RU2597663C1 - Device for measuring flow velocity of liquid media - Google Patents

Device for measuring flow velocity of liquid media Download PDF

Info

Publication number
RU2597663C1
RU2597663C1 RU2015129363/28A RU2015129363A RU2597663C1 RU 2597663 C1 RU2597663 C1 RU 2597663C1 RU 2015129363/28 A RU2015129363/28 A RU 2015129363/28A RU 2015129363 A RU2015129363 A RU 2015129363A RU 2597663 C1 RU2597663 C1 RU 2597663C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
output
input
directional coupler
circulator
phase detector
Prior art date
Application number
RU2015129363/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Дмитрий Владиленович Хаблов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук
Priority to RU2015129363/28A priority Critical patent/RU2597663C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2597663C1 publication Critical patent/RU2597663C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Measuring Volume Flow (AREA)

Abstract

FIELD: measuring equipment.
SUBSTANCE: invention relates to measurement equipment and can be used for high-precision measurement of flow velocity and flow rate of liquid media in the pipelines. Device comprises a microwave generator, a circulator, a transmitting-receiving antenna directed to flow direction through the radio-transparent window in the pipeline at an angle, blending machine, computing unit, connected to the output of the blending machine, and the first directional coupler, the main output of which is connected to the first input of the circulator, and additional output is connected to the first input of the blending machine. At that, the second input of the mixer is connected to the second output of the circulator, and the third output of the circulator is connected to receiving-transmitting antenna. Additionally, the device contains the second and the third directional couplers, a phase detector, connected to the control input of the microwave generator by the output, output of which is connected to the input of the second directional coupler, the main output of which is connected to the input of the third directional couplers, additional output of which is connected to the first input of the phase detector, the devices of input and output of electromagnetic wave in pipeline connected with the main output of the third directional coupler and to the second input of the phase detector, frequency multiplier, connected to extra output of the second directional coupler by the input, and to the input of the first directional coupler by the output.
EFFECT: technical result is increase in accuracy of measurement.
1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного измерения скорости потока и расхода жидкостей в трубопроводах. В частности, при трубопроводной транспортировке нефтепродуктов, сжиженных газов и др.The invention relates to measuring equipment and can be used for high-precision measurement of flow rate and flow rate of liquids in pipelines. In particular, during pipeline transportation of oil products, liquefied gases, etc.

В настоящее время известны и применяется много типов анеометров и расходомеров, основанных на разных физических принципах действия, среди которых актуальны доплеровские радиоволновые способы измерения скорости потока из-за своей способности работать в сложных эксплуатационных условиях (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат, 1989. 133-144 с.). Эти способы не предполагают применение элементов внутри труб, контактирующих со средой, создающих препятствия и неоднородности в потоке, устойчивы к температурным характеристикам эксплуатации. Обычно функциональная схема доплеровского измерителя скорости потока в простейшем случае содержит генератор электромагнитных колебаний, которые поступают на передающую антенну. Излучаемые антенной волны через радиопрозрачное окно в стенке трубопровода поступают внутрь и рассеиваются на неоднородностях движущейся жидкости и поступают на приемную антенну с частотой

Figure 00000001
, отличной от частоты
Figure 00000002
зондирующей волны на частоту
Figure 00000003
. Неоднородностями в измеряемой жидкой среде при этом могут быть газовые и твердые включения, а также другие жидкости, обладающие электрофизическими параметрами ε, отличными от таковых для контролируемого вещества. Направления движения неоднородностей образуют различные углы с направлением этой волны. Произвольная ориентация неоднородностей, случайные значения фазы отраженных каждой неоднородностью сигналов приводят к образованию доплеровского сигнала сложной формы. Тем не менее, средняя доплеровская частота
Figure 00000004
связана со средней скоростью потока
Figure 00000005
по формуле:Currently, many types of aneometers and flow meters are known and are used, based on different physical principles of operation, among which Doppler radio wave methods for measuring the flow velocity are relevant because of their ability to work in difficult operating conditions (Viktorov V.A., Lunkin B.V. , Sovlukov AS Radio wave measurements of the parameters of technological processes. M: Energoatomizdat, 1989. 133-144 p.). These methods do not involve the use of elements inside pipes that are in contact with the medium, creating obstacles and inhomogeneities in the flow, and are resistant to the temperature characteristics of operation. Usually, the functional diagram of a Doppler flow velocity meter in the simplest case contains an electromagnetic oscillation generator that arrives at the transmitting antenna. Radiated by the antenna waves through a radiolucent window in the wall of the pipeline enter and dissipate on the inhomogeneities of the moving fluid and arrive at the receiving antenna with a frequency
Figure 00000001
different from frequency
Figure 00000002
sounding wave at a frequency
Figure 00000003
. In this case, inhomogeneities in the measured liquid medium can be gaseous and solid inclusions, as well as other liquids with electrophysical parameters ε different from those for the controlled substance. The directions of motion of the inhomogeneities form different angles with the direction of this wave. Arbitrary orientation of the inhomogeneities, random phase values of the signals reflected by each heterogeneity lead to the formation of a complex Doppler signal. However, the average Doppler frequency
Figure 00000004
related to average flow rate
Figure 00000005
according to the formula:

