СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МАССОВОГО РАСХОДА ЖИДКИХ СРЕД
METHOD FOR MEASURING MASS LIQUID MEDIUM FLOW RATE

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного измерения скорости потока и расхода диэлектрических жидкостей в трубопроводах, в частности при трубопроводной транспортировке нефтепродуктов, сжиженных газов и др.
В настоящее время известны и применяется много типов анеометров и расходомеров, основанных на разных физических принципах действия, среди которых актуальны доплеровские радиоволновые способы измерения из-за своей способности работать в сложных эксплуатационных условиях (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. - М.: Энергоатомиздат, 1989, с.133-144). Эти способы не предполагают применение элементов внутри труб, контактирующих со средой, создающих препятствия и неоднородности в потоке, устойчивы к температурным характеристикам эксплуатации. Обычно функциональная схема доплеровского измерителя скорости потока в простейшем случае содержит генератор электромагнитных колебаний, которые поступают на передающую антенну. Излучаемые антенной волны через радиопрозрачное окно в стенке трубопровода поступают внутрь и рассеиваются на неоднородностях движущейся жидкости и поступают на приемную антенну с частотой , отличной от частоты  зондирующей волны на доплеровскую частоту  Неоднородностями в измеряемой жидкой среде при этом могут быть газовые и твердые включения, а также другие жидкости, обладающие электрофизическими параметрами ε, отличными от контролируемого вещества. Направления движения неоднородностей образуют различные углы с направлением этой волны, которая также распространяется не по прямой, как в идеальном случае, а в соответствии со своей диаграммой направленности. Произвольная ориентация неоднородностей, случайные значения фазы отраженных каждой неоднородностью сигналов приводят к образованию доплеровского сигнала сложной формы. Тем не менее, средняя доплеровская частота  связана со средней скоростью потока V по формуле
где α - угол между направлением излучения и потоком в трубе,  - длина волны в среде измерения, а ε - ее диэлектрическая проницаемость, c - скорость света в вакууме. Зная объемную плотность ρ вещества и скорость V потока, можно определить массовый расход
где P - площадь поперечного сечения потока на измерительном участке. Подставив значение V из выражения (1) в (2), получим выражение для среднего массового расхода
Как видно из формулы (3), для точного измерения среднего массового расхода необходимо оценивать изменения в диэлектрической проницаемости среды и функционально с ней связанной плотностью контролируемого потока. Изменения этих параметров приводят к погрешностям в измерении и, как следствие, к недостаточной точности.
Известно техническое решение, принятое в качестве прототипа (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. - М.: Энергоатомиздат, 1989, с.136-137) - способ измерения расхода жидкости, заключающийся в том, что радиоволна с частотой  направляется через радиопрозрачное окно в трубопроводе под углом α к направлению движения потока, отраженная волна с частотой  смешивается с частью падающей волны и выделяется доплеровский сигнал их разности со средней частотой  а по этой частоте в соответствии с формулой (2) определяется расход. Доплеровский сигнал в данном устройстве выделялся на выходе смесителя, на один вход которого поступал опорный сигнал от задающего генератора через направленный ответвитель, а на второй - сигнал, отраженный от потока вещества после облучения его через приемо-передающую антенну под углом α к потоку в трубе через герметичное радиопрозрачное окно. При этом для связи между генератором, антенной и смесителем использовался циркулятор. После фильтрации и записи доплеровского сигнала по максимуму его спектральной плотности определялась средняя доплеровская частота, по которой оценивался расход в соответствии с формулой (3).
Данный способ имеет существенные недостатки. Во-первых, для точного измерения массового расхода необходимо оценивать изменения в диэлектрической проницаемости среды и функционально с ней связанной плотностью контролируемого потока в соответствии с формулой (3). Во-вторых, спектральная плотность доплеровского сигнала за счет отражений от неоднородностей в потоке под разными углами имеет сложную форму, и ее максимум может не совпадать со средней доплеровской частотой, что приводит к ошибкам в определении скорости потока.
Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения.
Технический результат достигается тем, что в способе измерения массового расхода жидких сред, радиоволну с частотой  направляют через радиопрозрачное окно в трубопроводе под углом α к направлению движения потока, отраженную волну с частотой  смешивают с частью падающей волны, выделяют сигнал их разности и вычисляют спектральную плотность этого сигнала. Дополнительно к этому частоту генератора модулируют по симметричному пилообразному закону от  до  спектральные плотности сигнала разностной частоты вычисляют отдельно на растущем -  и падающем участке несущей частоты -  вычисляют их взаимно-корреляционную функцию и модуль разности  массовый расход определяют по частотному сдвигу, соответствующему максимуму взаимно-корреляционной функции, и по частоте  вычисляемой из условия равенства , где b - диапазон частот, определяемый из возможной полосы частот сигнала.
