СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ДВУХФАЗНОГО ПОТОКА СЫПУЧЕГО ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА, ПЕРЕМЕЩАЕМОГО ВОЗДУХОМ ПО МЕТАЛЛИЧЕСКОМУ ТРУБОПРОВОДУ
METHOD TO MEASURE FLOW RATE OF TWO-PHASE LOOSE DIELECTRIC MATERIAL FLOW TRANSPORTED IN METAL PIPELINE BY AIR

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах автоматического контроля и измерения расхода двухфазного потока сыпучих диэлектрических материалов, перемещаемых воздухом по металлическому трубопроводу.
В настоящее время во многих отраслях промышленности при переработке различных сыпучих материалов применяется их пневмотранспортирование по трубопроводам. При пневмотранспортировании в технологических процессах производства необходим оперативный контроль и учет расхода сыпучих материалов. Разработка новых методов и технических средств, обеспечивающих необходимое быстродействие и точность учета, является актуальной задачей.
Известен способ измерения расхода сыпучих материалов по двум измеряемым параметрам потока - его плотности и линейной скорости (В.А.Виктров; Б.В.Лункин; А.С.Совлуков. «Радиоволновые измерения параметров технологических процессов», М., Энергоиздат, 1989 г., 207 с. В.А.Викторов; Б.В.Лункин; А.С.Совлуков. «Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин», М, «Наука», 1978 г., 280 с.). В приведенных авторами способах измерения расхода сыпучих диэлектрических материалов плотность потока определяется по изменению амплитуды или мощности генерируемой в материаловоздушный поток электромагнитной волны.
Скорость двухфазного потока определяется на основании эффекта Доплера через частотный сдвиг электромагнитной волны, переданной в поток вещества и частично отраженной от движущегося материала, или корреляционным методом. Массовый расход перемещаемого материала определяется путем умножения двух измеряемых величин, плотности и скорости потока, на площадь сечения трубопровода.
Недостаток способа заключается в том, что с возрастанием плотности потока снижается проникающая способность волн, что приводит к увеличению погрешности измеряемых параметров - плотности и скорости потока. Применение корреляционных методов для измерения скорости потока материала связано со статистическим анализом сигналов от двух идентичных датчиков, размещенных на определенном расстоянии друг от друга вдоль направления потока и несущих информацию о неоднородностях материала.
Недостатком корреляционного метода является зависимость сигналов от случайных флуктуационных процессов в пневмопроводе, нарушение подобия сигналов с увеличением расстояния между датчиками. Статистическая обработка сигналов значительно усложняет техническую реализацию и повышает стоимость измерителя. Погрешность измерения расхода материала суммируется в результате измерения двух параметров потока и с течением времени накапливается.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ измерения параметров двухфазного потока сыпучих веществ, перемещаемых воздухом по металлическому трубопроводу (Патент РФ №(11)2411455, кл. G01F 1/66, кл. G01F 1/74, опубл. 10.02.2011 г.).
В этом способе просвечивают поток микроволнами, которые направляют вдоль потока через диэлектрические окна в трубопроводе, выбирают длину волны микроволн так, чтобы на просвечиваемом микроволнами участке трубопровода распространялась только волна низшего типа, детектируют одну часть волны, падающей на поток, и часть волны, прошедшей через него, преобразовывают сигналы, полученные после детектирования одной части волны, падающей на поток, и части волны, прошедшей через него, в цифровую форму - отсчеты напряжений, переводят с помощью усредненной детекторной характеристики отсчеты напряжений этих сигналов в отсчеты мощности этих сигналов, определяют по отсчетам мощности части волны, падающей на поток, и отсчетам мощности части волны, прошедшей через поток, коэффициент передачи мощности при пустом трубопроводе  и трубопроводе, заполненном сыпучим веществом  по формуле
,
п
пр
где Р, Р - мощность падающей на поток и прошедшей через поток волны,
п
пр
µ, µ - коэффициенты, количественно определяющие часть волны, падающей на поток, и часть волны, прошедшей через поток - коэффициенты связи направленных ответвителей, через которые производится отбор мощности падающей и прошедшей волны,
п
п
пр
пр
µР, µ Р - мощность части волны, падающей на поток, и мощность части волны, прошедшей через поток,
переводят коэффициенты передачи  и  в логарифмическую форму по формуле
,
2
определяют коэффициент передачи К, характеризующий затухание волны в веществе, как разность значений  и
,
2
определяют по величине К[дб] значение погонной массы m вещества в потоке из расчета по формуле:
,
где Λ - длина волны в трубопроводе - круглом волноводе, заполненном транспортным воздухом,
св
ρ - насыпная плотность сыпучего вещества,
- мнимая часть относительной комплексной диэлектрической проницаемости сыпучего вещества,
27,3 - коэффициент, возникающий при переходе от неперов к децибелам (π8,68),
l - длина участка трубопровода, просвечиваемого микроволнами,
S - сечение трубопровода.
