УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА СЫПУЧЕГО МАТЕРИАЛА
BULK MATERIAL CONSUMPTION MEASURING DEVICE

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения массового и объемного расходов различных сыпучих материалов, перемещаемых по трубопроводам, в частности, для определения концентрации и скорости транспортируемого материала непосредственно в технологическом процессе и осуществления контроля работы пневмотранспорта сыпучих материалов, в пищевой промышленности, промышленности строительных материалов и др.
Известно устройство для измерения концентрации сыпучего материала в трубопроводе, содержащее измерительную вставку, выполненную в виде диэлектрической трубы с внутренним диаметром, равным внутреннему диаметру трубопровода, и два электрода, образующие электрическую емкость, выполненные по форме в виде сегментов диэлектрической трубы, установленные диаметрально противоположно и подсоединенные к электронному блоку. При этом электронный блок содержит последовательно соединенные автогенератор, в частотозадающую цепь которого включена электрическая емкость, и устройство обработки частот с индикатором. Поперечная длина каждого электрода составляет величину, большую половины внутреннего диаметра трубопровода, а продольная длина каждого электрода может не превышать половину длины диэлектрической трубы (Патент RU №2246721, МПК G01N 27/00, G01N 27/22, опубл. 2005).
Недостатком описанного устройства является низкая точность измерения вследствие наличия погрешности, обусловленной влиянием на электроды, образующие электрическую емкость, электромагнитной наводки, вызванной нахождением вблизи устройства источников электромагнитного излучения.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является устройство для измерения расхода сыпучего материала, содержащее емкостный преобразователь с измерительным и потенциальным электродами, закрепленными на измерительной вставке, выполненной в виде трубы из диэлектрического материала, генератор напряжения, один из выходов которого подключен к потенциальному электроду емкостного преобразователя, конденсатор и усилитель. При этом измерительная вставка, предназначенная для установки в трубопроводе, выполнена с внутренним диаметром, равным внутреннему диаметру трубопровода. Конденсатор, пространство между обкладками которого заполнено кристаллами ниобата лития, соединен с измерительным электродом емкостного преобразователя и расположен в блоке регистрации, в котором соединен с лазерным диодом и с оптическим анализатором, связанным через регистрирующий фотодиод с входом усилителя, выход которого подключен к процессору (Статья в журнале: Система автоматизированного измерения расхода порошкообразных строительных материалов при пневмотранспортировании / Г.Н.Ахобадзе [и др.] // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. - 2010. - N 7. - С.38-40).
Недостатком описанного устройства является низкая точность измерения вследствие влияния погрешности, не учитываемой при определении расхода сыпучего материала и обусловленной нестабильной скоростью движения сыпучего материала в трубопроводе за счет того, что при движении в воздушном потоке частицы материала испытывают многократное соударение и сопротивление воздуха.
Предлагаемым изобретением решается задача повышения точности измерения.
Для достижения указанного технического результата в устройстве для измерения расхода сыпучего материала, содержащем емкостный преобразователь с измерительным и потенциальным электродами, закрепленными на измерительной вставке, выполненной в виде трубы из диэлектрического материала, генератор напряжения, один из выходов которого подключен к потенциальному электроду емкостного преобразователя, конденсатор и усилитель, конденсатор с электрической емкостью, равной электрической емкости емкостного преобразователя при отсутствии в измерительной вставке сыпучего материала, соединен с выходом генератора напряжения, подключенным к потенциальному электроду емкостного преобразователя, и с одним из входов усилителя, другой вход которого подсоединен к измерительному электроду емкостного преобразователя, а выход соединен с устройством преобразования сигналов, при этом измерительный и потенциальный электроды емкостного преобразователя размещены в экранном корпусе.
Повышение точности измерения путем возможности определения скорости движения сыпучего материала приводит к устранению влияния погрешности, обусловленной нестабильной скоростью движения сыпучего материала в воздушном потоке в трубопроводе, и обеспечивается тем, что конденсатор с электрической емкостью, равной электрической емкости емкостного преобразователя при отсутствии в измерительной вставке сыпучего материала, соединен с выходом генератора напряжения, подключенным к потенциальному электроду емкостного преобразователя, и с одним из входов усилителя, другой вход которого подсоединен к измерительному электроду емкостного преобразователя, а выход соединен с устройством преобразования сигналов, при этом измерительный и потенциальный электроды емкостного преобразователя размещены в экранном корпусе.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, на котором схематично изображено устройство для измерения расхода сыпучего материала.
