RU2108567C1 - Gear measuring continuity of flows of cryoproducts - Google Patents

Abstract

FIELD: measurement technology, measurement of continuity and flow rate of flows of dielectric nonpolar and low-polar media. SUBSTANCE: body 3 of coaxial SHF resonator in the form of section of pipe-line houses central bar 6 that carries one group of ribs 9, 10, 11 of streamline shape. Second group of ribs is made in internal surface of body of resonator. Central bar is coupled with body by 7. Resonator is exited on resonance frequency by means of generator 1. Readings of this frequency which is measure of continuity are taken off indicator 2 (for example, digital frequency meter). Several capacitive sensitive elements spaced in sequence along flow are formed to ensure possibility of measurement of velocity (flow rate) of flow in clearance between ribs of pipe 3 (4 and 5, 15 and 165, 17 and 18) and ribs 9, 10, 11. EFFECT: enhanced functional reliability of gear. 2 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения сплошности потоков диэлектрических неполярных и слабополярных сред, преимущественно криогенных. The invention relates to measuring technique and can be used to determine the continuity of the flows of dielectric non-polar and weakly polar media, mainly cryogenic.

Известно устройство для измерения сплошности потока жидкости, содержащее резонатор, связанный через элементы связи с генератором и индикатором, при этом внутри резонатора, по его оси расположен трубопровод, объем резонатора заполнен диэлектриком, а трубопровод выполнен в виде двух металлических труб, разделенных зазором [1]. A device for measuring the continuity of a fluid flow, containing a resonator connected through communication elements with a generator and an indicator, while inside the resonator there is a pipeline along its axis, the cavity volume is filled with a dielectric, and the pipeline is made in the form of two metal pipes separated by a gap [1] .

Недостатками данного устройство являются невысокие точность и чувствительность измерений из-за значительной неоднородности распределения электрического поля на измерительном участке трубопровода и из-за того, что лишь малая часть электрического поля резонатора используется для измерения (значительная часть электрического поля сосредоточена в диэлектрике). The disadvantages of this device are the low accuracy and sensitivity of measurements due to the significant heterogeneity of the distribution of the electric field in the measuring section of the pipeline and due to the fact that only a small part of the electric field of the resonator is used for measurement (a significant part of the electric field is concentrated in the dielectric).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является устройство для измерения сплошности потоков криопродуктов, содержащее резонатор в виде цилиндрического корпуса с диэлектриком и установленный по его оси участок трубопровода в виде двух труб, расположенных последовательно с зазором между ними и электрически связанные с корпусом генератор и индикатор, при этом на внутренних поверхностях труб выполнены параллельно оси резонатора ребра обтекаемой формы, причем концы ребер выступают в зазор трубами, ребра одной трубы смещены относительно ребер другой трубы, а наименьшее расстояние между соседними ребрами противоположных труб σ связано с расстоянием между торцами труб Δ и расстоянием l по оси между концами ребер соотношением l/3<σ<Δ . Кроме того, это устройство может быть снабжено установленным на резонаторе центральным стержнем, электрически связанным с корпусом посредством перемычки, выполненной на его внутренней поверхности, а труба с центральным ребром выполнена в виде кольца, электрически связанного с центральным стрежнем посредством центрального ребра [2]. The closest in technical essence to the proposed technical solution is a device for measuring the continuity of cryogenic product flows, containing a resonator in the form of a cylindrical body with a dielectric and a pipe section installed along its axis in the form of two pipes arranged in series with a gap between them and a generator electrically connected to the body and an indicator, while on the inner surfaces of the pipes, streamlined fins are made parallel to the resonator axis, and the ends of the ribs protrude into the gap by the pipes, the ribs of one pipe are offset relative to the edges of the other pipe, and the smallest distance between adjacent edges of the opposite pipes σ is related to the distance between the ends of the pipes Δ and the distance l along the axis between the ends of the ribs with the ratio l / 3 <σ <Δ. In addition, this device can be equipped with a central rod mounted on the resonator, electrically connected to the housing by means of a jumper made on its inner surface, and a pipe with a central rib is made in the form of a ring electrically connected to the central rod by a central rib [2].

Недостатками известного устройства являются недостаточно высокие точность и чувствительность измерений из-за того, что не все электрическое поле резонатора используется для измерений (некоторая часть электрического поля сосредоточена в диэлектрике). The disadvantages of the known device are insufficiently high accuracy and sensitivity of measurements due to the fact that not all of the electric field of the resonator is used for measurements (some part of the electric field is concentrated in the dielectric).

