RU2246721C1

RU2246721C1 - Device for measuring concentration of loose material in pipeline

Info

Publication number: RU2246721C1
Application number: RU2003129562/28A
Authority: RU
Inventors: А.С. Совлуков (RU); А.С. Совлуков; В.И. Терешин (RU); В.И. Терешин
Original assignee: Совлуков Александр Сергеевич; Терешин Виктор Ильич
Priority date: 2003-10-07
Filing date: 2003-10-07
Publication date: 2005-02-20

Abstract

FIELD: investigating or analyzing materials.

SUBSTANCE: device comprises measuring section made of dielectric pipe whose inner diameter is equal to the inner diameter of the pipeline, two electrodes which form a capacitor made of segments of the dielectric pipe, mounted diametrically opposite, and connected with the electronic unit. The electronic unit has a self-excited oscillator whose frequency-generating circuit includes the capacitor and device for processing frequencies with the indicator. The electrodes are arranged inside the dielectric pipe of the measuring section. The transverse length of each electrode can be greater than half inner diameter of the pipeline. The longitudinal length of each electrode may not exceed half length of the dielectric pipe.

EFFECT: enhanced sensitivity.

2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения концентрации различных сыпучих материалов, перемещаемых по трубопроводам. В частности, оно может быть применено для контроля работы пневмотранспорта сыпучих материалов, в том числе для определения концентрации, массы транспортируемого вещества, расхода, контроля закупорки трубопровода сыпучим веществом. Области его возможного применения - пищевая промышленность (мука на хлебокомбинатах), промышленность строительных материалов (цемент), энергетика (молотый уголь) и др.The invention relates to measuring equipment and can be used for high-precision determination of the concentration of various bulk materials transported through pipelines. In particular, it can be used to control the operation of pneumatic conveying of bulk materials, including to determine the concentration, mass of the transported substance, flow rate, and control of blockage of the pipeline by bulk material. The areas of its possible application are the food industry (flour at bakeries), the industry of building materials (cement), energy (ground coal), etc.

Известны различные устройства для определения концентрации материалов, перемещаемых по трубопроводам (авт. свид. СССР N913208, М. Кл. G 01 N 27/02; Европейский пат. N0308004, М. Кл. G 01 N 27/22). Они основаны на измерении электрофизических параметров (диэлектрической проницаемости, электропроводности) контролируемого вещества и функционально с ними связанной концентрации данного вещества.There are various devices for determining the concentration of materials transported through pipelines (ed. Certificate of the USSR N913208, M. Cl. G 01 N 27/02; European Pat. N0308004, M. Cl. G 01 N 27/22). They are based on the measurement of the electrophysical parameters (dielectric constant, electrical conductivity) of the controlled substance and the concentration of the substance that is functionally related to them.

Известно также техническое решение (статья в журнале: Journal of Physics E: Scientific Instruments. 1985. Vol. 18. N7. Р.587-592), которое содержит описание устройства, по технической сущности наиболее близкого к предлагаемому устройству и принятого в качестве прототипа. Это устройство-прототип содержит совокупность двух электродов, расположенных на поверхности диэлектрической трубы на измерительном участке трубопровода. Эти электроды образуют электрическую емкость и имеют форму, повторяющую форму трубопровода. Данные электроды расположены или на внешней поверхности указанной диэлектрической трубы, или на ее внутренней поверхности, находясь в последнем случае в непосредственном контакте с контролируемым материалом. Недостатком этого устройства-прототипа является невысокая точность измерения, обусловленная, во-первых, невысокой чувствительностью (при внешнем по отношению к трубе расположении электродов), во-вторых, невысокой точностью (при внутреннем расположении электродов). В последнем случае точность может снижаться вследствие влияния на результаты измерения переменной электропроводности контролируемого материала при контроле материалов (в частности, влагосодержащих материалов), являющихся несовершенными диэлектриками.There is also a technical solution (article in the journal: Journal of Physics E: Scientific Instruments. 1985. Vol. 18. N7. P.587-592), which contains a description of the device, which, by technical essence, is closest to the proposed device and adopted as a prototype . This prototype device contains a combination of two electrodes located on the surface of the dielectric pipe in the measuring section of the pipeline. These electrodes form an electric capacitance and have a shape that repeats the shape of the pipeline. These electrodes are located either on the outer surface of the specified dielectric tube, or on its inner surface, being in the latter case in direct contact with the controlled material. The disadvantage of this prototype device is the low accuracy of the measurement, due, firstly, to low sensitivity (with an external arrangement of electrodes relative to the pipe), and secondly, to low accuracy (with an internal arrangement of electrodes). In the latter case, the accuracy may decrease due to the influence on the measurement results of the variable electrical conductivity of the controlled material during the control of materials (in particular, moisture-containing materials), which are imperfect dielectrics.

