СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДВУХФАЗНОГО ПОТОКА СЫПУЧИХ ВЕЩЕСТВ, ПЕРЕМЕЩАЕМЫХ ВОЗДУХОМ ПО МЕТАЛЛИЧЕСКОМУ ТРУБОПРОВОДУ
METHOD OF MEASURING PARAMETRES OF TWO-PHASE FLOW OF LOOSE MATERIALS FORCED BY AIR THROUGH METAL PIPELINE

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах автоматического контроля и регулирования расхода двухфазного потока сыпучих веществ, в первую очередь агрессивных, перемещаемых воздухом по металлическому трубопроводу.
Известен способ измерения параметров двухфазного потока сыпучих веществ, перемещаемых воздухом по трубопроводу, описанный в патенте Японии №5-11250, G01F 1/74. В нем выделяют переменную составляющую сигнала на выходе микроволнового объемного резонатора, сформированного в канале транспортировки материала, и, перемножая амплитуду и частоту переменной составляющей, определяют расход сыпучего вещества.
Недостаток способа в том, что связь между произведением частоты и амплитуды переменной составляющей и расходом вещества является приближенной и действует в ограниченном диапазоне скоростей, который должен быть предварительно определен экспериментально. Поэтому способ имеет невысокую точность измерения и ограниченный диапазон измеряемых скоростей.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ измерения параметров двухфазного потока сыпучих веществ, перемещаемых воздухом по металлическому трубопроводу, описанный в обзоре Министерства энергетики Великобритании: M.Jagger, Microwave coal - flow devices, CEGB digest, N.E.Region, Scientific Services Dept., Kirstall Power Station. - 1972. - vol.24. - p.11-14. Этот способ принят за прототип предлагаемого изобретения.
В этом способе просвечивают поток микроволнами, которые направляют вдоль потока через диэлектрические окна, расположенные на трубопроводе. Детектируют одну часть волны, падающей на поток, и часть волны, прошедшей через него, и из полученных сигналов формируют сигнал, пропорциональный плотности потока. Смешивают другую часть волны, падающей на поток, с частью волны, отраженной от потока, и выделяют путем частотного анализа аналоговый сигнал, частота которого равна частоте Доплера. Из этого сигнала формируют сигнал скорости потока. Перемножают сигнал плотности с сигналом скорости. Определяют путем предварительной калибровки в потоках с известными параметрами поправочный множитель. Определяют массовый расход, как произведение сигнала плотности, скорости и поправочного множителя.
Недостатком способа является невысокая точность измерения скорости и расхода потока сыпучих веществ, т.к. в этом способе предполагается, что все частицы вещества движутся в потоке с одинаковой скоростью. При этом результатом частотного анализа сигнала, образующегося после смешения части волны, падающей на поток, с частью волны, отраженной от потока, является аналоговый сигнал, частота которого равна частоте Доплера. Этот сигнал однозначно определяет одно единственное значение скорости потока. В то же время для потоков сухих веществ характерно наличие набора доплеровских частот и соответственно набора скоростей, возникающих, например, из-за различия размера/веса движущихся частиц потока. Другой недостаток состоит в том, что для определения поправочного множителя необходимо проведение сложной процедуры предварительной калибровки с использованием специально созданных эталонных образцов.
Задача изобретения - повышение точности измерения параметров двухфазного потока сыпучих веществ.
Поставленная задача достигается тем, что в способе измерения параметров двухфазного потока сыпучего вещества, перемещаемого воздухом по металлическому трубопроводу,
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, µР - 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 K, характеризующий затухание волны в веществе, как разность значений  и
2
определяют по величине K[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 (π 8,68),
l - длина участка трубопровода, просвечиваемого микроволнами,
S - сечение трубопровода.
2
Или определяют зависимость m′ от K[дб]/l, 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),
1
2
N
1
2
N
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, c … 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
i
определяют скорость потока как сумму компонент скоростей потока ν с учетом индивидуальных весовых коэффициентов c по формуле:
,
m
определят массовый расхода потока Q:
,
где N - число компонент потока, имеющих одинаковую скорость ν;
а объемный расход определяют по формуле:
св
где ρ - насыпная плотность вещества.