Figure 00000006
Figure 00000006

где α - угол между направлением излучения и потоком в трубе,

Figure 00000007
- длина волны в среде измерения, а ε - ее диэлектрическая проницаемость, с - скорость света в вакууме. Зная объемную плотность ρ вещества и скорость v потока, можно определить массовый расход:where α is the angle between the direction of radiation and the flow in the pipe,
Figure 00000007
is the wavelength in the measuring medium, and ε is its dielectric constant, and c is the speed of light in vacuum. Knowing the bulk density ρ of the substance and the velocity v of the flow, we can determine the mass flow rate:

Figure 00000008
Figure 00000008

где S - площадь поперечного сечения потока на измерительном участке. Подставив значение

Figure 00000009
из выражения (1) в (2), получим выражение для среднего массового расходаwhere S is the cross-sectional area of the flow in the measuring section. Substituting the value
Figure 00000009
from the expression (1) in (2), we obtain the expression for the average mass flow rate

Figure 00000010
Figure 00000010

Известно техническое решение - доплеровский измеритель скорости потока, содержащий генератор СВЧ, направленный ответвитель, циркулятор, приемо-передающую антенну, смеситель, полосовой фильтр, регистрирующее устройство, по технической сущности наиболее близкое к предлагаемому устройству и принятое в качестве прототипа (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат, 1989. 136-137 с.). Доплеровский сигнал в данном устройстве выделялся на выходе смесителя, на один вход которого поступал опорный сигнал от задающего генератора через направленный ответвитель, а на второй - сигнал, отраженный от потока вещества после облучения его через приемо-передающую антенну под углом α к потоку в трубе через герметичное радиопрозрачное окно. При этом для связи между генератором, антенной и смесителем использовался циркулятор. После фильтрации и записи доплеровского сигнала, по максимуму спектральной плотности которого определялась средняя доплеровская частота, оценивался расход в соответствии с формулой (3).A technical solution is known - a Doppler flow velocity meter containing a microwave generator, a directional coupler, a circulator, a transceiver antenna, a mixer, a band-pass filter, a recording device, which in technical essence is closest to the proposed device and adopted as a prototype (V. Viktorov , Lunkin B.V., Sovlukov A.S. Radio wave measurements of the parameters of technological processes.M.: Energoatomizdat, 1989. 136-137 p.). The Doppler signal in this device was allocated at the output of the mixer, the reference signal from the master oscillator through a directional coupler fed to one input, and the signal reflected from the substance flow after irradiation through the transceiver antenna at an angle α to the flow in the pipe through tight radio-transparent window. In this case, a circulator was used for communication between the generator, antenna, and mixer. After filtering and recording the Doppler signal, whose maximum spectral density determined the average Doppler frequency, the flow rate was estimated in accordance with formula (3).

Данное измерительное устройство имеет существенный недостаток. Из формулы (1) следует, что скорость потокаThis measuring device has a significant drawback. From formula (1) it follows that the flow rate

Figure 00000011
Figure 00000011

зависит от диэлектрической проницаемости среды, которая в реальных условиях может постоянно меняться из-за изменений химического состава и температуры. Это приводит к погрешности в измерении скорости потока и, следовательно, расхода.depends on the dielectric constant of the medium, which in real conditions can constantly change due to changes in chemical composition and temperature. This leads to errors in the measurement of the flow rate and, consequently, the flow rate.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерения.The technical result of the present invention is to improve the accuracy of measurement.

