УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СПЛОШНОСТИ ГАЗОЖИДКОСТНОГО ПОТОКА
DEVICE TO IDENTIFY SOLIDITY OF GAS LIQUID FLOW

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах управления технологическими процессами.
Известно устройство для измерения сплошности газожидкостного потока (см. В.А. Викторов, Б.В. Лункин, А.С. Совлуков «Радиоволновые измерения параметров технологических процессов», М.: Энергоиздат, 1989, стр.179), в котором зигзагообразный проводник отрезка линии, укладываемый на поверхности диэлектрической трубы, вместе с металлическим экраном, окружающим диэлектрическую трубу, служит чувствительным элементом. В этом известном устройстве по резонансной частоте отрезка линии определяют сплошность потока.
Недостатком этого устройства является, невысокая точность измерения из-за температурных изменений параметров отрезка линии.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятое автором за прототип устройство для определения сплошности газожидкостного потока (RU №2354959 C1, 10.05.2009) В этом устройстве по разности фаз двух поляризованных параллельно и перпендикулярно волн с коррекцией на диэлектрическую проницаемость контролируемой среды, определяемую резонансной частотой открытого резонатора, выполненного в виде вогнутой и плоской металлических пластин, расположенных на наружных противоположных поверхностях трубопровода одна против другой, определяют сплошность потока.
Недостатком этого устройства следует считать неточность, обусловленную отсутствием информации об изменении перпендикулярной составляющей диэлектрической проницаемости контролируемой среды.
Техническим результатом заявляемого решения является повышение точности измерения сплошности газожидкостного потока.
Технический результат достигается тем, что в устройство для определения сплошности газожидкостного потока, протекающего по диэлектрическому трубопроводу, содержащее генератор электромагнитных колебаний, соединенный выходом через первый элемент связи с вогнутой металлической пластиной первого чувствительного элемента, первый измеритель амплитудно-частотных характеристик, подключенный к выходу первого детектора, соединенного входом через второй элемент связи с вогнутой металлической пластиной первого чувствительного элемента и фазометр, соединенный первым и вторым входами через третий и четвертый элементы связи с плоской металлической пластиной первого чувствительного элемента соответственно, введены второй детектор, второй измеритель амплитудно-частотных характеристик, пятый элемент связи и второй чувствительный элемент, выполненный в виде закрепленных перпендикулярно вогнутой и плоской пластин первого чувствительного элемента на противоположных наружных поверхностях трубопровода одна против другой плоской металлической пластины и вогнутой металлической пластины, причем второй измеритель амплитудно-частотных характеристик подключен к выходу второго детектора, соединенного входом через пятый элемент связи с вогнутой металлической пластиной второго чувствительного элемента.
Сущность заявляемого изобретения, характеризуемого совокупностью указанных выше признаков, состоит в том, что при взаимодействии электромагнитных колебаний с газожидкостном потоком, протекающим по диэлектрическому трубопроводу, по преобразованию резонансных частот двух открытых резонаторов и разности фаз двух поляризованных параллельно и перпендикулярно электромагнитных волн, определяют сплошность газожидкостного потока.
Наличие в заявляемом устройстве совокупности перечисленных существующих признаков позволяет решить поставленную задачу определения сплошности газожидкостного потока на основе использования резонансных частот двух открытых резонаторов и разности фаз двух поляризованных параллельно и перпендикулярно электромагнитных волн с желаемым техническим результатом, т.е. высокой точностью измерения.
На чертеже приведена структурная схема устройства.
Устройство, реализующее данное техническое решение, содержит генератор электромагнитных колебаний 1, соединенным выходом с первым элементом связи 2, вогнутую металлическую пластину первого чувствительного элемента 3, второй элемент связи 4, соединенный со входом первого детектора 5, подключенного выходом к первому измерителю амплитудно-частотных характеристик 6, плоскую металлическую пластину первого чувствительного элемента 7, третий элемент связи 8, подключенный к первому входу фазометра 9, плоскую металлическую пластину второго чувствительного элемента 10, четвертый элемент связи 11, вогнутую металлическую пластину второго чувствительного элемента 12, пятый элемент связи 13, соединенный со входом второго детектора 14, подключенного выходом к второму измерителю амплитудно-частотных характеристик 15. На чертеже цифрой 16 обозначен диэлектрический трубопровод.
Устройство работает следующим образом. Электромагнитные колебания с выхода генератора микроволновых колебаний 1 через первый элемент связи 2 направляются в сторону вогнутой металлической пластины 3 первого чувствительного элемента и взаимодействуют с контролируемой средой в диэлектрическом трубопроводе 16.
