Способ измерения расхода и степени загрязненности жидкости в безнапорных каналах круглого сечения

 

Изобретение может быть использовано для измерения расхода жидкостей с переменным составом, предпочтительно расхода промышленных стоков. В измерительном участке-резонаторе возбуждают два электромагнитных поля с разными углами векторов электрической напряженности по отношению к поверхности жидкости. Измеряют собственные частоты резонатора, по значениям которых, используя алгоритм, определяют уровень h и диэлектрическую проницаемость ε жидкости в измерительном участке. По значению h и известной величине уклона канала определяют расход, а по величине ε - степень загрязненности. Изобретение обеспечивает повышение точности измерения при отсутствии препятствия для потока контролируемой среды. 4 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения расхода жидкостей с меняющимся составом (в том числе с включением частиц различной крупности) в безнапорных каналах. Предпочтительная область применения - измерение расхода и степени загрязненности промышленных стоков.

Известен электромагнитный метод измерения расхода, который основан на измерении ЭДС, индуцируемой в потоке электропроводной жидкости, пересекающем магнитное поле [П. В. Лобачев, Ф.А. Шевелев "Расходомеры для систем водоснабжения и канализации". М., Стройиздат, 1976, стр. 271-272]. Индуцируемая ЭДС пропорциональна объемному расходу. При изменениях электропроводности жидкости возникает погрешность. Это составляет основной недостаток способа для вышеуказанного применения.

Известен также способ, в котором расход определяют по значению уровня жидкости в канале и по уклону канала.

В этом случае расход Q определяют по формуле [П.В. Лобачев, Ф.А. Шевелев "Расходомеры для систем водоснабжения и канализации", М., Стройиздат, 1976, стр. 283-284]: где K - модуль расхода, i - уклон, A = f(h/D) - функция отношения уровня жидкости h в канале к диаметру трубопровода D, определенная Международным стандартом ISO 555/1.

При этом значение уровня устанавливается по показаниям уровнемера, а постоянные коэффициенты K и i, связанные с величиной уклона, - экспериментально.

Применение уровнемеров, основанных на традиционных методах измерения, ограничено по двум причинам. В одном случае - из-за требования бесконтактного измерения не используются буйковые, поплавковые, емкостные уровнемеры. В другом случае - бесконтактные уровнемеры такие, как акустические, СВЧ, электромагнитные имеют большие погрешности измерения, обусловленные изменениями электрофизических свойств контролируемой среды. Кроме того, уровнемеры не дают возможности определять степень загрязненности жидкости в канале.

Авторам не известны способы одновременно измерения расхода и степени загрязненности жидкости в каналах.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение измерения расхода и степени загрязненности жидкости в безнапорных каналах круглого сечения, не создающего помехи потоку жидкости, и достижения независимости результатов измерения расхода от изменения электрофизических свойств контролируемой жидкости.

В предлагаемом способе измерения расхода и степени загрязненности жидкости в безнапорных каналах круглого сечения в измерительном участке канала, представляющем собой электромагнитный резонатор, возбуждают два электромагнитных поля с разными углами α₁ и α₂ векторов электрической напряженности по отношению к плоской поверхности жидкости, причем в каждой точке заполняемой жидкостью части резонатора разность углов α₁-α₂ не меняет знака и один из углов не равен смежному с другим из этих углов, измеряют собственные частоты f₁ и f₂ резонатора, по их значениям определяют уровень h жидкости и диэлектрическую проницаемость ε жидкости, исходя из соотношений где f₀₁, f₀₂ - собственные частоты пустого резонатора; постоянные коэффициенты; относительный объем заполнения; V_ж - объем заполненной части;
V_о - объем всей области заполнения;

r - радиус поперечного сечения канала,
и по найденному значению h в измерительном участке канала и величине уклона канала определяют расход, а по величине ε - степень загрязненности жидкости.

Решение указанной выше технической задачи обеспечивается наличием в предлагаемом способе совокупности отличительных признаков, заключающихся в возбуждении в измерительном участке как в резонаторе двух электромагнитных полей с разными углами линий вектора электрической напряженности по отношению к плоской поверхности жидкости, измерении резонансной частоты каждого поля; по информации о каждой частоте по алгоритму, обусловленному структурой двух полей, определяют уровень и степень загрязненности контролируемой жидкости.

