СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ПОТОКА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА
METHOD OF MEASURING FLOW SPEED OF DIELECTRIC SUBSTANCE

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного измерения скорости потока и расхода диэлектрического вещества (жидкости, газа, сыпучего вещества), перемещаемого по трубопроводу.
Известны способы и устройства для измерения скорости потока и расхода диэлектрических веществ, основанные на зондировании потока электромагнитными волнами СВЧ-диапазона частот, приеме электромагнитных волн, рассеянных на неоднородностях веществ в потоке, определении доплеровского сдвига частот зондирующих и принимаемых волн (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука. 280 с. С. 74-77, 260-269). Недостатками этих известных методов измерений и устройств является невысокая точность измерений, обусловленная зависимостью результатов измерений как от электрофизических параметров контролируемого вещества, так и от угла зондирования потока вещества.
Известно также техническое решение, по технической сущности наиболее близкое к предлагаемому способу и принятое в качестве прототипа (SU 1615621 А1, 15.02.1992), в котором рассматривается способ измерения скорости потока диэлектрического вещества, перемещаемого по трубопроводу, заключающийся в зондировании потока электромагнитными волнами, приеме электромагнитных волн, рассеянных на неоднородностях вещества и определении доплеровского сдвига частот зондирующих и принимаемых электромагнитных волн, измерении фазовой скорости электромагнитных волн в контролируемом веществе и, путем изменения частоты зондирующих волн, поддержании постоянной величины отношения частоты зондирующих волн и фазовой скорости волн, по которой судят о скорости потока диэлектрического вещества. В данном способе измерения обеспечивается инвариантность результатов измерения скорости потока к диэлектрической проницаемости контролируемого вещества. Недостаток этого способа состоит в том, что имеет место, однако, зависимость этих результатов от угла зондирования потока вещества электромагнитными волнами, влияющего на величину доплеровского сдвига частот зондирующих и принимаемых волн, что приводит к снижению точности измерения скорости потока.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерений.
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе измерения скорости потока диэлектрического вещества, перемещаемого по трубопроводу, заключающийся в зондировании потока электромагнитными волнами, приеме электромагнитных волн, рассеянных на неоднородностях вещества и определении доплеровского сдвига частот зондирующих и принимаемых электромагнитных волн, измерении фазовой скорости электромагнитных волн в контролируемом веществе и, путем изменения частоты зондирующих волн, поддержании постоянной величины отношения частоты зондирующих волн и фазовой скорости волн, при этом зондирование потока электромагнитными волнами с их частотой, обеспечивающей поддержание постоянной величины отношения этой частоты и фазовой скорости волн, осуществляют по двум направлениям, образующим между собой прямой угол, доплеровский сдвиг частот зондирующих и принимаемых электромагнитных волн определяют по каждому направлению и находят их среднеквадратичное значение, по которому судят о скорости потока диэлектрического вещества.
Предлагаемый способ поясняется чертежом на фиг. 1, где приведена схема устройства для его реализации.
На фиг. 1 показаны трубопровод 1, объемный резонатор 2, генератора 3, передающие антенны 4 и 5, приемные антенны 6 и 7, смесители частот 8 и 9, функциональный преобразователь 10, регистратор 11.
Сущность предлагаемого способа состоит в следующем.
Для обеспечения инвариантности результатов измерения скорости потока ν к углу θ зондирования потока диэлектрического вещества, перемещаемого по трубопроводу, осуществляют зондирование потока по двум направлениям, образующим между собой угол 90° (прямой угол). Обоснование этого заключается в следующем.
д
Поскольку информативный параметр - доплеровский сдвиг частот ƒ зондирующих электромагнитных волн и электромагнитных волн, прошедших через слой движущегося вещества (то есть при проведении измерений с применением передающей и приемной антенн) есть (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука. 280 с. С. 74-77)
0
где ƒ - частота зондирующих волн, θ - угол зондирования потока диэлектрического вещества, перемещаемого по трубопроводу,  - фазовая скорость электромагнитных волн в контролируемом веществе, ε - диэлектрическая проницаемость этого вещества, с - скорость света в свободном пространстве.