2
1
2
N
1
2
N
Или определяют зависимость m от K[дб]/1, экспериментально, смешивают другую часть волны, падающей на поток, с частью волны, отраженной от потока, и выделяют аналоговый сигнал, частота которого равна частоте Доплера, полученный сигнал с выхода смесителя преобразовывается в цифровую форму, в микроконтроллере осуществляется частотный анализ этого сигнала с помощью математического частотного анализатора, который представляет собой программу, реализующую N-точечное быстрое преобразование Фурье (БПФ), определяют спектральные составляющие доплеровского спектра f, f…f и амплитуды этих составляющих U, U…U, определяют компоненты скорости потока:
; ,
1
2
N
i
Σ
определяют индивидуальные весовые коэффициенты c, с…c исходя из отношения амплитуды каждой составляющей доплеровского спектра U к суммарной амплитуде U всех составляющих доплеровского спектра:
, ,
где , причем сумма индивидуальных весовых коэффициентов должна удовлетворять условию:
,
i
определяют скорость потока как сумму компонент скоростей потока ν с учетом индивидуальных весовых коэффициентов q по формуле:
,
m
определяют массовый расход потока Q:
,
где N - число компонент потока, имеющих одинаковую скорость ν;
а объемный расход определяют по формуле:
v
m
св
Q=Q/ρ
св
где ρ - насыпная плотность вещества.
Недостатками способа являются:
1. Сложный метод расчета «погонной массы» m′, который значительно усложняет техническую реализацию предлагаемого способа измерения расхода сыпучего материала.
2. Не учитывается зависимость мнимой комплексной относительной диэлектрической проницаемости сыпучего вещества от частоты (длины) электромагнитной волны.
v
3. С увеличением коэффициента заполнения объема трубопровода k>0,1 снижается проникающая способность электромагнитных волн СВЧ-диапазона, что приводит к увеличению погрешности измеряемых параметров - погонной массы m′ и скорости потока - V.
4. Погрешность измерения массы и расхода вещества в потоке складывается из погрешностей измерения двух параметров - погонной массы и скорости потока.
Задача, решаемая предлагаемым изобретением - создание нового способа измерения расхода двухфазного потока сыпучего диэлектрического материала, перемещаемого воздухом по металлическому трубопроводу, базирующегося на одном измеряемом параметре.
Технический результат - упрощение способа и повышение точности измерения.
Указанный результат достигается тем, что в способе измерения расхода двухфазного потока сыпучего диэлектрического материала, перемещаемого воздухом по металлическому трубопроводу, включающем пропускание потока через электрическое поле, и преобразование измерительных сигналов в цифровую форму, электрическое поле направляют перпендикулярно потоку через диэлектрические окна в трубопроводе, амплитудно модулируют токами поляризации диэлектрического материала световую волну, проходящую через амплитудный оптический модулятор света, регистрируют ее интенсивность, после преобразования измеренных сигналов в цифровую форму, определяют элементарную массу материала в измерительном объеме по формуле:
, где
a
0
0
2
=ε·ε·S; b=ε·ε·S+C·ε·D; ; , где
0
U - статическое напряжение источника питания;
0
I - начальное значение интенсивности света при незаполненном материалом трубопроводе;
I - значение выходной интенсивности светового потока;
0
-12
ε=8,85·10 Ф/м - электрическая постоянная;
ε - диэлектрическая проницаемость материала;
S - площадь пластин конденсатора, создающего электрическое поле;
D - расстояние между обкладками конденсатора;
ρ - плотность материала;
2
С - электрическая емкость амплитудного оптического модулятора;
γ - параметр, определяющий амплитудный оптический модулятор;
π=3,14,
0
n - показатель преломления света кристалла амплитудного оптического модулятора;
λ - длина световой волны источника в вакууме;
h - размер кристаллического элемента вдоль силовых линий электрического поля;
l - линейная длина кристалла амплитудного оптического модулятора;
63
r - электрооптический коэффициент;
определяют массу материала за время транспортирования путем циклического сложения элементарных масс по формуле:
, где
t - время транспортирования,
затем определяют массовый расход материала за время транспортирования по формуле:
,
а объемный расход материала определяют по формуле:
, где ρ - плотность материала.
