РАСХОДОМЕР
FLOW RATE METER

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения расхода веществ, перемещаемых по трубопроводам, и применимо в пищевой, химической, нефтяной и других отраслях промышленности, в энергетике и др. Во всех этих отраслях преимущественная область применения - измерение расхода в трубах достаточно большого диаметра (более 200 мм).
Известны расходомеры, основанные на разных физических принципах (Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. Л.: Машиностроение (Ленинградское отделение), 1975). В частности, известны описанные в этой книге (главы I-V) расходомеры, основанные на измерении перепада давления в магистралях и связанные с применением расположенных внутри трубопроводов сужающих устройств-сопел различных форм и конструкций. Применение таких расходомеров вызывает нарушение структуры потока, развитие турбулентности, нарушение цельнометаллической конструкции трубопровода при отборе давления. Во многих практических задачах это недопустимо. Например, при измерениях расхода в тяжелых эксплуатационных условиях (на объектах химии, энергетики и др.) необходимо применение приборов, не имеющих указанных недостатков. В то же время применяемые приборы должны быть простыми и надежными в эксплуатации, при проведении ремонтных и регламентных работ, быть взаимозаменяемыми.
Известен также расходомер (пат. РФ №2120111, МКИ G01F 1/56), содержащий два датчика давления, расположенных вдоль длины трубопровода с внешней его стороны в двух сечениях. Каждый из датчиков выполнен в виде волноводного резонатора П-образной формы, имеющего обе, общие с трубопроводом, упругие торцевые стенки. Наличие у каждого из резонаторов упругих торцевых стенок обеспечивает увеличение (вдвое) чувствительности к измеряемому расходу по сравнению с вышеописанным расходомером, у которого каждый резонатор имеет только одну упругую торцевую стенку, общую с трубопроводом.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является расходомер, принятый авторами за прототип (Billeter T.R., Phillipp L.D., Schemmel R.R. Microwave fluid flow monitor. Пат. США N 3939406, НКИ: 324-58.5). Этот расходомер является бесконтактным, не нарушающим структуру и динамику потока. Он содержит два объемных СВЧ-резонатора, которые установлены снаружи трубопровода в разных сечениях вдоль его длины. Каждый из этих резонаторов имеет с трубопроводом общую упругую торцевую стенку (мембрану, диафрагму и т.п.), а также соединенные с каждым резонатором блоки для генерации резонансной (собственной) частоты электромагнитных колебаний резонатора и блок сравнения резонансных частот указанных резонаторов. Выходной сигнал блока сравнения соответствует измеряемому расходу. Такое устройство обеспечивает сохранение цельнометаллической конструкции трубопровода и не содержит внутри него каких-либо конструктивных элементов. Это не приводит к нарушению гидродинамических характеристик и структуры потока. Резонансная частота каждого объемного резонатора является функцией давления внутри трубопровода в том его сечении, в области которого установлен данный резонатор. Эта частота имеет обычно величину порядка нескольких гигагерц и зависит от размеров резонатора, выбранного "рабочего" типа электромагнитных колебаний. При этом изменение давления в трубопроводе приводит к смещению гибкой стенки, общей для резонатора (это его торцевая стенка) и трубопровода, изменяя продольный размер полости резонатора и, как следствие, его резонансную частоту. В трубопроводе давление имеет разную величину в разных его сечениях. Соответствующие этим величинам давления значения прогиба торцевых стенок резонаторов, расположенных вдоль трубопровода в двух его сечениях, также различны. Перепад давления зависит функционально от скорости потока вещества в трубопроводе. Определяя этот перепад давления по разности резонансных частот двух резонаторов, можно найти скорость потока и расход вещества. У такого расходомера чувствительность зависит, помимо других факторов, не связанных с устройством, также и от расстояния между резонаторами, установленными на трубопроводе вдоль его длины.
Увеличения чувствительности расходомера можно добиться путем увеличения этого расстояния между резонаторами, что часто не представляется возможным. Так, например, в устройстве-прототипе для определения скорости жидкого натрия в трубопроводе, равной ~1,8 м/с (минимальная величина) по падению давления, расстояние между резонаторами должно составлять ~3 м. При меньшем расстоянии чувствительность расходомера оказывается недопустимо низкой. При этом существует необходимость в измерении с высокой точностью значений резонансных частот обоих резонаторов, поскольку перемещения мембран, зависящие от давления в области их нахождения, малы по сравнению с размерами полостей резонаторов.
