Пристрій для вимірювання вмісту газу в потоках рідини, що рухаються

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике для диагностики суперкавитационных (СК) технологических аппаратов и может быть также применено для диагностики потоков жидкости в аппаратах химической технологии. Устройство предназначено для определения объемного газосодержания движущегося потока жидкости. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство для измерения газосодержания водных потоков, содержащее последовательно соединенные генератор гармонических колебаний, резистивный датчик, усилитель с цепью обратной связи, регистрирующее устройство. Пузырьки воздуха, проходя через датчик, изменяют плотность переменного тока между его электродами (т.е. изменяется сопротивление датчика). Датчик включен между выходом генератора и входной цепью усилителя с обратной связью. Изменение сопротивления датчика приводит к изменению выходного сигнала усилителя, который поступает далее на регистрирующее устройство, проградуированное в значениях объемного газосодержания. Известное устройство измеряет газосодержание потока жидкости при размерах пузырьков газа от 1,5-2 мм до 8-10 мм при постоянной скорости потока. Недостатком этого устройства является невысокая точность измерения газосодержания, обусловленная низкой чувствительностью датчика (пузырьки газа диаметром меньше 1 мм измерить практически невозможно), а также зависимость измеренного сигнала от вариаций скорости потока жидкости и ее физико-химического состава. Задачей изобретения является повышение точности измерения при диаметрах воздушных пузырьков менее 1мм за счет увеличения чувствительности при одновременном уменьшении погрешности от вариаций скорости потока жидкости, ее температуры и физико-химических свойств, наличия в ней инородных включений. Сущность изобретения заключается в том, что в известное устройство, содержащее генератор гармонических колебаний, выход которого через резистивный датчик соединен с входом усилителя, вход и выход которого зашунтирован резистором, регистрирующее устройство, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введены канал коррекции по скорости потока жидкости, содержащий последовательно соединенные датчик скорости потока жидкости и измерительный преобразователь, второй резистивный датчик, первый, второй, третий, четвертый масштабные преобразователи, входы которых одновременно подключены к выходу генератора гармонических колебаний, второй и третий усилители, причем первый вход третьего усилителя соединен с выходом измерительного преобразователя, первый и второй конденсаторы,, первый из которых шунтирует выход и инвертируемый вход первого усилителя, а второй из них шунтирует выход и инвертируемый вход второго усилителя, второй, третий, четвертый резисторы, два источника тока, первый из которых включен между выходом второго масштабного преобразователя и неинвертируемым входом первого усилителя, а второй - между выходом четвертого масштабного преобразователя и неинвертируемым входом второго усилителя, устройство сравнения, два амплитудных детектора, выход первого из которых соединен с выходом первого усилителя, а вход второго - с выходом второго усилителя и вход первого амплитудного детектора подключен к первому входу устройства сравнения, а к его второму входу подключен выход второго амплитудного детектора, выход устройства сравнения соединен с вторым входом третьего усилителя, выход которого подключен к регистрирующему устройству, причем первый резистор включен между выходом масштабного преобразователя и инвертирующим входом первого усилителя, второй резистор между выходом и инвертирующим входом первого усилителя, третий резистор - между выходом и инвертирующим входом второго усилителя, четвертый резистор соединяет выход третьего масштабного преобразователя с инвертируемым входом второго усилителя, при этом первый резистивный датчик подключен к неинвертируемому входу первого усилителя и устанавливается после кавитатора в конце рабочего участка технологического аппарата, а второй резистивный датчик подключен к неинвертируемому входу второго усилителя и устанавливается до кавитатора в подводящем трубопроводе в зоне ненарушенного потока. На фиг. 1 показана структурная схема предложенного устройства, на фиг. 2 пример реализации структурной схемы, на фиг. 3 - пример реализации канала коррекции по скорости. Устройство (фиг.1) содержит подводящий трубопровод 1 СК-аппарата, кавитатор 2, суперкаверну 3, рабочий участок 4, генератор гармонических колебаний 5, резистивные датчики 6 и 7, масштабные преобразователи 8, 9, 10, 11, источники тока 12 и 13, резисторы 14, 15, 16, 17, конденсаторы 18 и 19, амплитудные детекторы 20 и 21, устройство сравнения 22, датчик скорости потока жидкости 23, измерительный преобразователь 24, регистрирующее устройство 25, усилители 26, 27 и 28. Структурная схема (фиг.2) содержит генератор гармонических колебаний 5, резистивные