RU2620774C1 - Способ измерения массового расхода жидких сред - Google Patents

Способ измерения массового расхода жидких сред Download PDF

Info

Publication number
RU2620774C1
RU2620774C1 RU2016118016A RU2016118016A RU2620774C1 RU 2620774 C1 RU2620774 C1 RU 2620774C1 RU 2016118016 A RU2016118016 A RU 2016118016A RU 2016118016 A RU2016118016 A RU 2016118016A RU 2620774 C1 RU2620774 C1 RU 2620774C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
frequency
signal
flow rate
calculated
difference
Prior art date
Application number
RU2016118016A
Other languages
English (en)
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 RU2016118016A priority Critical patent/RU2620774C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2620774C1 publication Critical patent/RU2620774C1/ru

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01FMEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters

Landscapes

  • Measuring Volume Flow (AREA)

Abstract

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного измерения скорости потока и расхода диэлектрических жидкостей в трубопроводах, в частности при трубопроводной транспортировке нефтепродуктов, сжиженных газов. Способ измерения массового расхода жидких сред заключается в том, что радиоволну с частотой
Figure 00000067
направляют через радиопрозрачное окно в трубопроводе под углом α к направлению движения потока, отраженную волну с частотой
Figure 00000068
смешивают с частью падающей волны, выделяют сигнал их разности и вычисляют спектральную плотность этого сигнала. Дополнительно к этому частоту генератора модулируют по симметричному пилообразному закону от
Figure 00000069
до
Figure 00000070
спектральные плотности сигнала разностной частоты вычисляют отдельно на растущем -
Figure 00000071
и падающем участке несущей частоты -
Figure 00000072
вычисляют их взаимно-корреляционную функцию и модуль разности
Figure 00000073
массовый расход определяют по частотному сдвигу, соответствующему максимуму взаимно-корреляционной функции, и по частоте
Figure 00000074
вычисляемой из условия равенства
Figure 00000075
где b - диапазон частот, определяемый из возможной полосы частот сигнала. Технический результат - повышение точности. 5 ил.