Технический результат достигается тем, что радиоволновое устройство для измерения скорости потока жидких сред содержит генератор СВЧ, циркулятор, приемо-передающую антенну, направленную через радиопрозрачное окно в трубопроводе под углом к направлению движения потока, смеситель, вычислительный блок, соединенный с выходом смесителя, и первый направленный ответвитель, основной выход которого соединен с первым входом циркулятора, а дополнительный выход соединен с первым входом смесителя, при этом второй вход смесителя соединен со вторым выводом циркулятора, а третий вывод циркулятора соединен с приемо-передающей антенной. Дополнительно устройство содержит второй и третий направленные ответвители, фазовый детектор, выходом соединенный с управляющим входом генератора СВЧ, выход которого соединен с входом второго направленного ответвителя, основной выход которого в свою очередь соединен с входом третьего направленного ответвителя, дополнительный выход которого соединен с первым входом фазового детектора, устройства ввода и вывода электромагнитной волны в трубопровод, соединенные соответственно с основным выходом третьего направленного ответвителя и со вторым входом фазового детектора, умножитель частоты, входом соединенный с дополнительным выходом второго направленного ответвителя, а выходом с входом первого направленного ответвителя.The technical result is achieved in that the radio wave device for measuring the flow rate of liquid media contains a microwave generator, a circulator, a transceiver antenna directed through a radio-transparent window in the pipeline at an angle to the direction of flow, a mixer, a computing unit connected to the output of the mixer, and the first directional coupler, the main output of which is connected to the first input of the circulator, and the additional output is connected to the first input of the mixer, while the second input of the mixer is connected to the second terminal of the circulator and a third terminal of the circulator is connected to the transceiver antenna. Additionally, the device contains a second and third directional couplers, a phase detector, connected to the control input of the microwave generator by the output, the output of which is connected to the input of the second directional coupler, the main output of which is in turn connected to the input of the third directional coupler, the additional output of which is connected to the first input of the phase detector, input and output devices of the electromagnetic wave into the pipeline, respectively connected to the main output of the third directional coupler and about the second input of the phase detector, the frequency multiplier, the input connected to the additional output of the second directional coupler, and the output with the input of the first directional coupler.

Предлагаемое устройство поясняется чертежом, где представлена его структурная схема.The proposed device is illustrated in the drawing, which presents its structural diagram.

Устройство содержит генератор СВЧ 1, направленные ответвители - 2, 3 и 8, устройство ввода электромагнитной волны в трубопровод 4 и вывода из него - 5, фазовый детектор 6, умножитель частоты 7, циркулятор 9, приемо-передающую антенну 10, смеситель 11 и вычислительный блок 12.The device comprises a microwave generator 1, directional couplers - 2, 3, and 8, an electromagnetic wave input device into and out of pipeline 4, a phase detector 6, a frequency multiplier 7, a circulator 9, a transceiver antenna 10, a mixer 11, and a computing block 12.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Электромагнитные волны, поступающие от генератора СВЧ 1 с частотой

