Устройство для измерения высоких давлений газообразных сред
DEVICE FOR MEASURING HIGH PRESSURES OF GASEOUS MEDIA

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения высоких давлений газообразных и жидких сред в трубопроводах.
Известно устройство для измерения давления в трубопроводах, выполненных из ферромагнитного материала (RU 2490611 С1, 20.08.2013), содержащее первый и второй магнитоупругие преобразователи давления, выполненные на основе разомкнутых магнитных сердечников из материала с магнитной проницаемостью, многократно превышающей магнитную проницаемость материала трубопровода, с полюсами, создающими магнитный поток во взаимно перпендикулярных направлениях на участках трубопровода равной длины, обмотку возбуждения, две измерительные обмотки, соединенные последовательно и согласно между собой, источники возбуждения, каждый из которых замкнут на соответствующую обмотку возбуждения первого и второго магнитоупругих преобразователей давления, а также симметрирующий трансформатор, к входной обмотке которого дифференциально подключены измерительные обмотки магнитоупругих преобразователей давления, выходная обмотка симметрирующего трансформатора соединена с узкополосным фильтром, который в свою очередь соединен с последовательно включенными усилителем и детектором, а дополнительная обмотка симметрирующего трансформатора подключена к источнику компенсации начального уровня выходного сигнала. Принцип работы этого известного устройства сводится к тому, что при подаче переменного напряжения от источников возбуждения на обмотки возбуждения, магнитоупругие преобразователи давления приходят в активное состояние. В результате на выходе преобразователей появляются напряжения, снимаемые с последовательно и согласно включенных измерительных обмоток. Эти два напряжения в противофазе подаются на вход симметрирующего трансформатора, где вычитаются друг из друга так, что на выходе симметрирующего трансформатора появляется напряжение, пропорциональное разности расстояний между полюсами магнитопроводов преобразователей и или иначе разности магнитных сопротивлений участков магнитопровода, заключенных между указанными полюсами и в свою очередь пропорциональных давлению измеряемой среды внутри трубопровода. Другими словами выходное напряжение данного устройства изменяется только с изменением во времени давления измеряемой среды, транспортируемой по трубопроводу.
Недостатком этого известного устройства является низкая точность, связанную с непостоянством активных сопротивлений измерительных обмоток и обмотки возбуждения ввиду температурных изменений окружающей среды.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому, является принятый автором за прототип датчик давления (RU 2439515 С1, 10.01.2012), содержащий корпус, первый и второй диски, крышку с плоской мембраны, днище, две петли связи, неподвижную и подвижную части стержня, прорезь и паз. В этом устройстве корпус, крышка, днище, неподвижная часть и подвижная часть стрежня образуют резонатор. При этом на подвижной части стержня закреплен первый диск, образующий со вторым диском электрическую емкость. Плоская мембрана крышки воспринимает измеряемое давление и перемещает второй диск. Петли связи служат для подвода и съема СВЧ - энергии. Подвижная часть стержня имеет прорезь для регулировки расстояния между дисками и ограничивающий его перемещение паз. Принцип работы данного датчика заключается в том, что при воздействии измеряемого давления Р плоская мембрана крышки деформируется и второй диск перемещается. Следовательно, электрическая емкость С конденсатора, образованного первым и вторым дисками, изменяется. Соответственно, изменяется резонансная частота f электромагнитных колебаний коаксиального резонатора с оконечной сосредоточенной емкостной нагрузкой в виде данного конденсатора. В результате измерение частоты электромагнитных колебаний коаксиального резонатора дает возможность вычислить значение давления.
К недостатку этого известного технического решения можно отнести узкий диапазон измерения давления ввиду невысокой степени деформации мембраны крышки, обусловливающей перемещение второго диска.
Техническим результатом данного устройства является расширение диапазона измерения давления.
Технический результат достигается тем, что в устройство для измерения высоких давлений газообразных сред, содержащее чувствительный элемент в виде резонатора, источник СВЧ - энергии, элементы для ее подвода и съема, введены детектор, измеритель амплитудно - частотных характеристик, резонатор выполнен в виде отрезка трубы из ферромагнитного материла, снабженной на торцах перегородками, элементы для подвода и съема СЧВ - энергии разнесены друг от друга вдоль трубы и закреплены на ее наружной поверхности, причем выход источника СВЧ - энергии соединен с элементом подвода СВЧ - энергии, элемент съема через детектор подключен к входу измерителя амплитудно-частотных характеристик.
Сущность заявляемого изобретения, характеризуемого совокупностью указанных выше признаков, состоит в том, что на основе определения собственной резонансной частоты ферромагнитного цилиндрического резонатора при его деформировании, можно измерить значение давления газообразной среды в трубопроводе.
Наличие в заявляемом способе совокупности перечисленных существующих признаков, позволяет решить задачу измерения высоких давлений газообразных сред посредством вычисления собственной резонансной частоты ферромагнитного цилиндрического резонатора при его деформации с желаемым техническим результатом, т.е. расширением диапазона измерения давления.
На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого устройства.
Устройство содержит источник СВЧ - энергии 1, соединенный выходом с элементом подвода СВЧ - энергии 2, элемент съема СВЧ - энергии 3, измерительный отрезок трубы 4, детектор 5, подключенный выходом с входом измерителя амплитудно-частотных характеристик 6. Цифрой 7 на рисунке обозначена магистральная труба, по которой протекает контролируемая среда.