Целью предлагаемого изобретения является повышение чувствительности и точности измерения.The aim of the invention is to increase the sensitivity and accuracy of measurement.

Поставленная цель в предлагаемом устройстве для измерения концентрации сыпучего материала в трубопроводе, содержащем измерительный участок в виде диэлектрической трубы с внутренним диаметром, равным внутреннему диаметру трубопровода, образующие электрическую емкость два электрода, которые выполнены по форме в виде сегментов диэлектрической трубы, установлены диаметрально противоположно и подсоединены к электронному блоку, достигается тем, что электронный блок содержит последовательно соединенные автогенератор, в частотозадающую цепь которого включена указанная электрическая емкость, и устройство обработки частот с индикатором, а электроды размещены внутри диэлектрической трубы измерительного участка. Поперечная длина каждого электрода может быть больше половины внутреннего диаметра трубопровода. Продольная длина каждого электрода может составлять не более половины длины диэлектрической трубы.The goal in the proposed device for measuring the concentration of bulk material in a pipeline containing a measuring section in the form of a dielectric pipe with an inner diameter equal to the inner diameter of the pipeline, two electrodes forming an electric capacitance, which are made in the form of segments of a dielectric pipe, are diametrically opposed and connected to the electronic unit, is achieved by the fact that the electronic unit contains a series-connected oscillator, in the frequency setting the circuit of which includes the indicated electric capacitance, and a frequency processing device with an indicator, and the electrodes are placed inside the dielectric pipe of the measuring section. The transverse length of each electrode may be more than half the internal diameter of the pipeline. The longitudinal length of each electrode can be no more than half the length of the dielectric tube.

Существенными отличительными признаками, по мнению авторов, является, во-первых, указанная электрическая емкость включена в частотозадающую цепь автогенератора; во-вторых, оба электрода размещены ("утоплены") внутри диэлектрической трубы измерительного участка трубопровода; в-третьих, поперечный размер каждого электрода может составлять более половины внутреннего диаметра трубопровода, т.е. не менее πD/6, где D - внутренний диаметр трубопровода; в-четвертых, продольная длина каждого электрода может составлять не более половины длины диэлектрической трубы.The essential distinguishing features, according to the authors, is, firstly, the indicated electric capacitance is included in the frequency-setting circuit of the oscillator; secondly, both electrodes are placed ("recessed") inside the dielectric pipe of the measuring section of the pipeline; thirdly, the transverse dimension of each electrode can be more than half the internal diameter of the pipeline, i.e. not less than πD / 6, where D is the internal diameter of the pipeline; fourthly, the longitudinal length of each electrode can be no more than half the length of the dielectric tube.

Совокупность отличительных признаков предлагаемого устройства обусловливает его новые свойства: возможность проведения измерений без нарушения динамики потока сыпучего материала при обеспечении высокой чувствительности к концентрации контролируемого материала и ее изменениям.The combination of distinctive features of the proposed device determines its new properties: the ability to take measurements without disturbing the dynamics of the flow of bulk material while ensuring high sensitivity to the concentration of the controlled material and its changes.

Данное свойство обеспечивает полезный эффект, сформулированный в цели предложения.This property provides a useful effect formulated for the purpose of the proposal.

