RU2037811C1 - Method and device for determining parameters of two-phase flows of solid media - Google Patents

Abstract

FIELD: measuring equipment. SUBSTANCE: method involves taking continuous measurements of temperature, pressure, density and flow rate in the flows of solid media, creating successively-disposed zones of a preset geometry with super-high frequency electromagnetic fields in a preset portion of the moving flow with an unknown phase composition, with the electrical field vectors parallel and/or transverse to the direction of flow, measuring in these fields the resonant frequencies which depend on the phase composition of the media moving therein, determining the longitudinal and transverse dielectric permittivity of the flow on the basis of these frequencies, and determining the volume content of a low-density and high-density components, determining the effective dielectric permittivity, density and enthalpy of the flow of the measured medium from the value of the low density, determining in zones with concentrated super-high frequency electromagnetic fields the auto- or relatively-correlating functions of resonant frequencies originated in the moving measured medium, determining by these functions together with measuring the enthalpy the amount of heat accumulated in the flow. EFFECT: higher efficiency. 2 cl, 10 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, а точнее к способам и устройствам для измерения непосредственно в транспортных магистралях и трубопроводах характеристик потоков газов, жидкостей, их двухфазных или многокомпонентных смесей, используемых или возникающих в процессе работы агрегатов в тепловой и ядерной энергетике, нефтехимии, криогенной технике, технологиях переработки и потребления природного и сжиженного газов, а также в других технологиях, где применяются потоки поляризуемых сплошных сред. The invention relates to measuring equipment, and more specifically to methods and devices for measuring directly in highways and pipelines the characteristics of the flows of gases, liquids, their two-phase or multicomponent mixtures used or occurring during operation of units in thermal and nuclear energy, petrochemicals, cryogenic engineering, technologies for processing and consumption of natural and liquefied gases, as well as in other technologies where polarized continuous media flows are used.

Для обоснованного управления и контроля за такими потоками необходимо знание различных характеристик течения, в том числе плотности среды в случае двухфазных или многокомпонентных потоков, их массового расхода, аккумулируемого в двух или многофазном потоке тепла, и других характеристик, измерение которых в настоящее время освоено и используется лишь для однофазных сред и практически не поддается определению в случае, если движущаяся среда многофазная. For sound management and control of such flows, it is necessary to know various flow characteristics, including the density of the medium in the case of two-phase or multicomponent flows, their mass flow accumulated in a two-phase or multiphase heat flow, and other characteristics, the measurement of which is currently mastered and used only for single-phase media and practically undetectable if the moving medium is multiphase.

Известен способ определения плотности сплошной среды на основе измерения его диэлектрической проницаемости ε_эф. Такие измерения проводятся путем помещения исследуемой многокомпонентной среды в электрическое поле, емкость которого изменяется в зависимости от концентрации компонентов измеряемой среды. Например, пусть V₁ объем одного из компонентов исследуемой среды с диэлектрической проницаемостью ε₁, V₂ объем другого компонента с диэлектрической проницаемостью ε₂, тогда их объемная концентрация выражается с помощью соотношений
φ₁=

; (1)
φ₂=

1-φ₁, (2) а эффективная диэлектрическая проницаемость ε_эф φ₁ ε₁ + φ₂ ε₂ φ₁ ε₁ + ( 1 φ₁ ) ε₂ ε₂ φ₁ ( ε₂ ε₁ ) (3)
Известна также однозначная связь диэлектрической проницаемости с плотностью поляризуемых сред, определяемая для неполярных сред уравнением Клазиуса -Сассотти (Сканави Г.И. Физика диэлектриков, область слабых полей) и для полярных сред, например для воды и водяного пара, международным уравнением (Мартынова О. И. Теплоэнергетика, 1977). Способ устанавливает посредством этих зависимостей меру изменения диэлектрических проницаемостей в средах с разными φ₁ и φ₂ и позволяет в ряде частных случаев определить эффективную плотность среды, помещаемой в электрическое поле с электрической емкостью С.A known method for determining the density of a continuous medium based on the measurement of its dielectric constant ε _eff . Such measurements are carried out by placing the studied multicomponent medium in an electric field, the capacitance of which varies depending on the concentration of the components of the medium being measured. For example, let V _{1 be the} volume of one of the components of the studied medium with a dielectric constant ε ₁ , V _{2 the} volume of another component with a dielectric constant ε ₂ , then their volume concentration is expressed using the relations
φ ₁ =

; (1)
φ ₂ =

1-φ ₁ , (2) and the effective dielectric constant ε _eff φ ₁ ε ₁ + φ ₂ ε ₂ φ ₁ ε ₁ + (1 φ ₁ ) ε ₂ ε ₂ φ ₁ (ε ₂ ε ₁ ) (3)
The unambiguous relationship between the dielectric constant and the density of polarized media is also known, which is determined for non-polar media by the Clasius-Sassotti equation (Gan Scanavi Physics of dielectrics, a region of weak fields) and for polar media, for example for water and water vapor, by the international equation (Martynova O. I. Heat Power Engineering, 1977). The method establishes, by means of these dependencies, the measure of the change in dielectric constant in media with different φ ₁ and φ ₂ and allows, in a number of special cases, to determine the effective density of the medium placed in an electric field with electric capacity C.

Определение плотности среды позволяет при известных давлении и температуре восстановить основные теплофизические характеристики вещества, помещенного в электрическое поле, а размещение зон с концентрированными электрическими полями одной вслед за другой вдоль по направлению перемещения среды позволяет определять ее массовый расход (см. например, Кремлевский П.П. Измерение расхода многофазных потоков, Л. Машиностроение, 1982). Determination of the density of the medium allows, at known pressure and temperature, the basic thermophysical characteristics of a substance placed in an electric field to be restored, and the arrangement of zones with concentrated electric fields one after the other along the direction of movement of the medium allows one to determine its mass flow rate (see, for example, Kremlevsky P.P. . Measurement of the multiphase flow rate, L. Mechanical Engineering, 1982).

Принципиальным недостатком способа является неоднозначность определения плотности в двухфазных или многокомпонентных средах в связи с зависимостью емкости электрического поля или, что то же самое, диэлектрической проницаемости объема среды от пространственного распределения первой и второй фаз. По этой причине при одной и той же плотности среды ρ_эф и при одной и той же концентрации фаз φ₁ и φ₂величина _εэф может принимать различные значения. При этом погрешность в определении ρ_эф по измененному значению максимальна для полярных сред.The principal disadvantage of this method is the ambiguity in determining the density in two-phase or multicomponent media in connection with the dependence of the electric field capacitance or, which is the same, the dielectric constant of the medium volume on the spatial distribution of the first and second phases. For this reason, at the same density of the medium ρ _eff and at the same concentration of phases φ ₁ and φ _{2, the} quantity _{ε eff} can take different values. Moreover, the error in determining ρ _eff from the changed value is maximum for polar media.

Известны устройства для измерения расхода и плотности различных сред. Например, известно устройство для измерения расхода и плотности угольно-воздушной среды, содержащее первичный преобразователь в виде двух электроемкостных элементов, установленных по потоку друг за другом на фиксированном расстоянии. Емкостные элементы представляют собой алюминиевые обкладки на внешней поверхности керамической трубы, внутри которой движется угольно-воздушная смесь. Каждый емкостный элемент включен в контур генератора высокой частоты. Выход генератора через частотно-аналоговый преобразователь подается в корреляционную схему измерения расхода (Корреляционный расходомер. Nacagava Toshio, Madsatshita Shigetada Keiso instorumentation, 1982, 25, N 11, с. 39-42). Known devices for measuring the flow rate and density of various environments. For example, a device is known for measuring the flow rate and density of a coal-air medium, containing a primary transducer in the form of two electrical capacitive elements installed in a flow one after another at a fixed distance. Capacitive elements are aluminum plates on the outer surface of the ceramic pipe, inside which the coal-air mixture moves. Each capacitive element is included in the circuit of the high-frequency generator. The output of the generator through a frequency-to-analog converter is fed into a correlation flow measurement scheme (Correlation flow meter. Nacagava Toshio, Madsatshita Shigetada Keiso instorumentation, 1982, 25, No. 11, pp. 39-42).