На чертеже изображено одно из возможных устройств, реализующих предлагаемый способ.
Устройство содержит генератор микроволн 1, соединенный с последовательно включенными направленными ответвителями 2, 3, 4 и передающей антенной 5, диэлектрические окна 6 и 7, установленные на сгибах трубопровода 8, приемную антенну 9 и направленный ответвитель 10, включенный на выходе приемной антенны 9. Приемная антенна 9 нагружена на балластную нагрузку. Вторичные линии направленных ответвителей 2 и 3 соединены с входами смесителя 11, в качестве которого используется фазовый детектор. Вторичная линия направленного ответвителя 4 соединена с входом амплитудного детектора 12, а вторичная линия направленного ответвителя 10 с входом амплитудного детектора 13. Оставшиеся концы вторичных линий всех направленных ответвителей соединены с балластными нагрузками. Выходы фазового детектора 11 и амплитудных детекторов 12, 13 соединены с входами микроконтроллера 14. Выход микроконтроллера 14 подключен к индикаторному устройству 15.
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.
С помощью передающей антенны 5 и приемной антенны 9 через диэлектрические окна 6, 7 поток просвечивается микроволнами. Микроволны направляются вдоль потока, или в направлении потока, или навстречу потоку. Диэлектрические окна 6, 7 расположены на расстоянии l друг от друга, при этом расстояние l отсчитывается по средней линии пылепровода.
m
При описании потока сыпучих веществ в технических задачах используется одномерное описание течения жидкостей. Для течения жидкостей, ограниченных твердыми стенками, используется уравнение сохранения массового расхода Q:
где ρ - плотность жидкости,
s - сечение трубопровода,
υ - скорость потока,
V
Q - объемный расход.
V
В уравнении (1) подразумевается, что объем трубопровода заполнен жидкостью полностью. Это означает, что коэффициент заполнения объема трубопровода равен k=1. Поэтому, хотя в (1) такого коэффициента нет, но он подразумевается.
V
V
Характерное отличие трубопроводов с двухфазными потоками, в которых сыпучее вещество перемещается воздухом, состоит в том, что коэффициент заполнения объема в этом случае невелик: k≈0,1. Поэтому уравнение (1), при использовании его для описания потоков сыпучих веществ, уже в обязательной форме должно быть дополнено коэффициентом k:
V
Множитель kρS имеет размерность массы на единицу длины. Такую величину принято называть «погонной». Примером таких величин в электродинамике может служить: «погонная емкость», «погонная индуктивность»… Аналогичный смысл имеет и постоянная распространения электромагнитной волны.
ν
св
Обозначим «погонную массу» через m′, тогда множитель kρs как раз и будет являться «погонной массой», т.е. массой вещества, находящегося в границах одного метра трубопровода:
Уравнение (2) примет вид:
Таким образом, для измерения массового расхода достаточно измерить две величины m′ и υ, а затем их перемножить. Этот алгоритм и реализуется в методе микроволн.
2
Величина m′ определяется следующим образом/способом. В электродинамике, при оценке величин затухания и сдвига фазы электромагнитной волны при прохождении ее через диэлектрик, вводится понятие постоянной распространения, которая является комплексной величиной. Ее действительная часть определяет изменение амплитуды или мощности волны на одном метре пути. Иначе действительная часть определяет коэффициент передачи напряжения К или мощности K одного метра трубопровода. Если при этом измерять коэффициент передачи в децибелах, как это имеет место во всех стандартных измерительных приборах, то на просвечиваемом (измерительном) участке трубопровода длиной l имеет место соотношение (1. Чернушенко A.M. и др. Конструирование экранов и СВЧ устройств: Учебник для вузов. - М.: Радио и связь, 1990. 2. Новиков В.Ф. Результаты начального этапа проектирования и испытаний системы автоматического контроля и регулирования параметров потока пылеугольного топлива на ТЭС. - Сборник докладов IV-ой Международной научно-технической конференции «Достижения и перспективы развития энергетики Сибири». - Красноярск: СибВТИ Красноярского филиала ОАО «Сибирский ЭНТЦ». - 2005 г. - сс.255-260.):
где  - действительная часть комплексной относительной диэлектрической проницаемости смеси «сыпучее вещество - воздух»,
- мнимая часть комплексной относительной диэлектрической проницаемости сыпучего вещества,
, Λ - длина волны в трубопроводе - круглом волноводе, заполненном смесью «воздух - сыпучее вещество» и транспортным воздухом соответственно,
V
k - коэффициент объемной концентрации сыпучего вещества в смеси «сыпучее вещество - воздух».