Недостатком устройства-прототипа является достаточно высокая сложность его реализации, обусловленная необходимостью наличия в его конструкции функциональных элементов для требуемого измерения с высокой точностью значений резонансных частот электромагнитных колебаний обоих резонаторов.
Техническим результатом настоящего изобретения является упрощение конструкции устройства.
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом расходомере, содержащем два расположенных вдоль трубопровода с внешней его стороны чувствительных элемента в виде полых волноводов, каждый из которых имеет общую с трубопроводом упругую торцевую стенку, каждый волновод соединен с соответствующим электронным блоком, блок сравнения информативных параметров чувствительных элементов, имеющий два входа, подключенные соответственно к выходам указанных двух электронных блоков, и выход, соединенный с индикатором, при этом в каждом волноводе элемент возбуждения и элемент съема электромагнитных колебаний расположены у одного и того же конца волновода, а частота возбуждаемых в каждом волноводе электромагнитных волн фиксирована и выбрана ниже частоты возбуждения в нем электромагнитных волн низшего типа.
Предлагаемое устройство поясняется фиг.1, где приведена его структурная схема.
На фиг.1 показаны трубопровод 1, волноводные резонаторы 2 и 3, упругие торцевые стенки 4 и 5, элементы связи 6, 7, 8, 9, генераторы электромагнитных колебаний 10 и 11, детекторы 12 и 13, блок сравнения 14, индикатор 15.
Устройство работает следующим образом.
В данном устройстве обеспечивается восприятие значения давления P (за счет измерения величины прогиба упругой торцевой стенки, в частности мембраны) в каждом из двух сечений трубопровода 1. Информативным параметром в данном устройстве является амплитуда E(l) ослабеваемых электромагнитных волн в каждом из двух волноводов, где l - величина прогиба мембраны, точнее ее центральной части относительно ее исходного положения, соответствующего отсутствию движения потока вещества.
Как приведено в описании к устройству-прототипу, падение давления ΔP на участке длиной L между двумя областями расположения резонаторов выражается следующей формулой:
<mrow><mi>Δ</mi><mi>P</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>ρ</mi><mi>μ</mi><msup><mi>ν</mi><mn>2</mn></msup><mi>L</mi></mrow><mrow><mn>144</mn><mi>D</mi><mo>⋅</mo><mn>2</mn><mi>g</mi></mrow></mfrac></mrow>
,
где ρ - плотность вещества, ν - вязкость, D - диаметр трубопровода, µ - коэффициент трения, g - ускорение свободного падения.
Изменение скорости потока и расхода вещества приводит к соответствующим изменениям величины коэффициента трения, который зависит также от степени шероховатости стенок трубопровода. Упругая стенка может быть изготовлена, например, из нержавеющей стали. Толщина диафрагмы может составлять 0,1÷0,2 мм, а диаметр ~10÷40 мм (в зависимости от диаметра трубопровода).
В предлагаемом устройстве осуществляют возбуждение электромагнитных волн в волноводе на частоте, которая ниже критической частоты для волны низшего типа, при этом вдоль волновода существует только реактивное поле, убывающее при удалении от возбуждающего элемента у одного из торцов каждого волновода.
