Способ измерения массового расхода газообразного вещества, протекающего по трубопроводу
METHOD OF MEASURING MASS FLOW OF GASEOUS SUBSTANCE FLOWING THROUGH A PIPELINE

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к способам измерения расхода потоков веществ.
Известен тепловой способ измерения массового расхода жидкостей и газов (RU 179488 U1, 08.11.1966), основанный на измерении перепадов температур основного и вспомогательного потоков при входе одного поток в другой и выходе. Суть этого способа заключается в том, что трубопровод с контролируемым потоком заключается либо в рубашку, либо в него заключается трубка со вспомогательным потоком, пропускаемым постоянным расходом. На входе одного потока в другой установлены четыре термодатчика. На выходе одного потока из другого также установлены четыре термодатчика. Термодатчики измеряют перепад температур основного и вспомогательного потоков. В этом техническом решении о массовом расходе судят по отношению перепадов температур, измеренных термодатчиками, установленными соответственно на входе одного потока в другой и на выходе одного потока из другого.
Недостатком этого известного способа является невысокая точность измерения, связанную с отдачей теплоты за счет конвекции.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому, является принятый автором за прототип способ измерения расхода потока (RU 2152593 С1, 10.07.2000), использующий термоконвективный преобразователь, включающий нагреватель и два пленочных терморезистора, расположенные на наружной поверхности трубы. Согласно данному способу здесь измеряют времена переноса тепловой метки между нагревателем и фиксированным (контрольным) участком и переноса метки по контрольному участку. По разности этих измеренных времен судят о плотности измеряемой среды. Величина времени переноса тепловой метки между нагревателем и фиксированным (контрольным) участком служит для вычисления объемного расхода.
К недостатку этого известного технического решения можно отнести низкая точность из-за нестабильности размеров тепловых меток, приводящих к изменению их скорости прохождения по фиксированному участку.
Техническим результатом данного способа является повышение точности измерения массового расхода газообразного потока в трубопроводе.
Технический результат достигается тем, что в способе измерения массового расхода газообразного вещества, протекающего по трубопроводу, использующем нагревание потока вещества, поток контролируемой среды нагревают микроволновым излучением, массовый расход вычисляют по преобразованию скорости потока и его плотности, измеренных соответственно по характеристикам теплопроводности и конвекции газообразного потока в трубопроводе.
Сущность заявляемого изобретения, характеризуемого совокупностью указанных выше признаков, состоит в том, что преобразование концентрации и скорости потока контролируемого вещества, вычисленных посредством характеристик его теплопроводности и конвекции, дает возможность измерить массовый расход газообразного потока.
Наличие в заявляемом способе совокупности перечисленных существующих признаков, позволяет решить задачу измерения массового расхода газообразного потока на основе преобразовании концентрации и скорости потока, вычисленных посредством характеристик его теплопроводности и конвекции, с желаемым техническим результатом, т.е. повышением точности измерения.
На чертеже представлена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.
Устройство содержит источник микроволнового излучения 1, первый измерительный участок 2, состоящий из элемента ввода микроволновой мощности 3, первого отрезка диэлектрической трубы 4, обхваченного с зазором, разрезанным пополам по длине (высоте) металлическим полуцилиндром (сегментом) 5, первой термопары 6, первый усилитель 7, второй измерительный участок 8, состоящий из второго участка диэлектрической трубы 9, второй термопары 10, второй усилитель 11, преобразователь 12 и регистратор 13.