Как известно, при взаимодействии электромагнитных волн, например, с анизотропным веществом (см. В.Д. Большаков и др. «Радио-геодезические и электрооптические измерения», Москва «Недра» 1985 г., стр.118), показатель преломления волны с плоскостью поляризации, параллельной силовым линиям поля, может изменяться по закону:
<mrow><msub><mi>h</mi><mrow><mn>1</mn><mn>1</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>h</mi><mo>⊥</mo></msub><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>n</mi><mo>=</mo><msub><mi>h</mi><mo>⊥</mo></msub><mo>+</mo><mi>λ</mi><mi>B</mi><mtext></mtext><msup><mi>E</mi><mn>2</mn></msup><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
⊥
Где h - показатель преломления волны с плоскостью поляризации, ортогональной силовым линиям приложенного электрического поля, λ - длина волны излучения, E - напряженность электрического поля, B - коэффициент (постоянная) Керра, Δn - разность показателей преломления поляризованных волн.
<mrow><mi>Δ</mi><mover accent="true"><mi>n</mi><mo>˙</mo></mover></mrow>
В данном случае падающую (взаимодействующую) на контролируемое анизотропное вещество электромагнитную волну можно разложить на две одинаковые по амплитуде составляющие, которые поляризованы параллельно и перпендикулярно. При этом эти составляющие распространяются с разной скоростью, поскольку значения показателя преломления для них различаются на величину
.
Согласно предлагаемому техническому решению параллельно поляризованную составляющую, распространяющуюся в сторону плоской металлической пластины 7 первого чувствительного элемента, улавливают третьим элементом связи 8. Одновременно перпендикулярно поляризованную составляющую, распространяющуюся в сторону этой же пластины, принимают четвертым элементом связи 11. После этого сигналы, снимаемые с выходов третьего и четвертого элементов связи, поступают соответственно на первый и второй входы фазометра 9. В результате для измеряемой фазометром разности фаз Ψ между вышеуказанными составляющими можно записать:
<mrow><mi>ψ</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi></mrow><mi>λ</mi></mfrac><mi>l</mi><mi>Δ</mi><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>2</mn><mi>π</mi><mi>l</mi><mi>B</mi><msup><mi>E</mi><mn>2</mn></msup><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Где l - длина пути волны в анизотропной диэлектрической среде.
Сплошность потока S, связанная с физическим состоянием двухкомпонентных потоков, например, жидкости и газа, характеризует степень однородности и определяется соотношением (см. В.А. Викторов и др. «Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин» М., наука, 1978 г, стр.237):
<mrow><mi>S</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>v</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>v</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>v</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
1
2
Где V и V - соответственно объем жидкости и газа на единице длины трубопровода.
2
2
2
Соотношение (3) показывает, что при отсутствии жидкости (S=0)=0 и V=max, а при наличии потока жидкости без газовых включений (S=1)=max и V=0. Отсюда следует, что по величинам объемов и V, рассчитанных при изменении его внутреннего диаметра d от 0 до его максимального значения, можно судить о сплошности газожидкостного потока.
Анализ газожидкостного потока в трубопроводе показывает, что при формировании объема длина пути l (см. формулу (2)) волны фактически определяет величину площади поперечного сечения потока. Следовательно, определение длины l, связанной с объемом на единице длины трубопровода через площадь поперечного сечения потока, дает возможность определить величину сплошности «потока в трубопроводе. В результате в формуле (2) вместо l следует использовать значение длины пути волны, равное ld/2d-l. Это вытекает из того факта, что при вертикальном (перпендикулярно к потоку) к направлению потока заполнении трубопровода средой длина l может изменяться от 0 до d (диаметр трубопровода). В соответствии с этим выражение (2) можно переписать как:
<mrow><mi>Ψ</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi></mrow><mi>λ</mi></mfrac><mfrac><mrow><mi>l</mi><mi>d</mi></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>d</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></mfrac><mi>Δ</mi><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>2</mn><mi>π</mi><mfrac><mrow><mi>l</mi><mi>d</mi></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>d</mi><mo>−</mo><mi>l</mi></mrow></mfrac><mi>B</mi><msup><mi>E</mi><mn>2</mn></msup><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Таким образом, при минимальном и максимальном значениях длины пути распространяющейся в измеряемой среде волны, соответствующем отсутствию и наличию потока в трубопроводе, по изменению разности фаз от 0 до Ψmax можно определить сплошность потока. При этом при l=0 (S=0), Ψ=0, а при l=d (S=1) Ψ=Ψmax.
Анализ выражения (4) показывает, что при изменении электрофизических свойств контролируемого диэлектрического анизотропного потока, влияющих на Δn и E, точность измерения сплошности может снижаться.
Согласно эффекту Керра для показателей преломления волн с плоскостью поляризации, параллельной и ортогональной силовым линиям электрического поля, можно записать:
<mrow><msub><mi>h</mi><mrow><mn>1</mn><mn>1</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><msub><mi>E</mi><mrow><mn>1</mn><mn>1</mn></mrow></msub></mrow></msqrt></mrow>
<mrow><msub><mi>h</mi><mo>⊥</mo></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><msub><mi>E</mi><mo>⊥</mo></msub></mrow></msqrt></mrow>
11
⊥
11
⊥
11
⊥
Где E и E - диэлектрические проницаемости анизотропного потока, обуславливающие соответственно преломление волны в параллельном и ортогональном направлениях. Здесь принимается, что магнитные проницаемости потока µ и µ равны единице. Из этого рассуждения вытекает, что в данном случае для повышения точности измерения сплошности необходимо получить информацию о параметрах E и E при их изменении.
