RU2806839C1 - Устройство для измерения массового расхода цементовоздушного потока в трубопроводе - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области информационно-измерительной техники и может быть использовано в криогенном машиностроении для диагностики криогенных продуктов, строительной промышленности для контроля цементовоздушной смеси и других отраслях техники и промышленности. Устройство для измерения массового расхода цементовоздушного потока в трубопроводе содержит первый СВЧ-генератор, первые передающую и приемную антенны, первый усилитель и первый детектор. Дополнительно в устройство введены второй СВЧ-генератор, вторые передающая и приемная антенны, второй усилитель и второй детектор, первый и второй контроллеры, преобразователь скорости и блок вычисления массового расхода, причем выход первого СВЧ-генератора подключен к первой передающей антенне, закрепленной на наружной поверхности трубопровода. Выход второго СВЧ-генератора подключен ко второй передающей антенне, закрепленной на наружной поверхности трубопровода на некотором расстоянии от первой передающей антенны. Первая приемная антенна, закрепленная диаметрально напротив первой передающей антенны на наружной поверхности трубопровода, соединена с входом первого детектора, выход которого подключен к входу первого усилителя. Первый выход первого усилителя соединен с входом первого контроллера, вторая приемная антенна, закрепленная диаметрально напротив второй передающей антенны на наружной поверхности трубопровода, соединена с входом второго детектора, выход которого через второй усилитель подключен к первому входу второго контроллера. Второй вход второго контроллера соединен со вторым выходом первого усилителя, выход первого контроллера соединен с первым входом блока вычисления массового расхода, выход второго контроллера через преобразователь скорости подключен ко второму входу блока вычисления массового расхода, выход которого является выходом устройства. Технический результат - упрощение процесса измерения расхода двухкомпонентных потоков в трубопроводе. 1 ил.

Description

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может быть использовано в криогенном машиностроении для диагностики криогенных продуктов, строительной промышленности для контроля цементовоздушной смеси и других отраслях техники и промышленности.

Известен способ измерения массового расхода вещества и устройство для его реализации (см. RU 2695269 С1, 22.07.2019). Данное техническое решение по способу предусматривает измерение массы одного из компонентов двухкомпонентного вещества, поступающей по трубопроводу, и состоит в определении скорости потока вещества в трубопроводе и силы, с которой поток контролируемого вещества воздействует на элемент сопротивления потоку в трубопроводе и в вычислении этой массы. Устройство для реализации способа измерения массы одного из компонентов двухкомпонентного вещества содержит трубопровод с внутренним сечением, датчик скорости потока вещества, элемент сопротивления потоку, реагирующий на силу, с которой поток действует на этот элемент, установленный в трубопроводе по ходу потока и жестко связанный с пьезодатчиком, преобразующим значение этой силы в эквивалентный электрический сигнал, при этом сигналы от датчика скорости и от пьезодатчика поступают на входы вычислительного устройства, которое по известным значениям плотностей ρ_x и ρ_y компонентов соответственно «х» и «у» контролируемого вещества и градуировочного коэффициента К реализует вычисление массы компонента «х» М_х, поступившей по трубопроводу за время Т.

Недостатком этого известного технического решения можно считать погрешность от изменения параметров измерительной цепи и окружающей температуры, а также погрешность из-за неправильной установки пластин, которая может быть учтена при градуировке.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятый автором за прототип способ измерения покомпонентного расхода трехкомпонентного потока и устройство для его осуществления (см. RU 2063615 С1, 10.07.1996). В этом способе измерения покомпонентного расхода трехкомпонентного газожидкостного потока, проходящего по трубопроводу, включающем определение соотношения компонентов и расхода и обработку полученных результатов, для определения соотношения компонентов с помощью емкостного или радио волнового датчика, через первичный преобразователь которого пропускают поток, измеряют его резонансную частоту, излучают в поток микроволновый электромагнитный сигнал и измеряют сдвиг фаз сигналов, отраженных от потока или прошедших через него, а для определения расхода измеряют допплеровский сдвиг частоты того же сигнала, причем, все измерения проводят одновременно в одном и том же локальном объеме трубопровода, определяют относительное объемное содержание компонент путем отыскания в банке данных, полученных при калибровке, такого же сочетания величин резонансной частоты и сдвига фазы, как полученных при измерении, по максимальному значению допплеровского сдвига частоты вычисляют скорость потока и величину общего расхода, а с учетом относительного объемного содержания компонент расход каждой компоненты, а также тем, что дополнительно измеряют коэффициент поглощения сигнала, прошедшего поток и/или отраженного от него, и температуру потока, а относительное объемное содержание компонент определяют путем отыскания в банке данных, полученных при калибровке, того же сочетания величин резонансной частоты, сдвига фазы и коэффициента поглощения, как полученных при измерении, причем, при изменении удельной проводимости воды и ее структуры в смеси банк данных корректируют.

