PL237161B1 - Sposób pomiaru stopnia suchości substancji przepływającej przez rurociąg i urządzenie do pomiaru stopnia suchości substancji przepływającej przez rurociąg - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób pomiaru stopnia suchości substancji przepływającej przez rurociąg i urządzenie do pomiaru stopnia suchości substancji przepływającej przez rurociąg, przeznaczone do ciągłego monitorowania i pomiaru udziału masowego mikro-kropelek w strumieniu pary, zwłaszcza w strumieniu pary wodnej przepływającej w rurociągu.

W przemyśle, zwłaszcza w energetyce, często występują rurociągi i urządzenia, przez które przepływa strumień pary wilgotnej, tj. substancji w postaci czysto gazowej z rozproszoną fazą ciekłą w formie mikroskopijnych kropelek. Istotnym przykładem takie go strumienia czynnika jest para wodna w rurociągu/turbinie, która jest wykorzystywana jako nośnik energii w elektrowniach. Występowanie wilgotnej pary wodnej można co do zasady obserwować w miejscach, gdzie zachodzą procesy parowania lub skraplania, wiążące się z przepływem energii do lub z wody w postaci cieczy lub pary wodnej. Para wilgotna związana z procesem parowania jest obecna w części kotłowej elektrowni, gdzie występują głównie rurociągi i poza zaworami regulacyjnymi/bezpieczeństwa para wilgotna nie ma kontaktu z wieloma ruchomymi elementami - jej występowanie nie wiąże się z podwyższonym ryzykiem awarii. Z kolei powstawanie kropelek cieczy w strumieniu pary wodnej w wyniku skraplania jest związane z przepływem przez turbinę i dynamiczną zmianą ciś nienia i temperatury, towarzyszącymi procesowi rozprężania pary wodnej w turbinie. Para wodna przepływa przez kadłub turbiny z ogromną prędkością - często sięgającą prędkości dźwięku lub nawet szybciej, przez co nawet mikroskopijne kropelki cieczy mogą wyrządzić z czasem znaczne szkody uderzając w powierzchnie elementów turbiny. Z tego powodu konstruktorzy projektują kanały przepływowe i dodatkowe zabezpieczenia zagrożonych powierzchni, by zapewnić możliwie bezawaryjną i wieloletnią pracę turbin. Niestety, w przypadku tak wielkich i skomplikowanych instalacji jak elektrownie, nie daje się całkowicie zminimalizować stanów awaryjnych - wówczas niezbędne jest pozyskanie jak największej ilości informacji o procesach zachodzących w turbinie, by móc poprawnie zdia gnozować tak przyczyny jak i skutki awarii. Z uwagi na bardzo niesprzyjające warunki jakie panują w turbinach, nawet drobne uszkodzenia wewnętrznej struktury elementów turbin, mogą z czasem się rozwinąć i spowodować ich oderwanie a w konsekwencji zniszczenie dużej części turbiny. Dlatego też, bardzo ważne jest bieżące monitorowanie warunków panujących wewnątrz turbin. Jednakże, udział masowy mikro-kropelek w strumieniu przepływającej pary, określany jako stopień suchości, nie daje się określić poprzez łatwo mierzalne wielkości jakimi są ciśnienie i temperatura z tej przyczyny konieczne jest pobranie określonej próbki ze strumienia pary i pomiar w oddzielnym urządzeniu, co niestety trwa niepotrzebnie długo i nie umożliwia ciągłego monitorowania tej wielkości.

W opisie patentowym US 8984959 jest przedstawiony układ, w którym do ciągłego pomiaru stopnia suchości jest wykorzystywany czujnik pojemnościowy. W związku z chaotycznym przepływem pary przez rurociągi, dokładny pomiar z wykorzystaniem czujnika pojemnościowego wymagałby znacznego zmniejszenia przekroju rurociągu, co wiązałoby się z niepożądanym wzrostem oporów przepływu. Ponadto, bardzo czuły czujnik pojemnościowy w strumieniu pary przepływającej turbulentnie i z dużą prędkością mógłby podawać bardzo niejednolite wyniki, wymagające dodatkowej obróbki numerycznej, komplikując układ i zwiększając ryzyko niepoprawnego działania.

W zgłoszeniu patentowym WO 2015098279 jest ujawnione urządzenie do ciągłego pomiaru stopnia suchości poprzez zastosowanie układu optycznego, w którym w ułożonej poziomo rurze jest ulokowane źródło światła. Promienie świetlne następnie przechodzą przez rurociąg, odbijając się i rozpraszając w wyniku przechodzenia przez krople wody lub film wodny. Pomiar stopnia suchości jest realizowany po zarejestrowaniu intensywności promienia który ostatecznie pokonał cały przekrój rurociągu. Zbliżone rozwiązanie jest opisane w zgłoszeniu WO2015098278, z tą różnicą, że światło przechodzi przez rurociąg poziomo. Oba opisane sposoby mają tą wad ę, że rozpraszanie i odbijanie światła przez poruszające się chaotycznie i z dużą prędkością mikro-kropelki może powodować bardzo duże zaburzenia pomiaru oraz wymagać skomplikowanego układu do gromadzenia i przetwarzania zbieranych danych, co szkodzi dokładności i bezawaryjności urządzenia.