Устройство для измерения расхода сыпучего материала содержит емкостный преобразователь с измерительным 1 и потенциальным 2 электродами, закрепленными на измерительной вставке 3, выполненной в виде трубы из любого диэлектрического материала. При этом внутренний диаметр измерительной вставки 3 равен внутреннему диаметру трубопровода (на чертеже не показан) для предотвращения нарушения динамики движения сыпучего материала в воздушном потоке. Таким образом, предлагаемое устройство конструктивно является участком трубопровода. Измерительный 1 и потенциальный 2 электроды емкостного преобразователя выполнены, например, по форме сегментов трубы и расположены диаметрально противоположно на измерительной вставке 3. Генератор напряжения 4 одним из выходов подключен к потенциальному 2 электроду емкостного преобразователя. Конденсатор 5 с электрической емкостью, равной электрической емкости емкостного преобразователя при отсутствии в измерительной вставке 3 сыпучего материала 6, соединен с выходом генератора напряжения 4, подключенным к потенциальному 2 электроду емкостного преобразователя, и с одним из входов усилителя 7, другой вход которого подсоединен к измерительному 1 электроду емкостного преобразователя, а выход соединен с устройством преобразования сигналов 8, например, с аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Данное подключение позволяет измерять величину изменения емкости ΔС емкостного преобразователя при прохождении через него контролируемого сыпучего материала. При этом измерительный 1 и потенциальный 2 электроды емкостного преобразователя размещены в экранном корпусе 9, который связан со вторым выходом генератора напряжения 4. Использование экранного корпуса 9 позволяет исключить влияние погрешности, обусловленной наличием электромагнитной наводки, вызванной нахождением вблизи устройства источников электромагнитного излучения. Между измерительным 1 и потенциальным 2 электродами емкостного преобразователя и экранным корпусом 9 для электрической изоляции установлен диэлектрик 10, выполненный, например, из полипропилена.
Устройство для измерения расхода сыпучего материала работает следующим образом.
При подаче контролируемого сыпучего материала в трубопровод, в котором установлена измерительная вставка 3 с закрепленными измерительным 1 и потенциальным 2 электродами емкостного преобразователя, происходит изменение электрической емкости ΔС емкостного преобразователя, связанное с явлением поляризации сыпучего материала, как диэлектрика, находящегося в электрическом поле емкостного преобразователя, поэтому величина ΔС зависит от коэффициента заполнения емкостного преобразователя контролируемым сыпучим материалом и его диэлектрической проницаемости. При заполнении сыпучим материалом измерительной вставки устройства величина ΔС емкостного преобразователя пропорциональна коэффициенту заполнения объема емкостного преобразователя и диэлектрической проницаемости сыпучего материала. Емкостной преобразователь, измерительный 1 и потенциальный 2 электроды которого закреплены на измерительной вставке 3, с находящимся в ней сыпучим материалом, можно рассматривать условно в качестве статической модели, как многослойный диэлектрик, одним из слоев которого является контролируемый сыпучий материал, а другим - воздух. Электрическая емкость такого емкостного преобразователя определяется (Берлинер М.А. Электрические измерения, автоматический контроль и регулирование влажности. - М.:. Энергия, 1965. - С.112) по формуле:
,
0
где ε - диэлектрическая постоянная,
S - площадь электрода емкостного преобразователя предлагаемого устройства,
0
d - толщина воздушного слоя в измерительной вставке предлагаемого устройства,
1
d - толщина слоя, образуемого контролируемым сыпучим материалом, в измерительной вставке предлагаемого устройства,
1
ε - диэлектрическая проницаемость сыпучего материала.
Расчетным путем установлено, что если принять частицы сыпучего материала за сферы с эффективным радиусом r, то емкость емкостного преобразователя определяется по формуле:
,
0
где ε - диэлектрическая постоянная,
S - площадь электрода емкостного преобразователя предлагаемого устройства,
0
d - толщина воздушного слоя в измерительной вставке предлагаемого устройства,
N - количество частиц сыпучего материала в емкостном преобразователе предлагаемого устройства,
1
ε - диэлектрическая проницаемость сыпучего материала.
Концентрация сыпучего материала в емкостном преобразователе предлагаемого устройство вычисляется из формулы (2).
Для определения скорости движения сыпучего материала в трубопроводе движение частицы сыпучего материала через емкостный преобразователь устройства рассматривается последовательно в три этапа:
- до появления сыпучего материала в электрическом поле емкостного преобразователя (ΔС=0);
- во время нахождения контролируемого сыпучего материала в емкостном преобразователе (ΔC≠0);
- выход сыпучего материала за пределы электрического поля емкостного преобразователя (ΔС=0).
При этом каждая частица сыпучего материала при входе и выходе из емкостного преобразователя создает токовый импульс. Для вычисления скорости необходимо измерить расстояние между нарастающим и спадающими фронтами токового импульса:
,
где L - длина электродов емкостного преобразователя предлагаемого устройства,
t - время движения частицы сыпучего материала в емкостном преобразователе.
С помощью полученных значений концентрации сыпучего вещества в трубопроводе и скорости вычисляется массовый и объемный расходы по формулам:
,
,
где ρ - плотность сыпучего материала,
m
S - площадь сечения трубопровода, по которому движется сыпучий материал,
n - концентрация сыпучего материала в емкостном преобразователе устройства,
υ - скорость движения сыпучего материала.
Таким образом, использование предлагаемого изобретения, являющегося частью трубопровода, повышает точность измерения расхода сыпучего материала.