Figure 00000012
, через направленные ответвители 2 и 3 поступают через устройство ввода 4 в трубопровод с жидкостью, затем принимаются устройством вывода электромагнитных волн 5, расположенного на расстоянии L от ввода, и подаются на вход фазового детектора 6. Поскольку на второй вход фазового детектора поступают электромагнитные колебания от дополнительного выхода направленного ответвителя 3, на его выходе формируется напряжение, пропорциональное разности фаз, которое поступает на управляющий вход генератора СВЧ, перестраивая его частоту
Figure 00000013
до момента равенства нулю сигнала на выходе фазового детектора. Диапазон перестройки генератора СВЧ выбран таким образом, что длина волны в среде
Figure 00000014
- много больше размеров неоднородностей, присутствующих в потоке, поэтому фаза принимаемого сигнала будет зависеть только от расстояния L, частоты
Figure 00000015
и усредненного значения ε. Электромагнитные колебания с частотой
Figure 00000015
поступают на вход умножителя частоты на k, с выхода которого сигнал с частотой
Figure 00000016
поступает через направленный ответвитель 8 и циркулятор 9 на приемо-передающую антенну 10, затем излучаются через герметичное радиопрозрачное окно 13 в трубопроводе 14 под углом α к направлению потока. Часть сигнала с частотой
Figure 00000002
через дополнительный выход направленного ответвителя 8 приходит на первый вход смесителя 11. На второй вход смесителя через циркулятор поступают электромагнитные волны, отраженные от неоднородностей в потоке, которые в этом случае соизмеримы с длиной волны излучения, и принятые антенной 10. В результате на выходе смесителя формируется доплеровский сигнал, который обрабатывается в вычислительном блоке 12, где по максимуму спектральной плотности определяется средняя доплеровская частота (см. формулу (1)), которая зависит как от частоты СВЧ излучения
Figure 00000002
, так и от диэлектрической проницаемости среды распространения ε. Поскольку с увеличением или уменьшением ε соответственно уменьшается или увеличивается
Figure 00000016
, произведение
Figure 00000017
остается постоянным. Таким образом, доплеровская частота и скорость потока остается неизменной несмотря на изменения ε внутри возможного диапазона ее изменения: ε-Δε≤ε≤ε+Δε.Electromagnetic waves coming from the microwave generator 1 with a frequency
Figure 00000012
, through the directional couplers 2 and 3, they enter the pipeline with liquid through the input device 4, then they are received by the electromagnetic wave output device 5, located at a distance L from the input, and fed to the input of the phase detector 6. Since electromagnetic oscillations from the second input of the phase detector additional output of the directional coupler 3, a voltage proportional to the phase difference is generated at its output, which is fed to the control input of the microwave generator, tuning its frequency
Figure 00000013
until the signal at the output of the phase detector is equal to zero. The tuning range of the microwave generator is chosen so that the wavelength in the medium
Figure 00000014
- much larger sizes of inhomogeneities present in the stream, so the phase of the received signal will depend only on the distance L, frequency
Figure 00000015
and the average value of ε. Electromagnetic vibrations with frequency
Figure 00000015
arrive at the input of the frequency multiplier by k, the output of which is a signal with a frequency
Figure 00000016
enters through the directional coupler 8 and the circulator 9 to the transceiver antenna 10, then they are radiated through a sealed radio-transparent window 13 in the pipe 14 at an angle α to the direction of flow. Part of the signal with frequency
Figure 00000002
through the additional output of the directional coupler 8 it comes to the first input of the mixer 11. Electromagnetic waves received from the heterogeneities in the stream, which are comparable with the radiation wavelength and received by the antenna 10, are received at the second input of the mixer through the circulator. As a result, the output of the mixer forms Doppler signal, which is processed in computing unit 12, where the average Doppler frequency is determined from the maximum spectral density (see formula (1)), which depends on the microwave frequency from radiation
Figure 00000002
, as well as from the dielectric constant of the propagation medium ε. Since with an increase or decrease in ε, it decreases or increases, respectively
Figure 00000016
, composition
Figure 00000017
remains constant. Thus, the Doppler frequency and flow rate remains unchanged despite changes in ε within the possible range of its variation: ε-Δε≤ε≤ε + Δε.

Выражение

Figure 00000018
можно записать исходя из условия равенства нулю сигнала на выходе фазового детектораExpression
Figure 00000018
can be written based on the condition that the signal at the output of the phase detector is equal to zero

Figure 00000019
,
Figure 00000019
,

где n - целое число полуволн электромагнитных колебаний в среде, в данном случае это постоянная величина в пределах изменения ε, отсюда следует:where n is an integer of half-waves of electromagnetic oscillations in the medium, in this case it is a constant value within the range of ε, hence it follows:

Figure 00000020
.
Figure 00000020
.

Подставив это выражение в формулу (4) с учетом того, что

Figure 00000016
, получим выражение для скорости потока, не зависящее от ε:Substituting this expression into formula (4), taking into account that
Figure 00000016
, we obtain an expression for the flow velocity independent of ε:

Figure 00000021
.
Figure 00000021
.

Claims (1)

Радиоволновое устройство для измерения скорости потока жидких сред, содержащее генератор СВЧ, циркулятор, приемо-передающую антенну, направленную через радиопрозрачное окно в трубопроводе под углом к направлению движения потока, смеситель, вычислительный блок, соединенный с выходом смесителя, и первый направленный ответвитель, основной выход которого соединен с первым входом циркулятора, а дополнительный выход соединен с первым входом смесителя, при этом второй вход смесителя соединен со вторым выводом циркулятора, а третий вывод циркулятора соединен с приемо-передающей антенной, отличающееся тем, что дополнительно содержит второй и третий направленные ответвители, фазовый детектор, выходом соединенный с управляющим входом генератора СВЧ, выход которого соединен со входом второго направленного ответвителя, основной выход которого в свою очередь соединен с входом третьего направленного ответвителя, дополнительный выход которого соединен с первым входом фазового детектора, устройства ввода и вывода электромагнитной волны в трубопровод, соединенные соответственно с основным выходом третьего направленного ответвителя и со вторым входом фазового детектора, умножитель частоты, входом соединенный с дополнительным выходом второго направленного ответвителя, а выходом с входом первого направленного ответвителя. A radio wave device for measuring the flow rate of a liquid medium containing a microwave generator, a circulator, a transceiver antenna directed through a radio-transparent window in the pipeline at an angle to the direction of flow, a mixer, a computing unit connected to the output of the mixer, and a first directional coupler, the main output which is connected to the first input of the circulator, and the additional output is connected to the first input of the mixer, while the second input of the mixer is connected to the second output of the circulator, and the third output is circ the radiator is connected to the transceiver antenna, characterized in that it further comprises a second and third directional couplers, a phase detector connected to the control input of the microwave generator by the output, the output of which is connected to the input of the second directional coupler, the main output of which is in turn connected to the input of the third directional coupler, the additional output of which is connected to the first input of the phase detector, input and output devices of the electromagnetic wave into the pipeline, connected respectively the main output of the third directional coupler and a second input of the phase detector, frequency multiplier input connected to an additional output of the second directional coupler, and output to the input of the first directional coupler.
RU2015129363/28A 2015-07-17 2015-07-17 Device for measuring flow velocity of liquid media RU2597663C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015129363/28A RU2597663C1 (en) 2015-07-17 2015-07-17 Device for measuring flow velocity of liquid media