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного измерения скорости потока и расхода диэлектрических жидкостей в трубопроводах, в частности при трубопроводной транспортировке нефтепродуктов, сжиженных газов и др.
В настоящее время известны и применяется много типов анеометров и расходомеров, основанных на разных физических принципах действия, среди которых актуальны доплеровские радиоволновые способы измерения 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, с.133-144). 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 доплеровскую 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 контролируемого вещества. Направления движения неоднородностей образуют различные углы с направлением этой волны, которая также распространяется не по прямой, как в идеальном случае, а в соответствии со своей диаграммой направленности. 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 V по формуле
Figure 00000005
где α - угол между направлением излучения и потоком в трубе,
Figure 00000006
- длина волны в среде измерения, а ε - ее диэлектрическая проницаемость, c - скорость света в вакууме. Зная объемную плотность ρ вещества и скорость V потока, можно определить массовый расход
Figure 00000007
где P - площадь поперечного сечения потока на измерительном участке. Подставив значение V из выражения (1) в (2), получим выражение для среднего массового расхода
Figure 00000008
Как видно из формулы (3), для точного измерения среднего массового расхода необходимо оценивать изменения в диэлектрической проницаемости среды и функционально с ней связанной плотностью контролируемого потока. Изменения этих параметров приводят к погрешностям в измерении и, как следствие, к недостаточной точности.
Известно техническое решение, принятое в качестве прототипа (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. - М.: Энергоатомиздат, 1989, с.136-137) - способ измерения расхода жидкости, заключающийся в том, что радиоволна с частотой
Figure 00000009
направляется через радиопрозрачное окно в трубопроводе под углом α к направлению движения потока, отраженная волна с частотой
Figure 00000001
смешивается с частью падающей волны и выделяется доплеровский сигнал их разности со средней частотой
Figure 00000010
а по этой частоте в соответствии с формулой (2) определяется расход. 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 его спектральной плотности определялась средняя доплеровская частота, по которой оценивался расход в соответствии с формулой (3).
Данный способ имеет существенные недостатки. Во-первых, для точного измерения массового расхода необходимо оценивать изменения в диэлектрической проницаемости среды и функционально с ней связанной плотностью контролируемого потока в соответствии с формулой (3). Во-вторых, спектральная плотность доплеровского сигнала за счет отражений от неоднородностей в потоке под разными углами имеет сложную форму, и ее максимум может не совпадать со средней доплеровской частотой, что приводит к ошибкам в определении скорости потока.
Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения.
Технический результат достигается тем, что в способе измерения массового расхода жидких сред, радиоволну с частотой
Figure 00000011
направляют через радиопрозрачное окно в трубопроводе под углом α к направлению движения потока, отраженную волну с частотой
Figure 00000012
смешивают с частью падающей волны, выделяют сигнал их разности и вычисляют спектральную плотность этого сигнала. Дополнительно к этому частоту генератора модулируют по симметричному пилообразному закону от
Figure 00000013
до
Figure 00000014
спектральные плотности сигнала разностной частоты вычисляют отдельно на растущем -
Figure 00000015
и падающем участке несущей частоты -
Figure 00000016
вычисляют их взаимно-корреляционную функцию и модуль разности
Figure 00000017
массовый расход определяют по частотному сдвигу, соответствующему максимуму взаимно-корреляционной функции, и по частоте
Figure 00000018
вычисляемой из условия равенства
Figure 00000019
, где b - диапазон частот, определяемый из возможной полосы частот сигнала.
Предлагаемый способ поясняется работой устройства, реализующего способ.
На фиг. 1 представлена структурная схема устройства.
На фиг. 2 изображены временные диаграммы сигналов на выходах генератора СВЧ и смесителя при симметричной пилообразной частотной модуляции.
На фиг. 3 представлены огибающие спектров сигналов разностной частоты в относительных величинах при нулевой скорости потока -
Figure 00000020
и при скорости потока V в моменты роста и спада частоты на выходе генератора СВЧ, соответственно
Figure 00000021
и
Figure 00000022
На фиг. 4 изображена взаимно-корреляционная функция между этими огибающими
Figure 00000023
и
Figure 00000024
в относительных величинах.
На фиг. 5 представлен спектр
Figure 00000025
в относительных величинах.
Устройство содержит частотный модулятор 1, генератор СВЧ 2, направленный ответвитель 3, циркулятор 4, приемо-передающую антенну 5, смеситель 6, коммутирующий блок 7, первый блок спектральной обработки 8, второй блок спектральной обработки 9, блок вычисления взаимной корреляции 10, блок вычисления частоты
Figure 00000026
11 и вычислительный блок 12 (см. фиг. 1).
Устройство работает следующим образом. Частотный модулятор 1 пилообразным симметричным напряжением линейно модулирует частоту генератора СВЧ 2 в диапазоне
Figure 00000027
где
Figure 00000028
и
Figure 00000029
его начальная и конечная частота (см. кривая 1 на фиг. 2). Сначала за время TM частота растет от
Figure 00000030
до
Figure 00000031
затем за это же время линейно уменьшается от
Figure 00000032
до
Figure 00000033
Соответственно в это время с помощью коммутирующего блока 7, управляемого от генератора пилообразного напряжения 1, сигнал с выхода смесителя 6 обрабатывается блоками спектральной обработки 8 и 9. Электромагнитные колебания от генератора СВЧ поступают на первый, опорный вход смесителя напрямую через дополнительный вывод направленного ответвителя 3. Другая часть электромагнитных колебаний через основной вывод направленного ответвителя и циркулятор 4 направляется антенной 5 через диэлектрическое окно 13 на измерительном участке трубопровода 14 под углом α навстречу направлению потока, затем после отражений от неоднородностей, присутствующих в потоке, принимаются этой же антенной и поступают через циркулятор на второй вход смесителя. При отсутствии движения в потоке при V=0, на выходе смесителя образуется сигнал биений согласно формуле
Figure 00000034
где
Figure 00000035
- девиация частоты, TM - полупериод модуляции, D - расстояние в виде спектра гармоник конечной ширины
Figure 00000036
(см. фиг. 3), одинаковый для растущего и падающего участка (см. кривая 2 на фиг. 2а). При наличии движения потока со скоростью V к сигналу биений добавляется спектр доплеровкой составляющей в соответствии с формулой (1), также в виде спектра гармоник конечной ширины. При этом на растущем участке модуляции частоты суммарного спектра растут, а на падающем - уменьшаются на частоту
Figure 00000037
соответственно
Figure 00000038
и
Figure 00000039
(см. фиг. 2 и 3). Эти спектры вычисляются в блоках 8 и 9, после чего поступают на блок 10, где вычисляется их взаимно-корреляционная функция
Figure 00000040
в относительных единицах (см. фиг. 4). Частотный сдвиг, соответствующий максимуму этой функции -
Figure 00000041
, будет в точности соответствовать удвоенной доплеровской частоте, поэтому
Figure 00000042
Одновременно спектры
Figure 00000043
и
Figure 00000044
поступают в блок 11 вычисления частоты биений
Figure 00000045
для спектра
Figure 00000046
который соответствует скорости потока V=0. Эта частота фактически является осью симметрии между спектрами
Figure 00000047
и
Figure 00000048
(см. фиг. 2 и 3), поэтому процедура вычисления будет следующей. Сначала определяется модуль разности спектров
Figure 00000049
а затем находится частота
Figure 00000050
путем перебора в диапазоне спектров
Figure 00000051
и
Figure 00000052
до соблюдения условия
Figure 00000053
где b - диапазон частот, определяемый из возможной ширины полосы частот сигнала биений и доплеровских частот, связанных с возможными скоростями потока. Т.е. площадь суммарного спектра справа и слева от точки
Figure 00000050
должны быть равны (см. фиг. 5). Далее в итоговом вычислительном блоке 12 по значению
Figure 00000054
вычисляется диэлектрическая проницаемость из формулы (4)
Figure 00000055
и функционально связанная с ней плотность ρ и затем с использованием
Figure 00000056
от блока 10 происходит вычисление расхода среды в соответствии с формулой (3), где
Figure 00000057
в данном случае будет равна средней частоте несущей.
Таким образом, точность определения массового расхода сред увеличивается по сравнению с прототипом за счет увеличения точности в определении доплеровской частоты и частоты биений. Способ позволяет компенсировать влияние на точность измерения наличие конечного нестабильного спектра в доплеровском сигнале и в сигнале биений, возникающего по причинам наличия конечных диаграмм направленности антенн, турбулентности отражающих неоднородностей в потоке.