Предлагаемый способ поясняется работой устройства, реализующего способ.
На фиг. 1 представлена структурная схема устройства.
На фиг. 2 изображены временные диаграммы сигналов на выходах генератора СВЧ и смесителя при симметричной пилообразной частотной модуляции.
На фиг. 3 представлены огибающие спектров сигналов разностной частоты в относительных величинах при нулевой скорости потока - и при скорости потока V в моменты роста и спада частоты на выходе генератора СВЧ, соответственно  и
На фиг. 4 изображена взаимно-корреляционная функция между этими огибающими  и  в относительных величинах.
На фиг. 5 представлен спектр  в относительных величинах.
Устройство содержит частотный модулятор 1, генератор СВЧ 2, направленный ответвитель 3, циркулятор 4, приемо-передающую антенну 5, смеситель 6, коммутирующий блок 7, первый блок спектральной обработки 8, второй блок спектральной обработки 9, блок вычисления взаимной корреляции 10, блок вычисления частоты  11 и вычислительный блок 12 (см. фиг. 1).
M
Устройство работает следующим образом. Частотный модулятор 1 пилообразным симметричным напряжением линейно модулирует частоту генератора СВЧ 2 в диапазоне  где  и  его начальная и конечная частота (см. кривая 1 на фиг. 2). Сначала за время T частота растет от  до  затем за это же время линейно уменьшается от  до  Соответственно в это время с помощью коммутирующего блока 7, управляемого от генератора пилообразного напряжения 1, сигнал с выхода смесителя 6 обрабатывается блоками спектральной обработки 8 и 9. Электромагнитные колебания от генератора СВЧ поступают на первый, опорный вход смесителя напрямую через дополнительный вывод направленного ответвителя 3. Другая часть электромагнитных колебаний через основной вывод направленного ответвителя и циркулятор 4 направляется антенной 5 через диэлектрическое окно 13 на измерительном участке трубопровода 14 под углом α навстречу направлению потока, затем после отражений от неоднородностей, присутствующих в потоке, принимаются этой же антенной и поступают через циркулятор на второй вход смесителя. При отсутствии движения в потоке при V=0, на выходе смесителя образуется сигнал биений согласно формуле
M
где  - девиация частоты, T - полупериод модуляции, D - расстояние в виде спектра гармоник конечной ширины  (см. фиг. 3), одинаковый для растущего и падающего участка (см. кривая 2 на фиг. 2а). При наличии движения потока со скоростью V к сигналу биений добавляется спектр доплеровкой составляющей в соответствии с формулой (1), также в виде спектра гармоник конечной ширины. При этом на растущем участке модуляции частоты суммарного спектра растут, а на падающем - уменьшаются на частоту  соответственно  и  (см. фиг. 2 и 3). Эти спектры вычисляются в блоках 8 и 9, после чего поступают на блок 10, где вычисляется их взаимно-корреляционная функция  в относительных единицах (см. фиг. 4). Частотный сдвиг, соответствующий максимуму этой функции - , будет в точности соответствовать удвоенной доплеровской частоте, поэтому
Одновременно спектры  и  поступают в блок 11 вычисления частоты биений  для спектра  который соответствует скорости потока V=0. Эта частота фактически является осью симметрии между спектрами  и  (см. фиг. 2 и 3), поэтому процедура вычисления будет следующей. Сначала определяется модуль разности спектров  а затем находится частота  путем перебора в диапазоне спектров  и  до соблюдения условия
где b - диапазон частот, определяемый из возможной ширины полосы частот сигнала биений и доплеровских частот, связанных с возможными скоростями потока. Т.е. площадь суммарного спектра справа и слева от точки  должны быть равны (см. фиг. 5). Далее в итоговом вычислительном блоке 12 по значению  вычисляется диэлектрическая проницаемость из формулы (4)
и функционально связанная с ней плотность ρ и затем с использованием  от блока 10 происходит вычисление расхода среды в соответствии с формулой (3), где  в данном случае будет равна средней частоте несущей.
Таким образом, точность определения массового расхода сред увеличивается по сравнению с прототипом за счет увеличения точности в определении доплеровской частоты и частоты биений. Способ позволяет компенсировать влияние на точность измерения наличие конечного нестабильного спектра в доплеровском сигнале и в сигнале биений, возникающего по причинам наличия конечных диаграмм направленности антенн, турбулентности отражающих неоднородностей в потоке.