Japońskie zgłoszenie patentowe JPS607347 opisuje układ do pomiaru koncentracji tlenu, w którym występują dwa kanały - jeden zamknięty, wypełniony gazem o znanych właściwościach, natomiast do drugiego kanału może swobodnie napływać powietrze lub inna mieszanina gazów. Do obydwu kanałów zostaje wpuszczona wiązka mikrofal, która wpływa na prąd przepływający przez elektryczne obwody umieszczone w kanałach. Poprzez pomiar różnic parametrów prądu w obwo

PL 237 161 B1 dach mierzony jest spadek mocy strumienia mikrofal, na podstawie którego wyznaczana jest koncentracja tlenu w badanej mieszaninie gazów. Opisana metoda nie nadaje się jednak do przeprowadzania pomiarów w sposób ciągły, gdyż wymaga ustalenia warunków w kanale pomiarowym, a ponadto umieszczenie elementów obwodu elektrycznego w bezpośrednim kontakcie ze strumieniem mikrofal może powodować ich uszkodzenie.

Fizyczne właściwości wody zostały dotychczas dobrze poznane - m.in. jej skłonność do reagowania z falami elektromagnetycznymi o odp owiedniej częstotliwości (zwłaszcza mikrofalami), w sposób który się objawia zwiększeniem energii wewnętrznej cząsteczek wody a w efekcie - wzrostem temperatury. Zjawisko to od lat jest powszechnie wykorzystywane w kuchenkach mikrofalowych do podgrzewania posiłków, ale znane są też bardziej zaawansowane aplikacje naukowe, gdzie mikrofale są wykorzystywane do kontrolowanego podgrzewania środowiska, w którym mają zachodzić reakcje chemiczne.

Absorpcja energii fal elektromagnetycznych przez wodę jest możliwa dzięki zjawisku straty dielektrycznej, która powoduje rozpraszanie energii fal przechodzących przez materię, wraz z jej podgrzaniem. Intensywność tego zjawiska jest charakteryzowana poprzez wielkość zwaną stałą dielektryczną - w przypadku wody, jest ona zmienna w zależności od temperatury i ciśnienia. Co więcej, porównując wartość tej stałej dla wody w stanie ciekłym i gazowym (wartości opisane np. w „Static Dielectric Constant of Water and Steam” Uematsu i Francka, Table 5) wyraźnie widać, że woda w postaci ciekłej np. w temperaturze 100°C cechuje się 55 razy większą wartością stałej dielektrycznej niż woda w tej temperaturze w postaci gazowej. To z kolei powoduje, że woda w postaci ciekłej dużo bardziej wchłania energię fal elektromagnetycznych - jest to wykorzystywane między innymi w metodzie pomiaru wilgotności metodą mikrofalową (Wojciech Sobieski. Termodynamika w eksperymentach. Olsztyn, 2015, str. 96). Metoda ta polega na pomiarze absorpcji mikrofal przez cząsteczki wody znajdujące się w powietrzu. Ukła d pomiarowy w metodzie mikrofalowej składa się z nadajnika i odbiornika, pomiędzy którymi znajduje się warstwa mierzonego powietrza. Zależnie od konstrukcji, miernikami mikrofalowymi mierzyć można wilgotność powietrza atmosferycznego lub też wilgotność gazów przepływających przez rury i kanały.

Z opisu patentowego US4862001 znany jest układ do monitorowania suchości pary przepływającej przez odcinek pomiarowy rurociągu z wykorzystaniem promieniowania IR i pomiaru temperatury. Wyniki pomiarów są przetwarzane przez odpowiednie środki elektroniczne wchodzące w skład układu przetwarzania danych, który umożliwia kalibrację pomiaru z wykorzystaniem algorytmów opartych o krzywe kalibracji i dane eksperymentalne. Podobny układ pomiarowy z wykorzystaniem promieniowania gamma jest opisany w zgłoszeniu patentowym US4712006, a w zgłoszeniu patentowym US7034302 zastosowano trzy oddzielne źródła promieniowania o różnej długości fali, pracujące jednocześnie lub przemiennie, pozwalające na pomiar różnych właściwości absorpcy jnych substancji przepływających przez rurociąg. W zależności od wyboru źródła i energii promieniowania, może ono przenikać przez materiał rury lub przez wykonane w rurze okna z materiału przepuszczającego fale o wybranej długości. Rura może być także wykonana w całości z materiału przepuszczającego promieniowanie.

W świetle opisanych przykładów, celem niniejszego wynalazku jest opracowanie rozwiązania zapewniającego dokładny i ciągły pomiaru stopnia suchości pary wilgotnej w rurociągach dowolnego kształtu stosowanych w przemyśle, zwłaszcza w energetyce, przy dowolnych parametrach przepływu i w warunkach dynamicznych zmian ciśnienia i temperatury.

Sposób pomiaru stopnia suchości substancji przepływającej przez rurociąg, obejmujący generację wiązki mikrofal o znanej mocy, przepuszczenie mikrofal przez strumień badanej substancji na odcinku rury pomiarowej wchodzącej w skład rurociągu, pomiar mocy wiązki mikrofal po przejściu przez badaną substancję i wyznaczenie stopnia suchości badanej substancji w oparciu o różnice mocy wiązki mikrofal, charakteryzuje się tym, że podczas pomiaru wiązkę mikrofal przechodzącą przez badaną substancję wykorzystuje się do podgrzania strumienia drugiej substancji przepływającej przez zamknięty obieg pomiarowy i mierzy się temperaturę drugiej substancji przed i po podgrzaniu, a wyniki pomiaru temperatury uwzględnia się przy wyznaczaniu stopnia suchości, przy czym wiązkę mikrofal wytwarza się przez co najmniej jeden magnetron podczas pracy ciągłej lub przerywanej.

