устройство для измерения сплошности парожидкостного потока

Формула изобретения

Устройство для измерения сплошности парожидкостного потока, содержащее диэлектрическую трубку, по которой протекает измеряемая среда, проводящий цилиндрический экран, установленный поверх диэлектрической трубки, чувствительный элемент, связанный с сверхвысокочастотным генератором, и индикатор, отличающееся тем, что в него введены измеритель разности фаз, первая и вторая индуктивные катушки, расположенные на диэлектрической трубке, тройник и циркулятор, чувствительный элемент выполнен в виде двух проводящих сегментов, расположенных диаметрально на наружной поверхности диэлектрической трубки с зазором один относительно другого, при этом выход высокочастотного генератора подключен к первому плечу тройника, второе плечо которого соединено с первым входом измерителя разности фаз, третье плечо тройника соединено с первым плечом циркулятора, второе плечо которого подключено к второму входу измерителя разности фаз, третье плечо циркулятора подключено к первому выводу первой индуктивной катушки, второй вывод которой через первый проводящий сегмент чувствительного элемента соединен с первым выводом второй индуктивной катушки, второй вывод которой через второй проводящий сегмент чувствительного элемента подключен к третьему выводу первой индуктивной катушки, а выход измерителя разности фаз соединен с входом индикатора.

Описание изобретения к патенту

Предполагаемое изобретение относится к области измерительной техники и может использоваться в системах управления технологическими процессами, системах контроля питания двигателя.

Известно устройство для определения сплошности потока жидкости в трубопроводе (см. а.с. СССР N 1185092, кл. G 01N 1/66, 1985), содержащее трубопровод, установленный внутри него турбинный датчик расхода жидкости с измерителем скорости вращения турбинки и последовательно соединенные акустический преобразователь, установленный на трубопроводе, усилитель, полосовый фильтр, детектор среднего значения и вычислительный блок. В устройстве по отношению мощности акустического сигнала и скорости потока жидкости определяют сплошность.

Недостатком этого устройства является контактность турбинного датчика с измеряемой средой, приводящая к нарушению структуры потока жидкости.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятое авторами за прототип устройство для измерения сплошности потока в трубопроводе (см. а.с. СССР N 1020774, кл. G 01N 22/04, 1983), содержащее проводящий цилиндрический экран, установленный поверх диэлектрической трубки, подключенный к первому сверхвысокочастотному генератору и первому регистратору резонансной частоты, чувствительный элемент в виде замкнутого зигзагообразного проводника, нанесенного на внешнюю поверхность диэлектрической трубки, третий и четвертый элементы связи, соединенные соответственно с вторым сверхвысокочастотным генератором и вторым регистратором резонансной частоты, и индикатор, подключенный через сумматор к выходам сверхвысокочастотных генераторов. В этом устройстве по частоте резонансной системы, образованной замкнутым зигзагообразным проводником и проводящим цилиндрическим экраном, получают информацию о сплошности потока в трубопроводе.

Недостатком данного устройства следует считать сложность в обеспечении двух взаимно перпендикулярных однородных полей, связанных с реализацией замкнутого зигзагообразного проводника.

Целью заявляемого изобретения является упрощение конструкции и процесса получения первичной информации о сплошности.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее диэлектрическую трубку, по которой протекает измеряемая среда, проводящий цилиндрический экран, установленный поверх диэлектрической трубки, чувствительный элемент, связанный со сверхвысокочастотным генератором, и индикатор, введены измеритель разности фаз, первая и вторая индуктивные катушки, расположенные на диэлектрической трубке, тройник и циркулятор, чувствительный элемент выполнен в виде двух проводящих сегментов, расположенных диаметрально на наружной поверхности диэлектрической трубки с зазором один относительно другого, при этом выход сверхвысокочастотного генератора подключен к первому плечу тройника, второе плечо которого соединено с первым входом измерителя разности фаз, третье плечо тройника соединено с первым плечом циркулятора, второе плечо которого подключено к второму входу измерителя разности фаз, третье плечо циркулятора подключено к первому выводу первой индуктивной катушки, второй вывод которой через первый проводящий сегмент чувствительного элемента соединен с первым выводом второй индуктивной катушки, второй вывод которой через второй проводящий сегмент чувствительного элемента подключен к третьему выводу первой индуктивной катушки, а выход измерителя разности фаз соединен с входом индикатора.

Cущественным отличительным признаком в указанной выше совокупности является наличие измерителя разности фаз, двух проводящих сегментов, индуктивных катушек, тройника и циркулятора.

Наличие в заявляемом устройстве перечисленных признаков позволяют путем несложного процесса фазового измерения сплошности потока решить поставленную задачу измерения этого параметра конструктивно простым и дешевым прибором.

На фиг. 1 и 2 представлены соответственно функциональная схема предлагаемого устройства и зависимость фазового сдвига от изменений сплошности потока.

Устройство содержит диэлектрическую трубку 1, по которой протекает измеряемая парожидкостная среда, проводящий цилиндрический экран 2, установленный поверх диэлектрической трубки, первый и второй проводящие сегменты 3 и 4, размещенные на наружной поверхности трубки, сверхвысокочастотный генератор 5, подключенный выходом к первому плечу тройника 6, измеритель разности фаз 7, подключенный вторым входом к первому плечу циркулятора 8, первую индуктивную катушку 9, подключенную вторым выводом через первый проводящий сегмент к первому выводу второй индуктивной катушки 10, и индикатор 11, подключенный к выходу измерителя разности фаз.