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности и чувствительности измерения за счет увеличения диапазона перестройки резонансной частоты при сохранении сосредоточенного однородного электрического поля на измерительном участке резонатора. The technical result of the invention is to increase the accuracy and sensitivity of the measurement by increasing the tuning range of the resonant frequency while maintaining a concentrated homogeneous electric field in the measuring section of the resonator.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения сплошности потоков криопродуктов, содержащем генератор, индикатор и резонатор в виде цилиндрического корпуса с установленным по его оси участком трубопровода, на внутренней поверхности которого выполнена одна группа ребер обтекаемой формы, и центральным стержнем, электрически связанным с одной стороны с корпусом посредством перемычки, выполненной на его внутренней поверхности, а с другой стороны - со второй группой ребер, причем одна группа ребер смещена относительно другой группы ребер, а наименьшее расстояние между соседними ребрами противоположных групп ребер σ связано с размером l перекрытия по оси двух групп ребер соотношением l/3<σ , согласно изобретению резонатор внутри не имеет диэлектрических частей, внутренний диаметр корпуса равен диаметру трубопровода, ребра второй группы не имеют контакта с последним и крепятся к центральному стрежню с помощью дополнительного центрального ребра. The technical result is achieved by the fact that in a device for measuring the continuity of cryogenic product flows, containing a generator, indicator and resonator in the form of a cylindrical body with a pipe section installed along its axis, on the inner surface of which one group of streamlined ribs is made, and a central rod electrically connected to on the one hand with the housing by means of a jumper made on its inner surface, and on the other hand, with the second group of ribs, and one group of ribs is offset relative about another group of ribs, and the smallest distance between adjacent ribs of opposite groups of ribs σ is associated with the size l of overlap along the axis of two groups of ribs with the ratio l / 3 <σ, according to the invention, the resonator does not have dielectric parts inside, the inner diameter of the casing is equal to the diameter of the pipeline, the second ribs the groups do not have contact with the latter and are attached to the central rod using an additional central rib.

Кроме того, оно может быть снабжено дополнительными центральным стержнем и перемычкой и вторым центральным ребром. In addition, it can be provided with an additional central rod and a jumper and a second central rib.

Кроме того, с целью расширения функциональных возможностей, а именно для измерения расхода потока, ребра корпуса могут быть разделены на несколько разнесенных последовательно по потоку на одинаковое расстояние друг от друга l_T групп ребер одинаковой длины l_i, не превышающей расстояния между ними l_T, суммарная длина которых по потоку равна размеру перекрытия l.Additionally, to enhance functionality, namely to measure the flow rate, the ribs housing can be divided into several spaced successively along the flow at the same distance from each other l _T groups of ribs of equal length l _i, is not greater than the distance between the l _T, whose total flow length is equal to the overlap size l.

Сопоставительный анализ с прототипом показал, что предложенное техническое решение имеет новые признаки, отсутствующие в прототипе, а именно: отсутствие диэлектрических частей внутри резонатора, равенство внутреннего диаметра корпуса диаметру трубопровода, отсутствие контакта ребер второй группы с корпусом и крепление их к центральному стержню с помощью дополнительного центрального ребра. Кроме того, введение дополнительных центрального стержня и перемычки и второго центрального ребра. Кроме того, разделение ребер корпуса на несколько разнесенных последовательно по потоку на одинаковое расстояние друг от друга l_T групп ребер одинаковой длины l_i, не превышающей расстояния между ними l_T, суммарная длина которых по потоку равна размеру перекрытия l.Comparative analysis with the prototype showed that the proposed technical solution has new features that are not in the prototype, namely: the absence of dielectric parts inside the resonator, the equality of the inner diameter of the housing to the diameter of the pipeline, the absence of contact of the ribs of the second group with the housing and their fastening to the central shaft using an additional central rib. In addition, the introduction of an additional central rod and jumper and a second central rib. Moreover, separation of the housing ribs on several spaced successively along the flow at the same distance from each other l _T groups of ribs of equal length l _i, is not greater than the distance between the l _T, total length of flow is the size of the overlap l.

Вышеизложенное позволяет сделать вывод о соответствии предложенного технического решения критерию "новизна". The above allows us to conclude that the proposed technical solution meets the criterion of "novelty."

Анализ патентной и научно-технической информации в области измерительной техники не позволил обнаружить признаки, являющиеся отличительными в заявленном изобретении. The analysis of patent and scientific and technical information in the field of measuring technology did not allow us to detect features that are distinctive in the claimed invention.

Вышеуказанные признаки являются необходимыми и достаточными для достижения положительного эффекта. The above signs are necessary and sufficient to achieve a positive effect.