Недостатком этого устройства является высокая погрешность изменения скорости в воздушно-угольном потоке из-за указанных недостатков способа и существенной неоднородности электрического поля в электроемкостных элементах описанной конструкции. Помимо этого, опыт указывает на низкую чувствительность таких элементов при их использовании для измерения расхода. The disadvantage of this device is the high error of the change in speed in the air-coal flow due to the indicated disadvantages of the method and the significant heterogeneity of the electric field in the electrical capacitance elements of the described construction. In addition, experience indicates a low sensitivity of such elements when used to measure flow.

Известны способ и устройство для определения параметров двухфазных потоков сплошных сред, основанные на непрерывном измерении параметров электромагнитного поля в потоке газа, жидкостей (авт.св. СССР N 1719973, кл. G 01 N 22/00, 1992). A known method and device for determining the parameters of two-phase flows of continuous media, based on the continuous measurement of the parameters of the electromagnetic field in the flow of gas, liquids (ed. St. USSR N 1719973, class G 01 N 22/00, 1992).

Целью изобретения является создание универсального способа и ряда устройств для измерения на его основе характеристик потоков поляризуемых газов, жидкостей, их двухфазных или многокомпонентных смесей. Способ и устройство по изобретению обладают повышенной точностью, простотой и надежностью, при этом устройство устанавливается непосредственно в транспортные магистрали или любые другие коммуникации, где движется измеряемая среда, и не загромождает их живое сечение. The aim of the invention is the creation of a universal method and a number of devices for measuring on its basis the characteristics of the flows of polarizable gases, liquids, their two-phase or multicomponent mixtures. The method and device according to the invention have increased accuracy, simplicity and reliability, while the device is installed directly in transport lines or any other communications where the medium is moving, and does not clutter up their live section.

Цель достигается тем, что динамический контроль и управление процессами энергообмена и энергопреобразования в движущихся сплошных поляризуемых средах, основанные на непрерывном измерении температуры, давления, плотности и расхода в потоках газов, жидкостей, их двухфазных и многокомпонентных смесях с неизвестным фазовым составом и гомогенно или негомогенно распределенными компонентами с относительно низкой (индекс 1) и относительно высокой (индекс 2) плотностями, осуществляют путем создания вдоль по потоку измеряемой среды зон с концентрированными в них сверхвысокочастотными (СВЧ) электромагнитными полями, с параллельными или поперечными к направлению движения среды векторами электрического поля, возбуждают в этих зонах СВЧ-колебания электромагнитного поля и измеряют резонансные частоты f_р этих колебаний в потоке измеряемой поляризуемой среды, по измеренным значениям частот определяют величины продольной

и поперечной ε_⊥ диэлектрических проницаемостей потока движущейся среды согласно соотношениям

= K

+(ε₂-ε₁)

; (4)
ε_⊥= K_⊥

, (5) где ε₁ и ε₂ табличные значения диэлектрических проницаемостей компонентов измеряемой среды с низкой и высокой плотностями, соответствующими измеренным в потоке температуре и давлению, К

и К_⊥- передаточные функции электромагнитных полей, определяемые в процессе заполнения измеряемой средой зон с концентрированными СВЧ-полями; f

/f_p⊥♂- резонансные частоты сверхчастотных колебаний в измеряемой среде; f

, f

, f_1⊥ и f_2⊥ резонансные частоты СВЧ-колебаний продольного и поперечного электрических полей, возникающие в случае заполнения зон с концентрированным электромагнитным полем компонентом измеряемой среды, обладающим низкой плотностью, и компонентом измеряемой среды, обладающим высокой плотностью, определяют по величинам

и ε_⊥ объемное содержание φ -компоненты с низкой плотностью и объемное содержание (1- φ)-компоненты с высокой плотностью, используя соотношения φ

, (6) где Ψ

;
ε $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{Ψ}}$

, а коэффициент А определяют из равенства
A

, используя значение φ, определяют эффективные диэлектрическую проницаемость, плотность и энтальпию (индекс эф) в потоке измеряемой среды по соотношениям
ε_эф B+

, (7) где B

(2-3φ)ε₂+(3φ-1)ε₁}
ρ_эф φ ρ₁ + ( 1 φ ) ρ₂ (8)
i_эф= φ

i+(1-φ)

i₂, (9) измеряют авто- или взаимокорреляционные функции резонансных частот, возникающих в последовательно расположенных зонах со сверхчастотными магнитными полями при перемещении в этих зонах потока измеряемой среды, определяют по этим функциям массовый расход измеряемой среды, обеспечивающий определение тепла, аккумулированного в потоке, степень равновесности фаз в нем и осуществляют на основании полученных данных обоснованные контроль за процессами энергообмена и энергопреобразования и управление ими. Помимо этого, в резонаторах создают последовательно расположенные зоны с поперечными и продольными относительно направления движения среды электрическими полями, измеряют в этих зонах значения

и ε_⊥ и автокорреляционную функцию и по ее параметрам определяют расход измеряемой среды. Аналогично этому в потоке создают последовательно расположенные зоны с произвольно направленными электрическими полями, измеряют в этих зонах автокорреляционную функцию между резонансными частотами и по ее параметрам определяют расход измеряемой среды.The goal is achieved by the fact that dynamic monitoring and control of the processes of energy exchange and energy conversion in moving continuous polarized media, based on continuous measurement of temperature, pressure, density and flow rate in the flows of gases, liquids, their two-phase and multicomponent mixtures with unknown phase composition and homogeneously or non-homogeneously distributed components with relatively low (index 1) and relatively high (index 2) densities, carried out by creating zones along the flow of the medium to be measured at the end Update therein the microwave (microwave) electromagnetic fields with parallel or transverse to the direction of medium motion vectors of the electric field is excited in these zones microwave oscillations of an electromagnetic field and measuring the resonance frequency f _r of these oscillations in the flow measured polarizable medium, the measured values of frequency is determined longitudinal values

and transverse ε _⊥ permittivities of the flow of a moving medium according to the relations

= K

+ (ε ₂ -ε ₁ )

; (4)
ε _⊥ = K _⊥

, (5) where ε ₁ and ε _{2 are the} tabulated values of the dielectric constants of the components of the medium with low and high densities corresponding to the temperature and pressure measured in the flow, K

and K _⊥ - transfer functions of electromagnetic fields, determined in the process of filling the measured medium zones with concentrated microwave fields; f

/ f _p⊥♂ are the resonant frequencies of superfrequency oscillations in the measured medium; f

f

, f _1⊥ and f _{2⊥ the} resonant frequencies of microwave oscillations of the longitudinal and transverse electric fields that occur when zones with a concentrated electromagnetic field are filled with a low density component of the measured medium and a high density component of the measured medium are determined by

and ε _⊥ volumetric content of φ-components with low density and volumetric content of (1- φ) -components with low density using the relations φ

, (6) where Ψ

;
ε $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{Ψ}}$

, and the coefficient A is determined from the equality
A

using the value of φ, determine the effective dielectric constant, density and enthalpy (index eff) in the flow of the measured medium according to the relations
ε _eff B +

, (7) where B

(2-3φ) ε ₂ + (3φ-1) ε ₁ }
ρ _eff φ ρ ₁ + (1 φ) ρ ₂ (8)
i _eff = φ

i + (1-φ)

i ₂ , (9) measure the auto- or cross-correlation functions of the resonant frequencies arising in successively located zones with superfrequency magnetic fields when moving the measured medium in these zones, determine the mass flow rate of the measured medium from these functions, which determines the heat accumulated in the stream, the degree of equilibrium of the phases in it and based on the data obtained, they reasonably control and manage the processes of energy exchange and energy conversion. In addition, successively arranged zones with transverse and longitudinal electric fields relative to the direction of the medium’s motion are created in the resonators; values are measured in these zones

and ε _⊥ and the autocorrelation function and by its parameters determine the flow rate of the measured medium. Similarly, successively arranged zones with arbitrarily directed electric fields are created in the flow, the autocorrelation function between the resonant frequencies is measured in these zones, and the flow rate of the measured medium is determined by its parameters.