датчики 6 и 7, масштабные преобразователи 8, 9, 10, 11, резисторы 36-52, конденсаторы 18 и 19, амплитудные детекторы 20 и 21, устройство сравнения 22, датчик скорости потока 23, измерительный преобразователь 24, регистрирующее устройство 25, усилители 26-35. Структурная схема канала коррекции по скорости (фиг.3) содержит датчики давления 1 и 2, масштабные преобразователи 3, 4, 5, устройство сравнения 6, функциональный преобразователь 7. Устройство работает следующим образом. В современных технологических процессах широко начали применяться супер-кавитационные аппараты для измельчения и активации твердых частиц в суспензиях, эмульгирования, стерилизации растворов и др. технологических процессов. В СК-аппаратах специальным устройством (кавитатором 2, фиг.1) генерируется суперкаверна 3 (фиг.1), длина которой Lк превышает характерный размер кавитатора 2 в 1,5-100 раз. Суперкаверна характеризуется появлением в непрерывной жидкой фазе газовых пузырей различных размеров, количество которых возрастает по мере увеличения скорости течения жидкости и соответствующего снижения давления. Скорость течения жидкости в современных СК-аппаратах обычно колеблется от 4 до 50 м/с. Для контроля, выбора оптимальных параметров работы СК-аппаратов и автоматизации технологических процессов необходимо измерять газосодержание в рабочем участке, пропорциональное объемному содержанию газовых пузырьков, генерируемых каверной 3. Наиболее широко применяемый метод измерения газосодержания в жидкости основан на контроле электропроводности жидкости, которую можно разделить на две составляющие: одна определяется электропроводностью жидкой среды, а другая неэлектропроводной фазы (газовые пузырьки). Различие в электропроводности при разном газосодержании однозначно зависит от объемной концентрации газовых пузырьков, являющихся непроводящимися включениями. Чувствительность и точность данного метода, когда жидкость находится в статике, зависит, в основном, от точности измерения электропроводности, которая легко может быть доведена до высоких значений. При движении жидкости, устройства, реализующие данный метод, имеют ряд существенных методических погрешностей, которые ограничивают их применение. Это низкая чувствительность устройств (нельзя измерять пузырьки газа менее 1 мм), влияние скорости потока жидкости в трубопроводе и вариации физико-химического состава жидкости, поступающей в датчик, ее температуры и наличие инородных включений - пузырьки газа в подводящем трубопроводе 1 (фиг.1) твердые частицы, которые имеют место в реальных технологических аппаратах. Это обусловлено невозможностью застабилизировать указанные параметры производственных процессов. Наличие указанных методических погрешностей не позволяет применить указанный метод для СК-аппаратов. Чувствительность контактных (резистивных) преобразователей электропроводности ограничивается влиянием "паразитных параметров", механической нестабильностью, индуктивностью конструкции и проводников связи. Поэтому мостовые методы измерения, которые в принципе позволяют получать довольно высокую чувствительность, для данного типа преобразователей неприемлемы. Они не позволяют измерять воздушные пузырьки диаметром меньше 1мм и имеют значительную методическую погрешность за счет вариации скорости потока жидкости. С целью повышения точности измерения газосодержания движущихся потоков жидкости (за счет повышения чувствительности и расширения динамического диапазона измерений) предложено устройство, в котором использован синфазный режим включения операционного усилителя. В этом случае от генератора 5 (фиг.1) на оба входа операционного усилителя 26 поступает сигнал переменного тока достаточно большой по величине, а на его выходе при этом режиме напряжение должно быть равно нулю. Датчик 7 подключен к неинвертирующему входу усилителя 26. Напряжение генератора 5 преобразовывается источником тока 12 и создает падение напряжения на датчике 7. Это же напряжение через резистор 14 одновременно поступает на второй (инвертируемый) вход усилителя 26. Разная электропроводность жидкостей, индуктивная и емкостная, датчика 7 приводит к тому, что в реальных условиях на выходе операционного усилителя 26 напряжение не равно нулю. Тогда подстройкой элементов (резистора 15 и конденсатора 18) можно достичь полного подавления синфазного сигнала. Масштабные преобразователи 8 и 9 служат для развязки выхода генератора 5 и других цепей с входами операционного усилителя 26. Появление пузырьков воздуха изменяет исходную электропроводность жидкости в трубопроводе и на выходе усилителя 26 появляется сигнал рассогласования пропорциональный объему газовой фазы в жидкости. Таким образом, предлагаемый режим позволяет на фоне большого синфазного сигнала генератора 5 выделять очень малые приращения сигнала датчика 7 с достаточно высокой чувствительностью, которая для данного режима зависит в основном от параметров усилителя 26. С помощью преложенного