Действительная часть комплексной относительной диэлектрической проницаемости смеси равна:
Длина волны  равна:
V
Поскольку при пневмотранспорте сыпучих веществ k«1, а ,  и :
o
где λ - длина волны в свободном пространстве,
кр
кр
λ - критическая длина волны, для круглой трубы λ≈3,41 R,
R - радиус трубопровода,
V
V
В уравнения (2) и (5) входит один и тот же коэффициент k. Поэтому эти уравнения могут быть решены совместно. Подставив значение k из (3) в (5), получим:
св
2
Из (9) следует, что величина m' может быть определена как функция параметров ε′, ε′′, Λ, ρ и K(дб):
2
В (10) величина K[дб] измеряется, а все остальные параметры входят как заранее известные константы.
2
Зависимость m′ от K[дб]/l может быть снята и экспериментально, однако эксперимент является сложным и трудоемким.
Исходя из изложенного величина m′ определяется в следующей последовательности.
1) Просвечивают поток микроволнами, которые направляют вдоль потока через диэлектрические окна в трубопроводе.
11
2) Выбирают длину волны микроволн так, чтобы на просвечиваемом микроволнами участке трубопровода распространялась только волна низшего типа. Для круглого трубопровода такой волной является магнитная волна типа H. Это условие вводится для того, чтобы исключить возникновение высших типов волн, наличие которых ухудшает точность измерения расхода.
п
п
пр
пр
3) Часть волны, падающей на поток µР и часть волны, прошедшей поток µР, с помощью направленных ответвителей 4 и 10 подают на входы амплитудных детекторов 12 и 13 соответственно.
4) После детектирования оба сигнала подают на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) микроконтроллера 14, где они преобразовываются в цифровую форму - отсчеты (в современных микроконтроллерах АЦП, как правило, встраивается в микроконтроллер).
5) Отсчеты на выходе АЦП являются отсчетами напряжений. Однако в технике микроволн первичными являются мощности сигналов и к ним обычно привязывают все расчеты. Поэтому далее указанные отсчеты напряжений с выхода АЦП микроконтроллера 14 с помощью усредненной детекторной характеристики, определяющей зависимость напряжения на выходе детектора от мощности микроволновых сигналов на входе, переводят в отсчеты мощности.
Усредненная детекторная характеристика помещается в виде таблицы в ячейки памяти ПЗУ микропроцессора 14.
2
4
п
10
пр
3
отр
Помимо детекторной характеристики, в ПЗУ микропроцессора записываются значения коэффициентов связи направленных ответвителей 2, 3, 4 и 10: µ=µ=µ, µ=µ, µ=µ, а также величина коэффициента передачи по мощности . Коэффициент передачи по мощности  характеризует потери измерительного устройства при отсутствии в нем вещества - «собственные потери».
12,0
13,0
пр,0
пр,0
п
п,0
6) Для определения  при пустом трубопроводе измеряются величины напряжений U, U на выходе амплитудных детекторов 12, 13. Эти напряжения оцифровываются - переводятся АЦП микроконтроллера в отсчеты напряжений. С помощью усредненной детекторной характеристики отсчеты напряжений переводятся в отсчеты мощности µР и µР. Коэффициент передачи  вычисляется по формуле:
п,0
пр,0
где Р, Р - мощность падающей на поток и прошедшей через поток волны при пустом трубопроводе,
п
пр
µ, µ - коэффициенты, количественно определяющие часть волны, падающей на поток, и часть волны, прошедшей через поток,
п
п,0
пр
пр,0
µР, µР - мощность части волны, падающей на поток, и мощность части волны, прошедшей через поток, при пустом трубопроводе.