Этот способ позволяет также определить степень равновесия в движущейся многофазной среде между температурой, давлением и эффективной плотностью путем сравнения измеренных значений диэлектрической проницаемости ε_эф, плотности ρ_эф и энтальпии i_эф с их значениями на линии насыщения в измеряемой среде при тех же температуре и давлении. Разность значений этих параметров определяет степень неравновесности фаз в среде.This method also allows you to determine the degree of equilibrium in a moving multiphase medium between temperature, pressure and effective density by comparing the measured values of the dielectric constant ε _eff , density ρ _eff and enthalpy i _eff with their values on the saturation line in the measured medium at the same temperature and pressure. The difference in the values of these parameters determines the degree of phase disequilibrium in the medium.

Предлагаемый способ отличается от известных тем, что на обтекаемых границах зон, где возбуждают продольные или поперечные к направлению потока СВЧ электромагнитные поля, частицам измеряемой среды придают траектории движения, обеспечивающие на обтекаемых границах самоорганизацию смерчеобразных струй, отсасывающих приповерхностную массу измеряемой среды в ядро ее течения в резонаторе, чем предотвращают осаждение на граничных поверхностях различных примесей из потока и снижают на этих поверхностях толщину пленок компонентов измеряемой среды. Кроме этого, возможность определения эффективной плотности в потоках при энергообмене и энергопреобразовании обеспечивает контроль параметров среды и управления ее движением в координатах плотность-давление или плотность-температура. The proposed method differs from the known ones in that at the streamlined boundaries of the zones where the electromagnetic fields are longitudinal or transverse to the direction of the microwave flow direction, the particles of the medium are given trajectories of motion that ensure self-organization of tornado-shaped jets at the streamlined boundaries, sucking the surface mass of the medium into the core of its flow into resonator, which prevents the deposition on the boundary surfaces of various impurities from the stream and reduce the thickness of the films of the components on these surfaces oh wow. In addition, the ability to determine the effective density in flows during energy exchange and energy conversion provides control of the parameters of the medium and control of its movement in the coordinates density-pressure or density-temperature.

Обоснованием правомерности предлагаемого способа являются следующие соображения. Рассмотрим вначале смесь двух компонентов, находящуюся в статическом состоянии (состояние покоя). Пусть эта смесь состоит из пара и жидкости, обладающих диэлектрическими проницаемостями при заданных температуре и давлении ε₁ и ε₂ соответственно. При этом всегда ε₂ > > ε₁ при любых паросодержащих φ в интервале 0 ≅ φ ≅ 1. Предположим вначале, что смесь полностью расслоена, т. е. имеется четкая граница, отделяющая объем пара V₁ от объема жидкости V₂. В этом случае электрические емкости этих объемов образуют либо последовательное, либо параллельное соединение в объеме конденсатора в зависимости от того, как в электрическом поле ориентирована граница между объемами V₁ и V₂. В случае границы между объемами V₁ и V₂, ориентированной параллельно направлению электрического поля, обозначим диэлектрическую проницаемость такой полностью расслоенной среды через

(фиг.1). Тогда из соотношений работы

= φε₁+(1-φ)ε₂. (10)
В случае границы между объемами V₁ и V₂, ориентированной перпендикулярно направлению электрического поля в конденсаторе, обозначим диэлектрическую проницаемость в такой полностью расслоенной среде через ε^⊥ (фиг.2). Тогда из соотношений работы
ε $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{⊥}}{\text{с}}$ _м

.(11)
Если граница между объемами имеет нечеткую форму и объемы паровой и жидкой фаз распределены произвольно, диэлектрическая проницаемость такой смеси ε_см ограничена известным неравенством Винера:

≥ ε_см≥ ε $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{⊥}}{\text{с}}$ _м.(12)
На фиг.3 для случая ε ₂ 81 и ε₁ 1,0006 представлены вычисленные значения

(крестики) и ε $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{⊥}}{\text{с}}$ _м (точки) в зависимости от паросодержания φ 0.1. Эти значения совпадают при φ 0 и φ 1, а в промежутке различаются между собой, охватывая область возможных значений ε _см в соответствии с неравенством Винера.The rationale for the proposed method are the following considerations. Let us first consider a mixture of two components in a static state (rest state). Let this mixture consist of vapor and liquid having dielectric constants at a given temperature and pressure ε ₁ and ε _2, respectively. Moreover, always ε ₂ >> ε ₁ for any vapor-containing φ in the interval 0 ≅ φ ≅ 1. First, we assume that the mixture is completely stratified, i.e., there is a clear boundary separating the vapor volume V ₁ from the liquid volume V ₂ . In this case, the electric capacitances of these volumes form either a serial or parallel connection in the capacitor volume, depending on how the boundary between the volumes V ₁ and V _{2 is} oriented in the electric field. In the case of a boundary between volumes V ₁ and V ₂ oriented parallel to the direction of the electric field, we denote the dielectric constant of such a completely stratified medium by

(figure 1). Then from the relations of work

= φε ₁ + (1-φ) ε ₂ . (10)
In the case of the boundary between the volumes V ₁ and V ₂ , oriented perpendicular to the direction of the electric field in the capacitor, we denote the dielectric constant in such a completely stratified medium by ε ^⊥ (Fig. 2). Then from the relations of work
ε $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{⊥}}{\text{with}}$ _m

.(eleven)
If the boundary between the volumes is fuzzy and the volumes of the vapor and liquid phases are distributed arbitrarily, the dielectric constant of such a mixture ε _{cm is} limited by the well-known Wiener inequality:

≥ ε _cm ≥ ε $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{⊥}}{\text{with}}$ _m . (12)
Figure 3 for the case of ε ₂ 81 and ε ₁ 1,0006 presents the calculated values

(crosses) and ε $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{⊥}}{\text{with}}$ _m (points) depending on the vapor content φ 0.1. These values coincide at φ 0 and φ 1, and in the interval they differ from each other, covering the range of possible values of ε _cm in accordance with Wiener's inequality.

В интервале значений φ от нуля до единицы (0 ≅ φ ≅ 1) измеренная величина ε _см зависит не только от паросодержания, но и от пространственного распределения жидкой и паровой фаз.In the range of values of φ from zero to unity (0 ≅ φ ≅ 1), the measured value of ε _cm depends not only on the vapor content, but also on the spatial distribution of the liquid and vapor phases.

Для статически однородного распределения паровой или жидкой фазы в резонаторе, т.е. при распределении, когда для любых наперед выбранных элементарных объемов, малых по сравнению с объемом резонатора, значение ε^* _см выражается одной и той же величиной в пределах статического допуска.For a statically uniform distribution of the vapor or liquid phase in the cavity, i.e. during distribution, when for any elementary volumes chosen in advance, small in comparison with the resonator volume, the value of ε ^* _cm is expressed by the same value within the static tolerance.

Из известных соотношений работы для статически однородной смеси ее диэлектрическая проницаемость однозначна вычисляется из соотношения Максвелла-Одолевского:
ε $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{φ}}$ B+

, (13) где
B

(2-3φ)ε₂+(3φ-1)ε₁}
Эти значения ε_φ ^* однозначно располагаются между значениями диэлектрической проницаемости полностью расслоенных смесей

и ε $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{⊥}}{\text{с}}$ _м
В реальных условиях на поток, как правило, накладываются дополнительные возмущения, которые нарушают расслоенную структуру течения и могут вызывать нестационарные условия в зоне измерений, при которых

и

не равны нулю. Это обстоятельство приводит к требованию, чтобы за время пребывания потока в резонаторе его стационарность сохранилась, т.е. источники нагрева должны быть удалены от зоны измерения настолько, чтобы температура и давление в фазах φ₁ и φ₂ выравнивались и поток можно было считать равновесным. В этом случае в диаграмме состояний пар жидкость можно однозначно определять величины ε₁ и ε₂, пользуясь кривой насыщения. С другйо стороны, измерение температуры Т и давления Р в протекающей среде позволяет при одновременном измерении ее диэлектрической проницаемости устанавливать степень равновесности среды. Это отличает измерение в потоке от измерений в статистике и приводит к значениям диэлектрической проницаемости в емкостном измерителе с параллельным (

) электрическим полем -

а с помощью емкостного измерителя с перпендикулярным (⊥) электрическим полем ε_⊥. Эти величины отличаются от

и ε^⊥, определяемых соотношениями (10) и (11) полностью расслоенных жидкости и пара, зависящих от φ в статике.From the known work relations for a statically homogeneous mixture, its dielectric constant is unambiguously calculated from the Maxwell-Odolevsky relation:
ε $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{φ}}$ B +

