Устройство для измерения сплошности потоков криопродуктов

 

С ™ ITI (19) R (51) 5 G01N22

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

< ENTNg y

К ПАТЕНТУ

hJ

CO

ЬЭ О (21) 5006139/09 (22) 18.10.91 (46) 15.10.93 Бюл. М 37 — 38 (76) Архаров Алексей Михайлович; Гречко

Александр Георгиевич; Главатских Сергей Борисович; Жердев Анатолий Анатольевич (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СПЛОШНОСТИ ПОТОКОВ КРИОПРОДУКТОВ (57) Использование: в измерительной технике для определения сплошности потоков неполярных и слабополярных сред, преимущественно криогенных

Сущность изобретения; датчик возбуждается на резонансной частоте, величина которой зависит от диэлектрической проницаемости контролируемого потока, которая в свою очередь зависит от его сплошности. Поскольку распределение электри— ческого поля на измерительном участке близко к однородному, резонансная частота не зависит от структуры двухфазного потока. Кроме того, чувствительность измерений близка к максимальной теоретической, поскольку большая часть электрического поля резонатора сосредоточена на измерительном участке. Отсчет величины резонансной частоты, являющейся мерой сплошности производится с помощью подсоединенного к резонатору индикатора, например, цифрового частотомера 2 з.п.ф-лы, 6 ил.

2001391

5dc7 а 5(Ir + Г) < d7p/2.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения сплошности потоков неполярных и слабополярных сред, преимущественно криогенных.

Известно устройство для измерения сплошности потоков, содержащее резонатор, имеющий цилиндрический корпус, по оси которого расположен трубопровод, при этом трубопровод выполнен в виде диэлектрической трубы, на внешней стороне которой нанесен замкнутый зигзагообразный проводник.

Недостатком этого устройства являются невысокие чувствительность и то ность измерений иэ-за того, что для измерений используется лишь незначительная часть электрического поля резонатора, Наиболее близким по технической сущности к предложенному техническому решению является устройство для измерения сплошности потока жидкости, содержащее резонатор, связанный через элементы связи с генератором и индикатором. при этом внутри резонатора. по его оси, расположен трубопровод, объем резонатора заполнен диэлектриком, а трубопровод выполнен в виде двух металлических труб, разделенных зазором.

Недостатком известно о устройства является невысокая точность и чувствительность измерений из-за значительной неоднородности распределения электрического поля на измерительном участке трубопровода и из-за того, что не все электрическое поле резона7ора используется для измерения (значительная часть электрического поля сосредоточена в диэлектрике).

Цель изобретения — повышение точности и чувствительности за счет сосредоточения однородного электрического поля на измерительном участке резонатора.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измерения сплошности потока, содержащем резонатор в виде цилиндрического корпуса с диэлектриком и установленный по его оси участок трубопровода в виде двух труб, расположенных последовательно с зазором между ними и электрически связанных с корпусом, генератор и индикатор (согласно изобретению) на внутренних поверхностях труб выполнены параллельно продольной оси резонатора ребра обтекаемой формы, причем концы ребер выступают в зазор между трубами, но не доходят до противоположной трубы, ребра одной трубы смещены относительно ребер другой трубы. а наименьшее расстояние между соседними ребрами противополож5

55 ных труб гт связано с расстоянием между торцами труб Ли расстоянием I по оси между концами ребер соотношением 1/3

А< А .

Кроме того, с целью увеличения дистанционности, согласно изобретению, оно может быть снабжено установленным на резонаторе центральным стержнем, электрически связанным с корпусом посредством перемычки, выполненной на его внутренней поверхности, а труба с центральным ребром выполнена в виде кольца, электрически связанного с центральным стержнем посредством центрального ребра.

Кроме того, центральный стержень может быть выполнен с изгибом, плечо которого (Irrr) связано с диаметром трубопровода

d7p и диаметром стержня dr:7 соотношением

Сопоставительный анализ с прототипом показал, что предложенное техническое решение имеет новые признаки, отсутствующие в прототипе. Так, введение в конструкцию резонатора вышеописанным образом ребер позволило сосредоточить электрическое поле между ребрами и улучшить его однородность на измерительном участке. Соблюдение же соотношения между геометрическими размерами резонатора

1/3 < о Л способствует усилению эффекта сосредоточения электрического поля на измерительном участке и повышению его однородности.