Предлагаемый способ иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 приведена функциональная схема устройства, реализующего заявленный способ измерения расхода жидкости и степени ее загрязненности, на фиг. 2 - структура поперечного сечения измерительного участка трубопровода, заполняемого контролируемой жидкостью, с представлением векторов электрической напряженности электромагнитных полей, возбуждаемых в измерительном участке трубопровода, на фиг. 3 - поперечное сечение резонатора со взаимно перпендикулярной парой возбуждения и съема сигнала, на фиг. 4 - графики значений объемного содержания полученных из решения системы уравнений по измеренным частотам конкретного типа резонатора, для известных значений объемного содержания для разных жидкостей (масло, спирт, вода).

Функциональная схема устройства, реализующего заявляемый способ, содержит измерительный участок 1, трубопровод 2, электромагнитный резонатор 3, область, заполненная жидкостью 4, элементы связи 5,5', 6,6', высокочастотные кабели 7,7', 8,8', электронный блок 9 и вычислительное устройство 10.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.

На измерительном участке 1 трубопровода 2 формируется электромагнитный резонатор 3 с областью заполнения жидкостью 4 той же конфигурации и теми же параметрами, что и у внутренней полости участка трубопровода. Посредством элемента связи 5 через кабель 7 от генератора перестраиваемой частоты электронного блока 9 осуществляется возбуждение электромагнитного поля. Через элемент связи 6, кабель 8 возбуждается другое электромагнитное поле. Соответственно, через элемент связи 5', кабель 7' и элемент связи 6', кабель 8' осуществляется съем электрического сигнала одного и другого полей. В электронном блоке 9 формируются два электрических сигнала, частоты которых пропорциональны собственным частотам возбуждаемых в резонаторе электромагнитных полей. Эти сигналы поступают в устройство 10 (это может быть контроллер, специализированный компьютер, персональный компьютер), в котором осуществляется вычисление расхода и степени загрязненности жидкости по предложенному в способе алгоритму.

Для трубопровода поперечное сечение заполненной жидкостью части резонатора представляет собой сегмент, высота которого меняется в зависимости от объема заполнения (фиг. 2), В этом резонаторе возбуждают два поля - одно с вектором электрической напряженности с линией направления под углом α₁ к поверхности жидкости, а другое - с вектором с линией направления под углом α₂ к этой поверхности.

В каждой точке области заполнения разность углов α₁-α₂ сохраняет знак и один из углов α₁, α₂ не равен смежному с другим углом.

Если эти векторы в каждой точке области заполнения имеют углы с значениями α₁ = π/2 и α₂ = 0 (как, например, для поля плоско параллельного конденсатора, заполняемого жидкостью, уровень которой в одном случае перпендикулярен электрическим силовым линиям, а в другом - параллелен), то для резонатора с таким полем могут быть найдены его собственные частоты.

Векторы электрической напряженности имеющие произвольные углы α₁ и α₂, могут быть разложены на составляющие векторы соответственно, параллельный и перпендикулярный к поверхности жидкости.

Подставляя указанное разложение в известную формулу для собственной частоты [Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. "Радиоволновые измерения параметров технологических процессов", М., Энергоатомиздат, 1989, стр. 27]

получим, что собственные частоты связаны между собой следующими соотношениями

Зная зависимость f_∥ и f_┴ от параметров заполнения резонатора: ε диэлектрической проницаемости жидкости и S = V_ж/V_о - относительного объема заполнения (V_ж - объем заполненной части, V_о - объем всей области заполнения), по измеренным частотам f₁, f₂, f₀₁, f₀₂ можно найти указанные параметры заполнения.

Для получения однозначных решений необходимо, чтобы знак разности частот f₁-f₂ не менялся во всем диапазоне заполнения, а также a₁ ≠ b₁, a₂ ≠ b₂. Это возможно, если один из углов линии вектора электрической напряженности с плоскостью уровня не равен смежному с другим из этих углов и разность углов α₁ и α₂ не меняет знака.

В общем случае, когда значения углов α₁ и α₂ является функцией координат точки области заполнения, эти требования к структуре поля, как показывают экспериментальные исследования, сохраняются.