Двухфазный поток сыпучего диэлектрического материала, перемещаемого воздухом по металлическому трубопроводу, пропускают через электрическое поле, создаваемое, например, конденсатором, которое направляют перпендикулярно потоку через диэлектрические окна в трубопроводе. Световую волну, проходящую через амплитудный оптический модулятор света, амплитудно модулируют токами поляризации диэлектрического материала и регистрируют ее интенсивность. Измеренные аналоговые сигналы напряжения преобразуют в цифровую форму в микропроцессоре, где они обрабатываются по заданному алгоритму, а именно: определяются элементарная масса материала в измерительном объеме, потом масса материала за время транспортирования путем циклического сложения элементарных масс, затем определяются массовый и объемный расходы материала за время транспортирования.
Пример осуществления способа.
Способ может быть осуществлен с помощью устройства, изображенного на Фиг.1.
Устройство содержит высоковольтный источник питания 1, соединенный с последовательно включенными измерительной вставкой 2, на которой диаметрально расположены диэлектрические окна, и амплитудным оптическим модулятором 3, на вход которого поступает световая волна, генерируемая лазерным диодом 4, с выхода амплитудного оптического модулятора 3 промодулированная токами поляризации световая волна поступает на фотоприемник 5, соединенным с микропроцессором 6, выход которого соединен с индикатором 7.
Измерительная вставка 2 вмонтирована посредством фланцевых соединений в пневмомагистраль 8.
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.
Двухфазный материало-воздушный поток, материальная составляющая которого представляет сыпучий диэлектрический материал, пропускают по металлическому трубопроводу через измерительную вставку 2 в виде отрезка трубы, вмонтированную посредством фланцевых соединений в пневмомагистраль 8. Измерительная вставка 2 имеет диаметрально расположенные диэлектрические окна, в которые вмонтированы обкладки измерительного конденсатора, подключенные, соответственно, к высоковольтному источнику питания 1 и амплитудному оптическому модулятору 3. Высоковольтный источник питания 1 создает на обкладках измерительного конденсатора 2 электрическое поле, направленное перпендикулярно движению двухфазного материаловоздушного потока. Движение двухфазного материало-воздушного потока вызывает изменение емкости конденсатора вставки 2 пропорционально изменению концентрации материала в двухфазном потоке, приводящее к изменению напряженности электрического поля в последовательно включенном регистрирующем конденсаторе амплитудного оптического модулятора 3. Это вызывает амплитудную модуляцию световой волны, генерируемой лазерным диодом 4, проходящей через амплитудный оптический модулятор света 3.
m
ν
Интенсивность амплитудно-модулированной в зависимости от концентрации, проходящего через измерительную вставку вещества, световой волны регистрируется фотоприемником 5, с выхода которого аналоговый электрический сигнал напряжения поступает в микропроцессор 6, где после преобразования измеренных аналоговых сигналов напряжения в цифровую форму вычисляется элементарная масса материала Am в измерительном объеме и путем циклического сложения элементарных масс определяется масса материала m за время транспортирования t, затем определяется массовый Q и объемный Q расходы материала за время транспортирования t. С выхода микропроцессора 6 информацию направляют на индикатор 7.
Образ представления результатов измерения расхода в виде цифр, графиков, гистограмм создается микропроцессором и отображается на индикаторе. Устройство изготавливают из покупных изделий.
Таким образом, предлагаемый способ является более точным, за счет того, что погрешность измерения массы и расхода вещества в потоке складывается из погрешности измерения одного параметра - интенсивности световой волны. Кроме того, предлагаемый способ является просто технически реализуемым.