Так наличие такого признака, как отсутствие диэлектрических частей внутри резонатора позволило использовать все электрическое поле резонатора для измерений, тем самым увеличив диапазон перестройки резонансной частоты до максимально возможного, что увеличило точность и чувствительность измерений. Наличие такого признака, как равенство внутреннего диаметра корпуса диаметру трубопровода позволило избавиться от диэлектрика и, кроме того, уменьшило габариты датчика. Наличие такого признака, как отсутствие контакта ребер второй группы с корпусом позволило сконцентрировать все электрическое поле резонатора на измерительном участке. Thus, the presence of such a feature as the absence of dielectric parts inside the resonator made it possible to use the entire electric field of the resonator for measurements, thereby increasing the tuning range of the resonant frequency to the maximum possible, which increased the accuracy and sensitivity of measurements. The presence of such a sign as equality of the inner diameter of the casing to the diameter of the pipeline made it possible to get rid of the dielectric and, in addition, reduced the dimensions of the sensor. The presence of such a sign as the lack of contact of the ribs of the second group with the housing made it possible to concentrate the entire electric field of the resonator in the measuring section.

Кроме того, наличие такого признака, как введение дополнительных центрального стержня и перемычки и второго центрального ребра способствует увеличению жесткости системы емкостных зазоров, что еще более увеличивает точность и чувствительность измерений. In addition, the presence of such a feature as the introduction of an additional central rod and jumper and a second central rib increases the rigidity of the system of capacitive gaps, which further increases the accuracy and sensitivity of measurements.

Кроме того, наличие такого признака, как разделение ребер корпуса на несколько разнесенных последовательно по потоку на одинаковое расстояние друг от друга l_T групп ребер одинаковой длины l_i, не превышающей расстояния между ними l_T, позволило расширить функциональные возможности устройства, а именно позволило, кроме сплошности, измерять еще расход двухфазных потоков путем статистического автокорреляционного анализа сигнала резонатора.In addition, the presence of such a feature as the separation of the edges of the casing into several groups of ribs of the same length l _i , not exceeding the distance between them l _T , spaced sequentially in the same distance l _T from each other, made it possible to expand the functionality of the device, namely, in addition to continuity, measure the flow rate of two-phase flows by statistical autocorrelation analysis of the resonator signal.

Следовательно, можно сделать вывод о том, что предложенное техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень". Therefore, we can conclude that the proposed technical solution meets the criterion of "inventive step".

Данный датчик предназначен прежде всего для контроля потоков низкотемпературных криопродуктов (гелий, водород, азот, кислород и т.д.), которые имеют низкие значения диэлектрической проницаемости ε . Так, например, значения диэлектрической проницаемости при нормальном атмосферном давлении составляют: для жидкого гелия ε = 1,042; для жидкого азота ε = 1,43. Диэлектрическая проницаемость паров криопродуктов близка к 1. Поэтому в данных условиях для датчиков сплошности, принцип работы которых основан на различии диэлектрических проницаемостей паровой и жидкой фаз, важно иметь максимальную чувствительность, т. е. максимально возможный диапазон перестройки выходного сигнала. Известно [3], что СВЧ-резонаторы, полость которых может быть полностью заполнена контролируемой средой с диэлектрической проницаемостью ε , обладают максимальной перестройкой резонансной частоты f в соответствии с формулой f = f₀•ε^-1/2 , где f_o - резонансная частота при ε = 1. Назовем такие резонаторы "образцовыми". Однако известные конструкции "образцовых" СВЧ-резонаторов малопригодны для измерения сплошности криопродукторв, т.к. они не имеют однородного распределения сосредоточенного электрического поля на измерительном участке и, следовательно, показания таких датчиков будут зависеть от структуры двухфазного потока.This sensor is intended primarily for monitoring the flows of low-temperature cryogenic products (helium, hydrogen, nitrogen, oxygen, etc.), which have low permittivity ε. So, for example, the values of dielectric constant at normal atmospheric pressure are: for liquid helium ε = 1,042; for liquid nitrogen, ε = 1.43. The dielectric constant of cryogenic product vapors is close to 1. Therefore, under these conditions for continuity sensors, the principle of operation of which is based on the difference in the permittivities of vapor and liquid phases, it is important to have the maximum sensitivity, i.e., the maximum possible range of tuning of the output signal. It is known [3] that microwave resonators, the cavity of which can be completely filled with a controlled medium with a dielectric constant ε, have the maximum tuning of the resonance frequency f in accordance with the formula f = f ₀ • ε ^-1/2 , where f _o is the resonant frequency for ε = 1. We call such resonators "exemplary". However, the well-known designs of "model" microwave resonators are of little use for measuring the continuity of cryogenic products, because they do not have a uniform distribution of the concentrated electric field in the measuring section and, therefore, the readings of such sensors will depend on the structure of the two-phase flow.

