Устройство для измерения расхода газа

Изобретение может быть использовано для измерения расхода газа, добываемого на газоконденсатных месторождениях и содержащего жидкую углеводородную фазу в капельном или парообразном состоянии. Устройство включает в себя цилиндрический СВЧ-резонатор (1), связанный с генератором и детектором, и ротаметр (7, 8). Резонатор заполнен диэлектриком (2) с малыми потерями на рабочей частоте. В диэлектрике выполнена коническая полость ротаметра. В полости размещен поплавок (8) ротаметра, выполненный из диэлектрического материала с малыми потерями. В верхней части СВЧ-резонатора расположена кольцевая диэлектрическая пластина (3) из материала с диэлектрической проницаемостью существенно более высокой, чем диэлектрическая проницаемость диэлектрика (2). При работе в резонаторе возбуждаются ТЕ011 типы колебаний. Изобретение повышает точность измерения при больших рабочих давлениях в широком диапазоне расходов газа, обеспечивает возможность непрерывного и автоматического проведения процесса измерения. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к измерению расхода природного газа, в частности, добываемого на газоконденсатных месторождениях и содержащего жидкую углеводородную фазу в капельном или парообразном состоянии. Оно также может быть использовано в энергетике, авиационной технике, химических и криогенных технологиях, экологии и других областях промышленности, имеющих дело с газами, содержащими аэрозоли в капельно-жидком и твердом виде (например, дым заводских труб).

Известно устройство измерения расхода, состоящее из измерительного трубопровода, в котором установлено стандартное сужающее устройство, представляющее собой диафрагму или сопло, блока измерения перепада давления на входе и выходе сужающего устройства (СУ) и блока обработки результатов измерений [1], [2].

Недостатком устройства является необходимость смены диафрагм с разными диаметрами для обеспечения полного диапазона измерений расхода газа. Кроме того, СУ предназначены для измерения сухого и чистого газа, и если перед диафрагмой начинает скапливаться жидкость, это влечет за собой изменение формы потока над диафрагмой, что приводит к появлению неконтролируемой погрешности [2].

Известны также устройства для измерения расхода газа с помощью вихревых расходомеров. Общим недостатком этих расходомеров (как и расходомеров на основе СУ) является их низкая точность при измерении малых расходов, приводящая к ограничению их применения в случае работы с газами, текущими с небольшими скоростями (например, газы, подаваемые на факел). Недостатком вихревых расходомеров является также необходимость их поверки [1].

Известно устройство измерения расхода газа, основанное на взаимодействии потока со специально введенным в поток телом возмущения (обтекания). При движении газа на тело возмущения действует сила скоростного напора

где ρ - плотность потока в рабочих условиях;

ν - скорость потока;

S - поперечное сечение тела возмущения;

С - коэффициент лобового сопротивления, зависящий от формы тела возмущения.

При увеличении скорости потока эта сила возрастает, что приводит к смещению положения тела возмущения, которое в первом приближении пропорционально расходу газа.

Устройство измерения расхода газожидкостного потока, выбранное за прототип, получило название ротаметр [3]. Устройство представляет собой установленную вертикально трубу с небольшой конусностью (слегка расширяющейся кверху).

Входное отверстие расположено внизу и в отсутствие потока закрыто телом возмущения («поплавком»), выполненным, как правило, в виде шара. Выходное отверстие располагается вверху. При прохождении газа поплавок смещается вверх; высота подъема поплавка h в первом приближении пропорциональна объемному расходу:Qоб=kh, где k - коэффициент пропорциональности.

Недостатком устройства являются: необходимость иметь прозрачный (стеклянный, кварцевый, плексигласовый) корпус ротаметра, что не позволяет работать при больших рабочих давлениях газа; трудность автоматизации процесса измерения, т.к. определение смещения поплавка производится визуально.

Техническим результатом предложенного изобретения является возможность измерения расхода газа с большей точностью при больших рабочих давлениях газа; возможность непрерывного и автоматического проведения процесса измерения.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения расхода газа, включающем в себя цилиндрический СВЧ-резонатор и ротаметр, резонатор заполнен диэлектриком с малыми потерями на рабочей частоте, а ротаметр выполнен в виде конической полости в этом диэлектрике, расположенной вдоль оси резонатора. В верхней части резонатора расположена кольцевая диэлектрическая пластина из материала с диэлектрической проницаемостью, существенно более высокой, чем диэлектрическая проницаемость диэлектрика, заполняющего резонатор. В резонаторе используются TE011 типы колебаний.

На фиг.1 изображена конструкция предлагаемого устройства. На ней показаны: 1 - металлический силовой корпус цилиндрического СВЧ-резонатора, способный выдерживать рабочие давления газа в трубопроводе, 2 - твердый диэлектрик с диэлектрической проницаемостью ε1 и малыми потерями (tgδ1≤10-3), 3 - кольцевая диэлектрическая пластина из материала с диэлектрической проницаемостью ε22>>ε1) и малыми потерями (tgδ2≤10-3), 4 - элемент связи резонатора с генератором, 5 - элемент связи резонатора с детектором, 6 - проходные изоляторы, 7 - коническая стенка отверстия в диэлектрике 2, образующая полость ротаметра (коническая стенка ротаметра), 8 - «поплавок» ротаметра (поз. «0» при отсутствии потока, поз «1» при его наличии), 9 - рабочий трубопровод, 10, 11 - переходники от резонатора к рабочему трубопроводу, 12 - присоединительные фланцы, 13 - уплотнения.

