Пристрій для вимірювання витрати газу

Винахід відноситься до області вимірювальної техніки і може бути використаний при вимірюванні витрати рідких і газоподібних середовищ у трубопроводах. Відомий тепловий витратомір з перемінною потужністю нагрівання [Кремлевский П.П. Расходомеры. М.Л.: Ма шгиз, 1963. 559-560c.], що містить два термоперетворювача, розташовані по поверхні трубопроводу і включені за мостовою схемою, підсилювач постійного струму, входи якого з'єднані з діагоналлю мостової схеми, а вихід підключений до нагрівача, намотаного поверх одного з термоперетворювачів. Однак оскільки величиною, пропорційною витраті, є потужність, що підводиться до нагрівача, то шкала приладу нелінійна, що є недоліком цього пристрою. Відомий тепловий витратомір [Коротков П.А. Тепловые расходомеры. Л.: Машиностроение, 1969. 6768с.], що містить розташовані в трубопроводі за напрямком потоку ідентичні перший і другий термоперетворювачі, нагрівач, розміщений між термоперетворювачами, резистор-задатчик, включений між першими виводами термоперетворювачів, диференціальний підсилювач, входи якого з'єднані з іншими виводами термоперетворювачів, ваттметр і регулятор, включені між нагрівачем і блоком живлення, джерело напруги і два резистори, підключені першими виводами до одного полюса джерела напруги, інший полюс якого приєднаний до загальної точки з'єднання резистора-задатчика та іншого термоперетворювача. У пристрої потужність на нагрівачі, необхідна для підтримки різниці температур потоку, вимірюється ваттметром. Недоліком цього пристрою є відхід номіналів постійних резисторів під дією різних дестабілізуючих факторів, що приводить до похибки вимірювання витрати у відомому пристрої. Тепловий витратомір [а. с. СССР №1154534. Тепловой расходомер. МПК G01F1/68, публ. 07.05.1985. Бюл. №17] вільний від цього недоліку. Але позитивний результат у цьому випадку досягається за рахунок ускладнення схеми пристрою. Загальним недоліком для усіх витратомірів, у яких використані теплові ефекти, є низька точність, обумовлена впливом датчиків-термоперетворювачів на вимірювальний потік газу або рідини, і складність вимірювання. Відомо, що найвищою чутливістю і точністю вимірювання відрізняються оптичні прилади. Відомий ряд пристроїв для аналізу газових сумішей, вимірювання показників переломлення, рефрактометрії оптично прозорих рідин і газів. Усі вони мають загальну ознаку: интерферометричний спосіб вимірювання. Так, відомий пристрій, оснований на способі рефрактометрії оптично прозорих рідин і газів [а.с. СССР №802853. Способ рефрактометрии оптически прозрачных жидкостей и газов. МПК G01N21/45, публ. 07.02.81. Бюл. №5], який містить джерело світла, напівпрозоре дзеркало, яке розподіляє промінь світла від джерела світла на два промені, кювети з досліджуваним середовищем, дзеркала, лічильник і пристрій для пересування кювети. Пристрій працює таким чином. Пучок світла напівпрозорим дзеркалом розподіляється на два промені, один з яких відбивається від дзеркала та зводиться з іншим променем, який відбився від дзеркала та пройшов через кювету з досліджуваним середовищем. Інтерферуючи, промені потрапляють на лічильник інтерференціонних смуг. Потім за допомогою пристрою для пересування кювети змінюють оптичну довжину шляху променю в досліджуваному середовищі, при цьому лічильник підраховує число смуг перемінної інтерференційної картини, вимірюють зміну геометричної довжини шляху променю в досліджуваному середовищі, а абсолютне значення показника переломлення визначають за формулою lN n= DL , де n - абсолютне значення показника переломлення досліджуваного середовища; l - довжина хвилі зондуючого світло вого випромінювання; N - число інтерференційних смуг; DL- зміна геометричної довжини шляху променю в досліджуваному середовищі. Найбільш близьким за сукупністю ознак є пристрій, який реалізує интерферометричний спосіб рефрактометрії оптично прозорих рідин і газів [а.