Предложенное техническое решение обладает одновременно максимальной чувствительностью и однородно распределенным сосредоточенным на измерительном участке электрическим полем. Кроме того, оно может быть использовано для измерения расхода. Эти признаки позволяют надеяться на широкое промышленное применение предложенного датчика в криогенной, холодильной и других областях техники. The proposed technical solution has both maximum sensitivity and a uniformly distributed electric field concentrated at the measurement site. In addition, it can be used to measure flow. These features allow us to hope for the wide industrial application of the proposed sensor in cryogenic, refrigeration and other technical fields.

Эксперименты с макетами предложенного датчика подтвердили возможность его создания и достижения желаемого технического результата. Experiments with mock-ups of the proposed sensor confirmed the possibility of creating it and achieving the desired technical result.

Вышеизложенное доказывает соответствие заявленного технического решения критерию "промышленная применимость". The above proves the conformity of the claimed technical solution to the criterion of "industrial applicability".

На фиг. 1 приведена конструкция устройства; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - конструкция устройства с вторым центральным стержнем, второй перемычкой и вторым дополнительным центральным ребром; на фиг. 4 - конструкция устройства с ребрами трубы, разделенными на три группы; на фиг. 5 - конструкция устройства с вторым центральным стержнем, второй перемычкой и вторым дополнительным центральным ребром и с ребрами трубы, разделенными на три группы; на фиг. 6 - электрическая схема резонатора. In FIG. 1 shows the design of the device; in FIG. 2, section AA in FIG. one; in FIG. 3 - the design of the device with a second Central rod, a second jumper and a second additional Central rib; in FIG. 4 - design of the device with pipe ribs divided into three groups; in FIG. 5 is a design of a device with a second central rod, a second jumper and a second additional central rib and with pipe ribs divided into three groups; in FIG. 6 - electrical circuit of the resonator.

Устройство содержит генератор 1, индикатор 2 и резонатор 3 в виде отрезка металлической трубы, на внутренней поверхности которой выполнены металлические ребра 4, 5 обтекаемой формы, и металлического центрального стержня 6, электрически связанного с одной стороны с корпусом 3 посредством металлической перемычки 7, выполненной на внутренней поверхности трубы 3, а с другой стороны через центральное ребро 8 - с металлическими ребрами 9, 10, 11 второй группы, причем одна группа ребер смещена относительно другой группы ребер, концы ребер противоположных групп либо перекрывают друг друга (как это показано на фиг. 1), либо находятся на одном уровне, либо не доходят друг от друга. The device comprises a generator 1, an indicator 2 and a resonator 3 in the form of a segment of a metal pipe, on the inner surface of which streamlined metal ribs 4, 5 are made, and a metal central rod 6 electrically connected on one side to the housing 3 by means of a metal jumper 7 made on the inner surface of the pipe 3, and on the other hand through the central rib 8 with metal ribs 9, 10, 11 of the second group, and one group of ribs is offset relative to the other group of ribs, the ends of the ribs are opposite the x or overlap each other (as shown in FIG. 1), or are on the same level, or do not reach each other.

Резонатор внутри не имеет диэлектрических частей, внутренний диаметр корпуса равен диаметру трубопровода d, ребра 9, 10, 11 второй группы не имеют непосредственного контакта с трубой и крепятся к центральному стержню 6 с помощью введенного дополнительного центрального ребра 7. The resonator inside does not have dielectric parts, the inner diameter of the casing is equal to the diameter of the pipeline d, the ribs 9, 10, 11 of the second group do not have direct contact with the pipe and are attached to the central shaft 6 with the help of the introduced additional central rib 7.

В СВЧ-технике такой резонатор относится к классу коаксиальных резонаторов с торцевым емкостным зазором. В этом резонаторе расстояние σ между соседними ребрами противоположных групп мало по сравнению с размерами других полостей резонатора, где может быть сосредоточено электрическое поле, а диаметр d_ст. центрального стрежня 6 по крайней мере в 2,5 раза меньше внутреннего диаметра d трубы 3. Эти условия превращают резонатор в квазисосредоточенный: индуктивная часть сосредоточена на участке центрального стержня, а емкостная часть, являющаяся чувствительным элементом датчика, - в зазорах между ребрами противоположных групп.In microwave technology, such a resonator belongs to the class of coaxial resonators with an end capacitive gap. In this resonator, the distance σ between adjacent edges of opposite groups is small in comparison with the sizes of other cavity cavities, where an electric field can be concentrated, and the diameter d is _Art. the central rod 6 is at least 2.5 times smaller than the inner diameter d of the pipe 3. These conditions turn the resonator into a quasi-concentrated one: the inductive part is concentrated on the portion of the central rod, and the capacitive part, which is the sensitive element of the sensor, is in the gaps between the ribs of opposite groups.