Korzystnym jest, że strumień drugiej substancji podgrzewa się poprzez fragment kanału obiegu pomiarowego, który umieszcza się w torze pomiarowym na drodze wiązki mikrofal przechodzącej przez badaną substancję w odcinku rury pomiarowej, przy czym do pomiaru temperatury

PL 237 161 B1 drugiej substancji stosuje się mierniki temperatury umieszczone przed i za fragmentem kanału obiegu pomiarowego. Jako mierniki temperatur stosuje się korzystnie elektroniczne mierniki temperatur.

Przepływ drugiej substancji przez kanał obiegu pomiarowego wymusza się korzystnie przy użyciu przyłączonej do obiegu pomiarowego pompy, zwłaszcza o analogowej lub elektronicznej regulacji prędkości obrotów.

Korzystnym jest, jeżeli w trakcie pomiaru mierzy się temperaturę drugiej substancji przed i za pompą, a wynik tego pomiaru temperatury uwzględnia się przy wyznaczaniu stopnia suchości.

Korzystnym jest, jeżeli drugą substancję chłodzi się za pomocą przyłączonej do obiegu pomiarowego chłodnicy.

Korzystnym jest, jeżeli w trakcie pomiaru mierzy się temperaturę drugiej subst ancji przed i za chłodnicą, a wynik tego pomiaru temperatury uwzględnia się przy wyznaczaniu stopnia suchości.

Korzystnym jest, jeżeli w trakcie pomiaru dostosowuje się moc i częstotliwość wiązki mikrofal generowanej przez magnetron do właściwości fizycznych badanej substancji i/lub charakteru przepływu.

Korzystnym jest, jeżeli kształt wiązki mikrofal generowanych przez magnetron i kierowanej na odcinek rury pomiarowej ustala się poprzez wylot obudowy magnetronu.

Korzystnym jest, jeżeli wiązkę mikrofal po przejściu przez odcinek rury pomiarowej koncentruje się na fragmencie kanału obiegowego z wykorzystaniem koncentratora mikrofal.

Korzystnym jest, jeżeli do wyznaczenia stopnia suchości wykorzystuje się układ sterujący pracą magnetronu połączony z analogowo-cyfrowym układem pomiarowo-obliczeniowym.

Korzystnym jest, jeżeli do wyznaczenia stopnia suchości wykorzystuje się dane dotyczące charakterystyki przepływie w odcinku ru ry pomiarowej, zwłaszcza dane dotyczące: ciśnienia, temperatury, prędkości przepływu, i charakteru przepływu.

Korzystnym jest, jeżeli stopień suchości wyznacza się poprzez obliczenie energii strumienia mikrofal po przejściu przez badaną substancję na podstawie różnicy temperatur podgrzanej drugiej substancji po uwzględnieniu znanych właściwości fizycznych tych substancji i/lub po uwzględnieniu porównywania z danymi eksperymentalnymi.

Urządzenie do pomiaru stopnia suchości substancji przepływającej przez rurociąg, złożone z modułu generującego mikrofale, odcinka rury pomiarowej, oraz analogowo-cyfrowego układu pomiarowo-obliczeniowego, charakteryzuje się tym, że w skład urządzenia wchodzi zamknięty obieg pomiarowy zawierający fragment kanału z drugą substancją, który to fragment jest umieszczony w torze pomiarowym na drodze wiązki mikrofal przechodzącej przez badaną substancję w odcinku rury pomiarowej wykonanym w części lub w całości z materiału przepuszczającego mikrofale, a przed i za fragmentem są umieszczone czujniki temperatury drugiej substancji połączone z analogowo-cyfrowym układem pomiarowo-obliczeniowym, przy czym w skład modułu generującego mikrofale wchodzi co najmniej jeden magnetron usytuowany po przeciwnej stronie odcinka rury pomiarowej względem fragmentu kanału z drugą substancją.

Korzystnym jest, jeżeli odcinek rury pomiarowej usytuowany w torze pomiarowym pomiędzy magnetronem a fragmentem kanału z drugą substancją jest wykonany w części lub w całości z materiału przepuszczającego mikrofale, w szczególności szkła, ceramiki, tworzyw sztucznych albo materiałów kompozytowych.

Korzystnym jest, jeżeli odcinek rury pomiarowej ma przekrój o kształcie zbliżonym do kształtu rurociągu w który jest włączony, korzystnie o kształcie kolistym, owalnym, prostokątnym albo kwadratowym, zwłaszcza o kształcie odcinka rury pomiarowej miejscowo łagodnie zwężanym wzdłuż jednego z kierunków prostopadłych do kierunku przepływu przez odcinek rury i rozszerzanym wzdłuż drugiego z kierunków prostopadłych do kierunku przepływu przez odcinek rury pomiarowej, przy zachowaniu zbliżonego pola powierzchni przekroju wzdłuż całego odcinka rury pomiarowej.

