Датчик расхода двухфазных криопродуктов Советский патент 1993 года по МПК G01F1/704 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения расхода двухфазных потоков криопродуктов.

Известно устройство для измерения расхода водовоздушной смеси, содержащее ионизационный датчик плотности, измеряющий суммарную плотность в трех контрольных сечениях, расположенных по потоку на равном расстоянии друг от друга, и анализатор спектра 1. Скорость потока определяется по абсциссе пика на кривой спектральной плотности сигнала датчика, которая соответствует частоте, равной скорости потока, разделенной на расстояние между контрольными сечениями. Предложенное устройство позволило уменьшить время измерения скорости потока по сравнению с традиционными корреляционными расходомерами с двумя контрольными сечениями за счет увеличения числа контрольных сечений.

Недостатком этого устройства является низкая чувствительность ионизационного преобразователя для двухфазных сред с малой разностью плотностей жидкой и паровой фаз, в частности криогенных.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является датчик расхода двухфазных криогенных сред 2, содержащий высокочастотную резонансную систему с элементами связи, состоящую из , двух коаксиальных ..четвертьволновых сверхвысокочастотных резонаторов с квазисосредоточенными емкостным и индуктивным элементами и выполненную в виде металлического корпуса, имеющего цилиндрический и конические участки на входе и выходе, и вставки, установленной в корпусе с кольцевым зазором. Вставка на конических участках корпуса имеет диэлектрические обтекатели конической формы с углом при вершине 10-23°; на цилиндрическом участке корпуса вставка содержит первый и второй металлические цилиндры, к каждому из которых крепятся с одной стороны диэлектрический обтекатель, а с другой металлический центральный стержень более чем в 3 раза меньшего диаметра, помещенный в диэлектрическое кольцо. Металлические центральные стержни крепятся к металлическим перемычкам, центрирующим вставку в корпусе, а между перемычками размещена диэлектрическая втулка. Внутренний диаметр D корпуса и диаметр d вставки по всей длине связаны с диометром dT трубопровода соотношением dT5 (D-d)3(D + d)2.(1) а в цилиндрической части дополнительно соотношением

D (1,1 - 1.01)d.(2) Таким образом, известный датчик обладает двумя разнесенными по потоку мерными емкостными элементами, позволяющими

измерять плотность по резонансным частотам и скорость и расход потока путем определения времени прохождения известного расстояния между емкостными элементами диэлектрическими неоднородностями двухфазного потока с помощью корреляционного анализа сигналов резонаторов.

Недостатком описанного датчика является большая инерционность измерения скорости и расхода потока, обусловленная

необходимостью набора достаточно большой выборки значений сигналов двух преобразователей плотности для надежного определения абсциссы глобального максимума их взаимной корреляционной функции.

Цель изобретения - сокращение времени измерения за счет выполнения высокочастотной электромагнитной системы датчика в виде одного полуволнового резонатора с

тремя емкостными элементами, что позволяет уменьшить время интегрирования для вычисления скорости и расхода путем статистического анализа сигнала датчика.

Ожидаемый от использования изобретения положительный эффект состоит в повышении быстродействия систем управления различными криогенными установками, что увеличивает надежность и экономичность их работы.

Поставленная цель достигается тем, что в датчик расхода двухфазных криопродуктов, содержащий корпус и установленную в нем с кольцевым зазором вставку, выполненную в виде последовательно установленных первого обтекателя из диэлектрического материала, первой и второй пары квазисосредоточенных элементов, включающих металлический цилиндр и стержень, второго обтекателя и узлов ввода

и вывода высокочастотного электромагнитного излучения, введена третья пара квазисосредоточенных элементов, размещенная последовательно соосно первым двум, в каждой паре цилиндр расположен после

стержня и его длина не превышает длины стержня.

На чертеже представлена конструкция датчика и функциональная схема.обеспечивающая его работу.

Датчик содержит металлические (например, из меди) корпус 1, цилиндры 2-4, стержни 5-8, перемычки 9 и 10, узлы ввода 11 и вывода 12 высокочастотного электромагнитного излучения.диэлектрические(например, из фторопласта) обтекатели 13 и 14 и кольца 15-18.

Корпус 1 имеет цилиндрический и конические участки на входе и выходе и герметично подсоединяется своими торцами к трубопроводу. Цилиндры 2-4, стержни 5-8, перемычки 9 и 10, обтекатели 13 и 14 и кольца 15-18образуют вставку, установленную коаксиально в корпусе 1 с кольцевым зазором. На концах вставки расположены конические обтекатели 13 и 14, закрепленных на перемычках 9 и 10, центрирующих вставку в корпусе 1. К перемычке с другой стороны крепятся стержни 5 и 8, размещенные внутри колец 15 и 18. Стержни 5 и 8 с другой стороны ступенчато переходят в цилиндры 2 и 4 более чем в 3 раза большего диаметра, которые ступенчато переходят в центральные стержни б и 7, размещенные внутри колец 16 и 17. Стержни б и 7 ступен- чато переходят в цилиндр 3. Узлы ввода 11 и вывода 12 высокочастотного электромагнитного излучения выполнены в виде металлических, например из медной проволоки, петель.