с. СССР №958926. Интерферометрический способ рефрактометрии оптически прозрачных жидкостей и газов. МПК G01N21/45, публ. 15.09.82. Бюл. №34], що використовується для прецизійних вимірювань показника переломлення названих середовищ, який містить напівпрозорі дзеркала, кювету з досліджуваним середовищем, дзеркала, вузли вимірювання зсуву інтерференційної картини, напівпрозорі дзеркала, кювету з вакуумом, тягу. Елементи пристрою створюють праву та ліву ідентичні частини пристрою. Пристрій працює таким чином. Промінь від джерела випромінювання проходить через напівпрозорі дзеркала, потрапляє до кювети з досліджуваним середовищем, відбивається у зворотному напрямку дзеркалом і після відбиття від першого напівпрозорого дзеркала спільно з променем, що відбився від другого напівпрозорого дзеркала, створює інтерференційну картину, зсув якої вимірюється вузлом вимірювання зсуву інтерференційної картини. Ідентично працює ліва частина пристрою. Під час вимірювань дзеркала правої та лівої частин за допомогою тяги пересуваються на однакову величину. Вузли вимірювання зсуву інтерференційної картини вимірюють зсув інтерференційних картин обох пар променів, а шуканий показник переломлення визначають за формулою M n= N, де М і N - зсуви інтерференційних картин пар, промені яких пройшли через досліджуване середовище і вакуум відповідно. Недоліком прототипу (так само як аналогів) є те, що датчики (у даному випадку дзеркала і тяга) розміщені в досліджуваному середовищі, а значить його змінюють, ці зміни призводять до істотної похибки вимірювання. В основу винаходу поставлена задача забезпечення високої чутливості і точності вимірювання витрати газу шля хом введення у конструкцію додаткового дзеркала, яке розміщене на одній оптичній осі з напівпрозорими пластинами та джерелом випромінювання, причому обидва дзеркала розташовані за межами ємності з газом, так що в досліджуваному середовищі відсутні (на відміну від прототипу) об'єкти. Ця задача вирішується таким чином. У пристрій для вимірювання витрати газу, що містить джерело випромінювання, ємність з досліджуваним середовищем, напівпрозорі пластини і два дзеркала, які знаходяться на оптичних вісях по ходу оптичних променів, а також вузол вимірювання оптичної різниці ходу променів, згідно пропонуємого винаходу як ємність з досліджуваним середовищем використовують трубопровід з газом, виконаний із двома симетрично розташованими відносно осі трубопровода і за напрямком потоку парами отворів, що закриті оптичними скляними пластинами, крім того додатково містить ще одне дзеркало, дзеркала розташовані за межами трубопроводу, причому додаткове дзеркало та напівпрозорі пластини розміщені на одній оптичній осі з джерелом випромінювання. На Фіг. зображено схема пропонуємого пристрою. Пристрій містить джерело світлового випромінювання 1, напівпрозору пластину 2 на оптичній осі променю, промінь світла 3, що відбивається від напівпрозорої пластини 2 та через оптичні скляні пластини 4, 5 потрапляє на дзеркало 6, а промінь світла 7 проходить через напівпрозору пластину 8 на додаткове дзеркало 9 і через оптичні скляні пластини 10, 11 потрапляє на дзеркало 12, відбиті від дзеркал 6 і 12 промені потрапляють в вузол вимірювання оптичної різниці ходу променів 13, причому додаткове дзеркало 9, напівпрозорі пластини 8 і 2 розміщені на одній