, (13) where
B

(2-3φ) ε ₂ + (3φ-1) ε ₁ }
These values of ε _φ ^{* are} uniquely located between the values of the dielectric constant of completely stratified mixtures

and ε $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{⊥}}{\text{with}}$ _m
In real conditions, as a rule, additional perturbations are superimposed on the flow, which violate the layered structure of the flow and can cause unsteady conditions in the measurement zone, under which

and

not equal to zero. This circumstance leads to the requirement that during the stay of the flow in the resonator its stationarity is preserved, i.e. heat sources should be removed from the measurement zone so that the temperature and pressure in the phases φ ₁ and φ ₂ equalize and the flow can be considered equilibrium. In this case, the values of ε ₁ and ε ₂ can be uniquely determined in the state diagram of the liquid vapor using the saturation curve. On the other hand, measuring temperature T and pressure P in a flowing medium allows the degree of equilibrium of the medium to be established while measuring its dielectric constant. This distinguishes the measurement in the stream from the measurements in statistics and leads to the values of the dielectric constant in a capacitive meter with parallel (

) electric field -

and with the help of a capacitive meter with a perpendicular (⊥) electric field ε _⊥ . These values differ from

and ε ^⊥ defined by relations (10) and (11) of completely stratified liquid and vapor, which depend on φ in statics.

Рассмотрим потоки, для которых стационарность в указанном смысле сохраняется за время Δt

где l длина измерительного участка, составляющая, как правило, величину 0,1 м; V скорость потока в резонаторе, составляющая, как правило, величину V ≥ 1 м/с. Другими словами поток должен сохранять стационарность за времена Δ t ≈ 0,1 с.Let us consider flows for which stationarity in the indicated sense is preserved for the time Δt

where l is the length of the measuring section, which is usually 0.1 m; V is the flow velocity in the resonator, which, as a rule, is V ≥ 1 m / s. In other words, the flow should remain stationary for times Δ t ≈ 0.1 s.

Примем к рассмотрению трехслойную модель течения в резонаторе:
слой чистого пара с объемной долей

;
слой чистой жидкости с объемной долей

;
слой статистически однородной парожидкостной смеси с объемной долей

, где

и

объемные доли однородно перемешанных жидкостей и паровой фаз; V полный объем смеси в резонаторе V V₁ + V₂. Такая модель представляется практически универсальной, ибо в объеме парожидкостной смеси всегда есть участки чистой жидкости и чистого пара, разделенные границей их смеси.Let us consider a three-layer model of the flow in the resonator:
layer of pure steam with a volume fraction

;
a layer of pure liquid with a volume fraction

;
layer of statistically homogeneous vapor-liquid mixture with a volume fraction

where

and

volume fractions of uniformly mixed liquids and vapor phases; V is the total volume of the mixture in the resonator VV ₁ + V ₂ . Such a model seems almost universal, because in the volume of a vapor-liquid mixture there are always sections of pure liquid and pure vapor separated by the boundary of their mixture.

Введем определение паросодержания перемешанной части потока
Ψ′ =

, (14) которое аналогично паросодержанию смеси, определенному соотношением (1), но относится к зоне течения, где пар и жидкость перемешаны. Пользуясь этим определением, а также соотношениями (11), (12) и (13), причем в выражении (13) φ заменено на ϑ', с учетом изложенного можно записать

= φε₁+(1-φ)ε₂+

(ε $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{Ψ}}$ ₁-ε₁)+

(ε $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{Ψ}}$ ₁-ε₂);
ε $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{1}}{\text{⊥}}$

+

+

+

. (15) Из выражения (14) получим

, (16) тогда

)' ((17)
Приводимая система двух уравнений содержит три неизвестных φ

и ϑ'. Величины ε₂, ε₁определяются по диаграмме состояния для измеренных температуры Т и давления Р среды, а величины

и ε_⊥измеряют с помощью указанных емкостных датчиков. Решение системы (17) возможно только в том случае, если число неизвестных уменьшается до двух и становится равным числу уравнений. Такая процедура может быть выполнена, если произвести анализ этой системы. Зададимся для примера измерением жидкости, содержащей пар в качестве второй фазы. Пусть ε₁ 1,0006; ε₂ 81. Зададимся всевозможными значениями φ и ϑ в интервалах 0 ≅ φ ≅ 1 и 0 ≅ ϑ ≅ 1,

0.φ На фиг.3 для случая φ 0,5 крестиками представлены результаты вычисления

а точками ε_⊥, в зависимости от ϑ' и

. В верхней части фиг.4 крестики соединяют значения

с равными

, а точки в нижней части значения ε_⊥ при равных величинах

. Из фиг.4 следует, что все линии начинаются при значении ϑ' 1, т.е. ΔV₂ 0 по определению (см. соотношение 17), когда течение полностью расслоено, а величины

=

и ε_⊥= ε^⊥ максимально отличаются друг от друга. Из всего многообразия вариантов смеси рассмотрим случай, при котором

φ. Линии на фиг.4, характеризующие такой режим, с уменьшением величины ϑ' сближаются и смыкаются в точке, где

- ε_⊥= ε $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{Ψ}}$ ,а φ ϑ' 0,5. Легко видеть, что замыкающие линии φ

охватывают и ограничивают некоторую зону, заштрихованную на фиг.4. Внутри этой зоны ни при каких комбинациях фаз в стационарном, в указанном смысле, потоке не могут находиться значения

и ε_⊥. Остальные линии проходят вне замыкающих кривых и сближаются с уменьшением ϑ'. Незамыкающиеся линии

и ε_⊥ оканчиваются, как только величина

при заданной величине

становится равной

Эти окончания незамыкающихся линий ограничивают вторую запрещенную зону, также заштрихованную на фиг.4. Из рассмотрения фиг.4 и дальнейшего анализа системы (17) следует, что в стационарных потоках всегда выполняется соотношение Винера:

> ε $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{γ}}$ ε_⊥, а равенство этих величин

= ε $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{φ}}$ ε_⊥ достигается только тогда, когда ϑ' φ Благодаря наличию первой и второй запрещенных зон, выполнению неравенства Винера для стационарных потоков, а также тому, что линии

и ε_⊥ пространственно разнесены и представлены непересекающимися кривыми, появляется возможность спроектировать значения

и ε_⊥ на замыкающиеся линии, где

φ т.е. не потерять информацию об истинном паросодержании φ. При этом ϑ' принимает значения ϑ' φ, 1. Так как на замыкающихся линиях справедливо соотношение

φ,то при этом отображенные на замыкающиеся линии значения ϑ' превращаются в модельно определенные значения ϑ, равные

, изменяющиеся в интервале φ ≅ ϑ ≅ 1. Такое модельное приближение при любой комбинации жидкой и паровой фаз в стационарном потоке позволяет точно определить искомую величину истинного паросодержания φ. В этом легко убедиться, подставив в систему уравнений (17) значения

φ и ϑ' ϑ. Подобная подстановка позволяет однозначно определить искомые φ и ϑ, преобразовав эту систему уравнений в следующий алгоритм:
ε $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{Ψ}}$

A

Ψ

φ

(18) и далее, пользуясь соотношениями (18) или данными работы, получаем
ρ_см φ ρ₁ + ( 1 φ ) ρ₂;
i_см=

i₁+(1-φ)

i₂, где ε₁ ε₂ ρ₁ ρ₂, i₁, i₂ известны из диаграммы состояния смеси для измеренных температуры Т и давления Р в потоке.We introduce the definition of the vapor content of the mixed part of the stream
Ψ ′ =

, (14) which is similar to the vapor content of the mixture determined by relation (1), but relates to the flow zone, where the vapor and liquid are mixed. Using this definition, as well as relations (11), (12) and (13), moreover, in the expression (13) φ is replaced by ϑ ', taking into account the above, we can write

= φε ₁ + (1-φ) ε ₂ +

(ε $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{Ψ}}$ ₁ -ε ₁ ) +

(ε $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{Ψ}}$ ₁ -ε ₂ );
ε $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{1}}{\text{⊥}}$

