобретения является повышение точности измерений. При подключении спая 6 термопары к вторичной обмотке 4 трансформатора 1 происходит выделение джоулевой теплоты. Сигнал термо- ЭДС отделяется в фильтре 8 нижних частот от переменного напряжения нагрева спая термопары и подается на вход ключа 12. Протекание по термоэлектродам термопары переменного тока обуславливает появление на спае 6 электрического потенциала и возникновение тока через жидкость и входное сопротивление первого входа сумматора 10, на второй вход которого поступает опорное напряжение с вторичной обмотки 11 трансформатора 1. Разность этих напряжений поступает на вход формирователя 13, а после формирования - на управляющий вход ключа 12, который пропускает на регистрирующий прибор 14 сигнал термо - ЭДС только в те моменты, когда спай 6 находится в жидкой фазе. 3 ил.