Korzystnym jest, jeżeli mierniki temperatur stanowią elektroniczne mierniki temperatur o wysokiej dokładności pomiaru, wyposażone korzystnie w czujniki w postaci termoelementów i/lub termopar.

Korzystnym jest, jeżeli w skład zamkniętego obiegu pomiarowego wchodzi pompa, zwłaszcza o analogowej lub elektronicznej regulacji prędkości obrotów.

Korzystnym jest, jeżeli przed i za pompą są umieszczone dodatkowe czujniki temperatury drugiej substancji połączone z analogowo-cyfrowym układem pomiarowo-obliczeniowym.

Korzystnym jest, jeżeli w skład zamkniętego obiegu pomiarowego wchodzi chłodnica.

PL 237 161 B1

Korzystnym jest, jeżeli przed i za chłodnicą są umieszczone inne czujniki temperatury drugiej substancji połączone z analogowo-cyfrowym układem pomiarowo-obliczeniowym.

Korzystnym jest, jeżeli magnetron jest wyposażony w regulację częstotliwości i mocy wytwarzanej wiązki mikrofal.

Korzystnym jest, jeżeli magnetron jest umieszczony w ochronnej obudowie, wykonanej z materiału nieprzepuszczalnego dla mikrofal, korzystnie z metalu, przy czym wylot z obudowy ma formę szczeliny o długości zbliżonej do długości boku odcinka rury pomiarowej, na który kierowana jest wiązka mikrofal.

W korzystnym wykonaniu urządzenia w torze pomiarowym pomiędzy o dcinkiem rury pomiarowej a fragmentem kanału obiegu pomiarowego jest umieszczony koncentrator mikrofal wykonany z materiału odbijającego mikrofale, zwłaszcza w kształcie lejkowatym lub wklęsłego zwierciadła, a ponadto magnetron jest połączony z układem sterującym pracą modułu generującego mikrofale.

Rozwiązanie według wynalazku zapewnia dokładny i łatwy pomiar temperatury substancji przepływającej przez zamknięty obieg pomiarowy, dzięki czemu możliwe jest dokładne określenie zmiany energii strumienia mikrof al podczas przejścia przez tor pomiarowy, co z kolei umożliwia określenie stopnia suchości substancji przepływającej przez odcinek pomiarowy. Prosta konstrukcja urządzenia, uzyskana w wyniku zastosowania możliwie prostych elementów, zmniejsza jego potencjalną awaryjność i umożliwia ciągłe monitorowanie warunków panujących w rurociągu, przy nieustannym, ciągłym pomiarze stopnia suchości. Urządzenie może być łatwo połączone z układem pomiarowo-obliczeniowym wykorzystującym odpowiednie oprogramowanie i uzyskan e dane eksperymentalne do wyznaczenia stopnia suchości badanej substancji, z możliwością dołączenia urządzeń peryferyjnych służących do rejestracji i wizualizacji wyników pomiaru a także do komunikacji z innymi systemami.

Wynalazek jest objaśniony w przykładzie wykonania uwidocznionym na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przykładowy schemat urządzenia pomiarowego, a fig. 2 przedstawia przykładowy kształt odcinka rury pomiarowej o zmiennym, zasadniczo prostokątnym przekroju.

Rozwiązanie według wynalazku wymaga co do zasady trzech modułów: modułu generującego mikrofale, odcinka rury pomiarowej 2, oraz analogowo-cyfrowego układu pomiarowo-obliczeniowego. Te trzy moduły składają się na urządzenie pomiarowe 100, które po zapewnieniu stabilnego zasilania, wymaganego dla ciągłej generacji mikrofal, jest w stanie prowadzić pomiar stopnia suchości i komunikować się z użytkownikiem.

Podczas pomiaru wiązkę mikrofal przechodzącą przez badaną substancję wykorzystuje się do podgrzania strumienia drugiej substancji prze pływającej przez zamknięty obieg pomiarowy i mierzy się temperaturę drugiej substancji przed i po podgrzaniu, a wyniki pomiaru temperatury uwzględnia się przy wyznaczaniu stopnia suchości, przy czym wiązkę mikrofal wytwarza się przez co najmniej jeden magnetron 11 podczas pracy ciągłej lub przerywanej.

Moduł generujący mikrofale obejmuje magnetron 11, przystosowany do generowania mikrofal w sposób ciągły. Magnetron 11 może też być przystosowany do generowania mikrofal tylko o jednej, określonej częstotliwości lub też mieć możliwość zmieniania częstotliwości emitowanych mikrofal, albo może występować kilka magnetronów, pracujących jednocześnie lub przemiennie, o tych samych bądź różnych długościach fal, stałych lub regulowanych. Magnetrony mogą generować wiązki mikrofal z jedną, ustaloną mocą, lub też mieć możliwość płynnej lub skokowej regulacji mocy emitowanych mikrofal. Konkretnej konfiguracji magnetronów dokonuje się w oparciu o spodziewane parametry pomiaru, m.in. strumień masy czynnika, zakres mierzonego stopnia suchości, ciśnienie, temperaturę, wymia ry geometryczne rurociągu, oraz w szczególności - rodzaj czynnika. Częstotliwości fal, dla których zjawisko absorpcji energii fal przez materiał jest szczególnie dobrze obserwowalne, zależą od cech fizycznych substancji, przez co para wilgotna praktycznie każdej substancji może być mierzona z użyciem promieniowania elektromagnetycznego o odpowiedniej długości fali.