На чертеже схематически изображена схема предлагаемого устройства (показано поперечное сечение измерительного участка трубопровода). Здесь введены обозначения: 1 - трубопровод; 2 - диэлектрическая труба; 3 и 4 - электроды; 5 и 6 - соединительные проводники; 7 - электронный блок; 8 - индуктивность, 9 - автогенератор; 10 - частотомер.The drawing schematically shows a diagram of the proposed device (shows a cross section of the measuring section of the pipeline). Designations are introduced here: 1 - pipeline; 2 - dielectric pipe; 3 and 4 - electrodes; 5 and 6 - connecting conductors; 7 - electronic unit; 8 - inductance, 9 - oscillator; 10 - frequency counter.

Устройство работает следующим образом. На измерительном участке трубопровода 1, по которому перемещается контролируемый сыпучий материал, установлена диэлектрическая труба 2 с тем же внутренним диаметром, как и у трубопровода 1. При этом не нарушается динамика потока сыпучего материала. Внутри этой трубы 2 установлены ("утоплены") диаметрально противоположно два электрода 3 и 4, которые выполнены в виде вогнутых сегментов поверхности трубопровода (или трубы 2). Они образуют электрическую емкость, величина которой является функцией концентрации перемещаемого сыпучего вещества. Выбором глубины погружения данных электродов в материал трубы 2, а также их продольного и поперечного размеров можно регулировать чувствительность датчика концентрации материала. Как показывают эксперименты, целесообразно (с точки зрения обеспечения высокой чувствительности датчика) выбирать поперечную длину каждого электрода в зависимости от размера поперечного сечения трубопровода, соответствующего центральному углу θ не менее 60° (фиг.1), а продольную длину каждого электрода - не более половины длины L диэлектрической трубы. Центральному углу θ соответствует дуга длиной l=πDθ/360, где угол θ записан в градусах; D - внутренний диаметр трубы 2. Следовательно, поперечная длина l каждого электрода должна быть не менее πD/6 (в единицах измерения диаметра D, например, в мм), то есть более половины внутреннего диаметра трубопровода.The device operates as follows. On the measuring section of the pipeline 1, through which the controlled bulk material moves, a dielectric pipe 2 is installed with the same inner diameter as that of the pipe 1. In this case, the flow dynamics of the bulk material is not disturbed. Inside this pipe 2, two electrodes 3 and 4 are installed ("recessed") diametrically opposite, which are made in the form of concave segments of the surface of the pipeline (or pipe 2). They form an electric capacitance, the value of which is a function of the concentration of the transported bulk material. By choosing the immersion depth of these electrodes in the pipe material 2, as well as their longitudinal and transverse dimensions, the sensitivity of the material concentration sensor can be adjusted. As experiments show, it is advisable (from the point of view of ensuring high sensitivity of the sensor) to choose the transverse length of each electrode depending on the size of the cross section of the pipeline corresponding to the central angle θ of at least 60 ° (Fig. 1), and the longitudinal length of each electrode is not more than half the length L of the dielectric tube. The central angle θ corresponds to an arc of length l = πDθ / 360, where the angle θ is recorded in degrees; D is the inner diameter of the pipe 2. Therefore, the transverse length l of each electrode must be at least πD / 6 (in units of diameter D, for example, in mm), that is, more than half the inner diameter of the pipeline.

При поперечной длине каждого электрода 3 и 4, меньшей, чем πD/6, снижается чувствительность из-за того, что электрическое поле не охватывает все поперечное сечение трубопровода. Это особенно недопустимо при неполном заполнении сечения трубопровода контролируемым веществом.When the transverse length of each electrode 3 and 4 is less than πD / 6, the sensitivity decreases due to the fact that the electric field does not cover the entire cross section of the pipeline. This is especially unacceptable if the cross-section of the pipeline is incomplete with a controlled substance.

