РАДИОВОЛНОВЫЙ РАСХОДОМЕР
RADIOWAVE FLOW METER

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного измерения массового расхода жидкостей в трубопроводах. В частности, при трубопроводной транспортировке нефтепродуктов, сжиженных газов, продуктов химического производства, в т.ч. химически агрессивных сред.
В настоящее время известны и применяется много типов анеометров и расходомеров, основанных на разных физических принципах действия, среди которых актуальны доплеровские радиоволновые способы измерения скорости потока из-за своей способности работать в сложных эксплуатационных условиях (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат, 1989. 133-144 с.). Эти способы не предполагают применение элементов внутри труб, контактирующих со средой, создающих препятствия и неоднородности в потоке, устойчивы к температурным характеристикам эксплуатации. Обычно функциональная схема доплеровского измерителя в простейшем случае содержит генератор электромагнитных колебаний, которые поступают на передающую антенну. Излучаемые антенной волны через радиопрозрачное окно в стенке трубопровода поступают внутрь и рассеиваются на неоднородностях движущегося вещества и поступают на приемную антенну с частотой , отличной от частоты , зондирующей волны на частоту . Неоднородностями вещества при этом могут быть частицы сыпучего материала, газовые и твердые включения в жидкости, твердые частицы и капли жидкости в потоке газа, обладающие электрофизическими параметрами ε, отличными от таковых для контролируемого вещества. Направления движения неоднородностей образуют различные углы с направлением этой волны. Произвольная ориентация неоднородностей, случайные значения фазы отраженных каждой неоднородностью сигналов приводят к образованию доплеровского сигнала сложной формы. Тем не менее средняя доплеровская частота  связана со средней скоростью потока  по формуле:
эф
где α - угол между направлением излучения и потоком в трубе,  - длина волны в среде измерения, а ε - ее эффективная диэлектрическая проницаемость, c - скорость света в вакууме. Зная объемную плотность ρ вещества и скорость  потока, можно определить средний массовый расход:
где S - площадь поперечного сечения потока на измерительном участке.
Как видно из формул, на точность определения расхода влияют изменения в плотности и диэлектрической проницаемости среды.
эф
эф
Измерение массового расхода возможно при использовании симметричной частотной модуляции зондирующих волн и определении суммы и разности разностных частот, зондирующих и отраженных (рассеянных) волн от движущегося вещества (его неоднородностей), соответствующих возрастанию и убыванию частоты зондирующей волны (SU 896418, 07.01.82). Такой метод используется в радиолокации для измерения скорости движущегося объекта и расстояния до него. В этом случае удается получить независимые выражения для эффективной диэлектрической проницаемости среды и скорости потока, при некотором эффективном расстоянии l между приемо-передающей системой и движущейся средой, что при известной функциональной зависимости между плотностью среды и ε позволяет оценить ее реальный массовый расход. Недостатком данного метода является сложность конструкции, высокая стоимость широкополосных систем с частотной модуляцией и недостаточная точность из-за зависимости l от состава среды и ее неоднородностей.
Известно техническое решение - доплеровский расходомер, содержащий генератор СВЧ, направленный ответвитель, циркулятор, приемо-передающую антенну, смеситель, полосовой фильтр, регистрирующее устройство, по технической сущности наиболее близкое к предлагаемому устройству и принятое в качестве прототипа (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат, 1989. 136-137 с.). Доплеровский сигнал в данном устройстве выделялся на выходе смесителя, на один вход которого поступал опорный сигнал от задающего генератора фиксированной частоты через направленный ответвитель, а на второй - сигнал, отраженный от потока вещества после облучения его через приемо-передающую антенну под углом α к потоку в трубе через радиопрозрачное окно. При этом для связи между генератором, антенной и смесителем использовался циркулятор. После фильтрации и записи доплеровского сигнала, определялся его спектр плотности мощности, по максимуму которого определялась средняя доплеровская частота, по которой оценивался расход в соответствии с формулой (3). Недостатком этого устройства является зависимость, с одной стороны, скорости потока от эффективной диэлектрической проницаемости среды (см. формулу 1), а с другой стороны, еще и зависимость массового расхода от плотности среды (см. формулу 2), что снижает точность измерения. Также на точность измерения влияют вибрационные шумы и другие наводки, присутствующие при использовании расходомера в реальной ситуации.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерения.