Jak przedstawiono na fig. 1 moduł generujący mikrofale zawiera co najmniej jeden magnetron 11 umieszczony w ochronnej obudowie 12, zabezpieczającej magnetron 11 przed możliwymi niekorzystnymi warunkami. Ochronna obudowa 12 posiada również wylot 13, przez który mikrofale wydostają się w kierunku odcinka rury pomiarowej 2, wykonany z materiału odbij ającego mikrofale i ukształtowanego tak, by wiązka opuszczająca magnetron 11 została skupiona lub rozproszona i była możliwie wąska i miała rozpiętość podobną do pola przekroju odcinka rury pomiarowej 2, aby wiązka mikrofal mogła przejść przez zasadniczo całe pole przekroju odcinka rury pomiarowej 2.

PL 237 161 B1

Odcinek rury pomiarowej 2 musi być wykonany, przynajmniej w niewielkiej części, z materiału dobrze przepuszczającego mikrofale - np. z tworzyw sztucznych lub szkła, odpowiednio do przepływającego czynnika, parametrów przepływu takich jak ciśnienie p i temperatura T, i częstotliwości mikrofal, aby nie powodować niepożądanego tłumienia/odbicia fal, jak również by zapewnić wymaganą wytrzymałość. Materiał przepuszczający mikrofale może być tylko częścią odcinka rury pomiarowej 2. Może na przykład tworzyć dwie ściany, paski ścian, wąski przekrój. Rura pomiarowa 2 może być wykonana w całości z materiału przepuszczającego mikrofale. Rura pomiarowa 2 może mieć przekrój kołowy, kwadratowy lub prostokątny, pokazany na fig. 2, stosownie do wymagań i możliwości, jak również może się miejscowo zwężać z łagodnymi przejściami, przy zachowaniu stałego pola przekroju by nie zwiększać niepotrzebnie oporów przepływu, oraz aby zapewnić skupionej, wzdłuż dłuższego boku zwężonego rurociągu 2 lub rozproszonej jak wachlarz, prostopadle do dłuższego boku zwężonego rury pomiarowej 2, wiązce mikrofal przejście przez cały przekrój strumienia przepływającego czynnika.

W skład analogowo-cyfrowego układu pomiarowo-obliczeniowego wchodzą następujące elementy: elektroniczny lub analogowy układ sterujący modułem generującym mikrofale, pompa obiegowa 32 sterowana elektronicznie lub analogowo, obieg pomiarowy 33, chłodnica 33a, koncentrator mikrofal 34, mierniki temperatur, 35a, 35b, a także przyłączony do układu pomiarowo-obliczeniowego elektroniczny układ obliczeniowo-sterujący.

Zadaniem elektronicznego lub analogowego układu sterującego modułem generującym mikrofale jest zapewnienie ciągłej pracy i generacji mikrofal o pożądanej w konkretnej chwili częstotliwości i mocy. Układ sterujący może posiadać środki do komunikacji przez przewody elektryczne bądź środki komunikacji bezprzewodowej, takie jak Bluetooth czy WiFi, z pozostałymi elementami urządzenia pomiarowego 100, zwłaszcza z elektronicznym układem obliczeniowo-sterującym, albo też komunikować się z innymi elementami nadrzędnych systemów sterująco-pomiarowych, np. zarządzającymi pracą elektrowni.

Częstotliwość emitowanych przez magnetron 11 mikrofal jest bardzo ważna i musi z jednej strony zapewniać zauważalną absorpcję energii mikrofal przez przepływającą substancję, ale absorpcja nie może być zbyt mocna, ponieważ wtedy wiązka mikrofal zostałaby w całości „wchłonięta” w odcinku rury pomiarowej 2, co uniemożliwiłoby to skuteczny pomiar. Częstotliwość należy dobierać np. z zakresu od kilku Hz do kilkuset GHz, korzystnie z zakresu od 1 do 500 GHz. Dodatkowo, moc generowanego strumienia mikrofal nie może być zbyt duża, by nie wpływać zbyt mocno na parametry substancji przepływającej przez odcinek rury pomiarowej 2 i by nie podgrzać zbytnio substancji w obiegu pomiarowym 33. Moc pracy magnetronu 11 należy zatem dobierać odpowiednio niewielką, np. z zakresu od ułamków W do kilkuset kW, korzystnie z zakresu od 1 W do 100 kW.