Кроме того, введение центрального стержня и перемычки позволило увеличить индуктивность резонатора и, соответственно. уменьшить его резонаторную частоту при сохранении высокой добротности, что обеспечило увеличение дистанционности между резонатором и электронным блоком, Выполнение центрального стержня с изгибом позволяет еще больше увеличить индуктивность и повысить надежность конструкции резонатора при работе в динамических режимах охлаждения и отогрева.

Соблюдение же приведенного выше соотношения между плечом изгиба (lr+r) и диаметрами трубопровода d7p и стержня dQ7 позволяет снизить возникающие при динамическом термоциклировании напряжения в заделке центрального стержня до оптимальной величины.

Вышеизложенное позволяет сделать вывод о соответствии предложенного технического решения критерию "Новизна", 2001391

На фиг. 1 приведена конструкция устройства; »а фиг, 2 — конструкция измерительной емкости в увеличенном масштабе; на фиг. 3 — вид па стрелке А на фиг. 1; на фиг.

4 — конструкция устройства с центральным стержнем и перемычкой; на фиг, 5 — вид по стрелке А на фиг. 4; на фиг. 6 — электрическая схема резонатора.

Устройство содержит генератор 1, индикатор 2, резонатор в виде цилиндрического корпуса 3 с диэлектриком 4 и установленный по его аси участок трубопровода е виде двух труб 5, 6, расположенных последовательно с зазором между ними и электрически связанных с корпусом. На внутренних поверхностях труб 5, 6 выполнены параллельно продольной аси резонатора ребра 7, 8, 9, 10, 11 обтекаемой формы, концы которых выступают в зазор между трубами, но не доходят до противоположной трубы. Ребра 7. 8, 9 трубы 6 смещены относительно ребер 10, 11 трубы 5.

Резонатор образован металлическими, например, иэ меди, цилиндрическим корпусом 3 и коаксиальными трубами 5, 6 с ребрами 7, 8, 9, 10, 11. Его полость заполнена диэлектриком 4 с малыми диэлектрическими потерями. например, фтарапластом. В

СВЧ технике такой резонатор относится к классу коаксиальных резонаторов с торцевым зазором. В этом резонаторе расстояние а между соседними ребрами противоположных труб мало па сравнению с размерами других полостей резонатора, где может быть сосредоточено электрическое поле, а внешний диаметр d труб 5, 6 по крайней мере в 2,5 раза меньше внутреннего диаметра D корпуса 3. Эти условия превращают резонатор в квазисосредатаченный: индуктивные части сосредоточены между внешними цилиндрическими поверхностями труб 5, 6 и соответствующи,"ли им участками корпуса 3, а ем костная часть — в зазоре ь1ежду трубами 5 и 6, причем большая часть е лкасти сосредоточена в зазорах между соседними ребрами противоположных труб и лишь небольшая часть емкости датчика сосредоточена е диэлектрике 4 л1ежду торцами труб.

Электрическая сумма резонатора (фиг. 6) представляет собой калебательный корпус с параллельно включенными сосредоточенными индуктивностью L, измерительной

Сизм и паразитнай С рэр емкостями. В заявленном устройстве роль индуктивнастей выполняют внешние цилиндрические поверхности труб 5 и 6, измерительная емкость сосредоточена в трубопроводе между ребрами труб, а паразитная — в диэлектрике

4 между торцами труб 5 и 6, Электрическая же схема измерительной емкости представ5

20 25

50 ляет собой емкость, образованную между рядами плоскопараллельных пластин, распределение электрического поля между которыми, как известно. весьма однородно.

Конструктивно измерительная емкость выполнена в виде параллельных ребер 7, 8, 9, 10, 11, представляющих собой тонкие пластины, жестко прикрепленные к внутренней поверхности соответствующих труб 5, 6.

Для плавного обтекания потоком концы пластин по потоку заострены, Толщина ребер выбирается такой, чтобы черезмерно не зауживать сечения трубопровода. На наш взгляд, целесообразно соблюдение следующего соотношения между площадью поперечного сечения ребер Fp и трубопровода

Fp! Frp< 1.