+

+

+

. (15) From expression (14) we obtain

, (16) then

) '((17)
The reducible system of two equations contains three unknown φ

and ϑ '. The values of ε ₂ , ε _{1 are} determined by the state diagram for the measured temperature T and pressure P of the medium, and the quantities

and ε _⊥ are measured using the indicated capacitive sensors. The solution to system (17) is possible only if the number of unknowns decreases to two and becomes equal to the number of equations. Such a procedure can be performed if we analyze this system. Let us set as an example the measurement of a liquid containing vapor as the second phase. Let ε ₁ 1,0006; ε ₂ 81. Let us set all possible values of φ and ϑ in the intervals 0 ≅ φ ≅ 1 and 0 ≅ ϑ ≅ 1,

0.φ In FIG. 3, for the case φ 0.5, crosses show the results

and points ε _⊥, depending on ϑ 'and

. At the top of FIG. 4, crosses connect the values

with equal

, and the points in the lower part of ε _⊥ for equal values

. From figure 4 it follows that all the lines begin with the value ϑ '1, i.e. ΔV ₂ 0 by definition (see relation 17), when the flow is completely stratified, and the quantities

=

and ε _⊥ = ε ^{⊥ are} as different as possible from each other. From the whole variety of mixture options, we consider the case in which

φ. The lines in Fig. 4 characterizing such a regime, with a decrease in величины ', approach and close at the point where

- ε _⊥ = ε $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{Ψ}}$ , and φ ϑ '0.5. It is easy to see that the closing lines φ

cover and limit a certain area, hatched in figure 4. Within this zone, under any phase combinations, in a stationary, in the indicated sense, flow cannot be

and ε _⊥ . The remaining lines pass outside the closing curves and approach each other with a decrease in ϑ '. Non-closing lines

and ε _⊥ end as soon as the quantity

at a given value

becomes equal

These ends of the non-closed lines limit the second forbidden zone, also shaded in FIG. From consideration of figure 4 and further analysis of system (17) it follows that in stationary flows the Wiener relation is always satisfied:

> ε $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{γ}}$ ε _⊥ , and the equality of these quantities

= ε $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{φ}}$ ε _{⊥ is} achieved only when ϑ 'φ Due to the presence of the first and second forbidden zones, the fulfillment of the Wiener inequality for stationary flows, and the fact that the lines

and ε _{⊥ are} spatially separated and represented by disjoint curves, it becomes possible to design the values

and ε _⊥ to closed lines, where

φ i.e. do not lose information about the true vapor content φ. Moreover, ϑ 'takes the values ϑ' φ, 1. Since on the closed lines the relation

φ, then the values of ϑ 'displayed on the closing lines turn into model-specific values of ϑ equal to

varying in the interval φ ≅ ϑ ≅ 1. Such a model approximation for any combination of liquid and vapor phases in a stationary stream allows us to accurately determine the desired value of the true vapor content φ. This can be easily verified by substituting the values in the system of equations (17)

φ and ϑ 'ϑ. Such a substitution allows us to uniquely determine the desired φ and ϑ, transforming this system of equations into the following algorithm:
ε $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{Ψ}}$

A

Ψ

φ

(18) and further, using relations (18) or the data of the work, we obtain
ρ _cm φ ρ ₁ + (1 φ) ρ ₂ ;
i _cm =

i ₁ + (1-φ)

i ₂ , where ε ₁ ε ₂ ρ ₁ ρ ₂ , i ₁ , i _{2 are} known from the state diagram of the mixture for the measured temperature T and pressure P in the flow.

Изложенные соображения создают необходимые и достаточные условия определения с помощью предлагаемого способа основных характерик теплоносителей непосредственно в магистралях энергетических или технологических установок. В подтверждение этого укажем, что в период 1982-1989 г. в ИАЭ им. И.В.Курчатова (г.Москва) произведены многочисленные исследования временных вариаций величин ε_см при различных режимах двухфазного потока гелия, охлаждавшего сверхпроводящие обмотки блоков магнита установки Т-15. Режимы течения отличались уровнем теплопритоков из обмотки в систему охлаждения и зависели от уровня электрического тока в ней. В зоне измерения характеристик гелия наблюдались вариации плотности, типичные для теплоэнергетических объектов. Период этих вариаций, отмеченный по измерениям значений ε_см, изменялся в диапазоне 0,1< t< 300 с. Характерные времена вариаций диэлектрической проницаемости не превышали величины
0,1% ≅

≅ 20%
Доля изменения ε_см, приходящаяся на отрезок времени, равный Δt

составляет

≃ 1·10^-5% т.е. ничтожно мала по сравнению с

.The stated considerations create the necessary and sufficient conditions for determining, using the proposed method, the main characteristics of the coolants directly in the mains of power or technological installations. In confirmation of this, we indicate that in the period 1982-1989 in the IAE. I.V. Kurchatova (Moscow), numerous studies of temporal variations of ε _cm values were carried out for different modes of a two-phase helium flow that cooled the superconducting windings of the magnet blocks of the T-15 installation. The flow regimes differed in the level of heat influx from the winding into the cooling system and depended on the level of electric current in it. In the zone of measuring helium characteristics, density variations typical of heat and power objects were observed. The period of these variations, marked by measurements of ε _cm , varied in the range 0.1 <t <300 s. The characteristic times of permittivity variations did not exceed
0.1% ≅

≅ 20%
Fraction of ε _cm per time segment equal to Δt

makes up

≃ 1 · 10 ^-5 % i.e. negligible compared to

.

Таким образом, в емкостном измерителе реальный нестационарный поток теплоносителя воспринимается стационарным и к нему применимы все соотношения, определяющие предлагаемый способ. При этом нестационарность потока воспринимается как временная вариация результатов измерений. Легко убедиться, что в общем случае нестационарного потока, когда в нем существуют перемешанные и не перемешанные области течения, емкостный измеритель всегда воспринимает поток стационарным. Действительно пусть в момент времени t поток состоит из стационарных слоев, а вслед за этим в нем появляются зоны, в которых ε_см больше или меньше предыдущего значения. Эти зоны перемещаются вмете с потоком и воспринимаются как скачок диэлектрической проницаемости на фоне ее стационарного значения для остальных слоев. Дальнейшие рассуждения не отличаются от рассмотренного ранее экспериментального случая. Исключения могут составлять отдельные отрезки времени δ t, когда через емкостный измеритель проходит фронт очень резкой неоднородности плотности в потоке, например большой паровой пузырь. В этом случае одно измерение длительностью 10^-1 с отчетливо фиксирует прохождение пузыря.Thus, in a capacitive meter, the real unsteady flow of the coolant is perceived as stationary and all ratios that determine the proposed method are applicable to it. In this case, the non-stationary flow is perceived as a temporary variation of the measurement results. It is easy to verify that in the general case of an unsteady flow, when there are mixed and unmixed flow regions in it, a capacitive meter always perceives the flow as stationary. Indeed, suppose that at time t the flow consists of stationary layers, and after this, zones appear in it in which ε _{cm is} greater or less than the previous value. These zones move along with the flow and are perceived as a jump in the dielectric constant against the background of its stationary value for the remaining layers. Further considerations do not differ from the previously considered experimental case. Exceptions may be for individual periods of time t when the front of a very sharp density inhomogeneity in the flow passes through a capacitive meter, for example, a large vapor bubble. In this case, one measurement lasting 10 ^-1 s clearly captures the passage of the bubble.

Потоки с продольной и поперечной нестационарностью, когда при

≠ 0 имеем

≠ 0 и

≠ 0 исключение погрешности измерений обеспечивается двумя обстоятельствами: величина вариации ∂ ε_см за период времени ∂ t бесконечно мала; как только оканчивается период ∂ t, эта бесконечно малая величина вариации вливается в стационарный фон и следующий цикл вариации не складывается с предыдущим, а протекает на фоне стационарного потока в виде бесконечно малого возмущения. Закономерность, о которой идет речь, заключается в обнаруженном замечательном свойстве емкостных измерений с параллельным и перпендикулярным к направлению потока СВЧ-полями: всегда воспринимать поток однородно перемешанным в продольном направлении, т.е. стационарным.Streams with longitudinal and transverse nonstationarity, when at

≠ 0 we have

≠ 0 and

≠ 0 the exception of the measurement error is provided by two circumstances: the magnitude of the variation ∂ ε _cm over a period of time ∂ t is infinitely small; as soon as the period ∂ t ends, this infinitesimal value of the variation pours into the stationary background and the next cycle of variation does not add up with the previous one, but proceeds against the background of the stationary flow in the form of an infinitesimal perturbation. The pattern in question lies in the discovered remarkable property of capacitive measurements with parallel and perpendicular to the direction of the flow microwave fields: always perceive the stream uniformly mixed in the longitudinal direction, i.e. stationary.