На фиг.2 изображено распределение основного компонента электрического поля Еφ по высоте резонатора при возбуждении колебания ТЕ011. Кривая 14 показывает зависимость Eφ(h) для случая, когда диэлектрическая пластина 3 отсутствует (d=0). Кривая 15 относится к случаю, когда специальным образом подобранная пластина с проницаемостью ε2 и толщиной d размещена на верхнем торце резонатора.

На фиг.3 показаны амплитудно-частотные характеристики резонатора - сплошная линия 16 относится к случаю, когда поплавок занимает нижнее положение "0" (скорость газа равна 0), пунктирная линия 17 - когда поплавок занимает положение "1" (идет некоторый поток, расход газа Q1).

На фиг.4 показано смещение частоты резонатора в зависимости от положения поплавка, играющего роль тела возмущения в резонаторе: ω=ω(h). За точку отсчета h=0 принят нижний торец резонатора.

На фиг.5 показана выходная характеристика СВЧ-ротаметра - зависимость регистрируемого объемного расхода Q (при определенной плотности потока) от частотного смещения резонатора

,

определяемого местоположением поплавка по координате h.

Работа устройства происходит следующим образом.

Радиочастотные колебания СВЧ-диапазона от генератора (на фиг.1 не показан) поступают на элемент связи 4 и возбуждают в резонаторе 1, тип колебания ТЕ011. Распределение основного компонента электрического поля Еφ по высоте резонатора приведено на фиг.2. В отсутствие потока (поплавок 8 на фиг.1 в положении "0") резонансная частота резонатора равна ω. При появлении потока на поплавок 8 будет действовать скоростной напор. При этом поплавок поднимается до некоторой высоты h1 (положение "1", фиг.1), такой, чтобы пропустить поток в кольцевой зазор между поплавком и конически расходящейся стенкой ротаметра 7. Сумма сил, действующая на поплавок в положении 1, становится равной нулю: вес поплавка mg уравновешивается силой скоростного напора F, вычисляемой по (1):

Высота h, на которую поднялся поплавок, и величина объемного расхода Q связаны зависимостью

где k коэффициент, устанавливаемый при калибровке.

Поясним смысл установки в резонатор пластины 3. В отсутствие пластины 3 поле в резонаторе имеет вид полуволны синусоиды (фиг.2, кривая 14). При этом при попадании поплавка в области, симметрично стоящие от экваториальной плоскости резонатора, реакция резонатора будет одинаковой, т.к. в этих областях поле имеет одну и ту же напряженность. Это приводит к неоднозначности показаний и к сокращению динамического диапазона величин регистрируемых расходов. При введении пластины 3 в резонатор она искажает поле так, как это показано на фиг.2 (кривая 15), и диапазон регистрируемых расходов возрастает почти вдвое. Одновременно устраняется неоднозначность регистрируемых показаний.

Введение в объем резонатора 1 поплавка возмущает резонатор, это выражается в смещении его собственной частоты ω00→ω1) и изменении добротности. Поскольку поплавок выполнен из диэлектрического материала с малыми потерями, то добротность резонатора не изменяется, и возмущение сводится только к изменению собственной частоты. На фиг.3 показана амплитудно-частотная характеристика резонатора А(ω) в случаях, когда поток отсутствует (поплавок находится в положении "0") и при наличии потока (поплавок находится в положении "1"). Амплитудно-частотная характеристика может быть получена [4] путем регистрации частотно-модулированного сигнала СВЧ генератора при пилообразной форме модулирующего напряжения (на фиг.1 не показаны).

Сдвиг частоты резонатора при введении тела возмущения может быть найден из теории малых возмущений [5]: он определяется размером поплавка, его диэлектрической проницаемостью (ε3) и величиной электрического поля резонатора в месте размещения поплавка. При заданных размерах поплавка при работе на типе колебания ТЕ011 сдвиг частоты качественно повторяет вид функции Е2φ(h). На фиг.4 показана функция ω(h), по которой можно определить сдвиг частоты Δω110 при перемещении поплавка из положения "0" в какое-либо положение "1" (см. фиг.1).

Таким образом, относительный сдвиг частоты резонатора однозначно связан с положением поплавка в объеме резонатора - с его координатой h1, которая в свою очередь связана с расходом Q (фиг.5).

Отсюда, по изменению величины частотного смещения однозначно определяют объемный (при неизменной плотности потока ρ) расход:

Множитель G определяется в результате предварительной калибровки СВЧ-ротаметра по какому-либо эталонному средству поверки. Он может являться функцией смещения h (G=G(h)) т.е. зависимость Q0(h) будет нелинейной (фиг.5). Однако при необходимости подбором профиля трубки ротаметра, толщины корректирующей пластины 3 и ее диэлектрической постоянной ε2, а также формы поплавка можно сделать шкалу ротаметра линейной или близкой к ней.

