УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СПЛОШНОСТИ ГАЗОЖИДКОСТНОГО ПОТОКА
DEVICE FOR DETERMINING CONTINUITY OF GAS-LIQUID FLOW

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах управления технологическими процессами.
Известно устройство для измерения сплошности газожидкостного потока (см. В.А.Викторов, Б.В.Лункин, А.С.Совлуков. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоиздат, 1989, с.179), в котором зигзагообразный проводник отрезка линии, укладываемый на поверхности диэлектрической трубы, вместе с металлическим экраном, окружающим диэлектрическую трубу, служит чувствительным элементом. В этом известном устройстве по резонансной частоте отрезка линии определяют сплошность потока.
Недостатком этого устройства является невысокая точность измерения из-за температурных изменений параметров отрезка линии.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятый автором за прототип сплошномер диэлектрических веществ (см. В.А.Викторов, Б.В.Лункин, А.С.Совлуков. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоиздат, 1989, с.178), основанный на характеристиках отрезка неоднородной длинной линии. Отрезок линии состоит из участка цилиндрического трубопровода, координатных решеток, устанавливаемых в торцевых сечениях трубопровода и предназначенных для крепления распределенной по измерительному объему тонкой металлической нити и двух специальных гермоводов. В этом устройстве информативным параметром является резонансная частота электромагнитных колебаний отрезка линии.
Недостатками этого сплошномера следует считать сложность конструкции чувствительного элемента для обеспечения необходимого равномерного распределения энергии в контролируемом объеме и низкую точность.
Задачей заявленного изобретения является упрощение конструкции чувствительного элемента и повышение точности измерения.
Поставленная задача решается тем, что в устройство для определения сплошности газожидкостного потока, протекающего по диэлектрическому трубопроводу, содержащее микроволновый генератор электромагнитных колебаний, чувствительный элемент, первый и второй элементы связи, детектор, соединенный выходом с прибором для исследования амплитудно-частотных характеристик, введены третий и четвертый элементы связи, фазометр, чувствительный элемент выполнен в виде плоской металлической пластины, закрепленной на наружной поверхности диэлектрического трубопровода, и вогнутой металлической пластины, установленной против плоской металлической пластины на противоположной стороне диэлектрического трубопровода, причем выход микроволнового генератора через первый элемент связи соединен с вогнутой металлической пластиной, которая через второй элемент связи соединена со входом детектора, плоская металлическая пластина через третий и четвертый элементы связи соединена соответственно с первым и вторым входами фазометра.
Существенными отличительными признаками указанной выше совокупности является наличие фазометра и выполнение чувствительного элемента в виде вогнутой и плоской металлических пластин.
В заявленном техническом решении благодаря свойствам перечисленных признаков использование вогнутой и плоской металлических пластин, образуемых открытый резонатор, дает возможность решить поставленную задачу: упростить конструкцию чувствительного элемента сплошномера газожидкостного потока в диэлектрическом трубопроводе и повысить точность измерения.
На чертеже приведена функциональная схема предлагаемого устройства.
Устройство содержит микроволновой генератор 1, соединенный выходом с первым элементом связи 2, вогнутую металлическую пластину 3, второй элемент связи 4, подключенный ко входу детектора 5, плоскую металлическую пластину 6, третий элемент связи 7, четвертый элемент связи 8, фазометр 9 и прибор для исследования амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) 10. На чертеже позицией 11 обозначен диэлектрический трубопровод.
Устройство работает следующим образом. Электромагнитные колебания с выхода микроволнового генератора 1 через первый элемент связи 2 направляются в сторону вогнутой металлической пластины 3. Часть этих колебаний после их взаимодействия с контролируемой средой в диэлектрическом трубопроводе 11 с помощью второго элемента связи 4 поступает на вход детектора 5. Одновременно колебания, распространяющиеся в сторону плоской металлической пластины 6, с помощью третьего элемента связи 7 и четвертого элемента связи 8 подаются на соответствующие входы фазометра 9.
||
Как известно, при взаимодействии электромагнитной волны, например, с анизотропным веществом (см. В.Д.Большаков и др. Радиогеодезические и электрооптические измерения. М.: Недра, 1985, стр.118) показатель преломления hволны с плоскостью поляризации, параллельной силовым линиям поля, может изменяться по закону
┴
где h - показатель преломления волны с плоскостью, ортогональной силовым линиям приложенного электрического поля, λ - длина волны излучения, Е - напряженность электрического поля, В - коэффициент (постоянная) Керра, Δh - разность показателей преломления поляризованных волн.
Рассмотрим случай зондирования диэлектрического анизотропного потока в диэлектрическом трубопроводе электромагнитной волной. В данном случае падающую волну можно разложить на две одинаковые по амплитуде составляющие, которые поляризованы параллельно и перпендикулярно. При этом эти составляющие распространяются с разной скоростью, поскольку значения показателя преломления для них различаются на величину Δh. В результате на выходе из анизотропной среды между этими составляющими возникает разность фаз Ψ
,
где l - длина пути волны в анизотропной диэлектрической среде.
Сплошность потока S, связанная с физическим состоянием двухфазных сред, например жидкости и газа, характеризует степень однородности и определяется соотношением (см. В.А.Викторов и др. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука, 1978, стр.237):
1
2
где V и V- соответственно объем жидкости и газа на единице длины трубопровода.