решения можно измерять газосодержание жидкости с высокой точностью и в широком динамическом диапазоне, но только в статике. В случае измерения газосодержания в движущихся потоках жидкости в реальных технологических процессах вариация температуры последней, ее физико-химических параметров и наличие в ней инородных включений вызывают приращение электропроводности такого же порядка как и от измеряемого параметра. Поэтому в устройство введен второй резистивный датчик электропроводности 6, который устанавливается в подводящем трубопроводе 1 перед кавитатором 2. Датчик 6 соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя 27, который также включен в синфазный режим. При этом элементы 10, 11, 13, 16, 17, 19 выполняют функции аналогичные, как и в структурной схеме, выполненной на усилителе 26. Сигналы усилителей 26 и 27 детектируются (амплитудные детекторы 20 и 21) и поступают на вход устройства сравнения 22. В выходном сигнале устройства сравнения 22, устранены составляющие методической погрешности от вышеуказанных факторов кроме вариации скорости потока жидкости (количество пузырьков воздуха при одном и том же газосодержании, но при разной скорости потока в измерительном объеме датчика различно). Влияние этой составляющей погрешности на результат измерения устраняется с помощью канала коррекции по скорости жидкости, Датчик скорости потока 23 и измерительный преобразователь 24 формируют напряжение пропорциональное скорости жидкости. Это напряжение управляет коэффициентом передачи масштабного преобразователя 28(фиг. 1), т.е. изменяет выходной измерительный сигнал с заданным масштабом и нужным знаком. В качестве датчика скорости потока жидкости 23 могут быть применены ультразвуковые, лазерные, тахогенераторные и другие виды первичных преобразователей. Но проведенные исследования показали, что для технологических СК-аппаратов, с учетом их специфики наиболее удобны и перспективны датчики скорости потока, основанные на методе перепада давления. Рассмотрим пример реализации канала коррекции на основе метода перепада давлений. В этом случае скорость потока жидкости определяется по формуле 1 ; z 1r z - коэффициент потерь; где r - плотность жидкости; P1 - статическое давление в выбранном сечении рабочего участка 11; Р2 - статическое давление в выбранном сечении подводящего трубопровода 8 (фиг.3). Специфика кавитационного процесса в технологических СК-аппаратах предъявляет особые требования к выбору сечений, в которых производится измерение статических давлений, т.е. условия при которых формула (1) справедлива. Исследованиями установлено, что P1 должно измеряться в сечении, которое располагается от торца кавитатора на расстоянии более 1,7 Lk, где Lk - максимальная длина каверны, а Р2 измеряется в сечении подводящего трубопровода 8 на расстоянии от его кромки не менее D, где D - диаметр подводящего трубопровода, т.е. в зоне ненарушенного потока. В предложенном устройстве датчики 1 и 2 (фиг.3) устанавливаются, как указано выше, и измеряют статические давления (Р2 и P1 соответственно) и преобразовывают их в электрические сигналы U1 и U2, которые через масштабные преобразователи 3 и 4 поступают на вход измерительного устройства сравнения 6. На выходе устройства 6 формируется напряжение U = (k U - k U), где k и k - коэффициенты преобразования преобразователей 3 и 4. Выход устройства 6 соединен с входом масштабного преобразователя 5, который преобразовывает U с масштабным коэффициентом A1 (U = A [k U - к U]. Функциональный преобразователь 7 формирует на выходе напряжение, пропорциональное скорости потока жидкости: A1 = На фиг.2 приведен пример реализации основной части электрической схемы предлагаемого устройства. Масштабные преобразователи 6, 7, 8, 9 выполнены на операционных усилителях типа 140УД20А в режиме повторителя напряжения с единичным усилением (R36, R37, R38, R39 - 10 кОм). Источники тока реализованы по известной схеме на операционных усилителях типа 140УД20А. Здесь R40, R41, R42, R43, R44, R45, R46, R47 - 100 кОм. Операционные усилители 26 и 27 использовались типа 140УД20А. Для используемых датчиков (Rg = 20 кОм) С13 и С19 взяты 100 pF и 130 pF. Резисторы R15 и R17 выбирались из соотношения R15 = 2(Rg: 100 кОм) х R14, R17 = 2(Rg: 100кОм) x R16. Устройство сравнения выполнено на операционном усилителе 35 (140УД20А). R48, R49, R50, R51 = 10 кОм; R58 = 5,1 кОм. При данных номиналах схемы (напряжение генератора гармонических колебаний - 10 В, частота - 4 кГц) и параметрах датчиков были получены следующие результаты. Газосодержание b = 40% - Uвых = 5 В, b = 0,1% - Uвых = 35 мВ. Причем указанную электрическую схему можно реализовать на более высоком метрологическом уровне и получить еще более высокие метрологические характеристики предлагаемого устройства. Предлагаемое устройство может быть использовано для контроля и автоматизации технологических СК-аппаратов, а также для подобных технологических аппаратов химической технологии.