Количество же ребер с учетом их толщины выбирается таким, чтобы соблюдалось соотношение 0 < Л, Таким образом, выполнение на внутренних поверхностях труб параллельных продольной оси резонатора ребер обтекаемой формы, концы которых выступают в зазор между трубами и которые смещены относительно ребер противоположной трубы, позволило сосредоточить на измерительном участке однородно распределенное электрическое поле, аналогичное полю емкости, образованной между рядами плоскопараллельных пластин, что обеспечивало по сравнению с прототипом повышение чувствительности измерений и независимость показаний датчика от структуры двухфазного потока, т.е, повышение точности измерений.

Как известно, электрическая емкость между пласкопараллельными пластинами пропорциональна площади пластин и обратно пропорциональна расстоянию между пластинами. Поэтому измерительная емкость датчика увеличивается при увеличении величины перекрытия ребер и уменьшении расстояния между ребрами о.

Однако, при черезмерном увеличении емкости датчика падает его добротность, и, следовательно, уменьшается точность измерения резонансной частоты. Кроме тога, уменьшение расстояния о связано с зауживанием сечения трубопровода ребрами. Чта приводит к увеличению гидродина мических потерь давления, возмущению потока и. в конечном счете, к потере точности измерений.

В случае же. когда концы ребер не доходят друг до друга, увеличение осевого расстояния между ребрами уменьшает измерительную емкость, т.е, уменьшает чувствительность датчика.

2001391

Были проведены эксперименты по изучению влияния перекрытия ребер на добротность резонатора. Так, например, с числом ребер на трубах 3 и 4 и размерами (мм) бтр - 20, 0 = 80. d = 22, Л- 15, о = 2, Н» 5

= 75, Пр = 6, а - 0,5 нагруженная добротность составила при величине перекрытия ребер!

= 0 0 =- 500, а при I = 6 0 = 50. Видно, что с увеличением перекрытия добротность уменьшалась, причем случай при I - 6 мм соответствует крайнему случаю соотношения о > 1/3. Поскольку погрешность измерения резонансной частоты обратно пропорциональна добротности, то при этом крайнем случае погрешность измерения резонансной частоты и, соответственно, сплошности, увеличилась в 10 раз, Были также проведены эксперименты по изучению влияния величины осевого зазора, в случае, когда ребра не доходят друг до друга, Было обнаружено, что увеличение расстояния 1 в этом случае не вызывало уменьшения добротности. Однако с ростом

t уменьшалась измерительная емкость и, соответственно, чувствительность датчика.

При крайнем случае I - h, когда ребра не выходили в зазор между торцами труб, чувствительность датчика приближалась к чувствительности прототипа, оставаясь тем не менее выше, чем у прототипа. В этом случае отношение перестройки частоты датчика

Л f в жидком азоте к максимальной теоретической Ь fT (при С Зр - О) составляло

Л М f< = 0,2, в то время, как у прототипа это соотношение меньше h f Ь |т - 0,12.

Учитывая изложенное выше соотношение между наименьшим расстоянием о между соседними ребрами противоположных труб и расстояние I по оси между концами этих ребер должны удовлетворять неравенству 1/3 < a .

Паразитная емкость сосредоточена в диэлектрике между торцами труб. Величина этой емкости обратно пропорциональна расстоянию b, между торцами труб, поэтому чувствительность датчика уменьшается при уменьшении расстояния Л . Согласно изобретению, в датчике должно соблюдаться соотношение о < Ь . Это неравенство позволяет сосредоточить большую часть электрического поля резонатора на измерительном участке между ребрами.

При п = Л измерительная емкость становится настолько меньше паразитной, что по чувствительности заявленное устройство приближается к прототипу.

Передача высокочастотных (ВЧ) электромагнитных колебаний от генератора до резонатора и от резонатора до индикатора

55 связана с потерями энергии этих колебаний в кабелях связи, По условиям же эксплуатации датчиков сплошности криопродуктов дистанционность, т.е. удаление датчика-резонатора от электронной аппаратуры, может достигать сотен метров. Известно, что потери энергии ВЧ колебаний в кабелях а, дБ!м, пропорциональны величине частоты

f, например, для кабеля РК50-7-21 имеем при 1000 МГц — 0,328 дБ/м, при 100 МГц—

0,072 дБ/м, при 10 МГц — 0,015 дБ/м.