Кроме того, цель достигается тем, что устройство для осуществления способа содержит расположенные в потоке измеряемой среды датчики температуры, давления и измеритель диэлектрической проницаемости, выполненный в виде двух концентрирующих электромагнитные поля резонаторов, расположенных на фиксированном расстоянии друг от друга, оснащенных элементами ввода и вывода электромагнитных колебаний, соединенных с электронными блоками, возбуждающими и измеряющими резонансные частоты, замкнутыми на микропроцессорный блок, соединенный также с коммуникациями измерения температуры и давления, причем вдоль по потоку устанавливают два полуволновых или два четвертьволновых резонатора, снабженных вставками, одна из которых выполнена с одновитковой спиралью, при этом создают в этих резонаторах продольные или поперечные к направлению движения электрические поля, заключают эти поля в двухслойную оболочку, причем наружный слой этой оболочки выполняют из материала с металлической электропроводимостью, а промежуточный слой с диэлектрической проницаемостью ε_ф, и тем самым создают электрические поля: поперечное с помощью коаксиального трубчатого резонатора с тарующей электрической емкостью С₁ в виде спирального выреза длиной l_o⊥ в боковой поверхности внутренней трубы резонатора, при этом спиральная вставка коротко замкнута на металлические трубопроводы и внешнюю оболочку резонатора, величину емкости на этом участке как для полуволновых, так и для четвертьволновых резонаторов выбирают согласно соотношению
C_⊥=

, где ε_эф диэлектрическая проницаемость измеряемой среды, нормированная на диэлектрическую проницаемость вакуума;
d внутренний диаметр резонатора, совпадающий с диаметром магистрального трубопровода;
l_0⊥ длина участка, выбираемая на основании экспериментальных данных при варьировании l_0⊥ в интервале: d ≅ l_0⊥ ≅ 4d;
D диаметр внешней металлической оболочки резонатора;
τ ширина полосы спирали в вырезе трубы, замкнутой на металлические конструкции транспортной магистрали, и продольное создаваемое с помощью двустороннего коаксиального трубчатого резонатора, выполненного в виде радиального разрыва трубопровода, в котором внутренняя оболочка с металлической электропроводностью заменена вставкой того же диаметра, как у исходной трубы длиной l

, но выполненной из материала с диэлектрической проницаемостью ε_ф и длиной l

, при этом l

подбирается экспериментально за счет ее варьирования в диапазоне 0,1d ≅ l

4d, емкость такого полуволнового или четвертьволнового резонатора с продольным полем (фиг.1) определяется соотношением
C

ε_эфπd

, где K(k) и K(k') полные эллиптические интегралы, модули которых
k

и k′

, причем в указанных полуволновых резонаторах резонансные частоты определяются по соотношениям
f

=

;
f_⊥

и в четвертьволновых резонаторах по соотношениям
f

=

;
f_⊥=

, где с скорость света;
Z_o волновое сопротивление резонатора, одинаковое для резонаторов с продольным и поперечным полями,
Z_o=

ln

[Oм] l

, l

, l_1⊥, l_2⊥ длины плеч внутренних трубопроводов резонаторов с продольными

и поперечными полями ⊥, связанные соотношениями
l

=

arctg

tg

<

f_2⊥=

arctg

>

входное сопротивление замкнутых отрезков l

и l_1⊥ является индуктивным и связано с сопротивлением конденсаторов c

и c_⊥ соотношениями
Z_otg

<

;
Z_otg

>

, обеспечивающими возникновение в резонаторах противофазных стоячих волн, период и длина волны которых являются функцией диэлектрической проницаемости среды ε_эф, протекающей через резонатор, что позволяет при измеренных температуре Т и давлении Р в протекающей среде определить ее эффективную плотность, распределение фаз и количества тепла, аккумулированного в потоке, располагая при этом два резонатора друг за другом, определяют в них взаимокорреляционные функции резонансных частот и по этим функциям и измеренной эффективной плотности протекающей среды определяют расход.In addition, the goal is achieved by the fact that the device for implementing the method comprises temperature, pressure, and dielectric permittivity sensors arranged in the flow of the measured medium, made in the form of two resonator concentrating electromagnetic fields located at a fixed distance from each other, equipped with electromagnetic input and output elements oscillations connected to electronic units that excite and measure resonant frequencies, closed to a microprocessor unit, also connected with communications for measuring temperature and pressure, and two half-wave or two quarter-wave resonators equipped with inserts, one of which is made with a single-turn spiral, are installed along the stream, while creating electric fields longitudinal or transverse to the direction of motion in these resonators, enclose these fields in a two-layer shell, wherein the outer layer of this shell are made of a material with metallic conductivity, and an intermediate layer with a permittivity ε _f, thereby creating electric field: a cross with a coaxial tubular taruyuschey resonator with capacitance C ₁ in the form of a spiral of length l _o⊥ cutout in the side surface of the inner pipe resonator, the helical insert shorted to metal pipes and the outer shell of the resonator, the size of this portion of the vessel as a for half-wave and quarter-wave resonators, choose according to the relation
C _⊥ =

Where ε _eff dielectric constant of the medium, normalized to the dielectric permeability of a vacuum;
d inner diameter of the resonator, coinciding with the diameter of the main pipeline;
l _0⊥ section length, selected on the basis of experimental data with variation of l _0⊥ in the interval: d _але l _0⊥ ≅ 4d;
D is the diameter of the outer metal shell of the resonator;
τ is the width of the spiral strip in the neckline of the pipe closed to the metal structures of the transport line, and the longitudinal one is created using a two-sided coaxial tube resonator made in the form of a radial rupture of the pipeline, in which the inner shell with metal conductivity is replaced by an insert of the same diameter as the original pipe with a length l

, but made of a material with a dielectric constant ε _f and length l

, while l

selected experimentally due to its variation in the range 0.1d ≅ l

4d, the capacitance of such a half-wave or quarter-wave resonator with a longitudinal field (Fig. 1) is determined by the ratio
C

ε _eff πd

, where K (k) and K (k ') are complete elliptic integrals whose modules
k

and k ′

moreover, in these half-wave resonators, the resonant frequencies are determined by the relations
f

=

;
f _⊥

and in quarter-wave resonators in terms of
f

=

;
f _⊥ =

where with the speed of light;
Z _{o the} wave impedance of the resonator, the same for resonators with longitudinal and transverse fields,
Z _o =

ln

[Ohm] l

, l

, l _1⊥ , l _{2⊥ the} lengths of the shoulders of the internal pipelines of the resonators with longitudinal

and transverse fields ⊥ related by
l

=

arctg

tg

<

f _2⊥ =

arctg

>

input resistance of closed segments l

and l _1⊥ is inductive and is connected with the resistance of capacitors c

and c _⊥ relations
Z _o tg

<

;
Z _o tg

>

providing the occurrence of antiphase standing waves in the resonators, the period and wavelength of which are a function of the dielectric constant of the medium ε _eff flowing through the resonator, which makes it possible to determine its effective density, phase distribution and the amount of heat accumulated at the measured temperature T and pressure P in the flowing medium in the flow, while arranging two resonators one after the other, they determine the cross-correlation functions of the resonant frequencies in them and from these functions and the measured effective density The flow rate determines the flow rate.

