Устройство для измерения расхода жидкости и газа

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения расхода жидкостей и газов, перекачиваемых по трубопроводу.
Известны устройства для измерения расхода - оптические расходомеры, принцип работы которых основан на зависимости различных оптических эффектов в потоке от расхода флюида. Недостатками таких оптических расходомеров являются сложность конструкции и невозможность определения расхода непрозрачных жидкостей (Патент 2377573, опубл. 2006 г.).
Известны устройства для измерения расхода жидкости и газа, использующие для измерения массового расхода жидкостей и газов эффект Кориолиса и принцип действия которых основан на изменениях фаз механических колебаний U-образных трубок, по которым движется измеряемая среда. Сдвиг фаз пропорционален величине массового расхода. Недостатками таких расходомеров, как правило, являются большие габариты и масса, а также высокие гидравлические потери, обусловленные криволинейной конструкцией измерительной трубки.
Наиболее близким к заявленному является устройство для измерения расхода жидкости и газа, использующее эффект Кориолиса и содержащее корпус с присоединительными фланцами, встроенную в него между фланцами прямолинейную измерительную трубку, электромагнитный привод, состоящий из катушки и магнита, оптические датчики, имеющие излучатель света и световод, закрепленный на противоположных сторонах расходомерной трубки, а также преобразователь сигнала (WO 2004072591 опубл. 28.08.2004).
В известном устройстве оптический сигнал проходит по световоду, установленному внутри измерительной трубки, в котором он модулируется и передается на воспринимающий датчик. Размещение чувствительных оптических элементов, внутри измерительной трубки усложняет процесс приема и преобразования выходного сигнала. Такая сложность обусловлена тем, что размещенный внутри измерительной трубки световод испытывает на себе воздействия не только Кориолисовых сил со стороны измерительной трубки, но и непосредственно протекающего в ней потока флюида.
Задачей, на решение которой направлено заявленное устройство, является упрощение процесса приема и преобразования выходного сигнала, осуществляемого оптическими датчиками расходомера, путем определения величины расхода по величине разности интенсивностей интерференционных картин от двух оптических датчиков.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения расхода, содержащем корпус с присоединительными фланцами, встроенную в корпус между фланцами прямолинейную измерительную трубку, электромагнитный привод, состоящий из катушки и магнита, оптические датчики и преобразователь сигнала, оптические датчики выполнены в виде интерферометра Майкельсона и размещены в корпусе в двух различных точках относительно измерительной трубки.
Использование в качестве оптических датчиков интерферометра Майкельсона, позволяет использовать в качестве информативного параметра оптический сигнал, отраженный от зеркала на внешней стенке прямолинейной измерительной трубки, при этом излучатель и приемник света расположены по одну сторону прямолинейного участка трубопровода. Это, в свою очередь, позволяет разместить чувствительные оптические элементы вне измерительной трубки, что упрощает процесс приема и преобразования выходного сигнала.
На фиг. 1 представлена функциональная схема предлагаемого устройства, на фиг. 2 представлены графики колебаний в двух точках измерительной трубки, на фиг. 3 укрупненно представлена конструкция оптического датчика.
Устройство для измерения расхода жидкости и газа представляет собой оптический интерференционный расходомер и содержит прямолинейную измерительную трубку 1, встроенную в корпус 2 между фланцами 3, и размещенные в корпусе 2 электромагнитный привод 4, состоящий из катушки и магнита, установленного напротив катушки на прямолинейной измерительной трубке 1, оптические датчики 5 измерения перемещения, представляющие собой интерферометры Майкельсона, расположенные в двух различных точках внутри корпуса 2, и преобразователь 6 сигнала. Оптический датчик 5 перемещения состоит из источника лазерного луча 7, светоделителя 8, неподвижного зеркала 9, подвижного зеркала 10, закрепленного на прямолинейной измерительной трубке 1, линзы 11 и светочувствительного элемента 12, связанного с преобразователем 6.
Устройство работает следующим образом.
Прямолинейная измерительная трубка 1 под действием электромагнитного привода 4 совершает вынужденные колебания. Для этого на катушку электромагнитного привода 4, установленную в корпусе устройства, подается переменный ток, который периодически притягивает и отталкивает магнит, закрепленный на прямолинейной измерительной трубке 1. Эти колебания фиксируются двумя оптическими 5 датчиками перемещения.
При движении измеряемой среды через расходомер проявляется физическое явление, известное как эффект Кориолиса. Поступательное движение флюида при вынужденных колебаниях прямолинейной измерительной трубки 1 приводит к появлению кориолисовой силы. Эта сила направлена против направления движения прямолинейной измерительной трубки 1, приданного ей электромагнитным приводом 4. В результате сила, действующая со стороны жидкости, препятствует смещению прямолинейной измерительной трубки 1 во входной его половине, а в выходной, наоборот, способствует этому смещению.
Оптические датчики 5 перемещения позволяют фиксировать разность фаз синусоидальных колебаний двух точек участка прямолинейной измерительной трубки 1 (на входной и выходной сторонах). Синусоидальные колебания различаются по фазе Δϕ (см. фиг. 2), поскольку сигнал на выходной ветви запаздывает относительно сигнала на ветви на входе из-за действия силы Кориолиса в потоке жидкости.
Разность фаз синусоидальных колебаний двух точек измерительной трубки прямо пропорциональна массовому расходу. Чем больше сдвиг фаз между сигналами, тем больше массовый расход. Таким образом, расход определяется путем измерения временной задержки между сигналами оптических датчиков перемещения.
Разность фаз синусоидальных колебаний измерительной трубки 1 фиксируется следующим образом.
Световой пучок, исходящий из источника лазерного луча 7, делится на два равных посредством светоделителя 8, при этом один из пучков проходит путь до неподвижного зеркала 9, а второй - до подвижного зеркала 10, закрепленного на прямолинейной измерительной трубке 1. Под воздействием электромагнитного привода прямолинейная измерительная трубка 1 будет менять свое положение в пространстве, при этом будет изменяться положение подвижного зеркала 10, следовательно, второй пучок будет проходить путь, отличный от пути первого пучка. Дальше пучки собираются в один при помощи светоделителя 8, эти пучки уже способны интерферировать между собой. Проходя сквозь линзу 11, интерференционная картина увеличивается и попадает на светочувствительный элемент 12 и далее - в преобразователь 6. Изменение положения прямолинейной измерительной трубки приводит к изменению интерференционной картины, регистрируемой в преобразователе 6. Происходит n изменений интерференционной картины от максимума до максимума. По интенсивности изменения интерференционной картины можно установить численное значение изменения расстояния участка трубопровода от его стационарного положения. По изменению положения прямолинейной измерительной трубки 1 определяется численное значение расхода вещества.
Таким образом, в преобразователе 6 при помощи специальной программы совершаются расчеты изменения положения прямолинейной измерительной трубки 1, а также расхода вещества.
Предлагаемое устройство позволяет определить величину расхода по изменению интенсивности интерференционной картины световых пучков, что способствует упрощению процесса приема и преобразования выходного сигнала, осуществляемого его оптическими датчиками.