При проведении калибровки необходимо знание плотности газа (при условиях калибровки) - ρк. Если при тех же условиях проводятся измерения с газом другой плотности (ρi), цена деления шкалы изменится.

Так как при одном и том же делении шкалы (при постоянном h) должно выполняться условие

имеем

Поскольку объемный поток определяется скоростью газа Q=ν·S, то

откуда

Таким образом, при непрерывном измерении величины объемного расхода неизвестного потока необходимо проводить постоянное измерение его плотности.

СВЧ-устройство для определения расхода газа было проверено в лабораторных условиях как на чистых, так и на запыленных газах и газах, содержащих капельно-жидкий аэрозоль, и показало высокие метрологические характеристики.

Литература

[1] - Плотников В.М., Подрешетников В.А., Тетеревятников Л.Н. Приборы и средства учета природного газа и конденсата. Л.: Недра, 1989, 238 с.

[2] - Правила измерения расхода газов и жидкостей стандартными сужающими устройствами РД-50-213-80. М.: Изд. Стандартов, 1982, 320 с.

[3] - Кремлевский П.П. Измерение расхода многофазных потоков. Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1982, 105 с.

[4] - Москалев И.Н. Стефановский A.M. Диагностика плазмы с помощью открытых цилиндрических резонаторов, М.: Энергоатомиздат, 1985, 145 с.

[5] - Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. М.: ГИФМЛ, 1963, 404 с.

1. Устройство для измерения расхода газа, включающее в себя цилиндрический СВЧ-резонатор и ротаметр, отличающееся тем, что резонатор заполнен диэлектриком с малыми потерями на рабочей частоте, а ротаметр выполнен в виде конической полости в этом диэлектрике, расположенной вдоль оси резонатора.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в верхней части резонатора расположена кольцевая диэлектрическая пластина из материала с диэлектрической проницаемостью, существенно более высокой, чем диэлектрическая проницаемость диэлектрика, заполняющего резонатор.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в резонаторе используются ТЕ011 типы колебаний.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано на продуктивных газоконденсатных скважинах, на установках подготовки газа к транспорту, установках первичной переработки газа для определения расхода газа, расхода жидкости, доли воды и доли конденсата в жидкости без разделения продукта добычи на газообразную и жидкую фазы.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения уровня жидкости или ее расхода в открытых искусственных каналах типа желобов, лотков произвольного профиля.

Изобретение относится к устройствам для измерения расхода и может быть использовано, в частности, для измерения расхода жидкости или газа. .

Изобретение относится к устройствам для измерения расхода и может быть использовано, в частности, для измерения расхода жидкости или газа. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено для измерения параметров многокомпонентных сред в трубопроводах в нефтяной, газовой, химической, пищевой и других отраслях промышленности.

Изобретение относится к системе очистки воды, которая, как правило, имеет форму накопительного фильтра. .

Изобретение относится к сельскому хозяйству, а именно к средствам бесконтактного измерения расхода молока на автоматизированных доильных установках. .

Ротаметр // 2290608
Изобретение относится к области измерительной техники. .

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в бытовом секторе для измерения объемного расхода газа. .

Ротаметр // 2265806

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для построения измерительных схем поплавковых ротаметрических преобразователей расхода жидких и газообразных сред с емкостным дифференциальным преобразователем перемещения поплавка.

Изобретение относится к области средств автоматической сигнализации. .

Изобретение относится к измерительной технике. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения расхода жидких и газообразных сред и, в частности, для измерения расхода природного газа.

Ротаметр // 2200935

Ротаметр // 2137093

Настоящая заявка относится к датчику расхода текучей среды и более конкретно относится к датчику расхода, пригодному для использования с текучими средами переменной вязкости. Заявленная группа изобретений содержит датчик расхода для определения расхода текучей среды, протекающей через него, а также способ определения расхода текучей среды, протекающей по линейному проточному каналу. Датчик расхода может содержать камеру для текучей среды, протекающей через нее, подвижный магнит, размещенный в камере, неподвижный магнит, размещенный вокруг камеры, и по меньшей мере один датчик, размещенный вокруг камеры, для определения положения подвижного магнита в камере. Способ определения расхода текучей среды, протекающей по линейному проточному каналу, согласно которому размещают в линейном проточном канале первый магнит, размещают вокруг линейного проточного канала постоянный второй магнит, пропускают через линейный проточный канал текучую среду, определяют магнитное поле вокруг первого магнита и определяют расход текучей среды на основе определенного магнитного поля. Технический результат, достигаемый от реализации заявленной группы изобретений, заключается в улучшенном датчике расхода для применения в заявленном способе определения расхода текучей среды, который может быть приспособлен для широкого диапазона вязкостей. При этом датчик расхода является надежным, обеспечивает соответствующую обратную связь и простой в очистке. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к измерению расхода природного газа, в частности, добываемого на газоконденсатных месторождениях и содержащего жидкую углеводородную фазу в капельном или парообразном состоянии

Наверх