ф
0
0
ф
0
ф
д
ф
Согласно способу-прототипу (SU 1615621 А1, 15.02.1992), с помощью датчика фазовой скорости измеряют текущую величину ν, и, путем изменения частоты ƒ зондирующих волн, обеспечивают поддержание постоянной величиной значение отношения частоты ƒ к ν, то есть величины К=ƒ/ν. При этом, как следует из формулы (1), измеряемое значение доплеровской частоты ƒ является инвариантом к величине ν:
ф
0
0п
Если в качестве датчика фазовой скорости ν используют проточный объемный резонатор, встроенный в трубопровод и являющийся частотозадающим элементом генератора электромагнитных колебаний, то фиксированная частота этого генератора - частота ƒ зондирующих волн - является собственной (резонансной) частотой ƒ этого объемного резонатора.
д
В формуле (2) отсутствует зависимость доплеровской частоты ƒ от диэлектрической проницаемости ε контролируемого вещества, но сохраняется, однако, зависимость от угла θ зондирования потока вещества.
0
0
ф
Согласно предлагаемому способу, зондирование потока электромагнитными волнами с их частотой ƒ, обеспечивающей поддержание постоянной величины отношения К=ƒ/ν этой частоты и фазовой скорости волн, осуществляют по двум направлениям, образующим между собой прямой угол, доплеровский сдвиг частот зондирующих и принимаемых электромагнитных волн определяют по каждому направлению.
д1
При применении первого измерительного канала - при зондировании потока вещества под углом в значение доплеровской частоты ƒ есть
д2
а при применении второго измерительного канала - при зондировании потока вещества по направлению, образующему прямой угол с направлением зондирования при применении первого измерительного канала, то есть под углом 90° - θ, значение соответствующей доплеровской частоты ƒ есть
д1
д2
Рассмотрение формул (3) и (4) показывает, что среднеквадратичное значение  величин ƒ и ƒ является инвариантом по отношению к углу зондирования θ:
2
2
Здесь учтено, что cosθ+sinθ=1.
0
0
ф
0
ф
д1
д2
Следовательно, применение данного способа измерения, при котором зондируют поток электромагнитными волнами на частоте ƒ, обеспечивающей поддержание постоянной величины отношения К=ƒ/ν этой частоты ƒ и фазовой скорости ν волн, по двум направлениям, образующим между собой прямой угол, определяют доплеровский сдвиг частот ƒ и ƒ зондирующих и принимаемых электромагнитных волн по каждому из этих направлений, и находят их среднеквадратичное значение , позволяет судить о скорости потока диэлектрического вещества независимо как от диэлектрической проницаемости е контролируемого вещества, так и от угла в зондирования потока вещества.
0
ф
0
ф
0
ф
д1
д2
д1
д2
Рассмотрим устройство, реализующее данный способ измерения скорости потока диэлектрического вещества (фиг. 1). Для измерения скорости v диэлектрического вещества, перемещаемого по трубопроводу 1, осуществляют зондирование потока вещества электромагнитными волнами фиксированной частоты ƒ, применяя датчик фазовой скорости ν электромагнитных волн в виде проточного объемного резонатора 2, включенного в частотозадающую цепь генератора 3 (автогенератора) электромагнитных колебаний. При этом обеспечивается требуемое поддержание постоянной величины отношения ƒ/ν этой частоты ƒ и фазовой скорости ν волн. Электромагнитные колебания от генератора 3 поступают на две передающие антенны 4 и 5, подсоединенные к трубопроводу 1 под некоторыми, но не равными 90° (это требуется для реализации доплеровского способа измерений), углами, под которыми производят зондирование потока (его направление показано стрелкой), в и 90° - θ, соответственно, то есть образующими между собой прямой угол (90°). Распространившиеся через слой перемещаемого вещества электромагнитные волны поступают на соответствующие приемные антенны 6 и 7, с выходов которых электромагнитные волны поступают на соответствующие смесители частот 8 и 9 зондирующих и принимаемых волн. С их выходов соответствующие сигналы доплеровских частот ƒ и ƒ поступают в функциональный преобразователь 10. В функциональном преобразователе 10 после статистической обработки сигналов доплеровских частот ƒ и ƒ определяют их среднеквадратичное значение. Полученный сигнал поступает с выхода функционального преобразователя 10 на регистратор 11, выходной сигнал которого соответствует измеряемой скорости потока диэлектрического вещества.
Таким образом, данный способ позволяет измерять скорость потока диэлектрического вещества, перемещаемого по трубопроводу, независимо как от диэлектрической проницаемости контролируемого вещества, так и от угла зондирования потока вещества. Этот способ применим при произвольной ориентации антенн (приемных и передающих, приемо-передающих) устройств, реализующих способ, относительно контролируемого потока. Но при этом требуется строго фиксированное закрепление этих антенн под прямым углом относительно друг друга.