Электрическая схема резонатора (фиг. 6) представляет собой колебательный контур с параллельно включенными сосредоточенными индуктивностью L и емкостью C. В заявленном устройстве роль индуктивности выполняет центральный стержень 6, а емкость образована между рядами плоскопараллельных пластин, т.е. между ребрами 4, 5 трубы 3 и ребрами 9, 10, 11 противоположной группы. Электрическая схема измерительной емкости представляет собой емкость, образованную между рядами плоскопараллельных пластин, распределение электрического поля между которыми, как известно, весьма однородно. Конструктивно измерительная емкость выполнена в виде параллельных ребер 4, 5, 9, 10, 11, представляющих собой тонкие пластины, жестко прикрепленные, соответственно, к внутренней поверхности трубы 3 и к центральному ребру 8. Для плавного обтекания потоком концы ребер по потоку заострены. Толщина ребер выбирается такой, чтобы чрезмерно не зауживать сечение трубопровода. Целесообразно соблюдение следующего соотношения между площадью поперечного сечения ребер F_P и трубопровода F_TP: F_P/F_TP<0,15.The electrical circuit of the resonator (Fig. 6) is an oscillatory circuit with parallel-connected lumped inductance L and capacitance C. In the claimed device, the role of inductance is played by the central rod 6, and the capacitance is formed between rows of plane-parallel plates, i.e. between the ribs 4, 5 of the pipe 3 and the ribs 9, 10, 11 of the opposite group. The electrical circuit of the measuring capacitance is a capacitance formed between rows of plane-parallel plates, the distribution of the electric field between which, as you know, is very uniform. Structurally, the measuring capacitance is made in the form of parallel ribs 4, 5, 9, 10, 11, which are thin plates that are rigidly attached, respectively, to the inner surface of the pipe 3 and to the central rib 8. For smooth flowing around the stream, the ends of the ribs are pointed in the flow. The thickness of the ribs is chosen so as not to excessively narrow the section of the pipeline. It is advisable to observe the following relationship between the cross-sectional area of the ribs F _P and the pipeline F _TP : F _P / F _TP <0.15.

Таким образом, выполнение резонатора без диэлектрических частей с внутренним диаметром корпуса, равным диаметру трубопровода при отсутствии непосредственного контакта ребер центрального стрежня с трубой, позволило сосредоточить на измерительном участке все электрическое поле резонатора с распределением, близким к однородному, что увеличило диапазон перестройки датчика и, соответственно, обеспечило по сравнению с прототипом повышение чувствительности и точности измерений. Кроме того, по сравнению с прототипом уменьшились габариты датчика. Thus, the implementation of the resonator without dielectric parts with an inner diameter of the casing equal to the diameter of the pipeline in the absence of direct contact of the ribs of the central rod with the pipe made it possible to concentrate the entire electric field of the resonator with a distribution close to uniform on the measuring section, which increased the sensor tuning range and, accordingly, , in comparison with the prototype, provided an increase in the sensitivity and accuracy of measurements. In addition, compared with the prototype, the dimensions of the sensor have decreased.

Как известно, электрическая емкость между плоскопараллельными пластинами пропорциональна площади пластин и обратно пропорциональна расстоянию между пластинами. Поэтому измерительная емкость датчика увеличивается при увеличении величины перекрытия ребер l и уменьшении расстояния между ребрами σ . Однако при чрезмерном увеличении емкости датчика падает его добротность, и, следовательно, уменьшается точность измерения резонансной частоты. Кроме того, уменьшение расстояния σ связано с зауживанием проходного сечения трубопровода ребрами, что приводит к увеличению гидродинамических потерь давления, возмущению потока и в конечном счете к потере точности измерений. As is known, the electric capacitance between plane-parallel plates is proportional to the area of the plates and inversely proportional to the distance between the plates. Therefore, the measuring capacitance of the sensor increases with an increase in the overlap of the ribs l and a decrease in the distance between the ribs σ. However, with an excessive increase in the capacitance of the sensor, its Q factor decreases, and, therefore, the accuracy of measuring the resonant frequency decreases. In addition, a decrease in the distance σ is associated with narrowing of the pipe cross-section through the ribs, which leads to an increase in hydrodynamic pressure losses, flow perturbation, and ultimately to a loss in measurement accuracy.

