Датчик высоты потока в трубопроводе с незаполненной жидкостью
FLOW HEIGHT SENSOR IN PIPELINE WITH UNFILLED LIQUID

Изобретение относится к технике измерения уровня потока сточных вод, протекающих по трубопроводам, и может быть использовано для определения уровня жидкости в открытых и закрытых каналах.
x
п
Известны способ и устройство для измерения уровня потока жидкости в канале (RU 2162208 С1, 20.01.2000). Данное техническое решение предусматривает косвенное измерение расстояния по вертикали от дна до уровня поверхности раздела сред жидкость - воздух. Создают струю электропроводной жидкости, истекающую с высоты большей, чем максимально возможное расположение измеряемого уровня; измеряют длину траектории струи от ее истока до метки (Lб), располагаемой по траектории струи выше измеряемого уровня, но ниже источника струи, и длину траектории струи от ее истока до дна канала (L); пропускают электрический ток по струе и через поперечное сечение потока жидкости до дна канала; измеряют отношение двух электрических напряжений, одно из которых (Ux) определяется на участке струи между меткой и дном канала, а другое (Un) - на участке струи от ее истока до дна канала. Устройство для измерения уровня потока жидкости состоит из первичного преобразователя, имеющего участок канала, и измерительного устройства, имеющего источник переменного напряжения низкой частоты. Первичный преобразователь имеет электропроводный кран, подключенный к водопроводной сети и направленный вертикально вниз на поток, два электрода: один расположен по линии траектории струи на ее середине и выше возможного максимального значения уровня заполнения канала жидкостью, другой - в потоке на дне канала. Кран и электрод, расположенный на дне канала, подключены к источнику переменного напряжения низкой частоты, оба электрода подключены ко входу измерительного устройства. В этом техническом решении измерением падений электрических напряжений на двух участках, одно из которых определяется на участке струи между реперной меткой (базой) и дном канала U, а другое - на участке струи от ее истока до дна канала U, и их преобразованием вычисляют значение уровня потока h в канале.
Недостатком этого известного технического решения можно считать конструктивную сложность и опасность при пропускании электрического тока по струе электропроводной жидкости, истекающей с высоты, и через поперечное сечение потока жидкости до дна канала.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятый автором за прототип устройство, реализующее способ определения сплошности потока жидкости в трубопроводе (RU 2483296 С1, 27.05.2013). Согласно данному способу, определение сплошности жидкости в трубопроводе, по сути, сводиться к измерению длины пути в жидкости, проходимой электромагнитными волнами. Для этого необходимо чтобы контролируемый поток жидкости сначала стал анизотропным. Анизотропия осуществляется воздействием на поток, например, электрическим полем (эффект Керра). После этого зондирующая поток волна, направленная перпендикулярно силовым линиям приложенного электрического поля, может поляризоваться в потоке при распространении по нему. В данном случае при поляризации зондирующей волны, в потоке возникают две одинаковые по амплитуде ее составляющие, которые направлены перпендикулярно и параллельно зондирующему полю. При этом для этих составляющих показатели преломления будут изменяться. Все это приведет к тому, что поляризованные параллельно и перпендикулярно зондирующему полю волны (составляющие) будут распространяться по потоку с разной скоростью. В результате такого различия скоростей распространения указанных выше взаимно ортогональных волн, на выходе из потока жидкости между этими волнами образуется разность фаз ψ, функционально связанную с длиной пути волн в жидкости.
Недостатком этого известного способа является конструктивную сложность, связанную с необходимостью создания искусственной анизотропии в контролируемой жидкости.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является упрощение процедуры измерения высоты потока в трубопроводе с незаполненной жидкостью.
Технический результат достигается тем, что в датчик высоты потока в трубопроводе с незаполненной жидкостью, содержащий генератор электромагнитных колебаний, амплитудный детектор, усилитель и измеритель амплитуды, введены циркулятор и металлический штырь, расположенный перпендикулярно потоку внутри трубопровода между его стенками с высотой, равной диаметру трубопровода, причем выход генератора электромагнитных колебаний соединен с первым плечом циркулятора, второе плечо циркулятора соединено со штырем, третье плечо циркулятора подключено к входу амплитудного детектора, выход последнего через усилитель соединен с входом измерителя амплитуды.
Сущность заявляемого изобретения, характеризуемого совокупностью указанных выше признаков, состоит в том, что измерение амплитуды стоячей волны, возникающей по высоте металлического штыря, расположенного внутри трубопровода перпендикулярно потоку, дает возможность вычислить высоту потока жидкости незаполненного трубопровода.
Наличие в заявляемом устройстве совокупности перечисленных существующих признаков, позволяет решить задачу измерения высоты потока жидкости в трубопроводе посредством определения амплитуды стоячей волны, возникающей по высоте металлического штыря внутри трубопровода, с желаемым техническим результатом, т.е. упрощением процедуры измерения.
На чертеже приведена функциональная схема датчика.