Koncentrator mikrofal 34 służy do skoncentrowania wiązki mikrofal która przeszła przez odcinek rury pomiarowej 2 i zmniejszenia przekroju wiązki do rozmiarów odpowiadających wymiarom rur obiegu pomiarowego 33, tj. by wiązka miała pole przekroju od kilku milimetrów kwadratowych do kilkunastu centymetrów kwadratowych. Koncentrator mikrofal 34 może być wykonany z dowolnego materiału dobrze odbijającego mikrofale, korzystnie z metalu. Koncentrator mikrofal 34 może mieć kształt zasadniczo lejkowaty, wklęsłego zwierciadła, lub może mieć formę kilku wklęsłych zwierciadeł lub formę zygzakowatego, zwężającego się ku końcowi kanału lub dowolną inną, zapewniającą kontrolowane prowadzenie wiązki mikrofal i jej skupianie. Celem koncentratora mikrofal 34 jest skierowanie skupionej wiązki mikrofal, które po przejściu przez odcinek rury pomiarowej 2 straciły część pierwotnej energii wiązki, na fragment 33b obiegu pomiarowego 33, wykon anego z materiału przepuszczającego mikrofale, takiego samego jaki został użyty do wykonania odcinka rury pomiarowej 2 lub dowolnego innego, mającego pożądane właściwości. Obieg pomiarowy 33 posiada kanał o niewielkim przekroju, w którym krąży substancja pomiarowa, korzystnie taka sama jak przepływająca przez odcinek rury pomiarowej 2, aczkolwiek możliwe jest też że substancje te będą się różnić. Warunkiem doboru substancji do obiegu pomiarowego 33 jest to, by absorbowała energię mikrofal w stopniu umożliwiającym zaobserwowanie jej podgrzania. Pompa obiegowa 32 steruje prędkością przepływu substancji w obiegu pomiarowym 33, natomiast chłodnica 33a zapewnia odpowiednie schłodzenie substancji, z wykorzystaniem dowolnych znanych w stanie techniki układów do chłodzenia. Temperatura substancji w obiegu pomiarowym 33 przed samą pompą obiegową 32 powinna być stała i nie przekraczać bezpiecznych wartości. Mierniki temperatur 35a i 35b

PL 237 161 B1 są umieszczone po obu stronach fragmentu 33b, na który trafiają mikrofale skupione przez koncentrator mikrofal 34. Możliwe jest też dodanie kolejnych mierników temperatury, np. przed pompą obiegową 32, przed i za chłodnicą 33a, aczkolwiek nie są one niezbędne.

Elektroniczny układ obliczeniowo-sterujący obejmuje dowolne środki do komunikacji z pozostałymi elementami tworzącymi urządzenie pomiarowe 100 i zbierania danych/modyfikacji ich pracy, dowolne środki do obliczeń oraz dowolne środki do interakcji z użytkownikiem, na przykład w formie wyświetlacza, panelu z przyciskami do sterowania, ekranu dotykowego lub komunikacji przewodowej lub bezprzewodowej z innymi urządzeniami. Układ obliczeniowo-sterujący może kontrolować i rejestrować parametry pracy modułu generującego mikrofale, może kontrolować i rejestrować parametry pracy pompy obiegowej 32, może rejestrować wskazania temperatur mierników temperatury 35a i 35b a także może obliczać poprzez zastosowanie dowolnych algorytmów obliczeniowych/porównawczych stopień suchości substancji przepływającej przez odcinek rury pomiarowej 2, zwłaszcza z użyciem zaimplementowanej bazy danych porównawczych. Elektroniczny układ sterujący modułem generującym mikrofale i układ obliczeniowo-sterujący nie zostały przedstawione na rysunkach, gdyż sposób ich połączeń z innymi elementami urządzenia pomiarowego 100 i lokalizacja nie wpływa na działanie wynalazku i może być zrealizowany w dowolny znany sposób.

Działanie urządzenia pomiarowego 100 obejmuje następujące etapy:

1. Magnetron 11 rozpoczyna generowanie mikrofal o odpowiedniej częstotliwości i mocy, pompa obiegowa 32 rozpoczyna pracę by wymusić przepływ cieczy w obiegu pomiarowym 33.

2. Kształt wiązki mikrofal jest ustalany przez elementy obudowy 12 magnetronu 11, w szczególności przez wylot 13, odpowiednio do kształtu odcinka rury pomiarowej 2.

3. Wiązka mikrofal przechodzi przez odcinek rury pomiarowej 2, wytracając część energii poprzez interakcje z przepływającą substancją.

4. Wiązka mikrofal po przejściu przez odcinek rury pomiarowej 2 trafia na koncentrator mikrofal 34, który skupia ją i kieruje na odcinek fragment 33b kanału obiegu pomiarowego 33.

5. Wiązka mikrofal przechodząc przez substancję płynącą w kanale obiegu pomiarowego 33 podgrzewa ją, wytracając kolejną część energii.

6. Mierniki temperatur 35a i 35b rejestrują temperatury substancji w obiegu pomiarowym 33 przed i po podgrzaniu.

7. Substancja w obiegu pomiarowym 33 po podgrzaniu dociera do chłodnicy 33a, gdzie schładza się do temperatury odpowiedniej dla pracy pompy obiegu pomiarowego 32.

8. Elektroniczny układ obliczeniowo-sterujący, na podstawie wcześniej zaprogram owanych instrukcji, monitoruje parametry pracy urządzenia pomiarowego 100 (temperatury, moce, prędkości), oblicza stopień suchości w odcinku rury pomiarowej 2 (na podstawie parametrów początkowych wiązki mikrofal i podgrzania substancji płynącej w obiegu p omiarowym 33 i wcześniejszych danych pomiarowych i z użyciem odpowiednich algorytmów obliczeniowych).

9. Układ obliczeniowo-sterujący sprawdza czy wszystkie mierzone i obliczane wielkości mieszczą się w pożądanych zakresach, ze względu na dokładność pomiarów i bezpieczeństwo pracy, i ewentualnie kalibruje pracę magnetronu 11, pompy obiegowej 32 lub chłodnicy 33a.