Выбор продольной длины каждого электрода 3 и 4 обусловлен следующим. При ее большем, чем L/2, значении увеличиваются значения электрической емкости между электродами и металлическими фланцами измерительного участка трубопровода. Это же, однако, приводит к нежелательному перераспределению электрического поля между электродами. А именно, энергия электрического поля уменьшается в центральной части поперечного сечения; линии электрического поля искривляются в сторону фланцев.The choice of the longitudinal length of each electrode 3 and 4 is due to the following. When it is larger than L / 2, the value of the electric capacitance increases between the electrodes and the metal flanges of the measuring section of the pipeline. This, however, leads to an undesirable redistribution of the electric field between the electrodes. Namely, the energy of the electric field decreases in the central part of the cross section; electric field lines curve towards the flanges.

Электроды 3 и 4 подсоединены односторонними концами с помощью соединительных проводников 5 и 6 к электронному блоку 7. Он содержит автогенератор 8, в частотозадающую цепь которого включена электрическая емкость, образованная электродами 3 и 4, а также индуктивность 8. Данные емкость и индуктивность образуют колебательный контур, резонансная частота которого зависит от измеряемой концентрации сыпучего материала. К выходу автогенератора 9 подсоединен частотомер 10, по показаниям которого судят об искомой концентрации. Выбор частоты автогенератора вThe electrodes 3 and 4 are connected at their one-sided ends using the connecting conductors 5 and 6 to the electronic unit 7. It contains an oscillator 8, in the frequency setting circuit of which is connected an electric capacitance formed by electrodes 3 and 4, as well as an inductance 8. These capacitance and inductance form an oscillatory circuit whose resonant frequency depends on the measured concentration of bulk material. A frequency meter 10 is connected to the output of the oscillator 9, according to the readings of which a desired concentration is judged. Frequency selection in

качестве информативного параметра устройства обеспечивает высокую точность ее определения и, следовательно, и измеряемой концентрации сыпучего материала.as an informative parameter of the device provides high accuracy of its determination and, consequently, the measured concentration of bulk material.

Этот фактор, а также отсутствие контакта электродов с этим материалом и их расположение в толще сечения трубы 2, обеспечивающее отсутствие влияния на динамику потока при сохранении высокой чувствительности устройства, характеризуют преимущества данного устройства по сравнению с прототипом. Возможность изменения глубины погружения измерительных электродов 3 и 4 в диэлектрическую трубу 2 позволяет, в отличие от прототипа, управлять чувствительностью устройства к измеряемой концентрации с учетом электрофизических параметров контролируемого вещества.This factor, as well as the lack of contact of the electrodes with this material and their location in the thickness of the cross section of the pipe 2, which provides no influence on the flow dynamics while maintaining high sensitivity of the device, characterize the advantages of this device compared to the prototype. The ability to change the immersion depth of the measuring electrodes 3 and 4 in the dielectric tube 2 allows, in contrast to the prototype, to control the sensitivity of the device to the measured concentration, taking into account the electrophysical parameters of the controlled substance.