Датчик содержит генератор электромагнитных колебаний 1, циркулятор 2, металлический штырь 3, амплитудный детектор 4, усилитель 5 и измеритель амплитуды 6. На чертеже цифрой 7 обозначен трубопровод.
В водоотводящей сети, работающей в основном в самотечном режиме (изредка перекачка с помощью насосных станций), например, производственных сточных вод, часто возникает задача измерения объемного расхода транспортируемых по трубопроводам жидкостей. Из-за неполного заполнения (вентиляцию сети; некоторый запас пропускной способности и т.д.) трубопроводов контролируемой средой, для измерения объемного расхода в таких случаях, возникает необходимость измерения высоты потока жидкости в трубопроводе при его неполном заполнении.
Предлагаемое техническое решение направлено на измерение высоты слоя жидкой среды незаполненного, например, горизонтального трубопровода.
В предлагаемом датчике высоты, через отверстия противоположных сторон измерительного участка горизонтального трубопровода 7, перпендикулярно потоку, пропускают металлический штырь 3 длиной, равной диаметру трубопровода. При этом необходимым является герметичность трубопровода на местах двух отверстий. После этого выходной сигнал генератора электромагнитных колебаний 1 подают на первое плечо развязывающего циркулятора 2. Согласно принципу действия циркулятора (https://7semyan.ru/upload/iblock/86f/86fa605fd26e7af739c1d8ca02352148.jpg) сигнал с первого плеча поступает во второе плечо циркулятора. В данном случае второе плечо соединяют с началом штыря со стороны верхней поверхности трубопровода. Конец штыря закреплен со стороны нижней поверхностью трубопровода. В результате электромагнитный сигнал распространяется по высоте штыря, расположенного внутри трубопровода. Сигнал, дошедший до конца штыря, отражается от внутренней поверхности (место крепления штыря) трубопровода и распространяется в обратную сторону, т.е. к началу штыря. Другими словами, по длине штыря в трубопроводе за счет наложения (интерференция) распространяющейся от начала до конца штыря волны и обратной волны, распространяющейся от конца до начала штыря, образуется стоячая волна, имеющая пучности и узлы. При этом расстояние между узлом и пучностью равно четверти длины волны, распространяющейся по длине штыря.
Как известно амплитуда стоячей волны в точках пучности имеет максимальную величину, а в точках узла - минимальную величину. Кроме того, при изменении картины стоячей волны, например, от узла до пучности, амплитуда волны изменяется от минимального до максимального значений. При отсутствии жидкости в измерительном участке трубопровода, частоту электромагнитных колебаний генератора выбирают таким образом, чтобы расстояние между узлом и пучностью стоячей волны в данном случае, соответствовало четверти длины волны. Другими словами, узел стоячей волны принимается как конец штыря, а пучность - как начало штыря. Следовательно, при отсутствии жидкости амплитуда стоячей волны будет иметь минимальную величину. Наличие жидкости приведет увеличение амплитуды, так как, распространяющаяся по длине штыря волна в этом случае будет отражаться от границы раздела двух сред «воздух - жидкость», (образование стоячей волны и перемещение ее картины за счет приближения к началу штыря отражающей поверхности). В результате дальнейший рост высоты слоя жидкости приведет к пропорциональному росту амплитуды стоячей волны и наоборот. Отсюда следует, что при росте высоты слоя (потока) жидкости амплитуда стоячей волны однозначно увеличиться, а при убывании - уменьшатся. Следовательно, измерение амплитуды стоячей волны даст возможность определить изменение высоты потока жидкости в трубопроводе с определенной фиксированной частотой электромагнитных колебаний генератора.
В предлагаемом устройстве, так как начало штыря соединен со вторым плечом циркулятора, улавливаемая стоячая волна вторым плечом циркулятора в этом случае, из-за функции развязывания циркулятора будет поступать в его третье плечо. Принятый сигнал далее с третьего плеча циркулятора поступает на вход амплитудного детектора 4, где детектируется и через усилитель 5 после усиления подается на вход измерителя амплитуды 6. Здесь по показаниям последнего можно судить об изменениях высоты потока жидкости в трубопроводе.
Таким образом, в предлагаемом устройстве благодаря измерению амплитуды стоячей волны в металлическом штыре, расположенном в трубопроводе с незаполненной жидкостью, можно обеспечить определение высоты потока жидкости.
В случае необходимости, при перестройке частоты генератора, узлом стоячей волны может приниматься граница раздела сред «воздух - жидкость» при минимальном уровне жидкости.
В предлагаемом датчике для соединения второго плеча циркулятора с началом штыря может быть использован волноводно-разъемный переходник. Переходник на фигуре не показан.
Предлагаемое техническое решение совместно с измерителем скорости (например, корреляционным) потока сточных вод с нерастворимыми частицами успешно может быть использовано для измерения объемного расхода указанных сред в трубопроводах при их неполном заполнении.