К недостаткам данного способа измерения покомпонентного расхода и устройства для его осуществления можно отнести сложности, связанные с измерением максимального значения допплеровского сдвига частоты с помощью следящего узкополосного фильтра и относительного объемного содержания каждой компоненты.

Техническим результатом предлагаемого технического решения является упрощение процесса измерения расхода двухкомпонентных потоков в трубопроводе.

Технический результат достигается тем, что в устройство для измерения массового расхода цементовоздушного потока в трубопроводе, содержащее первый СВЧ-генератор, первые передающую и приемную антенны, первый усилитель и первый детектор, введены второй СВЧ-генератор, вторые передающую и приемную антенны, второй усилитель и второй детектор, первый и второй контроллеры, преобразователь скорости и блок вычисления массового расхода, причем выход первого СВЧ-генератора подключен к первой передающей антенне, закрепленной на наружной поверхности трубопровода, выход второго СВЧ-генератора подключен ко второй передающей антенне, закрепленной на наружной поверхности трубопровода на некотором расстоянии от первой передающей антенны, первая приемная антенна, закрепленная диаметрально напротив первой передающей антенны на наружной поверхности трубопровода, соединена с входом первого детектора, выход которого подключен к входу первого усилителя, первый выход первого усилителя соединен с входом первого контроллера, вторая приемная антенна, закрепленная диаметрально напротив второй передающей антенны на наружной поверхности трубопровода, соединена с входом второго детектора, выход которого через второй усилитель подключен к первому входу второго контроллера, второй вход второго контроллера соединен со вторым выходом первого усилителя, выход первого контроллера соединен с первым входом блока вычисления массового расхода, выход второго контроллера через преобразователь скорости подключен ко второму входу блока вычисления массового расхода, выход которого является выходом устройства.

Сущность заявляемого изобретения, характеризуемого совокупностью указанных выше признаков, состоит в том, что вычисление времени запаздывания одного по амплитуде промодулированного неоднородностями сверхвысокочастотного согнала от промодулированного другого сигнала с последующим оценкой интенсивности одного из них, дает возможность произвести измерение массового расхода цементовоздушного потока в трубопроводе.

Наличие в заявляемом способе совокупности перечисленных существующих признаков, позволяет решить задачу измерения массового расхода двухкомпонентных потоков в трубопроводе посредством вычисления времени запаздывания одного по амплитуде промодулированного неоднородностями сверхвысокочастотного сигнала от промодулированного другого сигнала с последующей оценкой интенсивности одного из них с желаемым техническим результатом, т.е. упрощением процесса измерения расхода двухкомпонентных потоков в трубопроводе.

На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит первый СВЧ-генератор 1, первую передающую антенну 2, первую приемную антенну 3, второй СВЧ-генератор 4, вторую передающую антенну 5, вторую приемную антенну 6, первый детектор 7, второй детектор 8, первый усилитель 9, второй усилитель 10, первый контроллер 11, второй контроллер 12, преобразователь скорости 13 и блок вычисления массового расхода 14. На фигуре цифрой 15 обозначен диэлектрический трубопровод.

Устройство работает следующим образом. В рассматриваемом случае для измерения массового расхода цементовоздушного потока можно записать:

где v(t) - скорость цементовоздушного потока; ρ(t) - плотность вещества в контролируемом сечении трубопровода; K - характерный размер трубопровода.

Известно, что при взаимодействии электромагнитных колебаний микроволнового диапазона с пылегазовым потоком наблюдается зависимость интегральных характеристик излучения от некоторых физических параметров потока: средней плотности; соотношения объемов заполнения отдельными компонентами; средней скорости потока и т.д. Согласно формуле (1), в данном случае для вычисления массового расхода, необходимо определение скорости цементовоздушного потока и плотности вещества в контролируемом сечении трубопровода. Для этого выходные сигналы первого и второго СВЧ-генераторов 1 и 4 одновременно направляют на первую и второю передающие антенны 2 и 5, расположенные на наружной поверхности диэлектрического трубопровода 15 с некоторым расстоянием, например, L друг от друга. Поступившие в трубопровод электромагнитные сигналы после взаимодействия с неоднородностями (частицами цемента) потока рассеиваются и далее улавливаются с помощью первой приемной антенны и второй приемной антенны 3 и 6, расположенные на наружной поверхности диэлектрического трубопровода (расстоянием L) диаметрально напротив первой передающей антенны и второй передающей антенны соответственно. Под воздействием движущихся неоднородностей на поступившие в поток электромагнитные сигналы, после их рассеивания, становятся амплитудно-модулированными. В результате на выходах первой и второй приемных антенн можно наблюдать равные по амплитуде колебания, но отличны друг от другого задержкой по времени, пропорциональной расстоянию между приемными антеннами (передающими антеннами) и скорости перемещения потока. В этом случае скорость потока v может быть определена посредством измерения времени задержки Т потока или соответственно времени перемещения сигнала между первым приемником (передатчиком) и вторым приемником (передатчиком), расположенными на расстоянии L. Для этого, согласно функционированию предлагаемого устройства, выходные промодулированные неоднородностями потока сигналы первого и второго приемников соответственно, поступают на входы первого детектора 7 и второго детектора 8. Продетектированные выходные сигналы указанных детекторов далее направляются на входы соответственно первого усилителя 9 и второго усилителя 10. Усиленный первым усилителем сигнал с его второго выхода поступает на второй вход второго контроллера 12. Одновременно с этим на первый вход второго контроллера поступает выходной сигнал второго усилителя. Во втором контроллере, посредством взаимнокорреляционной функции, производится вычисление времени запаздывания Т выходного сигнала второго усилителя (второй приемник) от выходного сигнала первого усилителя (первый приемник). Выходной цифровой сигнал второго контроллера, соответствующий времени запаздываний Т, далее поступает на вход преобразователя скорости 13, где с учетом расстояния L определяется скорость потока v.