Это значение коэффициента  заносится в ПЗУ микроконтролле 2а.
Текущие значения коэффициента , характеризующего суммарные потери в микроволновом тракте, заполненном веществом - диэлектриком, вычисляются аналогичным образом:
7) Коэффициенты передачи  и  переводятся в логарифмическую форму по формуле:
2
8) Определяют коэффициент передачи K, характеризующий затухание волны в веществе, как разность значений  и
2
2
9) Определяют по величине K[Дб] значение погонной массы m′ вещества в потоке, используя при этом экспериментально снятую зависимость m′ от K[Дб]/l или исходя из расчета по формуле (9):
10) Смешивают, для определения скорости потока υ, другую часть волны, падающей на поток, с частью волны, отраженной от потока.
11) Выделяют путем частотного анализа аналоговый сигнал, частота которого равна частоте Доплера. Подают этот сигнал на вход АЦП микроконтроллера 14.
12) В микроконтроллере 14 преобразовывают этот сигнал в цифровую форму.
13) Осуществляют спектральный анализ этого сигнала с помощью математического частотного анализатора микропроцессора 14. Математический частотный анализатор представляет собой программу, осуществляющую N-точечное быстрое преобразование Фурье (БПФ).
1
2
N
1
2
N
Исследования реальных потоков сыпучих материалов показывают, что разные по размерам/весу частицы вещества движутся с разными скоростями. В этом случае результатом частотного анализа будет сложный сигнал, образованный отражениями от отдельных i-ых компонент потока, имеющих примерно одинаковые размеры и движущихся с примерно одинаковыми скоростями. Эти компоненты образуют на выходе частотного анализатора набор доплеровских частот f, f … f и соответственно набор скоростей υ, υ … υ.
15) Определяют компоненты из набора скоростей потока:
V
где k - коэффициент заполнения объема трубопровода транспортируемым веществом.
При наличии ряда компонент возникает вопрос, что принять за скорость потока. В такой ситуации можно за скорость потока можно принять среднее значение скорости потока: скорость
С точки зрения точности измерения скорости такой подход оправдан, если скорости компонент потока различаются мало. Однако чем больше различие скоростей компонент, что реально имеет место, тем больше ошибка в измерении скорости потока.
i
j
1
2
Σ
С точки зрения точности измерения расхода такой подход оказывается справедливым, если все компоненты скорости будут иметь одинаковый вес - переносить одинаковую массу. Вместе с тем компоненты потока имеют разную массовую долю: частиц с одним значением скорости, например υ, может быть больше, и тогда их влияние на расход будет больше. Частиц с другим значением скорости υ может быть меньше, и тогда их влияние на расход будет меньше. Неучет этого фактора приводит к ухудшению точности измерения скорости потока, а следовательно, и расхода вещества в потоке. Пусть, например, поток состоит из двух компонент, имеющих погонные массы  и , а их скорости составляют υ=10 м/сек и υ=20 м/сек. Фактический расход такого потока Q, по определению, будет равен:
.
Если же скорость поток расход определять исходя из среднего значения скорости потока ,
,
1
2
а при определении массового расхода считать, что все компоненты потока имеют одинаковый удельный вес c=c=1, то получим:
.
Таким образом, если массы и скорости компонент потока не равны между собой, то при использовании среднего значения скорости потока возникает ошибка в измерении суммарного расхода потока, в данном случае она составляет:
Чем больше разница в скорости и массовых долях компонент потока, тем больше ошибка.