Технический результат в предлагаемом радиоволновом расходомере достигается тем, что он содержит генератор СВЧ, первый циркулятор, соединенную с ним первую приемо-передающую антенну, направленную через радиопрозрачное окно в трубопроводе под углом α к направлению движения потока, первый смеситель, соединенный с выходом первого циркулятора, и вычислительный блок, соединенный с выходом первого смесителя. Дополнительно устройство содержит делитель мощности на четыре, входом соединенный с выходом генератора СВЧ, второй циркулятор, соединенную с ним вторую приемопередающую антенну, направленную через радиопрозрачное окно в трубопроводе под углом α к направлению движения потока и расположенную на расстоянии L от первой вдоль оси трубопровода, второй смеситель, своим входом соединенный с выходом второго циркулятора, а выходом - с вычислительным блоком, при этом выходы делителя мощности последовательно соединены с входами первого смесителя, первого циркулятора, второго циркулятора и второго смесителя.
Предлагаемое устройство поясняется чертежом, где на Фиг. 1 приведена его структурная схема, а на Фиг. 2 и Фиг. 3 - временные диаграммы работы устройства.
Устройство содержит генератор СВЧ 1, делитель мощности 2, циркуляторы 3 и 4, приемопередающие антенны 5 и 6, смесители 7 и 8, вычислительный блок 9 (см. Фиг. 1).
Устройство работает следующим образом.
m
xy
Электромагнитные колебания генератора СВЧ 1 с частотой  делятся на четыре части в делителе мощности 2, после чего поступают через циркуляторы 3 и 4 на приемопередающие антенны 5, 6 и на опорные входы смесителей 7 и 8. Излучение СВЧ через радиопрозрачное окно 10 в трубопроводе 11 проникает внутрь и отражается от неоднородностей, присутствующих в потоке. Эти отраженные волны принимаются антеннами 5, 6 и через циркуляторы 3, 4 попадают на измерительные входы смесителей 7 и 8. С выходов смесителей доплеровские сигналы x(t) и y(t) (см. Фиг. 2а и Фиг. 2б) поступают в вычислительный блок 9. Поскольку, расстояние между антеннами равно L, то эти сигналы имеют временную задержку относительно друг друга на время τпрохождения потоком этого отрезка пути. Для этого в блоке 9 вычисляют взаимно-корреляционную R функцию двух этих доплеровских сигналов x(t) и y(t) (см. Фиг. 2б) по формуле:
xy
m
При необходимом времени интегрирования Т, R имеет максимальное значение тогда, когда временной сдвиг между функциями x(t) и y(t) равен времени перемещения τ неоднородностей в потоке между двумя антеннами. Средняя скорость потока определится по формуле:
Также в блоке 9 по двум доплеровским сигналам x(t) и y(t) вычисляется их взаимный спектр плотности мощности (ВСПМ), максимальное значение которого будет соответствовать доплеровской частоте (см. Фиг. 3). При этом, поскольку сигналы поступают в блок 9 через антенны с временным сдвигом, а вибрационные и шумовые акустические наводки воспринимаются антеннами одновременно, то результат обработки - ВСПМ будет мало восприимчив к ним. Таким образом, получив уточненное значение  и вставив в формулу (1) значение  из формулы (4), получим:
эф
эф
эф
m
Для жидких и сыпучих сред существует функциональная зависимость между плотностью ρ и эффективной диэлектрической проницаемостью ε, в некоторых случаях эта зависимость выражается аналитически. Так, для неполярных диэлектрических жидкостей (жидкий азот, водород, метан и др.) эта связь выражается уравнением Клаузиуса-Мосотти. При небольших изменениях для большинства сред можно считать, что плотность ρ пропорциональна ε, т.е. ρ=Kε, где K - коэффициент пропорциональности. В итоге, с учетом этого выражения, формул (5) и (4), формула (2) для массового расхода преобразуется в следующее выражение, зависящее только от  и τ:
m
эф
На Фиг. 2 и 3 представлены результаты расчета нефтяного потока при L=0,1 м,  ГГц, α=30°. Получаем, что при τ=89 мс,  Гц, скорость потока  м/с и ε=2,2.
Таким образом, данное устройство позволяет повысить точность массового расхода среды за счет вычисления взаимной корреляционной функции двух доплеровских сигналов, а также их взаимного спектра плотности мощности.