10. Układ obliczeniowo-sterujący wyświetla i/lub przesyła informacje o pracy urządzenia pomiarowego 100 i zmierzonych/obliczonych wielkościach, by poprzez interfejs dostępowy lub środki komunikacji przewodowej/bezprzewodowej do użytkownika i/lub innych urządzeń komunikujących, zarządzających i/lub rejestrujących.

Zaletą rozwiązania według wynalazku jest to, że przy dobraniu odpowiednio małego przekroju kanału obiegu pomiarowego 33, rzędu od kilku milimetrów do kilkunastu centymetrów, możliwe jest skuteczne podgrzanie płynącej w nim substancji i łatwy pomiar temperatur, na przykład z wykorzystaniem termoelementów/termopar, dzięki czemu możliwe jest dokładne określenie zmiany energii strumienia mikrofal podczas przejścia przez urządzenie pomiarowe 100, co z kolei umożliwia określenie stopnia suchości substancji przepływającej przez odcinek pomiarowy 2. Ponadto, dzięki zastosowaniu możliwie prostych elementów urządzenia pomiarowego 100 zmniejszono jego potencjalną awaryjność.

PL 237 161 B1

Zaletą wynalazku jest także to, że możliwe są szybkie i precyzyjne kalibracje parametrów pracy elementów urządzenia pomiarowego 100, przez co możliwe jest bieżące dopasowywanie się do dynam icznie zmiennych warunków panujących w rurociągu, przy nieustannym, ciągłym pomiarze stopnia suchości. Dodatkowo, dzięki zastosowanemu połączeniu elementów urządzenia, możliwe jest opracowanie działającego urządzenia 100 tylko na podstawie danych porównawc zych bez stosowania bardziej zaawansowanych i skomplikowanych metod obliczeniowych. Taka realizacja wymaga tylko zaimplementowania w pamięci urządzenia odpowiedniej bazy danych porównawczych. Należy przy tym zaznaczyć, że nie tylko woda jest zdolna do re agowania z falami elektromagnetycznymi, przez co wynalazek, w szczególnych realizacjach, może mieć zastosowanie do badania przepływów innych substancji, wymagając tylko kalibracji pod kątem różnych właściwości absorpcyjnych substancji przepływających przez rurociąg.

Claims (25)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób pomiaru stopnia suchości substancji przepływającej przez rurociąg, obejmujący generację wiązki mikrofal o znanej mocy, przepuszczenie mikrofal przez strumień badanej substancj i na odcinku rury pomiarowej wchodzącej w skład rurociągu, pomiar mocy wiązki mikrofal po przejściu przez badaną substancję i wyznaczenie stopnia suchości badanej substancji w oparciu o różnice mocy wiązki mikrofal, znamienny tym, że podczas pomiaru wiązkę mikrofal przechodzącą przez badaną substancję wykorzystuje się do podgrzania strumienia drugiej substancji przepływającej przez zamknięty obieg pomiarowy (33) i mierzy się temperaturę drugiej substancji przed i po podgrzaniu, a wyniki pomiaru temperatury uwzględnia się przy wyznaczaniu stopnia suchości, przy czym wiązkę mikrofal wytwarza się przez co najmniej jeden magnetron (11) podczas pracy ciągłej lub przerywanej.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że strumień drugiej substancji podgrzewa się poprzez fragment (33b) kanału obiegu pomiarowego (33), który umieszcza się w torze pomiarowym na drodze wiązki mikrofal przechodzącej przez badaną substancję w odcinku rury pomiarowej (2), przy czym do pomiaru temperatury drugiej substancji stosuje się mierniki temperatury (35a, 35b) umieszczone przed i za fragmentem (33b) kanału obiegu pomiarowego (33).
3. 3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że jako mierniki temperatur (35a, 35b) stosuje się elektroniczne mierniki temperatur.
4. 4. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że przepływ drugiej substancji przez kanał obiegu pomiarowego (33) wymusza się przy użyciu przyłączonej do obiegu pomiarowego (33) pompy (32).
5. 5. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że w trakcie pomiaru mierzy się temperaturę drugiej substancji przed i za pompą (32), a wynik tego pomiaru temperatury uwzględnia się przy wyznaczaniu stopnia suchości.
6. 6. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że drugą substancję chłodzi się za pomocą przyłączonej do obiegu pomiarowego chłodnicy (33a).
7. 7. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że w trakcie pomiaru mierzy się temperaturę drugiej substancji przed i za chłodnicą (33a), a wynik tego pomiaru temperatury uwzględnia się przy wyznaczaniu stopnia suchości.
8. 8. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w trakcie pomiaru dostosowuje się moc i częstotliwość wiązki mikrofal generowanej przez magnetron (11) do właściwości fizycznych badanej substancji i/lub charakteru przepływu.
9. 9. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że kształt wiązki mikrofal generowanych przez magnetron (11) i kierowanej na odcinek rury pomiarowej (2) ustala się poprzez wylot (13) obudowy (12) magnetronu (11).
10. 10. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że wiązkę mikrofal po przejściu przez odcinek rury pomiarowej (2) koncentruje się na fragmencie (33b) kanału obiegu pomiarowego (33) z wykorzystaniem koncentratora mikrofal (34).
11. 11. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że do wyznaczenia stopnia suchości wykorzystuje się układ sterujący pracą magnetronu (11) połączony z analogowo-cyfrowym układem pomiarowo-obliczeniowym.

