Устройство для измерения массового расхода газовых сред
APPARATUS FOR MEASURING THE MASS FLOW RATE OF GASEOUS MEDIA

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к устройствам измерения расхода потоков веществ.
Известно устройство, реализующий способ измерения массового расхода газа (см. RU 2066850 С1, 20.09.1996), содержащее сужающее устройство, байпасную трубку и дополнительную байпасную трубку, турбулентный дроссель, датчик теплового расходомера и ламинарный дроссель. В этом техническом решении измеряемый поток подают в расходомер, где поток газа перераспределяется и проходит через сужающее устройство, байпасную трубку. Датчиком расходомера производят нагрев части потока газа, проходящей через байпасную трубку, и одновременно измеряют изменение температуры потока (термодатчики выполняют двойную функцию измеряют температуру потока и за счет энергии питания нагревают поток). Термодатчики включены в мостовую измерительную схему стандартного измерительного моста, по показаниям которого судят об измеряемом расходе.
Недостатком этого устройства является конструктивная сложность, связанная с формированием ламинарного и турбулентного потоков газа в параллельных байпасных трубках посредством турбулентного и ламинарного дросселей.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятое автором за прототип доплеровский расходомер бистатической конфигурации для криогенных жидкостей, протекающих по диэлектрическому (стеклянному) трубопроводу (см. стран. 141, В.А. Викторов, Б.В. Лункин, А.С. Совлуков. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат, 1989. - 208 с.). В этом техническом решении с помощью передающей антенны с выхода СВЧ - генератора, одна часть электромагнитных колебаний поступает в поток криогенной жидкости, а другая часть колебаний поступает непосредственно на первый вход смесителя. Электромагнитная волна, зондирующая поток, рассеивается на неоднородностях (шуга) в потоке и далее поступает на приемную антенну. Улавливаемый приемной антенной сигнал после этого поступает на второй вход смесителя, затем - на фильтр. Спектр выходного сигнала смесителя, образованного смешением колебаний генератора и прошедшего через контролируемое вещество сигнала, содержит много различных частотных составляющих, все из которых, за исключением доплеровской частоты, отфильтровываются. Далее измеряются амплитуда и частота доплеровского сигнала. При этом амплитуда доплеровского (рассеянного) сигнала зависит от плотности шуги, являясь функцией количества неоднородностей (твердых включений), а частота доплеровского сигнала - от скорости потока. В итоге знание плотности вещества и его скорости позволяет найти массовый расход.
Недостатком этого известного технического решения является погрешность, связанную с разностью скоростей между шугой и потоком, а также сложностью выделения (фильтрация) из частотного спектра выходного сигнала смесителя доплеровской частоты, пропорциональной скорости потока контролируемой среды.
Техническим результатом данного устройства является повышение точности измерения объемного расхода жидкости.
Технический результат достигается тем, что в устройство для измерения массового расхода газовых сред, содержащее чувствительный элемент, СВЧ - генератор, передающую антенну, измеритель скорости и измеритель плотности, введены, первая и вторая термопары, первый и второй усилители и измеритель массового расхода, чувствительный элемент выполнен в виде первого и второго отрезков трубопровода равными диаметрами, соединенных между собой третьим и четвертым отрезками трубопровода разными диаметрами, помещенный в металлическую коробку, причем выход СВЧ - генератора соединен с передающей антенной, расположенной на наружной поверхности металлической коробки, и осуществляющей ввод электромагнитного сигнала в полость коробки, выход первой термопары, расположенной на наружной поверхности третьего отрезка трубопровода, подключен через первый усилитель к входу измерителя скорости, выход второй термопары, расположенной на наружной поверхности четвертого отрезка трубопровода, подключен через второй усилитель к входу измерителя плотности, выходы измерителей скорости и плотности соединены с входами измерителя массового расхода соответственно.
Сущность заявляемого изобретения, характеризуемого совокупностью указанных выше признаков, состоит в том, что измерение скорости газового потока и его массы в двух разных по диаметру вспомогательных отрезках трубопровода, дает возможность вычислить массовый расход газовой среды в основном отрезке трубопровода.
Наличие в заявляемом способе совокупности перечисленных существующих признаков, позволяет решить задачу измерения массового расхода газовой среды в основном отрезке трубопровода благодаря определению скорости газового потока и его массы в двух разных по диаметру вспомогательных отрезках трубопровода с желаемым техническим результатом, т.е. повышением точности измерения.
На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого устройства.
Устройство содержит первый отрезок трубопровода 1, второй отрезок трубопровода 2, третий отрезок трубопровода 3, четвертый отрезок трубопровода 4, СВЧ - генератор 5, передающую антенну 6, первую термопару 7, вторую термопару 8, первый усилитель 9, второй усилитель 10, измеритель скорости 11, измеритель плотности 12, измеритель массового расхода 13. На чертеже цифрой 14 обозначена металлическая коробка.
Устройство работает следующим образом. С выхода СВЧ - генератора 1 сверхвысокочастотную мощность направляют в передающую антенну 6. С помощью последней мощность через «диэлектрическое окно» поступает в металлическую коробку 14, внутри которой размещен чувствительный элемент, представляющий собой механическое соединение первого 1, второго 2, третьего 3 и четвертого 4 отрезков трубопровода. В данном случае контролируемый газовый поток пропускают, например, через первый отрезок (основной) трубопровода и далее поток разветвляется на два, каждый из которых проходит одновременно через третий отрезок трубопровода и четвертый отрезок трубопровода. После этого ответвленные потоки по параллельным отрезкам (вспомогательным) трубопровода, смешиваются и пропускаются через второй отрезок (основной) трубопровода 2. Согласно предлагаемому устройству газовая среда, транспортируемая по указанному выше чувствительному элементу, благодаря поступлению сверхвысокочастотной мощности в металлическую коробку, нагревается (диэлектрический нагрев).
