СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МАССОВОГО РАСХОДА ЖИДКИХ И СЫПУЧИХ СРЕД
METHOD OF MEASURING MASS FLOW OF LIQUID AND LOOSE MEDIA

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного измерения скорости потока и расхода жидких и сыпучих сред в трубопроводах, в частности при трубопроводной транспортировке нефтепродуктов, сжиженных газов и др.
0
д
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 для измерения расхода используется эффект Доплера. Излучаемые антенной волны через радиопрозрачное окно в стенке трубопровода излучаются под углом а по направлению потока, рассеиваются на неоднородностях движущегося вещества и поступают на приемную антенну с частотой ƒ, отличной от частоты ƒ зондирующей волны на частоту ƒ. Неоднородностями вещества при этом могут быть частицы сыпучего материала, газовые и твердые включения в жидкости, твердые частицы и капли жидкости в потоке газа, 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, некоторая 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 ν потока, можно определить массовый расход:
где А - площадь поперечного сечения потока на измерительном участке. Подставив значение ν из выражения (1) в (2), получим выражение для среднего массового расхода
Как видно из формулы, на точность определения расхода при постоянных величинах плотности и диэлектрической проницаемости сильно влияет точность определения средней доплеровской частоты.
Известно техническое решение - доплеровский радиоволновый способ измерения расхода, 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.). Согласно этому способу радиоволновое СВЧ-излучение направляли через радиопрозрачное окно под углом к потоку, затем отраженные волны принимали и передавали на первый вход смесителя, на второй его вход направляли часть мощности излучаемого сигнала, на выходе смесителя выделяли доплеровский сигнал. После фильтрации и записи доплеровского сигнала вычисляли его спектр, по максимуму которого определяли среднюю доплеровскую частоту, по которой оценивали расход в соответствии с формулой (3).
Данный способ имеет существенный недостаток. Поскольку поток вещества имеет заметную турбулентность и локальные неоднородности, спектр доплеровского сигнала имеет сложный вид, зачастую с рядом равноценных пиков, что затрудняет определение максимума. Это происходит еще и из-за того, что в полосу частот фильтра попадают паразитные сигналы от вибраций трубопрововода, которые имеют место при использовании расходомера в условиях технологического процесса. Сглаживание спектра доплеровского сигнала также не приводит к повышению точности, поскольку при наличии диаграммы направленности антенны и ненулевого угла между направлениями движения потока и излучения, существует смещение между доплеровской частотой и максимумом его спектра. Все это снижает точность определения массового расхода.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерения.
Технический результат - повышение точности измерения достигается тем, что радиоволновое СВЧ излучение направляют через радиопрозрачное окно под углом к потоку, затем отраженные волны принимают и передают на первый вход первого смесителя, на второй его вход направляют часть мощности излучаемого сигнала и выделяют первый доплеровский сигнал. Дополнительно к этому часть принятого сигнала сдвигают по фазе на π/2 и передают на первый вход второго смесителя, при этом на второй его вход направляют часть мощности излучаемого сигнала, выделяют второй доплеровский сигнал, а массовый расход вычисляют по максимуму взаимно-корреляционной функции между первым и вторым доплеровским сигналом.
На Фиг. 1 представлена структурная схема устройства, реализующего способ.
На Фиг. 2 изображены временные диаграммы сигналов на выходах первого и второго смесителя (кривые 1 и 2) в относительных единицах.
На Фиг. 3 изображена взаимно-корреляционная функция между сигналами с выходов первого и второго смесителя в нормированном виде.
Устройство содержит генератор СВЧ 1, делитель мощности на 3 - 2, циркулятор 3, приемо-передающую антенну 4, делитель мощности на 2 - 5, фазовращатель на π/2 - 6, смесители 7 и 8, вычислительный блок 9.
Устройство работает следующим образом.
0
1
2
12
з
1
2
з
Электромагнитные колебания генератора СВЧ 1 с частотой ƒ поступают через делитель мощности (примерно 0,8 части от входной величины) 2 и циркулятор 3 на антенну 4, направленную под углом α по направлению движения потока через радиопрозрачное окно 10 в трубопроводе 11. Небольшие части мощности (примерно по 0,1 от входной величины) с делителя 2 поступают на опорные входы смесителей 7 и 8. Отраженные от потока волны принимаются этой же антенной 4 и через циркулятор 3 поступают на вход делителя мощности на 2 - 5, с его первого выхода волны поступают на первый вход первого смесителя 7 напрямую, а с его второго выхода на первый вход второго смесителя 8 через фазовращатель на π/2 - 6. С выходов смесителей сигналы поступают на вычислительный блок 9. В результате на выходах первого и второго смесителей образуются доплеровские сигналы, сдвинутые между собой по фазе π/4 (см. кривые 1 - S(t) и 2 - S(t) на фиг. 3). При этом в рассматриваемом примере используется временная выборка N=2000 значений с длительностью каждой выборки - Δt. Функция r(t) взаимной корреляции сигналов S(t) и S(t) от времени задержки t за время Т=NΔt будет выглядеть следующим образом:
12
В нормированном дискретном виде коэффициента взаимной корреляции r(j) от дискретного сдвига j функция (4) она примет вид:
max
max
График этой функции представлен на Фиг. 3. В процессе движения потока оба доплеровских сигнала будут полностью идентичными, а время задержки между ними будет соответствовать четверти периода доплеровской частоты. Это время можно определить по максимуму коэффициента взаимной корреляции (6) t=jΔt, как показано на Фиг. 3. Далее можно определить доплеровскую частоту , а затем по формуле (2) - массовый расход по формуле:
max
Таким образом, ошибка, связанная с неточным определением доплеровской частоты из-за стохастического и асимметричного характера спектра доплеровского сигнала при измерении массового расхода в трубопроводе, устраняется, а точность измерения по сравнению с прототипом увеличивается. Благодаря этому способу в отличие от прототипа удается определить направление движения потока. При движении потока навстречу направлению излучения, как в рассматриваемом примере, максимум коэффициента взаимной корреляции будет при положительном временном сдвиге t, а при движении потока в обратном направлении - при отрицательном.