кр
кр
11
11
кр
кр
Условием распространения электромагнитных волн по любому волноводу является выполнение неравенства: f>f, которому должны удовлетворять рабочая частота f и критическая частота f для волны низшего типа, в частности в круглом волноводе - для волны типа H. Для волн типа H будем иметь f=2c/3,41D, где D - диаметр волновода (Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Т.1. М.: Высшая школа. 1970. С.78-94). При f<f имеет место запредельный режим, при котором распространения волн по волноводу не происходит, а существует только ослабевающее реактивное поле, убывающее при удалении от элемента возбуждения волн. В запредельном волноводе поле изменяется вдоль координаты z (оси волновода) по закону:
<mrow><mover accent="true"><mi>E</mi><mo>→</mo></mover><mo>=</mo><msub><mover accent="true"><mi>E</mi><mo>→</mo></mover><mi>m</mi></msub><msup><mi>e</mi><mrow><mo>−</mo><mi>α</mi><mi>z</mi></mrow></msup><msup><mi>e</mi><mrow><mi>j</mi><mi>ω</mi><mi>t</mi></mrow></msup><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mover accent="true"><mi>H</mi><mo>→</mo></mover><mo>=</mo><msub><mover accent="true"><mi>H</mi><mo>→</mo></mover><mi>m</mi></msub><msup><mi>e</mi><mrow><mo>−</mo><mi>α</mi><mi>z</mi></mrow></msup><msup><mi>e</mi><mrow><mi>j</mi><mi>ω</mi><mi>t</mi></mrow></msup><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
а постоянная ослабления α есть
<mrow><mi>α</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><msqrt><mrow><mi>ε</mi><mi>μ</mi></mrow></msqrt></mrow><mi>c</mi></mfrac><msqrt><mrow><msubsup><mi>f</mi><mrow><mi>к</mi><mi>р</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>−</mo><msup><mi>f</mi><mn>2</mn></msup></mrow></msqrt><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
m
m
В этих формулах E и H - амплитуды напряженности соответственно электрического и магнитного полей при z=0; ω=2πf; ε и µ - соответственно диэлектрическая и магнитная проницаемость вещества в волноводе, c - скорость света.
кр
Выбирая соотношение между f и f, можно управлять величиной ослабления α.
В предлагаемом устройстве к трубопроводу 1 в двух его сечениях вдоль него подсоединены снаружи к нему два волновода 2 и 3 одним из своих торцов 3 и 4 соответственно (фиг.1). В качестве такой торцевой стенки каждого из волноводов 2 и 3 применяют гибкую металлическую мембрану. Величина прогиба мембран 3 и 4 зависит от скорости потока (расхода) жидкости в трубопроводе 1.
кр
В волноводах 2 и 3, располагаемых на поверхности трубопровода 1 и имеющих с ним общие стенки 3 и 4 соответственно, являющиеся гибкими металлическими мембранами, возбуждают через элементы связи 6 и 8 с помощью соответствующего генератора фиксированной частоты (10 и 11) электромагнитные волны на частоте f, меньшей критической частоты f для этого волновода (фиг.1). Напряженность электрического поля E и магнитного поля H при удалении от элемента связи спадает в соответствии с соотношением (1). При этом значение E (и H) зависит от величины прогиба l торцевой мембраны каждого из волноводов 2 и 3. У того же торца каждого из волноводов 2 и 3 (фиг.1) принимаемые сигналы поступают через соответствующие элементы связи 7 и 9 на детекторы 12 и 13 соответственно. Затем продетектированные сигналы поступают на входы блока сравнения 14 для определения амплитуды E(l) сигнала, служащего информативным параметром. Выход блока сравнения 14 подсоединен к регистратору 15.
Выражение для E(z) должно учитывать распространение электромагнитных волн вдоль волновода, а также и их отражение от его торца - гибкой торцевой мембраны (3 и 4 у волновода 2 и 3 соответственно).
Для схемы устройства на фиг.1 амплитуда напряженности результирующего электромагнитного поля E(z) в некотором сечении с координатой z в данном случае есть
<mrow><mi>E</mi><mrow><mo>(</mo><mi>z</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>E</mi><mi>m</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msup><mi>e</mi><mrow><mo>−</mo><mi>α</mi><mi>z</mi></mrow></msup><mo>−</mo><msup><mi>e</mi><mrow><mo>−</mo><mi>α</mi><mi>z</mi><mo>−</mo><mn>2</mn><mi>α</mi><mi>l</mi></mrow></msup></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
m
где E - амплитуда напряженности зондирующего электромагнитного поля при z=0, то есть у элемента связи 4, где z=0; l - расстояние, отсчитываемое от элемента связи 4.
Величина коэффициента α определяется соотношением (2).
