Способ определения расхода жидкости в трубопроводе
METHOD OF DETERMINING LIQUID FLOW RATE IN A PIPELINE

Предлагаемый способ относится к измерительной технике и может быть использован для измерения расхода жидкости с применением трибоэлектрического эффекта, электромагнитного явления и коррекционной обработки электрических сигналов.
Известны способы определения расхода жидкости, основанные на использовании трибоэлектрического эффекта и электромагнитного явления (авт. свид. СССР №№172.073, 224.826, 317.902, 1.185.090, 1.185.093, 1.394.041, 1.482.264, 1.649.279, 1.812.433; патенты РФ №№2.005.995, 2.023.985, 2.084.833, 2.190.190, 2.190.833, 2.242.721, 2.511.628, 2.574.321, 2.656.621; патенты США №№4.210.022, 4.339.958, 4.704.907; патенты Великобритании №№1.165.398, 2.166.550; патент ФРГ №2.756.837; патент Японии №56-54.566; Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества Л.: Машиностроение, 1989; Никитин В.И. Современные проблемы измерения малых расходов жидкости и газа. Измерительная техника, 1982, №2 и др.).
Из известных способов наиболее близким к предлагаемому является «Способ определения расхода жидкости в трубопроводе» (патент РФ №2.656.621, G01F 1/58, 2017), который и выбран в качестве прототипа.
Известный способ основан на использовании трибоэлектрического эффекта и электромагнитного явления. Трибоэлектрический эффект заключается в том, что трении жидкости о внутреннюю поверхность измерительного участка трубопровода, выполненного из полимерного материала с высокой трибоэлектрической способностью, протекающая жидкость заряжается отрицательно, а измерительный участок - положительно. При этом форма внутреннего сечения измерительного участка 9 трубопровода 1 в виде сужающихся и расширяющихся конусов обеспечивает увеличение степени трибоэлектризации и повышенный заряд протекающей жидкости. Однако противоположные заряды снижают степень поляризации протекающей жидкости. Для нейтрализации положительных зарядов измерительный участок 9 трубопровода 1 снабжают механическим заземлением 10.
Для создания большей турбулентности движения жидкости и повышения ее поляризации внутри измерительного участка 9 трубопровода 1 можно установить направляющие лопатки 11.
Известный способ обеспечивает повышение точности и чувствительности к малым расходам жидкости путем создания большей турбулентности движущейся жидкости и повышения ее поляризации, но не позволяет определять скорость движения жидкости.
Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей способа путем определения скорости движущейся жидкости.
т
т
Поставленная задача решается тем, что способ определения расхода жидкости в трубопроводе, заключающийся, в соответствии с ближайшим аналогом, в том, что выделяют напряженность поля в любой точке по периметру измерительного сечения трубопровода, связанную с электрическим зарядом жидкости, преобразуют ее с помощью трансформатора тока, охватывающего трубопровод, в электрический сигнал, пропорциональный расходу, при этом измерительный участок трубопровода выполняют из полимерного материала с высокой трибоэлектрической способностью и внутренним переменным сечением, имеющим форму последовательных соединенных сужающихся и расширяющихся конусов, и снабжают его металлическим заземлением, обеспечивая тем самым высокую степень поляризации движущейся жидкости, и направляющими лопатками, которые устанавливают в начале измерительного участка, обеспечивая тем самым закручивание движущейся жидкости и повышенную степень ее поляризации, отличается от ближайшего аналога тем, что устанавливают на измерительном участке два датчика, на расстояние λ друг от друга, формируют в них электрические сигналы, усиливают их, перемножают между собой, предварительно пропустив первый электрический сигнал через блок регулируемой задержки, выделяют низкочастотное напряжение, пропорциональное корреляционной функции R(τ), где τ - текущая временная задержка, изменением текущей временной задержки τ обеспечивают максимальное значение корреляционной функции R(τ), фиксируют временную задержку τ равную транспортному запаздыванию τ электрического сигнала второго датчика по отношению к электрическому сигналу первого датчика (τ=τ), поддерживают корреляционную функцию R(τ) на максимальном уровне, воздействуя на управляющий вход блока регулируемой задержки, и определяют скорость V движущейся жидкости на измерительном участке трубопровода
и ее расход Q=S-V,
где S - сечение измерительного участка трубопровода.
Предлагаемый способ реализуется устройством, структурная схема которого представлена на фиг. 1. На фиг. 2 изображен разрез трубопровода 1.
Устройство содержит трубопровод 1, на котором коаксиально установлено ферритовое кольцо 2 с обмоткой 3, помещенный в экран 4 с щелью 5. Обмотка 3 подключена к измерительному блоку 6, состоящему из усилителя 7 и регистратора 8. Трубопровод 1 содержит измерительный участок 9, выполненный из полимерного материала с высокой трибоэлектрической способностью и внутренним переменным сечением, имеющим форму последовательно соединенных сужающихся и расширяющихся конусов, и снабженный металлическим заземлением 10.
Сильную положительную трибоэлектрическую зарядную тенденцию имеют многие полимерные материалы, например политетрафторэтилен, нейлон и другие. В качестве металлического заземления используют металлические кольца 10, имеющие контакт с землей. В начале измерительного участка 9 установлены направляющие лопатки 11, обеспечивающие закручивание движущейся жидкости и повышенную степень ее полярности.
На измерительном участке 9 установлены датчики 12 и 13 на расстоянии λ (измерительная база), к которым подключены усилители 14 и 15 электрических сигналов. К усилителю 14 последовательно подключены блок 17 регулируемой задержки, перемножитель 18, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя 15 электрического сигнала, фильтр 19 нижних частот и экстремальный регулятор 20, выход которого соединен с вторым входом блока 17 регулируемой задержки. Перемножитель 18, блок 17 регулируемой задержки, фильтр 19 нижних частот и экстремальный регулятор 20 образуют коррелятор 16. Шкала блока 17 регулируемой задержки непосредственно связана с индикатором 21 скорости движущейся жидкости.