Claims (1)

  1. Способ измерения массового расхода жидких сред, заключающийся в том, что радиоволну с частотой
    Figure 00000058
    направляют через радиопрозрачное окно в трубопроводе под углом α к направлению движения потока, отраженную волну с частотой
    Figure 00000059
    смешивают с частью падающей волны, выделяют сигнал их разности, вычисляют спектральную плотность этого сигнала, отличающийся тем, что частоту генератора модулируют по симметричному пилообразному закону от
    Figure 00000060
    до
    Figure 00000061
    , спектральные плотности сигнала разностной частоты вычисляют отдельно на растущем -
    Figure 00000062
    и падающем участке несущей частоты -
    Figure 00000063
    , вычисляют их взаимно-корреляционную функцию и модуль разности
    Figure 00000064
    , массовый расход определяют по частотному сдвигу, соответствующему максимуму взаимно-корреляционной функции, и по частоте
    Figure 00000065
    , вычисляемой из условия равенства
    Figure 00000066
    , где b - диапазон частот, определяемый из возможной полосы частот сигнала.
RU2016118016A 2016-05-10 2016-05-10 Способ измерения массового расхода жидких сред RU2620774C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016118016A RU2620774C1 (ru) 2016-05-10 2016-05-10 Способ измерения массового расхода жидких сред