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015129363/28A RU2597663C1 (en) 2015-07-17 2015-07-17 Device for measuring flow velocity of liquid media

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2597663C1 true RU2597663C1 (en) 2016-09-20

Family

ID=56937758

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015129363/28A RU2597663C1 (en) 2015-07-17 2015-07-17 Device for measuring flow velocity of liquid media

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2597663C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU896418A1 (en) * 1980-05-29 1982-01-07 Ордена Ленина Институт Проблем Управления Device for measuring liquid and loose media mass consumption
SU1257409A1 (en) * 1984-08-27 1986-09-15 Ордена Ленина Институт Проблем Управления (Автоматики И Телемеханики) Device for measuring mass flow rate of substance
JPH08285649A (en) * 1995-04-10 1996-11-01 Tokimec Inc Radio wave current meter
RU2247947C1 (en) * 2003-12-30 2005-03-10 Андрейчиков Борис Иванович Method and device for measuring three-phase fluid flow rate

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU896418A1 (en) * 1980-05-29 1982-01-07 Ордена Ленина Институт Проблем Управления Device for measuring liquid and loose media mass consumption
SU1257409A1 (en) * 1984-08-27 1986-09-15 Ордена Ленина Институт Проблем Управления (Автоматики И Телемеханики) Device for measuring mass flow rate of substance
JPH08285649A (en) * 1995-04-10 1996-11-01 Tokimec Inc Radio wave current meter
RU2247947C1 (en) * 2003-12-30 2005-03-10 Андрейчиков Борис Иванович Method and device for measuring three-phase fluid flow rate

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN100439870C (en) A method and flow meter for determining the flow rates of a multiphase fluid
RU2418269C2 (en) Method and apparatus for tomographic measurement of multiphase flow
AU2011295673B2 (en) Multiphase fluid characterization system
KR101810722B1 (en) Integrated acoustic phase separator and multiphase fluid composition monitoring apparatus and method
EP1926991B1 (en) Systems and methods for measuring multiphase flow in a hydrocarbon transporting pipeline
US8428892B2 (en) Viscous fluid flow measurement using a differential pressure measurement and a SONAR measured velocity
US11841255B2 (en) Systems, methods, and apparatus to measure multiphase flows
Takamoto et al. New measurement method for very low liquid flow rates using ultrasound
RU2620774C1 (en) Method for measuring mass liquid medium flow rate
RU2585320C1 (en) Device for measuring mass flow of liquid and loose media
RU2620779C1 (en) Device for measuring mass liquid medium flow
RU2601273C1 (en) Device for measuring mass flow of liquid media
RU2597666C1 (en) Method of measuring mass flow rate of liquid media
RU2597663C1 (en) Device for measuring flow velocity of liquid media
WO1994017373A1 (en) Procedure for determining material flow rate
RU2504739C1 (en) Device for determining fluid level in container
RU2601538C1 (en) Device for measuring mass flow of liquid media
RU2611255C1 (en) Radiowave flow meter
RU2654926C1 (en) Method of measuring mass flow of liquid and loose media
RU2654929C1 (en) Device for measuring mass flow of liquid and loose media
RU2611336C1 (en) Method of measurement of mass flow rate of liquid and dry environments
RU2612033C1 (en) Method for measuring composition of three-component water-containing substance in stream
RU2670367C1 (en) Device for determining the quantity of drilling solution in a tank
JP6066551B2 (en) Method for measuring concentration or flow rate of powder or fluid flowing in pipe, and measuring apparatus therefor
RU2194950C2 (en) Device for determination of flow rate of two- component agent in pipe line

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20200718