УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ПОТОКА ВЕЩЕСТВА
DEVICE TO MEASURE SUBSTANCE FLOW RATE

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах управления технологическими процессами.
Известно устройство, реализуемое доплеровским СВЧ-измерителем расхода криогенных жидких сред (см. В.В.Викторов и др. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин, М.: «Наука», 1978, стр.265-266), в котором по доплеровской частоте, отфильтрованной из спектра частот выходного сигнала смесителя, определяют скорость шугообразных частиц в потоке.
Недостатком этого известного устройства является нестабильность, связанная со сложностью выделения из спектра частот доплеровского сигнала.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятый автором за прототип СВЧ-рачходомер (см. В.В.Викторов и др. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин, М.: «Наука», 1978, стр.269), в основе построения которого лежит измерение резонансных частот.
Данное устройство содержит расположенные вдоль трубопровода два датчика, воспринимающие статическое давление, по перепаду которого между этими датчиками судят о скорости жидкости. Каждый из датчиков содержит объемный резонатор, резонансная частота которого является функцией статического давления контролируемой жидкости. В предпочтительном варианте каждый из резонаторов, имеющий цилиндрическую форму, располагается на поверхности трубопровода. Общая для резонатора и трубопровода стенка представляет собой гибкую мембрану. Перемещение мембраны вследствие изменения давления вызывает изменение продольного размера резонатора и соответственно его резонансной частоты.
Недостатком этого устройства следует считать погрешность из-за линейного теплового расширения материала гибкой мембраны при изменении температуры окружающей среды.
Задачей заявляемого технического решения является повышение точности измерения.
Поставленная задача достигается тем, что в устройство для измерения скорости потока вещества, перемещаемого по трубопроводу, содержащее генератор электромагнитных колебаний с перестраиваемой частотой, первый и второй датчики, подключенные выходами через первый и второй детекторы к входам первого и второго измерителей амплитудно-частотных характеристик соответственно, введены тройник и коррелятор, первый и второй датчики выполнены в виде тороидальных резонаторов, которые сочленены резонансными полостями с трубопроводом в разных его сечениях, при этом выход генератора электромагнитных колебаний с перестраиваемой частотой соединен с первым плечом тройника, второе плечо тройника подключено ко входу первого датчика, третье плечо тройника соединено со входом второго датчика, выход первого измерителя амплитудно-частотных характеристик соединен с первым входом коррелятора, второй вход которого подключен к выходу второго измерителя амплитудно-частотных характеристик.
Существенными отличительными признаками указанной выше совокупности является наличие тройника, коррелятора и тороидальных резонаторов.
В заявляемом техническом решении благодаря свойствам перечисленных признаков определение максимума взаимно корреляционной функции двух частотных сигналов тороидальных резонаторов дает возможность решить поставленную задачу:
обеспечить высокую точность измерения скорости потока вещества, перемещаемого по трубопроводу.
На чертеже приведена функциональная схема предлагаемого устройства.
Устройство содержит генератор электромагнитных колебаний с перестраиваемой частотой 1, тройник 2, первый тороидальный резонатор 3, второй тороидальный резонатор 4, первый детектор 5, второй детектор 6, первый измеритель амплитудно-частотных характеристик 7, второй измеритель амплитудно-частотных характеристик 8, соединенный выходом со вторым входом коррелятора 9. На чертеже цифрой 10 обозначен трубопровод.
Устройство работает следующим образом. С выхода генератора электромагнитных колебаний с перестраиваемой частотой 1 сигнал поступает на первое плечо тройника 2. Здесь по принципу действия тройника (волноводный) сигнал делится поровну между вторым и третьим плечами. После этого сигналы, снимаемые со второго и третьего плеч тройника, вводят соответственно в резонансные полости первого 3 и второго 4 тороидальных резонаторов. В рассматриваемом случае первый и второй тороидальные резонаторы сочленены с трубопроводом 10 резонансными полостями в разных его сечениях. При этом в местах сочленения сечение трубопровода должно соответствовать сечениям резонансных полостей первого и второго тороидальных резонаторов, т.е. вещество должно перемещаться по трубопроводу и резонансным полостям беспрепятственно и с одной и той же скоростью.