Как известно, при нагревании движущегося материала может иметь место теплоотдача за счет теплопроводности и конвекции. В рассматриваемом случае эффект теплопроводности материала и конвекции используется для измерения плотности (концентрации) и скорости потока, что в купе дает возможность, при известном сечении измерительного участка трубопровода (чувствительного элемента), вычислить массовый расход контролируемой среды.
В общем виде для массового расхода М вещества, протекающего по трубопроводу можно записать
1
2
1
2
1
2
1
2
d - диаметр трубопровода, ν - скорость потока и ρ - плотность вещества в трубопроводе. Согласно приведенной формуле, вычисление массового расхода газовой среды, например, в первом отрезке, сводится к определению объемного расхода и плотности газа. Для этого выходящий газовый поток из первого отрезка одновременно пропускают через третий и четвертый отрезки трубопровода разными диаметрами. Обозначим d - диаметры первого и второго отрезков трубопровода (равные диаметры); d - диаметр третьего отрезка трубопровода; d - диаметр четвертого отрезка трубопровода (d<d). При этом принимается d<d и d>d. Следовательно, можно записать d=A d и d=d/B, где А, В - коэффициенты, показывающие отношения диаметров третьего и четвертого отрезков по отношению диаметров первого и второго отрезков трубопроводов. С учетом выше приведенных коэффициентов А и В формулу для измерения массового расхода, например, в первом отрезке 1 можно выразить следующим образом
1
1
2
где h - длина измерительного участка (отрезка), m - масса газовой среды. Из формулы (1) видно, что при постоянных значениях коэффициентов А, В и длины h, измерением скорости и массы потока газа можно вычислить массовый расход. Для измерения скорости потока (объемный расход) используют третий отрезок, а для измерения массы - четвертый отрезок. В силу этого для объемного расхода потока протекающего по третьему отрезку можно записать  где ν - скорость потока в третьем отрезке, d - диаметр третьего отрезка, а для плотности потока в четвертом отрезке -  где d - диаметр четвертого отрезка, h - его длина. Тогда формулу (1) можно переписать как
1
Согласно предлагаемому устройству для измерения скорости (ν) нагрето СВЧ - мощностью и протекающего по третьему отрезку трубопровода потока, используется эффект конвекции, который, как известно выражается в изменении теплоотдачи в зависимости от скорости потока. Другими словами, измеряя изменение теплоотдачи благодаря конвекции газа через температуру нагретого потока при изменении скорости, можно получить информацию о его скорости. В данном случае измерение температуры потока производится с помощью первой термопары 7, расположенной на поверхности третьего отрезка и контактирующей горячим спаем с контролируемым газом. Холодный спаи этой термопары, показывающий термоЭДС, далее подключается через первый усилитель 9 к входу измерителя скорости 11. В результате, по показаниям последнего можно судить о значениях скорости потока. Здесь принимается, что давление контролируемого газа выше области атмосферного и как следствие теплопроводность газа не зависит от плотности.
Для измерения массы газового потока (концентрации), как уже было сказано выше, нагретый поток пропускают через четвертый отрезок диаметром больше диаметра третьего отрезка. Из-за этого, состояние потока в данном отрезке можно квалифицировать как разреженное. Как правило, при разреженном состоянии газа теплоотдача пропорциональна концентрации, т.е. увеличение концентрации, приведет к увеличению теплоотдачи и наоборот. Следовательно, измеряя изменение теплоотдачи газа через температуру при изменении концентрации газа, можно получить информацию о его концентрации. Аналогичным образом в данном случае измерение температуры производится с помощью второй термопары 8, расположенной на поверхности четвертого отрезка и контактирующей горячим спаем с контролируемым газом. Холодный спаи этой термопары, показывающий термоЭДС, далее подключается через второй усилитель 10 к входу измерителя плотности 12. В результате, по показаниям последнего можно судить о значениях массы потока. Здесь возможно возникновение погрешности, обусловленной потерями теплоты на конвекцию. Подсчет этой погрешности возможен при известной зависимости коэффициента теплоотдачи от скорости. Выходные сигналы измерителей скорости и плотности поступают далее на первый и второй входы измерителя массового расхода 13 соответственно, где после преобразования входных сигналов согласно выражению (2), судят о массовом расходе газовой среды, протекающей по трубопроводу. Отсюда заключаем, что при известных значениях коэффициентов А и В и параметра h, измерением скорости газового потока и его массы можно вычислить массовый расход контролируемой среды в трубопроводе.
Таким образом, в предлагаемом техническом решении на основе определения скорости газового потока и его массы во вспомогательных двух отрезках трубопровода с разными диаметрами, можно обеспечит повышение точности измерения массового расхода газовой среды в основном отрезке трубопровода.
Преимуществом предлагаемого устройства по сравнению с известными устройствами можно считать равномерный нагрев материала и минимизацию времени на нагрев материала и его охлаждение.
Предлагаемое устройство может быть реализовано на базе отечественных транзисторных генераторов типа ПП9138А с частотой и выходной мощностью 6 ГГц и 15 Вт соответственно.