На фиг.1 изображен объем конденсатора, вставленного в измеряемую среду, электрическое поле в котором перпендикулярно границе раздела фаз этой среды в нем; на фиг. 2 объем конденсатора, вставленного в измеряемую среду, электрическое поле в котором параллельно границе раздела фаз этой среды в нем; на фиг.3 показана диаграмма зависимости диэлектрической проницаемости измеряемой среды, помещенной в конденсатор, от объемной концентрации составляющих ее фаз в резонаторе φ; на фиг.4 диаграмма зависимости диэлектрической проницаемости от паросодержания перемешанной части потока; на фиг.5 представлено устройство диагностирования характеристик двухфазных потоков с полуволновыми двусторонними трубчатыми резонаторами; на фиг.6 устройство диагностирования характеристик двухфазных потоков с четвертьволновыми двусторонними трубчатыми резонаторами; на фиг.7 дан разрез А-А на фиг.5; на фиг.8 показано соединение участков трубы с двумя пластинами; на фиг.9 разрез А-А на фиг.5; на фиг.10 соединение участков трубы с четырьмя пластинами. Figure 1 shows the volume of a capacitor inserted into the medium to be measured, the electric field in which is perpendicular to the phase boundary of this medium in it; in FIG. 2 the volume of the capacitor inserted into the measured medium, the electric field in which is parallel to the phase boundary of this medium in it; figure 3 shows a diagram of the dependence of the dielectric constant of the measured medium placed in the capacitor, on the volume concentration of its constituent phases in the resonator φ; figure 4 diagram of the dependence of the dielectric constant on the vapor content of the mixed part of the stream; figure 5 presents a device for diagnosing the characteristics of two-phase flows with half-wave two-sided tubular resonators; Fig.6 a device for diagnosing the characteristics of two-phase flows with quarter-wave bilateral tubular resonators; Fig.7 is a section aa in Fig.5; on Fig shows the connection of pipe sections with two plates; in Fig.9 a section aa in Fig.5; figure 10 connection of pipe sections with four plates.

Устройство содержит трубопровод, состоящий из участков 1,2 и 3 с размещенными на нем резонаторами 4 и 5, выполненными из корпусов 6 и 7, в которых размещены диэлектрические вставки 8 и 9, закрепленные на трубопроводе посредством втулок 10, 11 и 12. Участки 1, 2 и 3 трубопровода разделены диэлектрическими втулками 13 и 14. На внешней поверхности втулки 14 размещена одновитковая спираль 15, концами жестко закрепленная на участках 1 и 2 трубопровода. Датчик 16 давления и датчик 17 температуры размещены на трубопроводе. Участки 3 и 2 трубопровода могут быть снабжены двумя или четырьмя пластинами (фиг.8 и 10). The device comprises a pipeline, consisting of sections 1,2 and 3 with resonators 4 and 5 placed on it, made of housings 6 and 7, in which dielectric inserts 8 and 9 are placed, fixed to the pipeline by bushings 10, 11 and 12. Sections 1 , 2 and 3 of the pipeline are separated by dielectric bushings 13 and 14. On the outer surface of the sleeve 14 there is a single-turn spiral 15, the ends rigidly fixed to sections 1 and 2 of the pipeline. A pressure sensor 16 and a temperature sensor 17 are located on the pipeline. Sections 3 and 2 of the pipeline can be equipped with two or four plates (Fig.8 and 10).

В предлагаемом устройстве производят непрерывные замеры температуры, давления, плотности и расхода в потоках газов, жидкостей, их двухфазных или многокомпонентных смесей. В любом заданном участке движения потока с неизвестным фазовым составом и гомогенно или гетерогенно распределенными компонентами с относительно высокой и относительно низкой плотностями создают последовательно расположенные зоны заданной геометрии с концентрированными в них СВЧ электромагнитными полями с параллельным и/или поперечным к направлению движения среды векторами электрического поля. В резонаторах 4 и 5, размещенных вдоль потока на участках 1,2 и 3 трубопровода, создают продольные и поперечные к направлению движения электрические поля. In the proposed device, continuous measurements of temperature, pressure, density and flow rate in the flows of gases, liquids, their two-phase or multicomponent mixtures are performed. In any given section of the flow movement with an unknown phase composition and homogeneously or heterogeneously distributed components with relatively high and relatively low densities, successive zones of a given geometry are created with concentrated electromagnetic fields in them with electric field vectors parallel and / or transverse to the direction of the medium's motion. In the resonators 4 and 5, placed along the flow in sections 1,2 and 3 of the pipeline, create longitudinal and transverse to the direction of motion of the electric field.

В трубчатом двустороннем коаксиальном резонаторе, где емкость С образована зазором между трубами, длины которых обозначаются l₁ и l₂, возбуждаются близко расположенные два резонанса: высокочастотный противофазный вид колебаний, при котором силовые линии электрического поля имеют по обе стороны от диэлектрической вставки противоположные направления, и низкочастотный -синфазный вид колебаний, при котором силовые линии электрического поля по обе стороны диэлектрической вставки имеют одно и то же направление. Для измерения резонансной частоты в параллельном поле (C

) в изобретении используется противофазный вид колебаний, но длину l₂ увеличивают так, чтобы резонансная частота сместилась в высокочастотную область и была удобной для регитсрации при помещении среды в емкость C

.In a tubular two-sided coaxial resonator, where the capacitance C is formed by the gap between the pipes, the lengths of which are denoted by l ₁ and l ₂ , closely located two resonances are excited: a high-frequency antiphase mode of vibration, in which the electric field lines have opposite directions on both sides of the dielectric insert, and a low-frequency — synphase mode of oscillation, in which the electric field lines on both sides of the dielectric insert have the same direction. To measure the resonant frequency in a parallel field (C

) the invention uses an antiphase mode of oscillation, but the length l _{2 is} increased so that the resonant frequency is shifted to the high-frequency region and is convenient for registration when the medium is placed in the capacitance C

.

Для измерения частоты в перпендикулярном поле (C_⊥) используется трубчатый коаксиальный резонатор, в котором емкость (C_⊥) образована витком спирали из металла, нанесенным на поверхность диэлектрической вставки, образующим с металлическим корпусом резонатора перпендикулярное электрическое поле. Виток спирали имеет электрический контакт с металлическими трубами резонатора длинами l₁ и l₂ образующих в цепи с металлическим корпусом устройства резонатор с поперечным электрическим полем. Если в таком резонаторе плечи l₁ и l₂ равны (l₁= l₂), то в нем также возбуждаются два близкорасположенных резонанса: высокочастотный противофазный вид колебаний инзкочастотный синфазный вид колебаний. Для измерения резонансной частоты в резонаторе с перпендикулярным электрическим полем f₁ в изобретении используют синфазный вид колебаний, но длину l₂ уменьшают так, чтобы резонансная частота сместилась в низкочастотную область на столько, на сколько это необходимо для удобства ее регистрации.To measure the frequency in a perpendicular field (C _⊥ ), a tubular coaxial resonator is used, in which the capacitance (C _⊥ ) is formed by a spiral of metal, deposited on the surface of the dielectric insert, forming a perpendicular electric field with the metal body of the resonator. The spiral coil has electrical contact with the metal pipes of the resonator with lengths l ₁ and l ₂ forming a resonator with a transverse electric field in a circuit with the metal case of the device. If the shoulders l ₁ and l ₂ are equal in such a resonator (l ₁ = l ₂ ), then two closely located resonances are also excited in it: the high-frequency antiphase mode of oscillation and the in-frequency in-phase mode of oscillation. In order to measure the resonant frequency in a resonator with a perpendicular electric field f ₁ , the invention uses the in-phase mode of oscillations, but the length l _{2 is} reduced so that the resonant frequency is shifted to the low-frequency region by as much as is necessary for the convenience of its registration.

Поперечное поле (

) создается с помощью резонатора 4, продольное поле (

) с помощью резонатора 5. В этих полях измеряют резонансные частоты f

и f_p⊥, зависящие от фазового состояния движущихся в них сред, определяют по значениям этих частот величины продольной

и поперечной ε_⊥ диэлектрической проницаемости потока. По величинам

и ε_⊥ определяют объемное содержание компонента с низкой плотностью φ и компонента с высокой плотностью (1 φ). Определяют диэлектричекую проницаемость ε_эф, плотность ρ_эф и энтальпию i_эф потока измеряемой среды. Измеряют в зонах с концентрированными сверхчастотными электромагнитными полями авто- или взаимокорреляционные функции резонансных частот, возникающих в движущейся измеряемой среде, определяют по этим функциям совместно с измерением эффективной плотности массовый расход измеряемой среды, а совместно с измерением энтальпии величину тепла, аккумулированного в потоке, чем обеспечивают контроль за процессами энергообмена, энергопреобразования и управление ими.Cross field (

) is created using resonator 4, the longitudinal field (

) using a resonator 5. In these fields, the resonance frequencies f

and f _p⊥ , depending on the phase state of the media moving in them, determine the longitudinal values from the values of these frequencies

and transverse ε _⊥ dielectric permittivity of the flow. By value

and ε _⊥ determine the volumetric content of a component with a low density φ and a component with a high density (1 φ). The dielectric constant ε _eff , the density ρ _eff and the enthalpy i _eff of the measured medium flow are determined. In areas with concentrated superfrequency electromagnetic fields, the auto- or cross-correlation functions of the resonant frequencies arising in a moving measured medium are measured, the mass flow rate of the measured medium is determined by these functions together with the measurement of the effective density, and together with the measurement of enthalpy, the amount of heat accumulated in the stream provides monitoring and managing energy exchange, energy conversion processes.

