РАСХОДОМЕР

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения расхода веществ, перемещаемых по трубопроводу 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 (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 прибором, 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.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является расходомер, принятый авторами за прототип (Пат. РФ №2120111, МКИ: G01F 1/56). Этот расходомер содержит 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.
Недостатком устройства-прототипа является невысокая точность измерения, обусловленная зондированием разных областей потока вещества в трубопроводе. При этом давление на обе упругие торцевые стенки каждого резонатора расходомера может быть разным. Это обусловлено тем, что, во-первых, контролируемое вещество может иметь разные физические свойства, в частности электрофизические свойства, из-за неоднородности потока вещества; во-вторых, сечение трубопровода, где установлены торцы каждого из резонаторов, может быть отличным от круглого (т.е. иметь эллиптичность); в-третьих, торцы каждого резонатора могут быть установлены в соответствующем поперечном сечении трубопровода с некоторым продольным смещением, воспринимая разные величины давления. Эти факторы приводят к нежелательной зависимости резонансной частоты каждого резонатора от этих дестабилизирующих факторов и, следовательно, к вызванной ими погрешности измерения расхода вещества.
Целью изобретения является повышение точности измерения расхода. Поставленная цель в предлагаемом расходомере, содержащем два расположенных вдоль трубопровода с внешней его стороны волноводных резонатора, каждый из которых имеет общую с трубопроводом упругую торцевую стенку, каждый волноводный резонатор соединен с соответствующим блоком генерации электромагнитных колебаний и регистрации резонансной частоты электромагнитных колебаний, блок сравнения резонансных частот, имеющий два входа, подключенные соответственно к выходам указанных двух блоков генерации электромагнитных колебаний и регистрации резонансных частот электромагнитных колебаний, и выход, соединенный с индикатором, достигается тем, что каждый волноводный резонатор снабжен трехплечим циркулятором, подсоединенным одним плечом ко второму торцу волноводного резонатора, при этом два других плеча трехплечевого циркулятора короткозамкнуты или соединены волноводом.
Существенными отличиями, по мнению авторов, является: введение в состав каждого резонатора трехплечевого циркулятора, подсоединенного одним плечом ко второму торцу волноводного резонатора; замыкание накоротко других плеч трехплечевого циркулятора или их соединение волноводом.
Совокупность отличительных признаков предлагаемого устройства обусловливает его новое свойство: обеспечивается возможность восприятия полезного сигнала единственной упругой торцевой стенкой каждого волноводного резонатора при сохранении высокой чувствительности к давлению в соответствующем сечении трубопровода и, следовательно, к измеряемому расходу. Данное свойство обеспечивает полезный эффект, сформулированный в цели предложения.
Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 - функциональная схема расходомера. На фиг.2 (а и б) изображены конструкции каждого из двух волноводных резонаторов устройства, в конструкции которых два плеча трехплечевого циркулятора, соответственно, короткозамкнуты и соединены между собой волноводом. На фиг.3 (а и б) - траектория распространения электромагнитных волн в резонаторах устройства-прототипа и предлагаемого устройства, соответственно.
На чертежах введены следующие обозначения: 1 - трубопровод, 2 и 3 - волноводные резонаторы, 4 и 5 - блоки для генерации электромагнитных колебаний и регистрации резонансной частоты, 6 - блок сравнения резонансных частот, 7 - индикатор, 8 - упругая торцевая стенка, 9 - трехплечий циркулятор, 10 - волновод, 11 - элемент связи.
Устройство работает следующим образом. В двух разных сечениях трубопровода 1, по которому перемещается контролируемое вещество, установлены волноводные резонаторы 2 и 3, каждый из которых имеет упругую торцевую стенку, общую с трубопроводом (фиг.1). В резонаторах 2 и 3 с помощью блоков, соответственно, 4 и 5 возбуждают электромагнитные колебания на частотах, соответствующих собственным (резонансным) частотам этих резонаторов. В этих же блоках производится определение резонансных частот резонаторов 2 и 3. Далее в блоке сравнения резонансных частот 6 производится преобразование измеренных частот в величины, соответствующие давлению внутри трубопровода 1 в области расположения первого и второго резонаторов, и определение падения давления, функционально связанного с расходом вещества. Текущее значение измеряемого расхода определяют по показаниям индикатора 7, подсоединенного к выходу блока 6.