1
2
N
16) Для повышения точности измерений в предлагаемом способе при определении скорости потока принимается, что поток состоит из нескольких компонент и характеризуется набором скоростей υ, υ … υ.
i
Σ
Для каждой компоненты потока вводится свой индивидуальный весовой коэффициент. Этот коэффициент определяется как массовая доля i-ой компоненты потока m к общей массе потока m. Массовые доли определяются следующим образом.
Принято считать, например, в радиолокации, что мощность сигнала, отраженного от облака отражателей равна сумме мощностей, отраженных от отдельных отражателей, а мощность, отраженная от отдельного отражателя, прямо пропорциональна его эффективной площади рассеяния.
i
i
Σ
Когда длина волны значительно превышает размер отражателя - частицы потока, а сам отражатель - частица имеет слабо выраженные диэлектрические свойства, что характерно для потока сыпучих веществ, то имеет место как огибание, так и проникновение волны во весь объем частицы. Поэтому можно считать, что в формировании мощности сигнала, отраженного от частицы, участвует весь объем частицы. Помимо этого поскольку частицы летят близко к друг другу, то можно считать, что в формировании мощности сигнала, отраженного от i-ой компоненты потока P, участвует весь объем i-ой компоненты потока V, а в формировании мощности сигнала, отраженного от всего потока P, весь объем потока.
i
Σ
Тогда отношение мощности i-ой компоненты потока P к мощности всего потока P составит:
Учитывая, что объем частицы V равен:
где m - масса частицы, а ρ - плотность вещества, получим:
i
В соответствии с (20) индивидуальный весовой коэффициент для i-ой компоненты потока определится как c:
Учитывая, что суммарная мощность, отраженная от потока сыпучих веществ мала и фазовый детектор оказывается в режиме малого сигнала, то напряжение на его выходе оказывается пропорциональным входной мощности. Поэтому
i
Σ
где U, U - амплитуды сигналов, отраженных соответственно от i-ой компоненты потока и от всего потока частиц, на выходе фазового детектора,
.
Сумма индивидуальных весовых коэффициентов должна удовлетворять условию:
1
2
N
i
Σ
Исходя из изложенного индивидуальные весовые коэффициенты компонент скорости потока c, с … c предлагается определять как массовую долю i-ой компоненты к суммарной массовой доле всех компонент потока. Массовая доля компонент потока определяется как отношение амплитуды каждой i-ой составляющей доплеровского спектра U к суммарной амплитуде всех составляющих доплеровского спектра U
i
i
17) Определяют скорость потока как сумму компонент скоростей потока υ с учетом индивидуальных весовых коэффициентов c по формуле:
m
18) Определяют массовый расход Q
а объемный расход определяют по формуле:
Таким образом, в предлагаемом способе решена задача повышения точности измерений параметров двухфазного потока сыпучих веществ (массы, скорости и расхода вещества в потоке).
Точность измерения массы повышена за счет того, что получены и использованы строгие расчетные соотношения, исключающие необходимость предварительной калибровки измерительного устройства.
Точность измерения скорости и точность измерения расхода повышены за счет того, что в способе измерения впервые строго учтено то обстоятельство, что двухфазный поток сыпучего вещества не является однородным (гомогенным), с присущим такому потоку единственным значением скорости, а состоит из ряда компонент - групп частиц (гетерогенный поток). Поэтому чтобы точно измерить скорость и общий расход, необходимо учитывать: а) количество компонент потока; б) различие их скоростей, в) их разную массовую долю в общем расходе потока, что и сделано в предлагаемом способе. Количество компонент потока в предлагаемом способе определяется по числу дискрет доплеровского спектра. Различие скоростей компонент потока определяется по различию доплеровских частот компонент спектра. А массовая доля компонент потока учитывается путем введения индивидуальных весовых коэффициентов (формула 24) для каждой компоненты потока.
Кроме того, предложенный способ упрощает процесс измерения за счет того, что получены и используются расчетные соотношения для оценки расхода потока сыпучих веществ. В результате отпадает обязательность проведения процедуры предварительной калибровки системы для определения вышеупомянутого поправочного множителя, как это имеет место в прототипе.