1
2
1
2
1
2
Соотношение (3) показывает, что при отсутствии жидкости (S=0) V=0 и V=макс., а при наличии потока жидкости без газовых включений (S=1) V=макс. и V=0. Отсюда следует, по величинам объемов V и V, рассчитанных по площади поперечного сечения трубопровода при изменении его внутреннего диаметра d от 0 до его максимального значения, можно судить о сплошности газожидкостного потока.
1
1
Анализ газожидкостного потока в трубопроводе показывает, что при формировании объема V длина пути l (см. формулу (2)) волны фактически определяет величину площади поперечного сечения потока. Следовательно, определение длины l, связанной с объемом V на единице длины трубопровода через площадь поперечного сечения потока, дает возможность оценить величину сплошности потока в трубопроводе. В результате в формуле (2) вместо l следует использовать значение длины пути волны, равное ld/(2d-l). Это вытекает из того факта, что при вертикальном к направлению потока заполнении трубы средой длина l может изменяться от 0 до d (диаметр трубопровода). В соответствии с этим выражение (2) можно переписать как:
.
макс
макс
Таким образом, при минимальном и максимальном значениях длины пути распространяющейся в измеряемой среде волны, соответствующих отсутствию и наличию потока в трубопроводе, по изменению разности фаз Ψ от 0 до Ψ можно определить сплошность потока. При этом при l=0(S=0) Ψ=0, а при l=d (S=1) Ψ=Ψ.
Анализ выражения (4) показывает, что при изменении электрофизических свойств контролируемого диэлектрического анизотропного потока, влияющих на Δh и Е, точность измерения сплошности может снижаться.
Согласно эффекту Керра для показателей преломления волн с плоскостью поляризации, параллельной и ортогональной силовым линиям электрического поля, можно записать
;
,
||
┴
||
┴
||
┴
||
┴
||
где ξ и ξ - диэлектрические проницаемости анизотропного потока, обуславливающие соответственно преломление волн в параллельном и ортогональном направлениях. Здесь принимается, что магнитные проницаемости потока µ и µ равны единице. Из этого рассуждения вытекает, что для повышения точности измерения сплошности необходимо получить информацию о параметрах ξ и ξ при их изменении. Для этого в данном устройстве предлагается измерить, например, ξ потока и затем вычислить ξ. В рассматриваемом случае для измерения параметра ξ используется резонансная частота открытого резонатора, образованного плоской и вогнутой металлическими пластинами 6 и 3.
При возбуждении электромагнитных колебаний в указанном выше открытом резонаторе для его резонансной частоты ω можно записать
,
отр
отр
1
где l - расстояние между отражателями (пластинами) и равно  (m=1,2,3,…); q - целое число (практически q>3); с - скорость распространения волны между отражателями. В данном случае в приведенной формуле вместо l следует использовать геометрическую сумму диаметра диэлектрического трубопровода d и расстояние между центром вогнутой металлической пластины и обращенной к ней поверхностью диэлектрического трубопровода l, а вместо с - значение скорости волны при ее распространении через диэлектрический трубопровод с измеряемым анизотропным потоком. В результате эта формула примет вид:
,
где k - параметр, учитывающий влияние диэлектрических свойств данного трубопровода и контролируемого анизотропного диэлектрического потока на скорость распространения волны одновременно.
тр
||
||
тр
1
тр
||
||
Параметр k с определенной точностью можно представить как функцию диэлектрических проницаемостей трубопровода ξ и анизотропного потока ξ. Здесь следует отметить, что влияние параметра ξ на скорость распространения волны обосновано спецификой работы открытого резонатора. Так как величина ξ зависит от материала, из которого изготовлен трубопровод, то ее в процессе измерения можно считать постоянной. Тогда, как следует из последней формулы, при постоянных значениях d, l, ξ и с изменение резонансной частоты ω будет определяться изменением параметра ξ. Согласно предлагаемому устройству для измерения резонансной частоты ω с выхода детектора 5 сигнал поступает на вход прибора для исследования АЧХ10, который дает возможность получить информацию о диэлектрической проницаемости анизотропного потока ξ.
2
┴
Ввиду того что Δh=λBE (см. формулу (1)), для вычисления ξ можно записать
||
┴
||
┴
Из формулы (5) видно, что при известных значениях λ, В, Е и наличии информации о ξ по резонансной частоте ω можно определить величину ξ. В рассматриваемом случае значения λ и Е задаются генератором электромагнитных колебаний, т.е. без учета влияния диэлектрических проницаемостей ξ и ξ на характеристики распространения волны через анизотропный поток. Кроме того, постоянная Керра, зависящая от свойств данной среды, выбирается с учетом рабочей длины волны, т.е. λ. Следовательно, формула (4) примет вид:
В данном устройстве для измерения Ψ волна с плоскостью поляризации, параллельной силовым линиям поля, улавливается третьим элементом связи 7 и далее переносится на первый вход фазометра 9. Одновременно, волна с плоскостью поляризации, ортогональной силовым линиям поля, через четвертый элемент связи 8 поступает на второй вход фазометра. Следовательно, как видно из формулы (6), при постоянных значениях λ, d, измерением Ψ и вычислением Δh можно обеспечить определение сплошности газожидкостного потока в диэлектрическом трубопроводе.
Таким образом, в заявленном техническом решении показано, что использование плоской и вогнутой металлических пластин в качестве чувствительного элемента сплошномера дает возможность упростить конструкцию преобразователя и повысить точность измерения.