Устройство работает следующим образом. В сверхвысокочастотном тракте предлагаемого устройства, по которому передается и принимается энергия, образуются две контрольные точки в виде последовательно соединенных тройника 6 и циркулятора 8. Назначением тройника 6 является деление поступающей от сверхвысокочастотного генератора 5 мощности на две части. Распределенные поровну между вторым и третьим плечами тройника мощности далее поступают соответственно на первый вход измерителя разности фаз и на первое плечо циркулятора. Используемый в устройстве циркулятор осуществляет разделение прямого и обратного электромагнитных сигналов, т.е. на второй вход измерителя разности фаз поступает только отраженный от нагрузки сигнал. Передаваемый циркулятором сигнал, поступающий со стороны тройника, передается только в плечо циркулятора, подключенное к первому выводу первой индуктивной катушки. Отраженный от нагрузки сигнал, поступающий со стороны первой индуктивной катушки, передается только в плечо, подключенное к второму входу измерителя разности фаз. Сигналом сверхвысокочастотного генератора 5 возбуждают электромагнитные колебания в чувствительном элементе, включающем в себя первый и второй 3 и 4 проводящие элементы. По величине напряжения одного из двух входных сигналов измерителя разности фаз 7, подключенного к тройнику и циркулятору, определяют частоту сигнала, соответствующую нижней границе полосы пропускания резонатора, образованного сверхвысокочастотным трактом и чувствительным элементом.

Сверхвысокочастотный тракт от генератора (автогенератора) 5 с колебательной системой, состоящий из двух индуктивных катушек и проводящих сегментов, следует рассматривать как замкнутую на реактивное сопротивление длинную линию. В этом случае (см. Н.В. Зернов и др. Теория радиотехнических цепей. М. Энергия, 1965 г. стр. 232, 233) напряжение обратной (отраженной) волны в точке отражения сдвинуто по фазе относительно напряжения падающей волы на угол и зависит от нагрузки. В связи с этим для подключения измерителя разности фаз к вышеуказанному тракту необходимо иметь в тракте две измерительные точки, которые в данном случае образованы блоками 6 и 8. Причем блок 6 вторым плечом направляет часть падающей волны, образованной генератором 5, на первый вход блока 7, а третьим плечом другую часть падающей волны через блок 8 в нагрузку. Третье плечо блока 8 служит для улавливания отраженного сигнала, который через его второе плечо поступает на второй вход блока 7. В результате изменение реактивного сопротивления (емкости чувствительного элемента) приводит к изменению угла v, что можно использовать для определения сплошности потока измеряемой среды. В силу этого при данной частоте сигнала в сверхвысокочастотном тракте устанавливается режим стоячей волны с фазовым набегом, определяемым по выражению

,

где Z_o волновое сопротивление сверхвысокочастотного тракта,

X₂ нагрузка, образованная чувствительным элементом, рассматриваемая как реактивная на конце отрезка длинных линий. Поскольку нагрузка X₂ в рассматриваемом случае представляет собой два проводящих сегмента с образованной между ними емкостью, то оценка разности фаз между двумя входными сигналами измерителя разности фаз, снимаемыми с двух контрольных точек сверхвысокочастотного тракта и соответствующими пучности и узлу амплитуды напряжения стоячей волны, позволяет судить об измерении емкостного характера нагрузки X₂.

Так как величина емкости между первым и вторым проводящими сегментами является функцией диэлектрической проницаемости контролируемой двухфазной парожидкостной среды и зависит еще от отсутствия в диэлектрической трубке 1, то оценка разности фаз между двумя сигналами, связанной с указанной емкостью, позволяет через получить информацию о сплошности парожидкостного потока (см. В. А. Викторов и др. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М. Наука, 1978 г. стр. 237).

Обозначим v₀ разность фаз, соответствующая отсутствию потока в диэлектрической трубке, ₁ разность фаз, соответствующая потоку без газовых включений. Тогда при известной зависимости от S для контролируемой среды по разности

Dv = ₀-₁

можно определить сплошность потока в диэлектрической трубке (см. фиг. 2). С выхода измерителя разности фаз информативный сигнал поступает на вход индикатора 11, где отражается результат измерения сплошности парожидкостного потока при ее изменении от 0 (отсутствие потока) до 21 (сплошной поток).

В предлагаемом устройстве назначением индуктивных элементов 9 и 10 является то, что в результате их подключения параллельно к емкости, образованной первым и вторым проводящими сегментами, формируется колебательная система, входящая в частотно-задающую цепь автогенератора (генератора) 5. Кроме того, их использование позволяет снизить резонансную частоту емкостного чувствительного элемента, что может оказаться удобным и доступным при измерении и обработке информативного сверхвысокочастотного сигнала.

Лабораторные испытания натурного образца устройства на базе измерителя разности фаз ФК2-29 с частотой сверхвысокочастотного сигнала около 268 МГц по определению сплошности потока керосина при ее изменении от 0 до 1 в диэлектрической трубке диаметром 10 мм показали стабильные и надежные результаты измерения сплошности.