В устройстве определение плотности потока сводится к тому, что рассматриваемый цементовоздушный поток принимается как диэлектрическая смесь с диэлектрической проницаемостью ε_см, характеризующей объемной концентрацией и диэлектрической проницаемостью каждого компонента. Принимая во внимание то, что диэлектрическая проницаемость воздуха (одного из компонентов) равна единице и рассеянный электромагнитный сигнал в потоке формируется за счет малых по диаметру (от 40 до 80 мкм) частиц цемента, можно с определенной точностью допускать наличие связи принимаемых сигналов первого и второго приемников (антенн) с концентрацией (плотностью) цемента в потоке. Кроме того, если учесть то факт, что по справочным данным диэлектрическая проницаемость цемента составляет порядка 4-х, то в данном случае зондируемый поток (как правило, нагретый) цемента можно считать без поглощения СВЧ-электромагнитных волн. В силу этого значения интенсивности прошедших через поток цемента сигналов будут сопряжены с количеством рассеивателей (частиц). При этом изменение величины плотности частиц в сечении трубопровода будет определяться изменением количества рассеиваемых в потоке частиц в этом же сечении. Другими словами измерение выходных сигналов первого и второго приемных антенн (выходные сигналы первого и второго усилителей) даст возможность вычислить плотность цемента в контролируемом сечении диэлектрического трубопровода. В данном устройстве для этого, например, с первого выхода первого усилителя сигнал поступает на вход первого контроллера 11, в котором благодаря преобразованию на его выходе формируется цифровой сигнал, соответствующий величине текущей плотности цемента в трубопроводе. Для вычисления массового расхода цементовоздушного потока цифровые сигналы первого контроллера и преобразователя скорости поступают на первый и второй входы блока вычисления массового расхода 14 соответственно. Здесь с учетом сечения трубопровода можно определить массовый расход контролируемой среды.

Таким образом, в предлагаемом техническом решении на основе вычисления времени запаздывания одного по амплитуде промодулированного неоднородностями сверхвысокочастотного сигнала от другого промодулированного сигнала и интенсивности (амплитуды) одного из них, можно обеспечить упрощение процесса измерения расхода двухкомпонентных потоков в трубопроводе.

Claims (1)

1. Устройство для измерения массового расхода цементовоздушного потока в трубопроводе, содержащее первый СВЧ-генератор, первые передающую и приемную антенны, первый усилитель и первый детектор, отличающееся тем, что в него введены второй СВЧ-генератор, вторые передающая и приемная антенны, второй усилитель и второй детектор, первый и второй контроллеры, преобразователь скорости и блок вычисления массового расхода, причем выход первого СВЧ-генератора подключен к первой передающей антенне, закрепленной на наружной поверхности трубопровода, выход второго СВЧ-генератора подключен ко второй передающей антенне, закрепленной на наружной поверхности трубопровода на некотором расстоянии от первой передающей антенны, первая приемная антенна, закрепленная диаметрально напротив первой передающей антенны на наружной поверхности трубопровода, соединена с входом первого детектора, выход которого подключен к входу первого усилителя, первый выход первого усилителя соединен с входом первого контроллера, вторая приемная антенна, закрепленная диаметрально напротив второй передающей антенны на наружной поверхности трубопровода, соединена с входом второго детектора, выход которого через второй усилитель подключен к первому входу второго контроллера, второй вход второго контроллера соединен со вторым выходом первого усилителя, выход первого контроллера соединен с первым входом блока вычисления массового расхода, выход второго контроллера через преобразователь скорости подключен ко второму входу блока вычисления массового расхода, выход которого является выходом устройства.

Images