Принцип работы данного способа основывается на использовании теплопроводности и конвекции измеряемого газообразного вещества, транспортируемого по диэлектрической трубе. Способ работает следующим образом. Для микроволнового нагрева газообразного потока в первом отрезке диэлектрической трубы 4, обхваченном цилиндрическим сегментом (сегмент имеет закрытые торцы и отверстия в них для протаскивания первого отрезка) 5, микроволновую мощность с выхода источника микроволнового излучения 1 через элемент ввода микроволновой мощности 3, расположенный на наружной поверхности металлического сегмента, снабженного по центру диэлектрическим окном под элемент ввода, передают в воздушное пространство, образованное между наружной поверхностью первого отрезка диэлектрической трубы и внутренней поверхностью металлического цилиндрического сегмента. В этом случае для образования указанного воздушного замкнутого пространства, наружный диаметр первого отрезка диэлектрической трубы должен быть меньше диаметров отверстий торцов металлического сегмента, т.е. металлический сегмент выполняют в виде полуцилиндра, имеющего осевые отверстия на обоих концах, в которые входит и выходит (диаметр первого отрезка диэлектрической трубы равен диаметрам отверстий) первый отрезок диэлектрической трубы с потоком. Кроме того для измерения температуры на наружной ненагреваемой поверхности первого отрезка диэлектрической трубы (нагревается противоположенная находящейся в замкнутом воздушном пространстве поверхность первого отрезка), диаметрально (напротив) элемента ввода, на наружной поверхности первой диэлектрической трубы устанавливается первая термопара 6. А для измерения температуры в контролируемом потоке газообразного вещества, второй отрезок диэлектрической трубы 9, соединенный механически с первым отрезком диэлектрической трубы 5, снабжается вторым термопарой 10, установленной на наружной поверхности второго отрезка трубы. При нагреве выше указанного воздушного пространства, при отсутствии газообразного вещества в первом и втором отрезках диэлектрических труб, первой термопарой измеряют температуру на наружной поверхности первого отрезка диэлектрической трубы, которая показывает теплопроводность материала стенок диэлектрических труб. В случае необходимости этот показатель может быть учтен при коррекции результатов измерения массового расхода вещества. После этого по двум отрезкам диэлектрических труб, соединенных механически между собой торцами последовательно, пропускают контролируемую среду.
В рассматриваемом случае, согласно предлагаемому техническому решению, на базе первого измерительного участка 2 вычисляют плотность (концентрацию) газообразного вещества, протекающего по первому отрезку диэлектрической трубы, а на базе второго участка 8 - скорость потока вещества, протекающего по второму отрезку.
При постоянной мощности микроволнового генератора и скорости потока газообразного вещества в отрезках диэлектрических труб, сначала второй термопарой, установленной на наружной поверхности второго отрезка диэлектрической трубы, измеряют температуру в потоке нагретого вещества.
Как известно из теории тепловых преобразователей, если среда движется, т.е. представляет собой поток жидкости или газа, то отдача теплоты путем конвекции превосходит все охлаждающие факторы и зависит от скорости потока (в этом отрезке теплопроводность исключается из-за отсутствия разности температур на его наружных поверхностях второго отрезка). Другими словами, измерение температуры (термоЭДС) в потоке в данном случае, дает возможность вычислить скорость потока газообразного вещества. Следовательно, в случае одинаковых (равных) сечений первого и второго, соединенных последовательно отрезков диэлектрических труб, знание величин скорости потока и сечений, равных по диаметру отрезков, позволит определить объемный расход газообразного вещества в трубопроводе.
В данном способе вычисление плотности (концентрации) газообразного вещества сводится к его способности (теплопроводности) передавать через свою толщину тепловой поток, возникающий из-за разности температур на противоположных поверхностях первого отрезка диэлектрической трубы (поверхность отрезка в нагреваемом пространстве и противоположенная поверхность отрезка без нагревания). Учитывая, что теплопроводность зависит от плотности, влажности и других физических параметров контролируемой среды, измерение температуры (термоЭДС) первой термопарой на необогреваемой поверхности первого отрезка первого измерительного участка, при постоянных значениях влажности и других неконтролируемых параметров данного газообразного потока, может быть использовано для вычисления плотности измеряемой среды. При этом перед измерением плотности вещества в отрезке первой диэлектрической трубы, для того чтобы исключить влияние конвекции на теплообмен за счет теплопроводности, необходимым условием является приостановка потока в отрезках при той же его скорости, при которой измерялась температура потока за счет конвекции во втором отрезке второго измерительного участка (конвекция при неподвижном веществе отсутствует). При других скоростях (больше, меньше) вещества в отрезках труб, процедура измерения повторяется аналогично первому, второму и.т. случаям. Кроме того, второй отрезок диэлектрической трубы для приостановки потока, на конце по направлению потока (по выходу вещества) должен иметь элемент, выполняющий функцию остановки и пуска потока.
В результате, измеренные значения (термоЭДСы) термопарами, связанные со скоростью потока и плотностью газообразного вещества, далее после усиления соответственно в первом 7 и втором 11 постоянных усилителях, передаются на соответствующие входы преобразователя 12, осуществляющего умножение входных сигналов. Выходной сигнал последнего поступает на вход регистратора 13, где отражается значение массового расхода газообразного вещества в трубопроводе.
Таким образом, в предлагаемом техническом решении, вычисление плотности и скорости газообразного вещества в трубопроводе посредством свойств теплопроводности и конвекции контролируемой среды, можно обеспечить повышение точности измерения массового расхода.
Предлагаемый способ помимо измерения массового расхода газообразных потоков успешно может быть использован и для контроля газовых смесей, не вступающих в реакцию друг с другом.