Предлагаемый способ измерения реализуется на основе резонатора с замкнутым зигзагообразно распределенным проводником внутри стенки диэлектрической трубы [Иванов А.В., Морозов Е.А. "Датчик сплошности потока (Методика выбора основных параметров и структуры вторичного преобразователя)" Сб. трудов Института проблем управления "Радиоволновые датчики", М., 1983]. Этот тип резонатора используется в качестве чувствительного элемента датчика параметров сред с произвольными диэлектрическими проницаемостями и большими потерями.

На основной собственной частоте в таком резонаторе возбуждаемое поле имеет одинаковую величину модуля электрической напряженности в каждой точке внутри полости трубы (области заполнения). Возбуждение этого поля осуществляется от генератора электромагнитных колебаний, соединенного с распределенным проводником через емкостную связь. С диаметрально противоположной точки проводника также через емкостную связь сигнал поступает на детектор.

Другая пара элементов связи, сдвинутая на некоторый угол в пределах 0÷π/2 совместно с первой парой обеспечивает возбуждение двух полей с вышеописанной структурой.

В частном случае, при котором две пары элементов связи сдвинуты на π/2 и расположены относительно поверхности жидкости так, как показано на фиг. 3, зависимости резонансных частот резонатора для этих полей имеют вид

где
В формулах f₁, f₀₁, f₂, f₀₂ - резонансные частоты полей пустого и частично заполненного жидкостью резонатора, возбуждаемого через пару элементов связи, находящихся на линии, соответственно, параллельный поверхности жидкости и перпендикулярной.

Из системы уравнений по измеренным значениям частот можно определить величину заполнения S^* резонатора жидкостью.

Значения уровня h получим из формулы

На основании приведенных выше соотношений определяется расход по величине, пропорциональной произведению вышеуказанной функции отношения найденного уровня жидкости h в измерительном участке канала к его диаметру и корня квадратного из величины уклона канала.

На графике фиг. 4 точками отмечены значения S^*, полученные из решения системы уравнений по измеренным резонансным частотам для значений объемного содержания S различных жидкостей. (Знак · соответствует заполнению масло ε ≈ 2.2, ▿ - спиртом ε ≈ 25, x - водой ε ≈ 80). Как видно из графика погрешность измерения в таком широком диапазоне изменения состава не превышает 2%.

Из той же системы уравнений по измеренным частотам можно определить диэлектрическую проницаемость жидкости и по ее величине определить степень загрязненности.

Если полученное значение диэлектрической проницаемости значительно отличается от 80 (значение относительной диэлектрической проницаемости воды в нормальных условиях), то это говорит о высокой степени загрязненности воды. Если же при этом известен тип преобладающих примесей, то можно говорить и о количественном показателе загрязненности.

Например, если при преобладании в примесях нефтепродуктов, полученное значение диэлектрической проницаемости равно 70, то это говорит о том, что содержание нефтепродуктов в воде составляет ≈ 13%. Если полученное значение диэлектрической проницаемости - 40, то содержание нефтепродуктов в воде - ≈ 50%, если это значение равно 15, то нефтепродуктов - ≈ 80%.

Таким образом по измеренным частотам и приведенному алгоритму можно одновременно определить расход и степень загрязненности жидкости в канале круглого сечения.

Формула изобретения

Способ измерения расхода и степени загрязненности жидкости в безнапорных каналах круглого сечения, при котором в измерительном участке канала, представляющем собой электромагнитный резонатор, возбуждают два электромагнитных поля с разными углами α₁ и α₂ векторов электрической напряженности по отношению к плоской поверхности жидкости, причем в каждой точке заполняемой жидкостью части резонатора разность углов α₁-α₂ не меняет знака и один из углов не равен смежному с другим из этих углов, измеряют собственные частоты f₁ и f₂ резонатора, по их значениям определяют уровень h жидкости и диэлектрическую проницаемость ε жидкости, исходя из соотношений


где f₀₁, f₀₂ - собственные частоты пустого резонатора;
постоянные коэффициенты;
относительный объем заполнения;
V_ж - объем заполненной части измерительного участка;
V_о - объем всего измерительного участка;

r - радиус поперечного сечения канала,
и по найденному значению h в измерительном участке канала и величине уклона канала определяют расход, а по величине ε - степень загрязненности жидкости.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4