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016118016A RU2620774C1 (ru) 2016-05-10 2016-05-10 Способ измерения массового расхода жидких сред

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2620774C1 true RU2620774C1 (ru) 2017-05-29

Family

ID=59032219

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016118016A RU2620774C1 (ru) 2016-05-10 2016-05-10 Способ измерения массового расхода жидких сред

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2620774C1 (ru)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2654926C1 (ru) * 2017-08-18 2018-05-23 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук Способ измерения массового расхода жидких и сыпучих сред
RU2654929C1 (ru) * 2017-08-18 2018-05-23 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук Устройство для измерения массового расхода жидких и сыпучих сред

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1257409A1 (ru) * 1984-08-27 1986-09-15 Ордена Ленина Институт Проблем Управления (Автоматики И Телемеханики) Устройство дл измерени массового расхода вещества
JPH08285649A (ja) * 1995-04-10 1996-11-01 Tokimec Inc 電波流速計
RU2003105535A (ru) * 2003-02-25 2004-09-10 Михаил Николаевич Бирюков (RU) Корреляционный способ измерения расхода текучих сред

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1257409A1 (ru) * 1984-08-27 1986-09-15 Ордена Ленина Институт Проблем Управления (Автоматики И Телемеханики) Устройство дл измерени массового расхода вещества
JPH08285649A (ja) * 1995-04-10 1996-11-01 Tokimec Inc 電波流速計
RU2003105535A (ru) * 2003-02-25 2004-09-10 Михаил Николаевич Бирюков (RU) Корреляционный способ измерения расхода текучих сред

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат, 1989, с. 136-137. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2654926C1 (ru) * 2017-08-18 2018-05-23 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук Способ измерения массового расхода жидких и сыпучих сред
RU2654929C1 (ru) * 2017-08-18 2018-05-23 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук Устройство для измерения массового расхода жидких и сыпучих сред

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2013510295A (ja) デジタル制御されたuwbミリメートル波レーダー
KR101239166B1 (ko) Fmcw 근접 센서
US7958786B2 (en) Flow measurement system and method using enhanced phase difference detection
US7852091B2 (en) Microwave determination of location and speed of an object inside a pipe
RU2620774C1 (ru) Способ измерения массового расхода жидких сред
RU2334995C1 (ru) Доплеровский измеритель путевой скорости
US20120146838A1 (en) Method & Device for Measuring a Change in Distance
JP5932746B2 (ja) 媒質境界の位置計測システム
RU2620779C1 (ru) Устройство для измерения массового расхода жидких сред
WO1994017373A1 (en) Procedure for determining material flow rate
RU2504739C1 (ru) Устройство для определения уровня жидкости в емкости
RU2611440C1 (ru) Доплеровский измеритель путевой скорости
RU2585320C1 (ru) Устройство для измерения массового расхода жидких и сыпучих сред
SU1257409A1 (ru) Устройство дл измерени массового расхода вещества
RU2597666C1 (ru) Способ измерения массового расхода жидких сред
RU2504740C1 (ru) Способ измерения уровня жидкости в емкости
RU2601273C1 (ru) Устройство для измерения массового расхода жидких сред
RU2654926C1 (ru) Способ измерения массового расхода жидких и сыпучих сред
RU2654929C1 (ru) Устройство для измерения массового расхода жидких и сыпучих сред
RU2601538C1 (ru) Устройство для измерения массового расхода жидких сред
RU2551260C1 (ru) Бесконтактный радиоволновый способ определения уровня жидкости в емкости
RU2597663C1 (ru) Радиоволновое устройство для измерения скорости потока жидких сред
JP7396630B2 (ja) 測距装置および測距方法
RU2611336C1 (ru) Способ измерения массового расхода жидких и сыпучих сред
JP6066551B2 (ja) 管内を流れる粉体または流体の濃度または流量の測定方法、並びにそのための測定装置