Устройство для измерения объемного расхода жидкости
LIQUID VOLUME FLOW RATE MEASURING DEVICE

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к устройствам измерения расхода потоков веществ.
Известно устройство, реализующее способ измерения расхода потока (см. RU 2152593 С1, 10.07.2000), содержащее канал в виде металлического патрубка, на наружной поверхности стенки которого размещены проволочный нагреватель; первый и второй измерительные термопреобразователи; первый и второй компенсационные термопреобразователи (пленочные терморезисторы), включенные в схемы неуравновешенных первого и второго мостов постоянного тока с усилителями; блок управления нагревателем и вычислительный (микропроцессорный) блок. В этом техническом решении измерение объемного расхода вещества сводится к тому, что блоком управления периодически включают нагреватель, генерирующий в потоке тепловые метки. Одновременно с этим, при включении нагревателя, подается команда микропроцессорному блоку на начало измерения времени. По достижении максимума величины реакции на первом терморезисторе, от прохождения тепловой метки, усиленный сигнал с первого моста обеспечивает фиксацию процесса переноса метки от нагревателя до контролируемого участка и начинается отсчет времени переноса метки между первым и вторым терморезисторами. При возникновении максимума сигнала на втором терморезисторе, через второй мост с усилителем, вычислительным блоком определяется время переноса метки потоком по контрольному участку, а, следовательно, и величина объемного расхода.
Недостатком этого известного способа измерения можно считать погрешность в измерении объемного расхода из-за разности скоростей между тепловыми метками и контролируемым потоком.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятое автором за прототип доплеровский расходомер бистатической конфигурации для криогенных жидкостей, протекающих по диэлектрическому (стеклянному) трубопроводу (см. В.А. Викторов, Б.В. Лункин, А.С. Совлуков. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М: Энергоатомиздат, 1989, с. 141, 208 с.). В этом техническом решении с помощью передающей антенны с выхода СВЧ-генератора, одна часть электромагнитных колебаний поступает в поток криогенной жидкости, а другая часть колебаний поступает непосредственно на первый вход смесителя. Электромагнитная волна, зондирующая поток, рассеивается на неоднородностях (шуга) в потоке и далее поступает на приемную антенну. Улавливаемый приемной антенной сигнал после этого поступает на второй вход смесителя, затем - на фильтр. Спектр выходного сигнала смесителя, образованного смешением колебаний генератора и прошедшего через контролируемое вещество сигнала, содержит много различных частотных составляющих, все из которых, за исключением доплеровской частоты, отфильтровываются. В итоге измерение доплеровской частоты с учетом сечения трубопровода дает возможность вычислить объемный расход криогенной жидкости.
Недостатком этого известного технического решения является погрешность, связанную с разностью скоростей между шугой и потоком, а также сложностью выделения (фильтрация) из частотного спектра выходного сигнала смесителя доплеровской частоты, пропорциональной скорости потока контролируемой среды.
Техническим результатом данного устройства является повышение точности измерения объемного расхода жидкости.
Технический результат достигается тем, что в устройство для измерения объемного расхода жидкости, содержащее СВЧ-генератор и передающую антенну, введены открытый резонатор, термопара, усилитель, измеритель СВЧ-мощности и измеритель термодвижущей силы, причем выход СВЧ-генератора соединен с входом измерителя СВЧ-мощности и входом передающей антенны, выход передающей антенны подключен к одному из двух отражателей открытого резонатора, выход термопары подключен к входу усилителя, выход которого соединен с входом измерителя термодвижущей силы.
Сущность заявляемого изобретения, характеризуемого совокупностью указанных выше признаков, состоит в том, что вычисление мощности СВЧ-генератора при конвекции нагретой электромагнитными колебаниями жидкости, дает возможность измерить объемный расход потока контролируемой среды.
Наличие в заявляемом способе совокупности перечисленных существующих признаков, позволяет решить задачу измерения объемного расхода жидкости на основе использования вычисления СВЧ-мощности при конвекции нагретой электромагнитными колебаниями жидкости с желаемым техническим результатом, т.е. повышением точности измерения расхода.
На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого устройства.
Устройство содержит СВЧ-генератор 1, измеритель СВЧ-мощности 2, передающую антенну 3, открытый резонатор 4, термопару 5, усилитель 6, измеритель термодвижущей силы 7. На рисунке цифрой 8 обозначена диэлектрическая трубка.
