ИЗМЕРИТЕЛЬ РАСХОДА ДВУХФАЗНОГО ПОТОКА СЫПУЧИХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ, ПЕРЕМЕЩАЕМЫХ ВОЗДУХОМ ПО МЕТАЛЛИЧЕСКОМУ ТРУБОПРОВОДУ
DEVICE FOR MEASURING FLOW RATE OF TWO-PHASE STREAM OF FREE-FLOWING DIELECTRIC SUBSTANCES, MOVED BY AIR IN METAL CONDUIT

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах автоматического контроля и измерения объемного и массового расхода сыпучих диэлектрических материалов, перемещаемых воздухом по металлическому трубопроводу.
Известно устройство для измерения расхода сыпучих материалов, содержащее СВЧ-генератор, передающие и приемные антенны, коррелометр и блок индикации и регистрации информации [Мелик-Шахназаров A.M. и др. Цифровые измерительные системы корреляционного типа. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 128 с.].
Недостатком этого устройства является сложность алгоритма статистической обработки информации в реальном времени и, как следствие, высокая погрешность измерения расхода, а также сложность технической реализации.
Известно устройство для измерения массового расхода жидких и сыпучих сред по авторскому свидетельству №896418, G01F 1/66. Устройство содержит передающую и приемную антенны, расположенные на измерительном участке трубопровода, СВЧ-генератор, соединенный с передающей антенной и первым входом смесителя, связанного своим вторым входом с приемной антенной, а выходом с фильтром, два сумматора, модулятор частоты, соединенный с СВЧ-генератором, второй фильтр, соединенный с выходом смесителя и со вторыми входами сумматоров, вычислитель плотности среды, делитель и умножитель, причем выход первого фильтра соединен с первыми входами второго и первого сумматора, выход которого соединен с первым входом делителя и через вычислитель плотности среды - с первым входом умножителя, а выход второго сумматора соединен со вторым входом делителя, подключенного ко второму входу умножителя.
Недостаток устройства в том, что для формирования сигналов, пропорциональных плотности среды и скорости потока, перемножением которых получают массовый расход, используется частотный сдвиг сигнала приемной антенны (эффект Доплера). Поскольку двухфазный поток имеет относительно малую скорость (20-30 м/с), доплеровский сдвиг частоты сигнала на выходе измерителя по отношению к частоте сигнала на входе незначителен. По причине малого расстояния между передающей и приемной антеннами уменьшается и составляющая частотного сдвига выходного сигнала, обусловленная задержкой выходного сигнала относительно входного. Это затрудняет техническую реализацию таких устройств, как фильтры и сумматоры. В конечном счете, это затрудняет реализацию устройства и приводит к снижению точности измерения расхода.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является измеритель параметров двухфазного потока сыпучих веществ, перемещаемых воздухом по металлическому трубопроводу (патент РФ №2339914, кл. G01F 1/74, G01F 1/86, опубл. 27.11.2008 г.). Это устройство принято за прототип предлагаемого изобретения.
Устройство содержит отрезок трубопровода с двумя диэлектрическими окнами щелевого типа, генератор микроволн, соединенный с последовательно включенными двумя датчиками падающей на поток мощности и датчиком отраженной от потока мощности, датчик прошедшей через поток мощности, причем первичная линия датчика прошедшей через поток мощности и вторичные линии датчиков падающей на поток мощности и датчика отраженной от потока мощности подключены к балластным нагрузкам, смеситель, входы которого подключены к вторичной линии второго датчика падающей на поток мощности и к вторичной линии датчика отраженной от потока мощности, устройство направленного ввода и устройство направленного вывода энергии микроволн в/из трубопровода, два амплитудных детектора, соединенные между собой последовательно микропроцессор и индикатор, при этом устройство направленного ввода и устройство направленного вывода энергии микроволн в/из трубопровода выполнены по схеме направленного ответвителя с полной связью, при этом диэлектрические окна щелевого типа являются отверстиями связи в указанных устройствах и расположены сверху вдоль отрезка трубопровода, выполненного прямым, вход одного из амплитудных детекторов подключен к вторичной линии датчика падающей на поток мощности, вход другого амплитудного детектора подключен к вторичной линии датчика прошедшей через поток мощности, с которым соединено устройство направленного вывода энергии микроволн, датчик отраженной от потока мощности соединен с устройством направленного ввода энергии микроволн, выходы детекторов и смесителя подключены к микропроцессору.
Однако прототип имеет ряд недостатков.
Поскольку физической основой измерения скорости потока является доплеровский сдвиг сигнала, отраженного от потока, по отношению к сигналу генератора, то при реальных скоростях материало-воздушных потоков, не превышающих 30 м/с, и реальных линейных размерах измерительных участков трубопровода (несколько десятков сантиметров), обусловленных допустимыми безопасными мощностями генераторов, доплеровский сдвиг сигналов незначителен, что значительно осложняет задачу его выделения, техническую реализацию устройств статистической обработки информационных сигналов, что, в конечном счете, ограничивает точность и быстродействие измерительной системы.
Задачей предлагаемого изобретения является совершенствование измерителя расхода двухфазного потока сыпучих диэлектрических материалов, перемещаемых воздухом по металлическому трубопроводу.