Мощность же СВЧ генератора по целому ряду причин ограничена, Поэтому для увеличения дистанционности надо понижать резонансную частоту датчика сплошности, Для электрической схемы резонатора заявленного устройства (фиг. 6) резонансная частота f связана с емкостью и индуктивностью L соотношением

Как указывалось выше, емкость датчика сильно увеличивать нельзя, так как при этом ухудшается добротность резонатора. Понижение же резонансной частоты можно осуществить за счет увеличения индуктивности резонатора L. Индуктивность коаксиальных резонаторов пропорциональна отношению диаметра корпуса 0 к диаметру коаксиального электрода d и длине коаксиального электрода. Увеличение диаметра корпуса 0 и его длины целесообразно из-за значительного увеличения габаритов датчика. Поэтому надо уменьшать диаметр d коаксиального электрода, которым в заявленной конструкции являются металлические трубы.

С целью увеличения дистанционности резонатора может быть снабжен (фиг. 4) центральным стержнем 12, электрически связанным с корпусом 3 посредством перемычки 13, выполненной на его внутренней поверхности, а труба 6 с центральным ребром 8 выполнена в виде кольца, электрически связанного с центральным стержнем 12 посредством центрального ребра 8. В данной конструкции произошло вильное увеличение индуктивности резонатора из-за введения тонкого центрального стержня с

d««0 и за счет этого уменьшилась резонансная частота и потери в кабелях. Конструктивно целесообразно, чтобы диаметр der был соизмерим с толщиной ребер, Кроме того, центральный стержень 12 может иметь изгиб (фиг. 5), плечо которого (1, + г) связано с диаметром трубопровода бтр и диаметром стержня бст соотношенивм

2001391

Целесообразно. чтобы изгиб централь- 20 ного стержня 12 находился в одной плоскости с перемычкой 13 и центральным ребром

8. Величина плеча изгиба ограничена сверху радиусом трубопровода drp/2, а снизу— максимально допустимым прогибом цент- 25 рального ребра д р. Примем др = 1 мкм и вычислим осевую силу Мр, действующую на ребро. Расчеты проведены, при этом

48 8 I 6 р б р

30 где Е = 2 10 Па, 1р = абаз /12 — момент

11 з сечения ребра относительно оси, перпендикулярной к плоскости изгибающего момента. h3 = 9 MM — высота ребра в заделке, 4тр.

= 50 мм, а = 1 мм. Усилие N . возникающее по оси стержня с плечом изгиба (lr + r) при изменении температуры:

Е4ст =

) ст ст

32(Ir+р) (10+Ir+r)/3+9(Ir+r) 45

Е!ст =5Н

Гдв Ici = Л Г1 gr/4, Иб = 30 ММ вЂ” раССтОяНИЕ От

2 ребра до начала изгиба, (I< + г) = 50 мм, d

- 1 мм, Л!ст/1ст = 2,7 10 — относительная

-з термодеформация стали 12Х18Н10Т в диапазоне температур от 300 К до 80 К. Принята в расчете величина плеча (I! + r) для данных геометрических размеров стержня является 55 минимально допустимой. При меньшем плече сила йст будет больше, следовательно, прогиб ребра д р будет больше допустимого.

50ст (! + r) < дст/2. Наличие изгиба еще более увеличивает индуктивность, поскольку увеличивается длина коаксиального электрода, и способствует уменьшению жесткости центрального стержня в осевом 5 направлении, что повышает надежность конструкции датчика в динамических режимах охлаждения и отогрева. Дело в том, что при пропускании через датчик низкотемпературных криопродуктов центральный стер- 10 жень 12 охлаждается быстрее корпуса 3.

Это может приводить к значительной термодеформации 12, его укорочению, которое может достигать нескольких миллиметров., Наличие же изгиба позволяет компенсиро- 15 вать это укорочение и уменьшить напряжения в заделке центрального стержня 12, в перемычке 13 и центральном ребре 8.

Таким образом, соотношение между размерами плеча изгиба и диаметром стержня должно быть 50ст < (1, + г).

Для сравнения вычислим усилие P в центральном стержне без изгиба и возникающий при этом прогиб ребра д р при резком охлаждении стержня до температуры жидкого азота: г ду Л! ст

4 )ст

Pd2, 6 р = — — -Е- = 9 10 8 м = 90 мкм

48 E I p

Такая деформация ребра недопустима с точкой зрения увеличения погрешности измерений.