0
0
Величина l определяется степенью прогиба гибкой мембраны (3 или 4) в месте ее расположения и, следовательно, зависит от давления P в каждом из двух сечений трубопровода 1: l=l+l(P), где l - значение l при нулевом прогибе мембраны, т.е. при P=0; l(P) - величина прогиба мембраны в области ее расположения.
Следовательно, как следует из (3), амплитуда результирующего значения напряженности электромагнитного поля в сечении с координатой z=0 есть
<mrow><mi>E</mi><mrow><mo>(</mo><mi>P</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>E</mi><mi>m</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msup><mi>e</mi><mrow><mo>−</mo><mn>2</mn><mi>α</mi><mi>l</mi><mrow><mo>(</mo><mi>P</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></msup></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Для волноводов 2 и 3 с гибкими мембранами соответственно 4 и 5 будем иметь
<mrow><msub><mi>E</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>P</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>E</mi><mrow><msub><mi>m</mi><mn>1</mn></msub></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msup><mi>e</mi><mrow><mo>−</mo><mn>2</mn><msub><mi>α</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>l</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>P</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></msup></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mi>E</mi><mn>2</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>P</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>E</mi><mrow><msub><mi>m</mi><mn>2</mn></msub></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msup><mi>e</mi><mrow><mo>−</mo><mn>2</mn><msub><mi>α</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>l</mi><mn>2</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>P</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></msup></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>6</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
m
где индексы 1 и 2 при символах E, E, α, P и l соответствуют мембранам 4 и 5 (т.е. волноводам 2 и 3).
1
1
2
2
Разность E(Q) значений амплитуд E(P) и E(P) является здесь информативным параметром, позволяя определить искомый расход Q жидкости в трубопроводе 1:
<mrow><mi>E</mi><mrow><mo>(</mo><mi>Q</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>E</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>P</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><msub><mi>E</mi><mn>2</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>P</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>E</mi><mrow><mi>m</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msup><mi>e</mi><mrow><mo>−</mo><mn>2</mn><mi>α</mi><msub><mi>l</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>P</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></msup></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><msub><mi>E</mi><mrow><mi>m</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msup><mi>e</mi><mrow><mo>−</mo><mn>2</mn><mi>α</mi><msub><mi>l</mi><mn>2</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>P</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></msup></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>7</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
m1
m2
m
1
2
Если волноводы 2 и 3 идентичны (для них E=E=E; α=α=α), то тогда
<mrow><mi>E</mi><mrow><mo>(</mo><mi>Q</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>E</mi><mi>m</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msup><mi>e</mi><mrow><mo>−</mo><mn>2</mn><mi>α</mi><msub><mi>l</mi><mn>2</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>P</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></msup><mo>−</mo><msup><mi>e</mi><mrow><mo>−</mo><mn>2</mn><mi>α</mi><msub><mi>l</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>P</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></msup></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>8</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Величина E(Q) является монотонной функцией Q, позволяя однозначно определять искомый расход жидкости, перемещаемой по трубопроводу.
Данное устройство характеризуется достаточно простой его конструкцией и реализацией. Оно не требует наличия объемных резонаторов и специальных прецизионных схемных элементов для высокоточного измерения их резонансных частот. Здесь требуется наличие лишь двух генераторов электромагнитных колебаний фиксированной частоты, двух волноводов с соответствующей торцевой гибкой металлической мембраной, общей со стенкой трубопровода, двух детекторов, блока определения разности принимаемых амплитуд и регистратора. При этом точность измерения может быть достаточно высокой: амплитуда принимаемых колебаний соответствует ослабеваемому реактивному электромагнитному полю в волноводах и не связана с омическими потерями электромагнитной энергии в них.
Для трубопроводов конкретных размеров выбором частоты f каждого генератора, подсоединенного к соответствующему измерительному волноводу, можно оптимизировать чувствительность расходомера в рабочем диапазоне изменения расхода.
Таким образом, в предлагаемом расходомере за счет проведения в каждом из двух волноводных резонаторов измерений на фиксированной частоте, меньшей критической частоты возбуждения в нем распространяющихся электромагнитных волн, достигается поставленная цель - упрощение конструкции. Такой расходомер может иметь широкое практическое применение для измерения расхода различных веществ, перемещаемых по трубопроводам, без введения каких-либо элементов внутрь трубопровода.