Электрическая схема датчика представляет собой коаксиальный полуволновый резонатор с квазисосредоточенными емкостными и индуктивными элементами. Резонатор образован перемычками 9 и 10, стержнями 5-8, цилиндрами 2-4 и цилиндрическим участком корпуса 1. В этом резонаторе диаметр цилиндров 2-4 по крайней мере втрое больше диаметра центральных стержней 5-8, а длина каждого цилиндра меньше либо равна длине стержня. Эти условия превышают коаксиальный резонатор в квазисосредоточенный: индуктивные элементы сосредоточены на участках, содержа- щих стержни 5-8 и соответствующие им участки корпуса 1. а емкостные элементы - в кольцевых зазорах между цилиндрами 2-4 и соответствующим им участкам корпуса 1, Однородность поперечного электрического поля в емкостных зазорах обеспечивается выбором диаметра d цилиндров 2-4 и знут- реннего диаметра D цилиндрического участка отрезка трубы в соответствии с соотношением (2).

Функциональная схема устройства, обеспечивающая работу датчика, содержит СВЧ- генерэтор 19 качающейся частоты, блок 20 детектирования и выделения резонансной частоты, вычислитель 21 плотности среды. анализатор 22 спектра и умножитель 23.

Датчик работает следующим образом.

Через датчик, торцами герметично подключенный к трубопроводу, пропускают контролируемый поток, который, переходя из трубопровода круглого сеиения в кольцевой зазор в датчике, не встречает дополнительного гидравлического сопротивления, так как кольцевой зазор рассчитан по формуле (1). Кроме того, поток вплоть до звуковых скоростей дополнительно не тур- булизуется, так как обтекатели 13 и 14 имеют угол встречи не более 23°. Через элемент связи датчик возбуждается от СВЧ-генера- тора 19 качающейся частоты. В датчике возникает стоячая волна с частотой, соответствующей резонансной частоте, зависящей от плотности контролируемого потока. Электрический сигнал через элемент связи и блок 20 подается на вычислитель 21 плотности среды и на анализатор 22 спектра. По резонансной частоте f датчика вычислитель 21 определяет плотность р потока криопродукта по градуировочной кривой p(f). полученной при предварительной тарировке датчика. Поток двухфазной среды имеет диэлектрические неоднородности, которые вызывают колебания резонансной частоты датчика. В анализаторе 22 спектра вычисляется зависимость спектральной плотности мощности сигнала датчика от частоты колебаний этого сигнала, определяется абсцисса пика на этой зависимости, соответствующая частоте, равной скорости потока, деленной на расстояние между емкостными элементами, и вычисляется объемный расход путем перемножения частоты, соответствующей абсциссе пика на кривой спектральной плотности мощности, фиксированного расстояния между емкостными элементами и площади проходного сечения датчика. С выхода анализатора 22 на вход умножителя 23 поступает сигнал, пропорциональный обьемному расходу среды. Сюда не поступает сигнал из вычислителя 21, пропорциональный плотности потока. На выходе умножителя 23 получаем сигнал, пропорциональный массовому расходу потока криопродукта.

(56) Lassahn G.D. Jwo-phase flow velocity measurement using radiation Intensity corelatlon II Adv. Instrum,- Pittsburch. 1975. - Vol.30, Part 3. p.745/1-745/3.

Авторское свидетельство СССР N 1795709. кл. G 01 F 1/704. 1986.

Формула изобретения

ДАТЧИК РАСХОДА ДВУХФАЗНЫХ, КРИОПРОДУКТОВ, содержащий корпус и установленную в нем с кольцевым зазором 5 вставку, выполненную в виде последовательно установленных первого обтекателя из диэлектрического материала, первой и второй пар квазисосредоточенных элемен-, тов, включающих металлический цилиндр 10 и стержень, второго обтекателя и узлов

ввода и вывода высокочастотного электромагнитного излучения, отличающийся тем, что, с целью сокращения времени измерения, вставка снабжена третьей парой квазисосредоточенныхэлементов, размещенной последовательно соосно с первыми двумя, в каждой паре цилиндр расположен после стержня и его длина не превышает длины стержня.

Использование: измерение расхода жидких криопродуктов и легкокипящих двухфазных сред Сущность изобретения; датчик содержит корпус с установленной в нем коаксиапьно вставкой и узлы ввода и вывода высокочастотного излучения. Вставка выполнена в виде последовательности стержней и цилиндров, являющихся кеазисосредо- точенными элементами системы возбуждения, образованной корпусом и вставкой. 1 ид

Я

$15263 7 4 8Ю

f4