Устройство работает следующим образом. Резонатор 3 возбуждается с помощью генератора 1 на резонансной частоте, величина которой зависит от электромагнитных свойств среды, протекающей через измерительный участок трубопровода, в частности, от диэлектрической проницаемости потока, которая зависит от соотношения обьемов жидкой и паровой фаэ в потоке, Поскольку распределение электрического поля между ребрами близко к однородному, резонансная частота не зависит от структуры двухфазного потока. Кроме того перестройка резонансной частоты, т.е. чувствительность измерения, близка к максимальной теоретической, поскольку большая часть электрического поля резонатора сосредоточена на измерительном участке между ребрами, Отсчет величины резонансной частоты, являющейся мерой сплошности. производится с помощью подсоединенного индикатора 2. например, цифрового частотомера.

Были изготовлены и испытаны на жидком азоте макеты датчиков сплошности со следующими размерами (мм):

1. Без центрального стержня и перемычки. drp = 20, число ребер 3 и 4, 0 = 80, 4= 22, Л= 15, o = 2, величина перекрытия I-=2,5, Н = 75, hz - 6, а - 0,5. Частота в парах азота fn = 563300 кГц. Частота в жидком азоте f = 501200 кГц. Перестройка Л! - f

- 1ж = 62100 кГц.

Для идеального случая, при Сиар - 0 (принимая r.n- 1) жт — — 471055 кГц п 563300

Еж 1,43

Максимально возможная теоретическая перестройка

Л f т = f u f жт = 92245 кГц

2001391

Л1 Л fт,= 0,673

Отношение реальной перестройки Л f к идеальной Л1т

2. С центральным стержнем с изгибом и перемычкой, dip - 50, число ребер 9 и 10, 0=

- 114, d - 53, Ь- 15, (т - 2, перекрытие!=0,4. Н 108, hi 10, hg =- 12, бст = 1,4, B = 1, г - 4, 1т - 4. Параметры резонатора при испытании на жидком азоте: f = 147200, f®=

- 129280 кГц, Лf = 17920 кГц, Л fr = 21105 кГц, Ьf/ Л fò -0,743.

Формула изобретения

1. устРоиство для измеРения сплошности потоков кРиопРодуктов, содержащее резоНаТ0р, выполненный в виде цилиндрического корпуса, по оси которого установлен трубопровод из двух труб, установленных соосно с зазором, пространство между трубопроводом и цилиндрическим корпусом заполнено дизлектрикотл, а также генератор и индикатор, электрически связанные с резонатором, отличающееся тем, что на торцах труб параллельно оси резонатора установлены ребра обтекаемой формы, причем концы ребер выступают в зазор между трубами, ребра одной трубы стлещемы относительно ребер другой трубы, а наименьшее расстояние о между ребрами противоположных труб связано с расстоянием Ь между торцами труб и расст оянием

I по оси между концами ребер соотношением — < тт Л.

Для сравнения, у датчика-прототипа соотношение Лf/ Л1т< 0,12, а резонансная частота находится в области 1000 МГц.

Таким образом, по сравнению с прото5 типом заявляемое устройство позволяет повысить точность и чувствительность измерения сплошности, а также увеличить дистанционность от резонатора до электронных блоков, 10 (56) Авторское свидетельство СССР М

1020774, кл. G 01 N 22/04, 1981.

Авторское свидетельство СССР М

845069, кл. G 01 N 22/00, 1987.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что одна из труб выполнена в виде

20 двух отрезков, установленных соосно, при этом первый отрезок соединен с цилиндрическим корпусом, а внутри этой трубы установлен введенный стержень, один конец которого электрически связан с цилин25 дрическим корпусом посредством перемычки, установленной в первом отрезке, а другой конец стержня соединен с центральным ребром второго отрезка.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем. что центральный стержень выполнен с изгибом, плечо котоРого (1т+ r) свЯзано с диатлетром стержня dc и диаметром трубопровода т1тр соотношением:

5д,.щ (! + ) < где !т - расстояние от оси стержня до центра изгиба, r — радиус изгиба.

2001391 у5ЕЛичЕ иС

20 j1 391

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Редактор Н.Сильнячина

Заказ 3126

Составитель А.Архаров

Техред М,Моргентал Корректор С.Шекмар

Ч ираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5