    PL 237 161 B1
12. 12. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że do wyznaczenia stopnia suchości wykorzystuje się dane dotyczące charakterystyki przepływie w odcinku rury pomiarowej (2), zwłaszcza dane dotyczące: ciśnienia, temperatury, prędkości przepływu, i charakteru przepływu.
13. 13. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stopień suchości wyznacza się poprzez obliczenie energii strumienia mikrofal po przejściu przez badaną substancję na podstawie różnicy temperatur podgrzanej drugiej substancji po uwzględnieniu znanych właściwości fizycznych tych substancji i/lub po uwzględnieniu porównywania z danymi eksperymentalnymi.
14. 14. Urządzenie do pomiaru stopnia suchości substancji przepływającej przez rurociąg, złożone z modułu generującego mikrofale, odcinka rury pomiarowej, oraz z analogowo-cyfrowego układu pomiarowo-obliczeniowego, znamienne tym, że w skład urządzenia wchodzi zamknięty obieg pomiarowy (33) zawierający fragment (33b) kanału z drugą substancją, który to fragment (33b) jest umieszczony w torze pomiarowym na drodze wiązki mikrofal przechodzącej przez badaną substancję w odcinku rury pomiarowej (2) wykonanym w części lub w całości z materiału przepuszczającego mikrofale, a przed i za fragmentem (33b) są umieszczone czujniki temperatury (35a, 35b) drugiej substancji połączone z analogowo-cyfrowym układem pomiarowo-obliczeniowym, przy czym w skład modułu generującego mikrofale wchodzi co najmniej jeden magnetron (11) usytuowany po przeciwnej stronie odcinka rury pomiarowej (2) względem fragmentu (33b).
15. 15. Urządzenie według zastrz. 14, znamienne tym, że odcinek rury pomiarowej (2) usytuowany w torze pomiarowym pomiędzy magnetronem (11) a fragmentem (33b) jest wykonany w części lub w całości z materiału przepuszczającego mikrofale, w szczególności szkła, ceramiki, tworzyw sztucznych albo materiałów kompozytowych.
16. 16. Urządzenie według zastrz. 14, znamienne tym, że odcinek rury pomiarowej (2) ma przekrój o kształcie zbliżonym do kształtu rurociągu w który jest włączony, korzystnie o kształcie kolistym, owalnym, prostokątnym albo kwadratowym, zwłaszcza o kształcie odcinka rury pomiarowej (2) miejscowo łagodnie zwężanym wzdłuż jednego z kierunków prostopadłych do kierunku przepływu przez odcinek rury 2 i rozszerzanym wzdłuż drugiego z kierunków prostopadłych do kierunku przepływu przez odcinek rury pomiarowej (2), przy zachowaniu zbliżonego pola powierzchni przekroju wzdłuż całego odcinka rury pomiarowej (2).
17. 17. Urządzenie według zastrz. 14, znamienne tym, że mierniki temperatur (35a, 35b) stanowią elektroniczne mierniki temperatur o wysokiej dokładności pomiaru, wyposażone korzystnie w czujniki w postaci termoelementów i/lub termopar.
18. 18. Urządzenie według zastrz. 14, znamienne tym, że w skład zamkniętego obiegu pomiarowego (33) wchodzi pompa (32), zwłaszcza o analogowej lub elektronicznej regulacji prędkości obrotów.
19. 19. Urządzenie według zastrz. 18, znamienne tym, że przed i za pompą (32) są umieszczone dodatkowe czujniki temperatury drugiej substancji połączone z analogowo-cyfrowym układem pomiarowo-obliczeniowym.
20. 20. Urządzenie według zastrz. 14, znamienne tym, że w skład zamkniętego obiegu pomiarowego (33) wchodzi chłodnica (33a).
21. 21. Urządzenie według zastrz. 20, znamienne tym, że przed i za chłodnicą (33a) są umieszczone inne czujniki temperatury drugiej substancji połączone z analogowo-cyfrowym układem pomiarowo-obliczeniowym.
22. 22. Urządzenie według zastrz. 14, znamienne tym, że magnetron (11) jest wyposażony w regulację częstotliwości i mocy wytwarzanej wiązki mikrofal.
23. 23. Urządzenie według zastrz. 14, znamienne tym, że magnetron (11) jest umieszczony w ochronnej obudowie (12), wykonanej z materiału nieprzepuszczalnego dla mikrofal, korzystnie z metalu, przy czym wylot (13) z obudowy (12) ma formę szczeliny o długości zbliżonej do długości boku odcinka rury pomiarowej (2), na który kierowana jest wiązka mikrofal.
24. 24. Urządzenie według zastrz. 14, znamienne tym, że w torze pomiarowym pomiędzy odcinkiem rury pomiarowej (2) a fragmentem (33b) kanału obiegu pomiarowego (33) jest umieszczony koncentrator mikrofal (34) wykonany z materiału odbijającego mikrofale, zwłaszcza w kształcie lejkowatym lub wklęsłego zwierciadła.
25. 25. Urządzenie według zastrz. 14, znamienne tym, że magnetron (11) jest połączony z układem sterującym pracą modułu generującego mikrofale.