Устройство работает следующим образом. При отсутствии газообразной среды в магистральной трубе 7, к ней подключают измерительный отрезок трубы 4 из ферромагнитного материала с возможностью его деформирования боковых стенок. После этого электромагнитным сигналом источника СВЧ - энергии 1, передаваемым элементом подвода 2, возбуждают в отрезке трубы электромагнитные колебания. В рассматриваемом случае измерительный отрезок трубы принимается как цилиндрический объемный резонатор, имеющий свою собственную резонансную частоту. Кроме того, ферромагнитный отрезок трубы, для существования внутри нее режима стоячих волн, приводящих к образованию резонансных свойств, на торцах дополнительно должен иметь металлические перегородки, не препятьсвующие к прохождению газового потока через трубу. Для фиксации резонанса в данном резонаторе, сигнал, улавливаемый посредством элемента съема СВЧ - энергии 3, далее поступает на вход детектора 5. С выхода последнего продектированный сигнал поступает на вход измерителя амплитудно-частотных характеристик 6. Здесь по пику резонансной кривой (характеристики), наблюдаемой на экране последнего и характеризующей резонанс в измерительном отрезке тубы, вычисляют собственную резонансную частоту этого резонатора при отсутствии в нем газового потока. После этого через отрезок ферромагнитной трубы, диаметром, равным диаметру магистральной трубы, и соединенный механически с ней последовательно жестко, пропускают газовый поток, давление которого следует измерять.
Как известно ферромагнитные материалы (тела) при воздействии внешних сил испытывают упругую деформацию, выражающую в изменении геометрических размеров тела (растяжение, сужение). При этом в качестве конкретного материала используют никель, различные сплавы, никелевые ферриты и т.д., имеющие разные степени упругой деформации.
Согласно предлагаемому техническому решению повышение и понижение давления газообразной среды в данном отрезке ферромагнитной трубы, обуславливают растяжение и сужение боковых стенок отрезка трубы соответственно. Другими словами изменение давления контролируемой среды приведет к пропорциональному изменению полости объема отрезка - ферромагнитного резонатора, что в свою очередь изменить его резонансную частоту.
010
Из теории цилиндрических объемных резонаторов известно, что в общем виде собственная резонансная частота (резонансная длина) таких резонаторов, зависит от отношения  где h - высота (длина) резонатора,  -  радиус цилиндрического резонатора; диэлектрической и магнитной проницаемостей среды, заполненной резонатор. Так, например, для цилиндрического объемного резонатора (см. Интернет - ресурс: http://www.findpatent.ru/patent/223/2231178.html) резонансную частоту колебания Е можно представить как
0
0
д
где а - радиус цилиндра, ε и μ диэлектрическая и магнитная проницаемости вакуума, ε - диэлектрическая проницаемость материала, заполненного резонатор.
д
В силу этого в рассматриваемом случае, как уже было сказано выше, растяжение боковых стенок резонатора (отрезка тубы) за счет повышения давления контролируемой среды, будет сопровождаться увеличением диаметра (радиуса) и наоборот уменьшение давления - сужением боковых стенок резонатора (уменьшение радиуса). Отсюда вытекает, что при постоянной длине резонатора, изменение (увеличение и уменьшение объема полости резонатора) диаметра цилиндрического резонатора приведет к пропорциональному изменению резонансной частоты данного резонатора. Одновременно с изменением объема полости резонатора, из-за изменения давления газообразной среды изменится и ее диэлектрическая проницаемость ε (в случае неполярной газовой среды ее магнитную проницаемость можно принимать равной 1). Как правило, диэлектрическая проницаемость газов возрастает с увеличением давления. Для воздуха (неполярная среда), например, диэлектрическая проницаемость при нормальных условиях равна 1,00058, а при давлении 4 МПа диэлектрическая проницаемость возрастает до величины 1,0218 (см. Интернет - ресурс: https://studbooks.net/2526187/tovarovedenie/dielektricheskaya_pronitsaemost_gazov). Расчет показывает, что при изменении давления от 101, 3 КПа (нормальное условие) до 4 МПа диэлектрическая проницаемость воздуха увеличивается всего на всего на 3%, что можно считать допустимым в данном случае. Отсюда следует, что ввиду малости изменения диэлектрической проницаемости, при вычислении резонансной частоты данного резонатора, связанной с упругой деформацией отрезка трубы, определенной точностью можно принимать неизменность диэлектрической проницаемости контролируемого газа в процессе измерения его давления.
1
2
1
2
1
2
Пусть f резонансная частота при нулевом давлении среды в отрезке (без упругой деформации), а при каком-нибудь давлении - f. Тогда с учетом того, что при растяжении боковых стенок отрезка трубы его объем резонансной полости увеличится, то по разности f - f можно вычислить значение давления газа, протекающего по магистральной трубе. В случае уменьшения давления газа произойдет сужение боковых стенок отрезка, что это в свою очередь приведет к уменьшению его объема резонансной полости, т.е. - увеличению резонансной частоты. Так как объем резонансной полости резонатора при отсутствии газа в отрезке трубы всегда меньше чем при наличии газа, то во всех случаях f>f (объем резонансной полости при отсутствии в ней газа меньше объема резонансной полости при наличии в ней газа).
Выбор ферромагнитного материала для реализации отрезка трубы (резонатора) необходимо произвести с учетом диапазона измерения давления газообразной среды.
В качестве элементов ввода и съема СВЧ - энергии могут быть применены, например, разъемы, распложенные на некотором расстоянии друг от друга на наружной поверхности трубы.
Таким образом, в предлагаемом техническом решении использование в качестве измерительного резонатора отрезка трубы из ферромагнитного материала с возможностью деформирования, дает возможность расширить диапазон измерения давления газообразной среды.
Устройство может быть использовано на магистральных газопроводах высокого давления второй категории - до 2,5 МПа и на распределительных газопроводах высокого давления первой категории от 0,6 МПа до 1,2 МПа.