Проведенные нами эксперименты по излучению влияния перекрытия ребер на добротность резонатора показали, что увеличение перекрытия l до 3σ соответствует уменьшению добротности примерно в 10 раз. Поскольку погрешность измерения резонансной частоты обратно пропорциональна добротности, то при этом крайнем случае погрешность измерения резонансной частоты, и, соответственно, сплошности, увеличилась в 10 раз. Our experiments on the radiation of the influence of overlapping ribs on the Q factor of the resonator showed that an increase in the overlap l to 3σ corresponds to a decrease in the Q factor by about 10 times. Since the error in measuring the resonant frequency is inversely proportional to the Q factor, in this extreme case the error in measuring the resonant frequency, and, accordingly, continuity, has increased 10 times.

Учитывая изложенное выше, оптимальное соотношение между наименьшим расстоянием σ между соседними ребрами противоположных групп и величиной перекрытия l должно удовлетворять неравенству l/3<σ . Given the above, the optimal ratio between the smallest distance σ between adjacent edges of opposite groups and the overlap l must satisfy the inequality l / 3 <σ.

Согласно п. 2 изобретения, с целью повышения точности и чувствительности измерений, резонатор может быть снабжен (см. фиг. 3) вторым центральным стержнем 12, второй перемычкой 13 и вторым центральным ребром 14. В данной конструкции произошло существенное увеличение жесткости системы измерительных емкостных зазоров из-за введения дополнительной опоры для ребер 9, 10, 11. В результате уменьшилась возможная вибрация ребер 9, 10, 11 центрального стержня и связанная с ней флуктуация (шум) резонансной частоты, что способствует повышению точности и чувствительности измерений. В данной конструкции размер перекрытия l равен длине ребер трубы 4, 5. According to p. 2 of the invention, in order to increase the accuracy and sensitivity of measurements, the resonator can be equipped (see Fig. 3) with a second central rod 12, a second jumper 13 and a second central rib 14. In this design, there was a significant increase in the rigidity of the system of measuring capacitive gaps due to the introduction of an additional support for the ribs 9, 10, 11. As a result, the possible vibration of the ribs 9, 10, 11 of the central rod and the fluctuation (noise) of the resonant frequency associated with it have been reduced, which improves the accuracy and sensitivity measurements. In this design, the overlap size l is equal to the length of the edges of the pipe 4, 5.

Согласно п. 3 изобретения, с целью расширения функциональных возможностей, ребра корпуса могут быть разделены (см. фиг. 4, 5) на несколько расположенных последовательно по потоку на одинаковом расстоянии l_T друг от друга групп ребер одинаковой длины l_i, не превышающей расстояния между ними l_T, суммарная длина которых по потоку равна размеру перекрытия l. Например, как это показано на фиг. 4, ребра корпуса разделены на три группы: 4 и 5, 12 и 13, 14 и 15. На фиг. 5 соответственно 4 и 5, 15 и 16, 17 и 18. Разделение ребер корпуса позволило создать в одном датчике несколько разнесенных на известное расстояние по потоку чувствительных емкостных элементов, образованных в зазоре межу ребрами трубы 3 (4 и 5, 12 и 13, 14 и 15 на фиг. 4, 4 и 5, 15 и 16, 17 и 18 на фиг. 5) и ребрами 9, 10, 11, и регистрирующих прохождение диэлектрических неоднородностей контролируемого потока. Как известно [4, 5] , подобная компоновка датчика позволяет измерять расход двухфазных потоков путем статистического спектрального или автокорреляционного анализа сигнала датчика.According to p. 3 of the invention, in order to expand the functionality, the edges of the casing can be divided (see Figs. 4, 5) into several groups of ribs of the same length l _i , not exceeding the distance, arranged consecutively along the stream at the same distance l _T from each other between them l _T , the total length of which along the stream is equal to the size of the overlap l. For example, as shown in FIG. 4, the ribs of the housing are divided into three groups: 4 and 5, 12 and 13, 14 and 15. In FIG. 5, respectively, 4 and 5, 15 and 16, 17 and 18. Separation of the ribs of the housing made it possible to create in one sensor several spaced-apart sensitive capacitive elements formed in the gap between the edges of the pipe 3 (4 and 5, 12 and 13, 14 and 15 in Fig. 4, 4 and 5, 15 and 16, 17 and 18 in Fig. 5) and ribs 9, 10, 11, and registering the passage of the dielectric inhomogeneities of the controlled flow. As is known [4, 5], such a configuration of the sensor allows the flow rate of two-phase flows to be measured by statistical spectral or autocorrelation analysis of the sensor signal.