При отсутствии вещества в трубопроводе (резонансных полостях) возбуждают электромагнитные колебания в первом и втором резонаторах. В данном случае наличие резонанса контролируется сигналами, выведенными из резонансных полостей первого и второго резонаторов с помощью первого и второго детекторов. Эти сигналы далее передаются на соответствующие входы первого 7 и второго 8 измерителей амплитудно-частотных характеристик. В этих измерителях определяют собственные резонансные частоты тороидальных резонаторов и отслеживают их изменения.
Наличие вещества в трубопроводе и резонансных полостях приводит к тому, что резонансные частоты тороидальных резонаторов изменяются, и они могут быть определены как (см. И.В. Лебедев. Техника и приборы СВЧ. М: Высшая школа, 1970, стр.349-350)
;
,
10
20
10
20
1
2
1
2
0
0
10
20
0
1
2
1
2
где ω и ω - резонансные частоты первого и второго тороидальных резонаторов соответственно; r и r - радиусы резонансных полостей первого и второго тороидальных резонаторов соответственно; R и R - соответственно наружные радиусы первого и второго тороидалных резонаторов; d и d - высоты резонансных полостей первого и второго тороидальных резонаторов; ε и µ - диэлектрическая и магнитная проницаемость вещества соответственно; ε и µ - диэлектрическая и магнитная проницаемость вакуума соответственно. Пусть рассматриваемые тороидальные резонаторы идентичны по конструкции, т.е. r=r=r; R=R=R; d=d=d. Тогда при µ≈1 для одного из тороидальных резонаторов можно принимать, что
0
где ω - резонансная частота одного из тороидальных резонаторов.
0
0
0
0
Из этой формулы видно, что при постоянных значениях r, R, d, µ и ε по резонансной частоте ω одного из тороидальных резонаторов можно судить о диэлектрической проницаемости вещества.
3
n
3
3
3
Согласно предлагаемому техническому решению, так как тороидальные резонаторы сочленены с трубопроводом в разных его сечениях, их амплитудно-частотные характеристики (АЧХ), наблюдаемые на экранах соответственно первого и второго измерителей амплитудно-частотных характеристик, при перемещении вещества по трубопроводу должны быть смещены во времени. Если принимать, что поток вещества сначала проходит резонансную полость первого резонатора, а затем второго, то АЧХ первого резонатора должна опережать во времени АЧХ второго резонатора и наоборот. При этом запаздывание во времени τ АЧХ второго резонатора относительно АЧХ первого резонатора может быть определено отношением расстояния l между центрами тороидальных резонаторов к скорости потока вещества в трубопроводе. Таким образом, в данном случае определение скорости потока вещества υ предусматривает (при постоянном расстоянии l) оценку времени задержки τ АЧХ второго резонатора от АЧХ первого. Для этого в рассматриваемом случае выходные сигналы первого и второго измерителей амплитудно-частотных характеристик, соответствующие АЧХ первого и второго тороидальных резонаторов, поступают на соответствующие входы коррелятора 8. Здесь для оценки τ используется максимум взаимно корреляционной функции двух входных сигналов коррелятора (частотные сигналы двух тороидальных резонаторов). Согласно теории взаимно корреляционных функций задержкой опережающего сигнала (АЧХ первого резонатора) на время τ и равенством τ=τ можно добиться максимума корреляционно обрабатываемых сигналов. Следовательно, измеряя время, при котором достигается максимум взаимно корреляционной функции частотных сигналов тороидальных резонаторов, можно определить скорость потока вещества в трубопроводе.
Таким образом, в заявляемом техническом решении показано, что на основе определения максимума взаимно корреляционной функции частотных сигналов двух тороидальных резонаторов, сочлененных с трубопроводом в разных его сечениях, можно обеспечить повышение точности измерения скорости потока вещества.