РАДИОВОЛНОВОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ПОТОКА ЖИДКИХ СРЕД
DEVICE FOR MEASURING FLOW VELOCITY OF LIQUID MEDIA

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного измерения скорости потока и расхода жидкостей в трубопроводах. В частности, при трубопроводной транспортировке нефтепродуктов, сжиженных газов и др.
В настоящее время известны и применяется много типов анеометров и расходомеров, основанных на разных физических принципах действия, среди которых актуальны доплеровские радиоволновые способы измерения скорости потока из-за своей способности работать в сложных эксплуатационных условиях (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат, 1989. 133-144 с.). Эти способы не предполагают применение элементов внутри труб, контактирующих со средой, создающих препятствия и неоднородности в потоке, устойчивы к температурным характеристикам эксплуатации. Обычно функциональная схема доплеровского измерителя скорости потока в простейшем случае содержит генератор электромагнитных колебаний, которые поступают на передающую антенну. Излучаемые антенной волны через радиопрозрачное окно в стенке трубопровода поступают внутрь и рассеиваются на неоднородностях движущейся жидкости и поступают на приемную антенну с частотой , отличной от частоты  зондирующей волны на частоту . Неоднородностями в измеряемой жидкой среде при этом могут быть газовые и твердые включения, а также другие жидкости, обладающие электрофизическими параметрами ε, отличными от таковых для контролируемого вещества. Направления движения неоднородностей образуют различные углы с направлением этой волны. Произвольная ориентация неоднородностей, случайные значения фазы отраженных каждой неоднородностью сигналов приводят к образованию доплеровского сигнала сложной формы. Тем не менее, средняя доплеровская частота  связана со средней скоростью потока  по формуле:
где α - угол между направлением излучения и потоком в трубе,  - длина волны в среде измерения, а ε - ее диэлектрическая проницаемость, с - скорость света в вакууме. Зная объемную плотность ρ вещества и скорость v потока, можно определить массовый расход:
где S - площадь поперечного сечения потока на измерительном участке. Подставив значение  из выражения (1) в (2), получим выражение для среднего массового расхода
Известно техническое решение - доплеровский измеритель скорости потока, содержащий генератор СВЧ, направленный ответвитель, циркулятор, приемо-передающую антенну, смеситель, полосовой фильтр, регистрирующее устройство, по технической сущности наиболее близкое к предлагаемому устройству и принятое в качестве прототипа (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат, 1989. 136-137 с.). Доплеровский сигнал в данном устройстве выделялся на выходе смесителя, на один вход которого поступал опорный сигнал от задающего генератора через направленный ответвитель, а на второй - сигнал, отраженный от потока вещества после облучения его через приемо-передающую антенну под углом α к потоку в трубе через герметичное радиопрозрачное окно. При этом для связи между генератором, антенной и смесителем использовался циркулятор. После фильтрации и записи доплеровского сигнала, по максимуму спектральной плотности которого определялась средняя доплеровская частота, оценивался расход в соответствии с формулой (3).
Данное измерительное устройство имеет существенный недостаток. Из формулы (1) следует, что скорость потока
зависит от диэлектрической проницаемости среды, которая в реальных условиях может постоянно меняться из-за изменений химического состава и температуры. Это приводит к погрешности в измерении скорости потока и, следовательно, расхода.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерения.
Технический результат достигается тем, что радиоволновое устройство для измерения скорости потока жидких сред содержит генератор СВЧ, циркулятор, приемо-передающую антенну, направленную через радиопрозрачное окно в трубопроводе под углом к направлению движения потока, смеситель, вычислительный блок, соединенный с выходом смесителя, и первый направленный ответвитель, основной выход которого соединен с первым входом циркулятора, а дополнительный выход соединен с первым входом смесителя, при этом второй вход смесителя соединен со вторым выводом циркулятора, а третий вывод циркулятора соединен с приемо-передающей антенной. Дополнительно устройство содержит второй и третий направленные ответвители, фазовый детектор, выходом соединенный с управляющим входом генератора СВЧ, выход которого соединен с входом второго направленного ответвителя, основной выход которого в свою очередь соединен с входом третьего направленного ответвителя, дополнительный выход которого соединен с первым входом фазового детектора, устройства ввода и вывода электромагнитной волны в трубопровод, соединенные соответственно с основным выходом третьего направленного ответвителя и со вторым входом фазового детектора, умножитель частоты, входом соединенный с дополнительным выходом второго направленного ответвителя, а выходом с входом первого направленного ответвителя.
Предлагаемое устройство поясняется чертежом, где представлена его структурная схема.
Устройство содержит генератор СВЧ 1, направленные ответвители - 2, 3 и 8, устройство ввода электромагнитной волны в трубопровод 4 и вывода из него - 5, фазовый детектор 6, умножитель частоты 7, циркулятор 9, приемо-передающую антенну 10, смеситель 11 и вычислительный блок 12.
Устройство работает следующим образом.
Электромагнитные волны, поступающие от генератора СВЧ 1 с частотой , через направленные ответвители 2 и 3 поступают через устройство ввода 4 в трубопровод с жидкостью, затем принимаются устройством вывода электромагнитных волн 5, расположенного на расстоянии L от ввода, и подаются на вход фазового детектора 6. Поскольку на второй вход фазового детектора поступают электромагнитные колебания от дополнительного выхода направленного ответвителя 3, на его выходе формируется напряжение, пропорциональное разности фаз, которое поступает на управляющий вход генератора СВЧ, перестраивая его частоту  до момента равенства нулю сигнала на выходе фазового детектора. Диапазон перестройки генератора СВЧ выбран таким образом, что длина волны в среде  - много больше размеров неоднородностей, присутствующих в потоке, поэтому фаза принимаемого сигнала будет зависеть только от расстояния L, частоты  и усредненного значения ε. Электромагнитные колебания с частотой  поступают на вход умножителя частоты на k, с выхода которого сигнал с частотой  поступает через направленный ответвитель 8 и циркулятор 9 на приемо-передающую антенну 10, затем излучаются через герметичное радиопрозрачное окно 13 в трубопроводе 14 под углом α к направлению потока. Часть сигнала с частотой  через дополнительный выход направленного ответвителя 8 приходит на первый вход смесителя 11. На второй вход смесителя через циркулятор поступают электромагнитные волны, отраженные от неоднородностей в потоке, которые в этом случае соизмеримы с длиной волны излучения, и принятые антенной 10. В результате на выходе смесителя формируется доплеровский сигнал, который обрабатывается в вычислительном блоке 12, где по максимуму спектральной плотности определяется средняя доплеровская частота (см. формулу (1)), которая зависит как от частоты СВЧ излучения , так и от диэлектрической проницаемости среды распространения ε. Поскольку с увеличением или уменьшением ε соответственно уменьшается или увеличивается , произведение  остается постоянным. Таким образом, доплеровская частота и скорость потока остается неизменной несмотря на изменения ε внутри возможного диапазона ее изменения: ε-Δε≤ε≤ε+Δε.
Выражение  можно записать исходя из условия равенства нулю сигнала на выходе фазового детектора
,
где n - целое число полуволн электромагнитных колебаний в среде, в данном случае это постоянная величина в пределах изменения ε, отсюда следует:
.
Подставив это выражение в формулу (4) с учетом того, что , получим выражение для скорости потока, не зависящее от ε:
.