Устройство работает следующим образом. Резонатор 3 возбуждается с помощью генератора 1 на резонансной частоте, величина которой зависит от диэлектрической проницаемости контролируемого потока, зависящей в свою очередь от соотношения объемов жидкой и паровой фаз в потоке, т.е. сплошности потока. Поскольку распределение электрического поля межу ребрами 4, 5 и 9, 10, 11 близко к однородному, резонансная частота не зависит от структуры двухфазного потока. Кроме того, перестройка резонансной частоты, т.е. чувствительность измерений, равна максимально возможной, поскольку резонатор не имеет диэлектрических частей. Отсчет величины резонансной частоты, являющейся мерой сплошности, производится с помощью подсоединенного к резонатору индикатора 2, например цифрового частотомера. The device operates as follows. The resonator 3 is excited using a generator 1 at a resonant frequency, the value of which depends on the dielectric constant of the controlled flow, which in turn depends on the ratio of the volumes of the liquid and vapor phases in the flow, i.e. flow continuity. Since the distribution of the electric field between the edges 4, 5 and 9, 10, 11 is close to homogeneous, the resonant frequency does not depend on the structure of the two-phase flow. In addition, the tuning of the resonant frequency, i.e. the measurement sensitivity is equal to the maximum possible, since the resonator does not have dielectric parts. The reference value of the resonant frequency, which is a measure of continuity, is carried out using an indicator 2 connected to the resonator, for example, a digital frequency meter.

Кроме того, устройство по п. 3 формулы изобретения может служить для измерения расхода потока следующим образом. Поток двухфазной среды имеет движущиеся с потоком диэлектрические неоднородности (пузырьки пара или сгустки жидкости), которые вызывают колебания резонансной частоты датчика. Благодаря тому, что датчик имеет несколько разнесенных по потоку емкостных чувствительных элементов, на кривой спектральной плотности мощности сигнала датчика имеется пик, абсцисса которого соответствует частоте, равной скорости потока, деленной на расстояние между центрами емкостных элементов. Проведя соответствующую статистическую обработку спектральной плотности мощности сигнала датчика, можно определить скорость и расход контролируемого потока. Преимуществом данного датчика является его высокая чувствительность, благодаря чему для измерения расхода требуются весьма небольшие флуктуации диэлектрической проницаемости потока. In addition, the device according to claim 3 of the claims can be used to measure flow rate as follows. The flow of a two-phase medium has dielectric inhomogeneities moving with the flow (vapor bubbles or liquid clots), which cause oscillations of the resonant frequency of the sensor. Due to the fact that the sensor has several capacitive sensing elements spaced apart from the flow, there is a peak on the spectral density curve of the sensor signal power whose abscissa corresponds to a frequency equal to the flow velocity divided by the distance between the centers of the capacitive elements. After appropriate statistical processing of the spectral power density of the sensor signal, it is possible to determine the speed and flow rate of the controlled flow. The advantage of this sensor is its high sensitivity, due to which very small fluctuations in the dielectric constant of the flow are required for measuring the flow.

Были изготовлены и испытаны на жидком азоте макеты датчиков сплошности со следующими размерами:
1. По п. 1 формулы изобретения. d=20, d_CT=3, l_CT=50, σ = 1, l=0 (концы ребер на одном уровне), δ = 0,35, число ребер трубы 7, число ребер центрального стержня 6.Models of continuity sensors with the following dimensions were made and tested on liquid nitrogen:
1. According to claim 1, the claims. d = 20, d _CT = 3, l _CT = 50, σ = 1, l = 0 (the ends of the ribs are at the same level), δ = 0.35, the number of ribs of the pipe 7, the number of ribs of the central rod 6.

Частота в парах азота составила F_П=558900 кГц, частота в жидком азоте составила F_Ж=467370 кГц. Перестройка частоты Δ F=F_П-F_Ж=91530 кГц. Эта перестройка равна максимальной теоретической перестройке для резонаторов, объем которых полностью заполнен контролируемой диэлектрической средой ( F_{ж теоретическое}= F_п/ε^1/2, , принимая ε_п = 1 и диэлектрическую проницаемость жидкого азота ε_ж = 1,43). Таким образом, отношение перестройки ΔF предложенного датчика к максимальной теоретической ΔF_т составило ΔF/ΔF_т= 1.
Для сравнения, у датчика-прототипа ΔF/ΔF_т= 0,6...0,7.
Таким образом, по сравнению с прототипом заявленное устройство позволяет повысить чувствительность и точность измерения сплошности, а также измерять расход контролируемого потока.The frequency in nitrogen vapor was F _P = 558900 kHz, the frequency in liquid nitrogen was F _W = 467370 kHz. Frequency tuning Δ F = F _P -F _W = 91530 kHz. This tuning is equal to the maximum theoretical tuning for resonators, the volume of which is completely filled with a controlled dielectric medium ( _{theoretical and theoretical} = F _n / ε ^1/2 , taking ε _n = 1 and the dielectric constant of liquid nitrogen ε _w = 1.43). Thus, the ratio of the adjustment ΔF of the proposed sensor to the maximum theoretical ΔF _t was ΔF / ΔF _t = 1.
For comparison, the prototype sensor ΔF / ΔF _t = 0.6 ... 0.7.
Thus, in comparison with the prototype of the claimed device allows to increase the sensitivity and accuracy of measuring continuity, as well as to measure the flow rate of a controlled flow.