оптичній осі з джерелом світлового випромінювання 1. Пристрій працює таким чином. Пучок світла від джерела світлового випромінювання 1 падає на напівпрозору пластину 2, одна половина впавшого світлового потоку 3 відбивається напівпрозорою пластиною 2 у напрямку дзеркала 6, друга половина 7 проходить через напівпрозору пластину 8 та розповсюджується в напрямку додаткового дзеркала 9. Пучок 3 проходить через оптичні скляні пластини 4 і 5, відбивається від дзеркала 6 повертається до напівпрозорої пластини 2, двічі проходячи через обсяг газу, що характеризується тиском р1, коефіцієнтом переломлення n1. Потім пучок 3 повертається і, проходячи крізь напівпрозору пластину 2, поширюється в напрямку вузла вимірювання оптичної різниці ходу променів 13. Пучок 7 відбивається від додаткового дзеркала 9, проходить через оптичні скляні пластини 10 і 11, відбивається від дзеркала 12, двічі проходячи через обсяг газу, що характеризується тиском р2, коефіцієнтом переломлення n2, відбивається від додаткового дзеркала 9 і повертається до напівпрозорої пластини 2. Пучок 7, що відбився від напівпрозорої пластини 2, розповсюджується в напрямку вузла виміру оптичної різниці ходу променів 13. При дотриманні умов когерентності пучки 3 і 7 будуть интерферирувати. Результат інтерференції залежить від оптичної різниці ходу променів від напівпрозорої пластини 2 до дзеркал 6 і 12 і назад. Тому що промінь 3 проходить товщу напівпрозорої пластини 2 тричі, а промінь 7 тільки один раз, то в конструкцію витратоміра вводять додаткову напівпрозору пластину 8, щоб компенсувати виникаючу оптичну різницю ходу. Оптичні довжини шляху, який проходять перший і другий промені через обсяг газу, різні при проходженні газу по трубопроводу. Витрата газу зв'язана з різницею тисків у дво х перетинах тр убопроводу рівнянням p -p Q = 1 2 pR4 8m × l , де Q - ви трата газу; р1-р2 - різниця тисків у дво х перетинах тр убопроводу; m - динамічна в'язкість газу; І - відстань між перетинами; R - радіус тр убопроводу. Рівняння стану ідеального газу має вид p=N·k0·T, де N - число молекул в одиниці об'єму речовини; k0 - постійна Больцмана; Т - абсолютна температура. Коефіцієнт переломлення газу дорівнює n2 = 1+ N e2 / m ×å 2 e0 K w0K + w2 , де n - коефіцієнт переломлення газу; e0 - діелектрична проникність; e - заряд електрона; m - маса електрона; w0K - власні частоти коливань електронів; w - часто та світлового випромінювання. Різниця оптичного ходу променів 3 i 7 визначається за формулою D=(n1-n2)·2R. При використанні інтерферометра максимуми інтенсивностей интерферуючи х хвиль спостерігаються при виконанні наступної умови (n1-n2)·2R=l0·k, де l0 - довжина хвилі випромінювання; k=0, 1, 2... - визначається вузлом вимірювання оптичної різниці ходу променів. Таким чином, залежність витрати газу від показань лічильника має вид Q=a·k, де a - коефіцієнт пропорційності. Показник різниці ходу променів пропорційний одиниці вимірювання витрати газу (м 3/с). Коефіцієнт пропорційності визначений методом торирування витрати до числа, що виражає відношення оптичної різниці ходу променів до довжини хвилі світла, тобто показанню вузла вимірювання оптичної різниці ходу променів. Результат вимірів у м 3/с. Пропонований пристрій має ряд переваг перед відомими витратомірами. Використання методу інтерференції дозволяє забезпечити високу чутливість (ви ще на кілька порядків) і малу похибку вимірювання внаслідок того, що в досліджуваному середовищі відсутні (на відміну від прототипу) об'єкти, а оптичний промінь не вносить у неї ніяких збурювань. Пристрій являє собою технічно завершене рішення і є промислово придатним.