11
⊥
В рассматриваемом случае для измерения параметров E и E используются резонансные частоты первого (первый чувствительный элемент) и второго (второй чувствительный элемент) открытых резонаторов, образованных соответственно вогнутыми 3,12 и плоскими 7,10 металлическими пластинами.
Как уже отмечалось выше, взаимодействие электромагнитной волны с анизотропным веществом в трубопроводе, приводит к возникновению двух ее составляющих.
В данном устройстве параллельно поляризуемая составляющая падающей волны используется для возбуждения первого открытого резонатора, а перпендикулярно поляризованная составляющая - второго открытого резонатора. В результате для их резонансных частот можно записать:
<mrow><msub><mi>ω</mi><mrow><mn>1</mn><mn>1</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>π</mi><mi>q</mi><mi>c</mi></mrow><mrow><mn>2</mn><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>d</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>l</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><msqrt><mrow><msub><mi>k</mi><mn>1</mn></msub></mrow></msqrt></mrow></mfrac></mrow>
,
<mrow><msub><mi>ω</mi><mo>⊥</mo></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>π</mi><mi>q</mi><mi>c</mi></mrow><mrow><mn>2</mn><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>d</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><mo>'</mo><msub><mi>l</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><msqrt><mrow><msub><mi>k</mi><mn>2</mn></msub></mrow></msqrt></mrow></mfrac></mrow>
,
11
⊥
1
1
1
⊥
11
2
TP
⊥
1
2
TP
11
⊥
11
⊥
TP
1
1
TP
11
⊥
11
⊥
Где ω и ω - резонансные частоты первого и второго открытых резонаторов соответственно, c - скорость распространения волны в свободном пространстве, q - целое число (практически q>3) d - наружный диаметр трубопровода, l - расстояние между центрами вогнутых металлических пластин и обращенных к ним поверхностям диэлектрического трубопровода, k - параметр, учитывающий совокупное влияние диэлектрических проницаемостей данного трубопровода E и контролируемого анизотропного вещества E (преломление волны в параллельном направлении) на скорость распространения волны по трубопроводу, k - параметр, учитывающий совокупное влияние диэлектрических проницаемостей E и контролируемого анизотропного вещества E (преломление волны в ортогональном направлении) на скорость распространения волны по трубопроводу. Здесь параметры k и k с определенной точностью представляются как функции диэлектрических проницаемостей E, E и E. Кроме того влияние E и E на скорость распространения волны обосновано спецификой работы открытых резонаторов. Так как E зависит от материала, из которого изготовлен трубопровод, то ее в процессе измерения можно считать постоянной. Тогда, как следует из последних формул, при постоянных d, l, E и с изменение резонансных частот ω и ω будет определяться изменением параметров E и E.
11
⊥
11
⊥
Согласно предлагаемому техническому решению для измерения резонансных частот ω и ω, выходные сигналы детекторов 5 и 14, осуществляющих детектирование сигналов, поступающих от вогнутых пластин первого и второго чувствительных элементов соответственно через второй и пятый элементы связи поступают на входы первого 6 и второго 15 измерителей амплитудно-частотных характеристик соответственно. После этого эти измерительные приборы дают возможность получить информацию соответственно E и E.
11
⊥
В рассматриваемом случае значение λ и E задаются генератором электромагнитных колебаний, т.е. без учета влияния диэлектрических проницаемостей E и E на характеристики распространения волны через анизотропный поток. Кроме того, постоянная Керра, зависящая от свойств данной среды, выбирается с учетом длины рабочей волны, т.е. λ. Следовательно, формула (4) примет вид:
<mrow><mi>Ψ</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi></mrow><mi>λ</mi></mfrac><mfrac><mrow><mi>l</mi><mi>d</mi></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>d</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></mfrac><mrow><mo>(</mo><mrow><msqrt><mrow><msub><mi>E</mi><mrow><mn>1</mn><mn>1</mn></mrow></msub></mrow></msqrt><mo>−</mo><msqrt><mrow><msub><mi>E</mi><mo>⊥</mo></msub></mrow></msqrt></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
11
⊥
Из последней формулы следует, что одновременное измерение параметров E и E через резонансные частоты двух открытых резонаторов, дает возможность исключить влияние этих дестабилизирующих факторов на результат определения сплошности анизотропного потока.
Таким образом, в заявленном техническом решении показано, что использование второго чувствительного элемента в виде вогнутой и плоской металлических пластин (второй открытый резонатор) может обеспечить высокую точность измерения сплошности газожидкостного потока.