Источники информации принятые во внимание при экспертизе
1. Авторское свидетельство СССР N 845069, МКИ G 01 N 22/00, 1978.Sources of information taken into account during the examination
1. USSR copyright certificate N 845069, MKI G 01 N 22/00, 1978.

2. Патент России N 2001391, МКИ G 01 N 22/00, 1993 (прототип). 2. Patent of Russia N 2001391, MKI G 01 N 22/00, 1993 (prototype).

3. Викроторов В. А. , Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин.- М.: Наука, 1978.-286с. 3. Vikrotorov V. A., Lunkin B. V., Sovlukov A. S. High-frequency method for measuring non-electric quantities. - M.: Nauka, 1978.-286s.

4. Lassahn G. D. Two-phase flow velocity measurement using radiation intensity correlation // Adv. Instrum.-Pittsburch, 1975.- Vol. 30, Part 3. -P. 745/1-745/3. 4. Lassahn G. D. Two-phase flow velocity measurement using radiation intensity correlation // Adv. Instrum.-Pittsburch, 1975.- Vol. 30, Part 3. -P. 745 / 1-745 / 3.

5. Заявка N 4755954/10 от 26.07.89, положительное решение от 28.06.91. 5. Application N 4755954/10 of July 26, 89, a positive decision of June 28, 91.

Claims (3)

1. Устройство для измерения сплошности потоков криопродуктов, содержащее коаксиальный СВЧ-резонатор, включающий отрезок металлической трубы, на внутренней поверхности которой выполнена первая группа ребер, и центральный металлический стержень, электрически связанный с одной стороны с металлической трубой посредством перемычки, выполненной на внутренней поверхности трубы, а с другой стороны - с второй группой ребер, смещенной относительно первой группы, причем наименьшее расстояние σ между соседними ребрами первой и второй групп связано с размером перекрытия l ребер соотношением l/3<σ, генератор и индикатор, электрически связанные с корпусом СВЧ-резонатора, отличающееся тем, что отрезок металлической трубы, внутренний диаметр которой равен диаметру трубопровода для подачи контролируемого потока, является корпусом резонатора, а вторая группа ребер посредством первого дополнительного ребра закреплена на центральном стержне, при этом резонатор внутри не имеет диэлектрических частей. 1. A device for measuring the continuity of cryogenic product flows, containing a coaxial microwave resonator, comprising a piece of metal pipe, on the inner surface of which a first group of ribs is made, and a central metal rod electrically connected on one side to the metal pipe by means of a jumper made on the inner surface of the pipe and, on the other hand, with the second group of edges displaced relative to the first group, and the smallest distance σ between adjacent edges of the first and second groups is connected but with the overlap size l of the ribs with the ratio l / 3 <σ, the generator and indicator are electrically connected to the microwave resonator body, characterized in that the length of the metal pipe, the inner diameter of which is equal to the diameter of the pipeline for supplying a controlled flow, is the resonator body, and the second a group of ribs by means of the first additional ribs is fixed on the Central rod, while the resonator inside has no dielectric parts. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительными центральным стержнем и перемычкой и вторым дополнительным ребром, образующими дополнительную опору для второй группы ребер. 2. The device according to claim 1, characterized in that it is provided with an additional central rod and a jumper and a second additional rib, forming an additional support for the second group of ribs. 3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что ребра корпуса резонатора, образующие первую группу, разделены на несколько расположенных последовательно по потоку на одинаковом расстоянии l_т друг от друга групп ребер одинаковой длины l_i, не превышающей l_т, суммарная длина которых равна размеру перекрытия l.3. The device according to claim 1 or 2, characterized in that the ribs of the resonator body forming the first group are divided into several groups of ribs of the same length l _i , not exceeding l _t , arranged successively along the stream at the same distance l _t from each other, total whose length is equal to the size of the overlap l.

Images