Изобретение может применяться для измерения непосредственно в транспортных магистралях и трубопроводов характеристик потоков газов, жидкостей, их двухфазных или многокомпонентных смесей, используемых или возникающих в процессе работы агрегатов в тепловой и ядерной энергетике, нефтехимии, криогенной технике, технологиях переработки и потребления природного и сжиженного газа, а также в других технологиях, где применяются потоки поляризуемых сплошных сред. The invention can be used to measure directly in highways and pipelines the characteristics of the flows of gases, liquids, their two-phase or multicomponent mixtures used or arising during operation of units in thermal and nuclear energy, petrochemicals, cryogenic engineering, processing and consumption of natural and liquefied gas, as well as in other technologies where polarized continuum streams are used.

Claims (2)

1. Способ определения параметров двухфазных потоков сплошных сред, заключающийся в воздействии на поток контролируемой среды электромагнитным полем, измерении параметров электромагнитного поля и определении по ним искомых параметров, отличающийся тем, что воздействие электромагнитным полем на поток контролируемой среды осуществляют путем пропускания контролируемой среды через последовательно расположенные резонаторы, вектор электрического поля которых расположен в параллельной и/или поперечной плоскости к направлению движения среды, в качестве параметров электромагнитного поля используют резонансные частоты этих резонаторов, дополнительно измеряют температуру и давление определяют величины продольной

и поперечной ε_⊥ диэлектрических проницаемостей потока согласно соотношениям

где ε₁ и ε₂ значения диэлектрических проницаемостей компонент измеряемой среды с низкой и высокой плотностями, выбираемыми при измеренных температуре T и давлении P из известных данных об электрофизических свойствах этих компонент;

передаточные функции электромагнитных полей, определяемые при заполнении резонаторов контролируемой средой;

резонансные частоты резонаторов с векторами электрического поля в продольной и поперечной плоскостях соответственно;

резонансные частоты резонаторов с векторами электрического поля в продольной и поперечной плоскостях при полном заполнении резонаторов каждой компонентной в отдельности,
по величинам

определяют объемное содержание компоненты с низкой плотностью φ и компоненты с высокой плотностью 1-φ , пользуясь соотношениями

а эффективные диэлектрическую проницаемость e_эф, плотность ρ_эф и энтальпию i_{э ф} потока контролируемой среды определяют по соотношениям

ρ_эф= φ ρ₁+(1-φ)ρ₂;

определяют авто- или взаимокорреляционные функции резонансных частот резонаторов, определяют по этим функциям совместно с ρ_эф массовый расход контролируемой среды, а совместно с i_{э ф} величину тепла, сравнивают ε_эф, ρ_эф, i_{э ф} с известными параметрами на линии насыщения при температуре T и давлении P в измеряемой среде и по разности значений этих параметров определяют степень неравновестности фаз в среде.1. The method of determining the parameters of two-phase flows of continuous media, which consists in exposing the flow of the controlled medium to an electromagnetic field, measuring the parameters of the electromagnetic field and determining the desired parameters from them, characterized in that the exposure to the electromagnetic field on the flow of the controlled medium is carried out by passing the controlled medium through sequentially located resonators, the electric field vector of which is located in a parallel and / or transverse plane to the direction of motion with food, as the electromagnetic field parameter using the resonant frequencies of the resonators additionally measured temperature and pressure values determined longitudinal

and transverse ε _⊥ dielectric permittivities of the flow according to the relations

where ε ₁ and ε ₂ are the dielectric constants of the components of the medium with low and high densities selected at the measured temperature T and pressure P from the known data on the electrophysical properties of these components;

transfer functions of electromagnetic fields, determined when the cavities are filled with a controlled medium;

resonant frequencies of resonators with electric field vectors in the longitudinal and transverse planes, respectively;

resonant frequencies of resonators with electric field vectors in the longitudinal and transverse planes when the resonators are completely filled separately for each component,
in terms of

determine the volume content of components with a low density φ and components with a high density 1-φ, using the relations

and the effective dielectric constant e _eff , density ρ _eff and enthalpy i _{e f of the} flow of the controlled medium are determined by the relations

ρ _eff = φ ρ ₁ + (1-φ) ρ ₂ ;

determined auto- or interrelation functions resonators the resonance frequencies are determined by these functions together with _Aeff ρ the mass flow of the controlled medium, and in conjunction with i _icef heat value compared ε _eff, ρ _eff, i _icef with known parameters on the saturation line at temperatures T and pressure P in the measured medium and the difference in the values of these parameters determine the degree of phase imbalance in the medium. 2. Устройство для определения параметров двухфазных сплошных сред, содержащее трубопровод для потока контролируемой среды, генератор СВЧ, отличающееся тем, что в поток контролируемой среды введены датчики температуры, давления и два последовательно расположенных вдоль по течению полуволновых или четвертьволновых коаксиальных трубчатых резонатора, представляющих собой корпус из материала с металлической электропроводностью, в котором проходит трубопровод, выполненный из материала с металлической электропроводностью, при этом трубопровод состоит из нескольких участков труб, установленных с зазором, в которых установлены диэлектрические втулки, на одной из которых выполнена одновитковая спираль из материала с металлической электропроводностью, жестко прикрепленная на концах к участкам трубопровода, между корпусом резонаторов и трубопроводом размещены диэлектрические вставки, при этом длина диэлектрической втулки, на которой выполнена одновитковая спираль, выбирается из соотношения
d≅ l_0⊥≅ 4d,
где d -внутренний диаметр резонатора, совпадающий с диаметром трубопровода,
длину второй втулки выбирают из соотношения

а длины участков

трубопровода, находящихся внутри резонаторов, выбирают из соотношений

где

ε_ф диэлектрическая проницаемость материала втулки;
D диаметр внешнего металлического корпуса резонатора;

емкости четвертьволновых или полуволновых резонаторов с поперечным и продольным полями соответственно;

резонансные частоты для полуволновых или четвертьволновых резонаторов с поперечным и продольным полями соответственно,
генератор СВЧ соединен с элементами ввода энергии в резонаторы, элементы выхода которых соединены с измерителем резонансной частоты, который соединен с блоком обработки, входы которого соединены с датчиками температуры и давления, выход блока обработки является выходом устройства.2. A device for determining the parameters of two-phase continuous media, containing a pipeline for the flow of a controlled medium, a microwave generator, characterized in that the temperature, pressure sensors and two half-wave or quarter-wave coaxial tube resonators, which are a housing from a material with metal conductivity, in which a pipeline is made of a material with metal conductivity, while the wire consists of several pipe sections installed with a gap, in which dielectric bushings are installed, on one of which a single-turn spiral made of a material with metal electrical conductivity is made, rigidly attached at the ends to the pipe sections, dielectric inserts are placed between the resonator body and the pipe, while the length dielectric sleeve, on which a single-turn spiral is made, is selected from the ratio
d≅ l _0⊥ ≅ 4d,
where d is the internal diameter of the resonator, coinciding with the diameter of the pipeline,
the length of the second sleeve is selected from the ratio

and plot lengths

the pipelines located inside the resonators are selected from the relations

Where

ε _{f the} dielectric constant of the sleeve material;
D is the diameter of the outer metal housing of the resonator;

capacities of quarter-wave or half-wave resonators with transverse and longitudinal fields, respectively;

resonant frequencies for half-wave or quarter-wave resonators with transverse and longitudinal fields, respectively,
the microwave generator is connected to the input elements of energy into the resonators, the output elements of which are connected to a resonant frequency meter, which is connected to the processing unit, the inputs of which are connected to temperature and pressure sensors, the output of the processing unit is the output of the device.

Images