Например, параметры элементов рассматриваемого устройства могут быть следующие. Труба 2, изготовленная из фторопласта, имеет следующие размеры: внутренний диаметр 60 мм, наружный диаметр 100 мм. Трубопровод 1 из металла или диэлектрика имеет такие же размеры. Два медных электрода 3 и 4, имеющих толщину 1 мм, продольную и поперечную длину 40 мм, установлены в трубе 2 на глубине 2 мм или 3 мм от внутренней поверхности этой трубы. Плоские медные электроды 5 и 6 имеют ширину 10 мм. Катушка индуктивности 8 из фторопласта диаметром 30 мм имеет 2,5 витка медного провода. При включении данной конструкции датчика в частотозадающую цепь автогенератора 9 его частота генерации составляет 120 МГц в отсутствие контролируемого материала в трубе 2. Схема автогенератора содержит источник питания 5 В. Выходной сигнал (частота) автогенератора поступает в устройство обработки частот 10. В нем производится измерение текущего значения частоты автогенератора, вычисление разности данной частоты и исходной (в отсутствие контролируемого материала) частоты автогенератора. Данная разность частот функционально зависит от измеряемой концентрации сыпучего материала. Она, в свою очередь, зависит от электрофизических параметров (диэлектрической проницаемости, проводимости) контролируемого материала. При контроле потока муки изменение частоты реально уменьшается до примерно 110 МГц при полном заполнении рассматриваемого трубопровода. Определяя величину этой частоты, можно, в частности, контролировать степень заполнения трубопровода сыпучим материалом, например, мукой, сигнализировать о прекращении (останове) потока, вызванного его забивкой материалом. В зависимости от контролируемого материала параметры конструкции устройства выбираются в пределах указанных соотношений размеров электродов 3 и 4 датчика и диэлектрической трубы 2.For example, the parameters of the elements of the device in question may be as follows. The pipe 2 made of fluoroplastic has the following dimensions: inner diameter 60 mm, outer diameter 100 mm. The pipe 1 of metal or dielectric has the same dimensions. Two copper electrodes 3 and 4, having a thickness of 1 mm, a longitudinal and transverse length of 40 mm, are installed in the pipe 2 at a depth of 2 mm or 3 mm from the inner surface of this pipe. Flat copper electrodes 5 and 6 have a width of 10 mm. A fluoroplastic inductance coil 8 of diameter 30 mm has 2.5 turns of copper wire. When this design of the sensor is included in the frequency-setting circuit of the oscillator 9, its generation frequency is 120 MHz in the absence of controlled material in the pipe 2. The oscillator circuit contains a 5 V power supply. The output signal (frequency) of the oscillator is supplied to the frequency processing device 10. It measures the current values of the frequency of the oscillator, calculating the difference between this frequency and the original (in the absence of controlled material) the oscillator frequency. This frequency difference is functionally dependent on the measured concentration of bulk material. It, in turn, depends on the electrophysical parameters (dielectric constant, conductivity) of the controlled material. When controlling the flow of flour, the frequency change actually decreases to about 110 MHz when the pipeline in question is completely filled. By determining the magnitude of this frequency, it is possible, in particular, to control the degree of filling of the pipeline with bulk material, for example flour, to signal the termination (stop) of the flow caused by its clogging with material. Depending on the material being monitored, the design parameters of the device are selected within the specified ratios of the sizes of the electrodes 3 and 4 of the sensor and the dielectric pipe 2.

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает высокую чувствительность к измеряемой концентрации (за счет параметров конструкции датчика), высокую точность измерения (за счет выбора информативного параметра устройства). Оно может быть применено в различных технологических процессах для высокоточного, оперативного определения концентрации сыпучих материалов, перемещаемых по трубопроводам, для контроля работы пневмотранспорта, а также в устройствах для определения массового расхода перемещаемых сыпучих материалов. Также оно может быть использовано для определения текущих значений физических параметров (плотности, концентрации и т.п.) жидкостей в трубопроводах.Thus, the proposed device provides high sensitivity to the measured concentration (due to the design parameters of the sensor), high measurement accuracy (due to the choice of the informative parameter of the device). It can be used in various technological processes for high-precision, operational determination of the concentration of bulk materials transported through pipelines, for monitoring the operation of pneumatic conveying, as well as in devices for determining the mass flow rate of bulk materials being transported. It can also be used to determine the current values of physical parameters (density, concentration, etc.) of liquids in pipelines.

Claims

1. A device for measuring the concentration of bulk material in a pipeline, containing a measuring section in the form of a dielectric pipe with an inner diameter equal to the inner diameter of the pipeline, two electrodes forming an electric capacitance, which are made in the form of segments of a dielectric pipe, are diametrically opposed and connected to the electronic unit, characterized in that the electronic unit contains a series-connected oscillator, in the frequency setting circuit of which is indicated Single electrical capacitance, and frequency processing device with display and the electrodes are placed inside the dielectric of the measuring pipe portion.

2. A device for measuring the concentration of bulk material in a pipeline according to claim 1, characterized in that the transverse length of each electrode is greater than half the inner diameter of the pipeline.

3. The device for measuring the concentration of bulk material in the pipeline according to claim 1, characterized in that the longitudinal length of each electrode does not exceed half the length of the dielectric pipe.