Устройство работает следующим образом. С выхода СВЧ-генератора 1 электромагнитные колебания одновременно направляют на входы измерителя СВЧ-мощности 2 и передающей антенны 3. С выхода антенны далее колебания вводят в полость открытого резонатора 4, состоящего из двух плоских отражателей (металлических пластинок). В данном случае между отражателями открытого резонатора помешают диэлектрическую трубку 8, по которой протекает контролируемая жидкость. Вводимыми в полость резонатора электромагнитными колебаниями, возбуждают в полости данного резонатора его собственную резонансную частоту, т.е. в рассматриваемом случае здесь между отражателями, за счет бегущей волны, устанавливается режим стоячих волн. Наличие режима стоячих волн в этом случае используется для нагрева диэлектрической трубки с потоком жидкости. Для поддержания равномерного распределения СВЧ-мощности, отражатели имеют закругления, приводящие равномерное отражение бегущей волны от их стенок. Кроме того, закругления пластинок может обеспечить уменьшение тепловых потерь при нагревании потока. После этого по трубке пропускают контролируемую жидкость.
1
1
1
2
2
1
2
2
p
2
1
1
2
2
1
p
ν
Из теории термопреобразователей известно, что при движении нагретого вещества, последнее может приобрести эффект конвекции. Как правило, при конвекции, степень теплоотдачи зависит от скорости потока вещества. В силу этого, если измерить температуру вещества в нагретом потоке при одной постоянной мощности СВЧ -генератора и одной скорости потока, то согласно эффекту конвекции при изменении скорости потока при той же СВЧ-мощности, температура потока изменится. Согласно работе предложенного устройства, для восстановления того же температурного режима в потоке при другой его скорости, потребуется изменения СВЧ-мощности, другими словами изменение температуры из-за изменения скорости потока можно компенсировать изменением СВЧ-мощности генератора. Отсюда следует, что если обозначить температуру нагретого потока T при его скорости υ и мощности СВЧ-генератора P, то при изменении скорости потока, например, его увеличении (ν), температура (Т) потока уменьшится, следовательно, для того, чтобы температура в потоке осталась прежней (T) при другой скорости ν, мощность СВЧ-генератора необходимо увеличить, например до Р. Следовательно, зная величины СВЧ-мощности генератора при разных значениях скорости потока, по разности мощностей генератора, соответствующих разным величинам скорости потока, можно вычислить его изменение при постоянном поддержании температуры движущейся по диэлектрической трубке жидкости. В силу этого, если обозначить Δ=Р-P разность СВЧ-мощности при увеличении скорости потока от ν до ν (Δν=ν-ν), то отсюда можно заключить, что разность Δ будет функционально связана с разностью Δ. В итоге, вычисление СВЧ-мощности генератора, позволяющее производить слежение за постоянством температурного режима в перемещающейся по диэлектрической трубке жидкости, даст возможность измерить скорость потока по СВЧ-мощности генератора.
В предлагаемом техническом решении температура в нагретом потоке жидкости измеряется термопарой 5. В рассматриваемом случае горячий спай термопары контачит с потоком, а холодный - подключается к входу усилителя 6. Из-за этого, возникающая термоЭДС на холодном спаи термопары (из-за разности температур между горячим и холодным спаями), после усиления в усилителе поступает на вход измерителя термодвижущей силы 7. Здесь по показаниям этого измерительного прибора получают информацию (отслеживание) об изменении температуры в потоке за счет конвекции самой жидкости. Так как в данном случае изменение температуры в потоке жидкости обусловлено из-за изменения скорости потока и как уже было отмечено выше, поддержание постоянства температуры в потоке осуществляется посредством изменения СВЧ-мощности генератора, то при постоянном значении показания измерителя термодвижущей силы, при разных скоростях потока, показания измерителя СВЧ-мощности 2 дадут возможность измерить скорости потока жидкости в диэлектрической трубке. В результате (за счет преобразования) при известной величины сечения диэлектрической трубки и измеренной СВЧ-мощности, связанной со скоростью потока, можно вычислить объемный расход жидкости в трубке.
Таким образом, в предлагаемом техническом решении на основе вычисления СВЧ-мощности генератора, производимого нагрев потока жидкости в трубке с учетом конвекции нагретой жидкости, можно обеспечить повышение точности измерения объемного расхода жидкости.
Преимуществом предлагаемого устройства по сравнению с известными устройствами можно считать равномерный нагрев материала и минимизацию времени на нагрев материала и его охлаждение.
Предлагаемое устройство может быть реализовано на базе отечественных транзисторных генераторов типа ПП9138А с частотой и выходной мощностью 6 ГГц и 15 Вт соответственно. Диэлектрическая трубка может быть реализована на основе, например, СВЧ прозрачной тефлоновой трубе.