На фиг.2, а и фиг.2, б изображены конструкции волноводного резонатора, у которого один торец имеет упругую торцевую стенку 8, общую с трубопроводом 1, а к другому плечу подсоединен трехплечий циркулятор 9. В волноводном резонаторе на фиг.2, а и фиг.2, б, соответственно, два других плеча циркулятора 9 короткозамкнуты и соединены между собой волноводом 10. Здесь указаны обозначения для волноводного резонатора 2, для волноводного резонатора 3 данные чертежи аналогичны. Подсоединение каждого волноводного резонатора на фиг.2, а к блоку генерации для электромагнитных колебаний и регистрации резонансной частоты осуществляется с помощью одного (как показано на фиг.2, а) элемента связи 11 или двух отдельных элементов связи (для возбуждения и съема колебаний), располагаемых на этом волноводном резонаторе. В конструкции волноводного резонатора на фиг.2, б такой элемент связи 11 (или два отдельных элемента связи, они не показаны на фиг.2, б) может располагаться, как показано, на волноводе 10.
В данном устройстве обеспечивается восприятие значения давления (за счет измерения величины прогиба упругого торцевой стенки 8, в частности, мембраны) в каждом из двух сечений трубопровода 1. Информативным параметром в данном устройстве является резонансная частота f(х) электромагнитных колебаний волноводного резонатора, где х - величина прогиба мембраны, точнее, ее центральной части относительно ее исходного положения, соответствующего отсутствию движения потока вещества.
По сравнению с прототипом, где каждый волноводный резонатор имеет две упругие торцевые стенки, общие с трубопроводом, в предлагаемом устройстве каждый такой резонатор имеет одну упругую торцевую стенку (мембрану), общую с трубопроводом.
Как приведено в описании к устройству-прототипу, падение давления ΔР на участке длиной l между двумя областями расположения резонаторов выражается следующей формулой:
где ρ - плотность вещества, v - 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).
На фиг.3, а и фиг.3, б показаны траектории распространения электромагнитных волн в каждом из двух волноводных резонаторов устройства-прототипа и предлагаемого устройства, соответственно. В предлагаемом устройстве имеются два волноводных резонатора 2 и 3, каждый из них - с одним отражателем; у них один и тот же торец одновременно служит для получения полезной информации - о прогибе упругого торцевого элемента и, в конечном счете, о расходе контролируемого вещества. Здесь имеет место воздействие одновременно на оба торца резонатора так же, как и в резонаторах устройства-прототипа. Но, в отличие от этого устройства-прототипа, теперь упругую торцевую стенку зондируют в одной и той же области с помощью одного и того же торца резонатора. Этот торец является единственным отражателем в таком резонаторе, позволяя получить полезную информацию. Электрическая длина такого волноводного резонатора определяется расстоянием, проходимым волной в каждом из направлений между последовательными отражениями, т.е. в данном случае длиной контура на фиг.3, б.
Введение в схему устройства волновода 10, соединяющего два плеча трехплечевого циркулятора 9 в каждом волноводном резонаторе (2 и 3), дает возможность регулировать электрическую длину резонатора, а также позволяет располагать элементы возбуждения и съема колебаний в резонаторе на этом волноводе, что может быть удобным на практике.
Таким образом, в предлагаемом расходомере за счет организации в каждом из двух волноводных резонаторов одновременного зондирования одной и той же области - упругой торцевой стенки, общей с трубопроводом, достигается поставленная цель - повышение точности измерения. Такой расходомер может иметь широкое практическое применение для измерения расхода различных веществ, перемещаемых по трубопроводам, без введения каких-либо элементов внутрь трубопровода.