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.
Движущая жидкость со скоростью V трется о внутреннюю стенку трубопровода 1. Вследствие трибоэлектрического эффекта возникает разность потенциалов. При этом движущаяся жидкость электризуется с отрицательным знаком электрических зарядов и является током (конвективным), вокруг которого возникает магнитное поле, величина которого пропорциональна скорости (расходу) измеряемой жидкости. В этом проявляется электромагнитное явление. Одновременно с этим на внутренней стенке трубопровода 1 образуются заряды противоположного знака по сравнению со знаком заряда движущейся жидкости. Степень поляризации значительно возрастает на измерительном участке 9 трубопровода 1 за счет двух факторов.
Первый фактор обусловлен тем, что измерительный участок 9 выполнен из полимерного материала и с внутренним переменным сечением, имеющим форму последовательно соединенных сужающихся и расширяющихся конусов. В качестве такого материала может быть использован нейлон, политетрафторэтилен и другие полимеры.
Второй фактор обусловлен тем, что в начале измерительного участка 9 установлены направляющие лопатки 11, которые обеспечивают закручивание движущейся жидкости по винтообразной траектории. Это повышает степень турбулентности и поляризации движущейся жидкости, что объясняется тем, что все внутренние слои жидкости начинают соприкасаться с внутренней поверхностью измерительного участка 9.
Образующиеся положительные заряды нейтрализуют некоторые отрицательные заряды жидкости в соответствии с законом Кулона, что значительно снижает степень поляризации движущейся жидкости. Для нейтрализации положительных зарядов измерительный участок 9 трубопровода 1 снабжены заземленными механическими кольцами 10. Заряды положительного знака внутренней поверхности измерительного участка 9 трубопровода 1 стекают сначала на металлические кольца 10, а затем на землю. Движущаяся жидкость представляет собой систему движущихся отрицательных зарядов и является током (конвективным), вокруг которого возникает магнитное поле, величина которого пропорциональна скорости V (расходу) измеряемой жидкости.
Величина напряженности Н магнитного поля равна
где У - величина конвективного тока;
Г - расстояние от поверхности трубопровода до его оси.
При движении жидкости по трубопроводу 1 возникает переменное магнитное поле вокруг измерительного участка 9 трубопровода 1. Это поле создает в обмотке 3, намотанной на ферритовое кольцо 2, ЭДС. Сигнал с выхода обмотки 3 поступает на вход измерительного блока 3, в котором сигнал усиливается в усилителе 7 и фиксируется в регистраторе 8. Величина сигнала пропорциональна скорости V (расходу) жидкости.
1
2
1
На измерительном участке 9 трубопровода 1 устанавливают датчики 12 и 13 на расстояние λ друг от друга (измерительная база), в качестве которой могут быть использованы электроды. Полученные на выходе датчиков 12 и 13 электрические сигналы u(t) и u(t) ≈ u(t-τ) усиливаются усилителями 14 и 15 и подаются на коррелятор 16, состоящий из блока 17 регулируемой задержки, перемножителя 18, фильтра 19 нижних частот и экстремального регулятора 20. На выходе перемножителя 18 фильтром 19 нижних частот выделяются низкочастотное напряжение, пропорциональное корреляционной функции
где Т - период интегрирования интегратора (фильтра нижних частот) или постоянная времени слаживающего фильтра, Т=RC;
τ - текущая временная задержка.
Изменением текущей временной задержки τ обеспечивают максимальное значение коррекционной функции R(τ). Экстремальный регулятор 20 поддерживает значение коррекционной функции R(τ) на максимальном уровне, воздействуют на управляющий вход блока 17 регулируемой задержки. Шкала блока 17 регулируемой задержки градуируется непосредственно в значениях скорости движения жидкости
т
где τ - транспортное запаздывание сигнала второго датчика 13 по отношение к сигналу первого датчика 12.
т
Максимальное значение коррекционной функции R(τ) обеспечивается при τ=τ.
Определив  и зная сечение S трубопровода, можно определить расход Q движущейся жидкости по формуле
Таким образом, предлагаемой способ по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает не только повышение точности и чувствительности к малым расходам жидкости, но и определение скорости движущейся жидкости.
Это достигается созданием большей турбулентности движущейся жидкости и повышением ее поляризации за счет закручивания движущейся жидкости по винтообразной траектории. Указанное обстоятельство объясняется тем, что почти все внутренние слои движущейся жидкости начинают соприкасаться с внутренней поверхностью измерительного участка 9 трубопровода 1.
За счет установки на измерительном участке 9 двух датчиков 12 и 13, в качестве которого могут быть использованы электроды, на расстоянии λ друг от друга (измерительная база) и корреляционной обработки электрических сигналов, формируемых датчиками, можно определить скорость движущейся жидкости  а зная сечение S измерительного участка 9, можно определить расход движущейся жидкости Q=SV. Следовательно, к определению расхода движущейся жидкости используют два подхода. Первый подход основан на использовании трибоэлектрического эффекта и электромагнитного явления. Второй подход основан на использовании двух датчиков, в качестве которых могут быть электроды, и коррекционной обработки электрических сигналов, формируемых датчиками.
Указанные два подхода обеспечивают определение расхода жидкости в широком диапазоне возможных значений.
Практическая реализация способа не вызывает технических затруднений.
Тем самым функциональные возможности известного способа расширены.