Технический результат от использования изобретения заключается в повышении точности измерения и упрощении технической реализации устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что в измерителе расхода двухфазного потока сыпучих диэлектрических материалов, перемещаемых воздухом по металлическому трубопроводу, содержащем соединенные последовательно между собой микропроцессор и индикатор, в металлический трубопровод встроена измерительная вставка из диэлектрического материала, на которой расположены обкладки измерительного конденсатора, соединенные последовательно с обкладками регистрирующего конденсатора с диэлектрической вставкой из поляризуемого напряжением кристалла, при этом с одной стороны от регистрирующего конденсатора размещены поляризатор света и лазерный излучатель, а с другой стороны анализатор света и фотоприемник, выход которого соединен со входом усилителя, выход которого соединен с входом микропроцессора, выход которого соединен с индикатором.
В качестве поляризуемого напряжением кристалла может быть использован кристалл ниобата лития.
На чертеже изображена функциональная схема измерителя.
3
Измеритель содержит измерительную вставку 1 из диэлектрического материала, встроенную в металлический трубопровод, на которой расположены обкладки измерительного конденсатора 2, соединенные последовательно с обкладками регистрирующего конденсатора 3 с диэлектрической вставкой из поляризуемого напряжением кристалла ниобата лития (LiNbO).
С одной стороны от регистрирующего конденсатора 3 размещены поляризатор света 4 и лазерный излучатель 5, а с другой стороны - анализатор света 6 и фотоприемник 7, выход которого соединен с усилителем 8, выход которого соединен с микропроцессором 9, выход которого соединен с индикатором 10.
Измеритель работает следующим образом.
3
Двухфазный материало-воздушный поток, материальная составляющая которого представляет сыпучий диэлектрический материал, при прохождении между обкладками измерительного конденсатора 2 вызывает изменение емкости, пропорционально изменению концентрации материала в объеме измерительной вставки 1, что приводит к изменению напряженности электрического поля в последовательно включенном регистрирующем конденсаторе 3. Это вызывает амплитудную модуляцию светового потока, генерируемого лазерным излучателем 5 и проходящего через систему скрещенных поляризатора света 4 и анализатора света 6 и поляризационную ячейку из кристалла ниобата лития (LiNbO), расположенную между поляризатором и анализатором света (амплитудный оптический модулятор света, основанный на поперечном эффекте Покельса). Амплитудно-модулированный в зависимости от концентрации проходящего через измерительную вставку 1 объема вещества световой поток регистрируется фотоприемником 7, с выхода которого электрический сигнал поступает на усилитель 8, и после усиления сигнал подается на обработку согласно алгоритму в микропроцессор 9, с выхода которого информация поступает на индикатор 10. Микропроцессор создает образ представления результатов измерения расхода, например, в виде цифр, графиков, гистограмм на индикаторе 10.
m
Массовый расход Q потока, создаваемого данной пневмотранспортной установкой, определяется через произведение калибровочного массового коэффициента К на S - площадь, ограниченную кривой графической зависимости интенсивности сигнала датчика от времени за период измерения:
m
Q=K·S
ст
Калибровочный коэффициент K является интегральным, учитывает все параметры (скорость, стационарность, заполнение трубопровода) двухфазного потока в определенной пневмотранспортной системе и должен быть экспериментально определен при пропускании через измерительную вставку стандартной калибровочной массы измеряемого вещества m.
Коэффициент определяется согласно зависимости:
,
cm
где S - площадь, ограниченная кривой графической зависимости интенсивности сигнала датчика за контрольный период измерений.
v
Объемный расход Q определяется согласно зависимости:
,
где ρ - плотность транспортируемого вещества.
В качестве регистрирующего конденсатора 3 использована электрооптическая ячейка Покельса, представляющая кристалл ниобата лития размером 6×6×30 мм с напыленными электродами из Cr+Au на x-поверхности, производства ООО «Элан» (г.Санкт-Петербург). (Возможно также применение кристалла танталата лития.). В качестве поляризатора 4 и анализатора 6 света использованы лазерные призмы Глана производства ООО «Элан» (г.Санкт-Петербург). В качестве лазерного излучателя 5 использован лазерный модуль с блоком питания KLM-D 650-5-5 производства «ФТИ-Оптроник» (г.Санкт-Петербург).
В качестве фотоприемника 7 использовано фотоприемное устройство на основе кремниевых фотодиодов общего применения ФУО - 138А производства «ЦКБ РИТМ» (г.Черновцы, Украина).
Прецизионный усилитель 8 изготовлен на базе операционного усилителя AD 548 (производства США).
В качестве микропроцессора 9 использован микроконтроллер cFP-2020 производства фирмы Nationale Instruments (Венгрия).
В качестве индикатора 10 использован монитор «Acer», LSD Monitor V 193 А (Китай).
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет повысить точность измерения расхода за счет увеличения быстродействия и повышения разрешающей способности измерительной системы, базирующейся на поперечном эффекте Покельса. Кроме того, уменьшается погрешность измерения расхода двухфазного потока за счет расчета его текущих значений по интегральным параметрам. Упрощение технической реализации устройства достигается за счет применения комплектных изделий, серийно выпускаемых промышленностью.
Ожидаемый экономический эффект от использования измерителя составит 1,5% от стоимости транспортируемого по трубопроводу сыпучего материала и достигается за счет сокращения непроизводственных потерь сыпучего материала в результате организации объективного учета его расхода на всех этапах технологического процесса.