Устройство для измерения расхода газа на основе ротаметра

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к измерению расхода газа, в том числе природного и попутного нефтяного, добываемых на газоконденсатных и нефтяных месторождениях. Устройство для измерения расхода газа на основе ротаметра включает в себя два открытых цилиндрических резонатора, возбуждаемых на длинах волн λ<<D, где D - диаметр цилиндра, один из которых является датчиком плотности поступающего на ротаметр газа, а другой - датчиком объемного расхода газа. Открытые цилиндрические резонаторы в виде металлических цилиндров являются частью трубопровода, подающего газ на ротаметр. Открытый цилиндрический резонатор, являющийся датчиком объемного расхода газа, совмещен с ротаметром. Для возбуждения и приема колебаний используется система распределенной связи между открытым цилиндрическим резонатором и генератором, и открытым цилиндрическим резонатором и детектором для каждого из резонаторов. Технический результат - повышение точности измерения расхода газа, возможность измерения при малых расходах газа, а также возможность работы при высоких рабочих давлениях газа. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к измерению расхода газа, в том числе природного и попутного нефтяного, добываемых на газоконденсатных и нефтяных месторождениях. Оно также может быть использовано для контроля технологических процессов в топливно-энергетической и химической промышленности, в авиационной технике.

Известно устройство [1, 2] для измерения расхода, состоящее из измерительного трубопровода, в котором установлено стандартное сужающее устройство (диафрагма или сопло), блока измерения перепада давления ΔР на сужающем устройстве (СУ) и блока обработки результатов измерений.

Известны также устройства для измерения расхода газа [1, 3] с помощью вихревых расходомеров.

Этим двум группам измерительных устройств присущ тот недостаток, что в случае малых расходов, а точнее - малых перепадов давления на СУ, их точность заметным образом падает, что приводит к ограничению применения упомянутых устройств при регистрации газов, текущих с небольшими скоростями, например газов, подаваемых на факел.

Известны также устройства для измерения расхода газа, основанные на взаимодействии потока со специально введенным в него телом возмущения или обтекания (поплавок, поршень, диск, пластина, крыло).

При движении газа на тело возмущения действует сила скоростного напора

где ρ - плотность потока в рабочих условиях; υ - скорость потока; S - площадь поперечного сечения тела возмущения (площадь Миделя); С - коэффициент, зависящий от формы тела возмущения («коэффициент формы»).

Расходомеры этой группы обладают рядом важных достоинств: они просты в изготовлении, надежны в эксплуатации, имеют широкий диапазон измерений и удовлетворительные метрологические характеристики, могут работать в загрязненных газах. Широкий набор приборов этой группы выделяется в класс ротаметров [4], которые мы и примем за прототип.

Ротаметрами принято называть расходомеры, приемный преобразователь которых состоит из вертикальной конической трубы и помещенного в нее тела обтекания - поплавка. Устанавливается ротаметр вертикально, газ подается снизу. При появлении потока поплавок под действием газодинамического напора поднимается на определенную высоту h. Сила, приложенная к поплавку со стороны потока, зависит от скорости течения, которая определяется при данном расходе величиной проходной площади канала потока. Подъем поплавка приводит к увеличению зазора между ним и внутренней поверхностью трубы. При этом скорость потока снижается и сила, перемещающая его вверх, уменьшается. При постоянном расходе перемещение поплавка прекращается тогда, когда воздействие потока, даваемое формулой (1), сравнивается с весом поплавка. Таким образом, каждому постоянному значению расхода газа соответствует единственное положение равновесия поплавка на определенной высоте h его подъеме в конической трубе. Это обстоятельство и используется для измерения объемного расхода газа Q, который вычисляется по соотношению

где k - коэффициент пропорциональности.

Здесь Q - объемный расход (кг/с), вычисляемый по соотношению

где υ - скорость газа, а σ - сечение трубопровода.

Высоту h, на которую поплавок поднимается потоком, измеряют визуально, пользуясь делениями, нанесенными на внешней стороне ротаметра.

Калибровку ротаметра проводят с использованием газа с известной плотностью (ρ_c), в частности воздуха, при определенных давлении и температуре, например при стандартных условиях

t=20°С, Р=1,0332 кгс/см³; при этом ρ_с=1,2046 кг/м³.

Если при тех же условиях проводить измерения с газом другой плотности (ρ_i), то расход будет определен с погрешностью, т.к. цена деления шкалы ротаметра при этом изменится. При одном и том же делении шкалы, т.е. при одной и той же высоте h, должно выполняться условие

Объемный поток Q_i (при плотности ρ_i) Q_i=υ_iσ и объемный поток с плотностью ρ_с Q_c=υ_cσ связаны соотношением

Отсюда, с учетом (4), следует

Т.к. при проведении непрерывных измерений (например, расходов попутных нефтяных газов) внешние условия (температура, давление, а иногда и состав газа) могут заметно изменяться, значение плотности газа ρ_i не является постоянной величиной и, следовательно, регистрация расхода совершается с неконтролируемой погрешностью, что является принципиальным недостатком ротаметра.

Кроме того, недостатком ротаметра является невозможность его использования при повышенных и высоких давлениях , так как оптически прозрачный корпус изготавливается из стекла, кварца или пластмассы и не выдерживает давлений, заметно превышающих одну атмосферу.

Технический результат предлагаемого решения - повышение точности измерения расхода газа за счет измерения его текущей плотности, возможность измерения при малых расходах газа, а также возможность работы при высоких рабочих давлениях газа.

Технический результат достигается тем, что устройство для измерения расхода газа на основе ротаметра включает в себя два открытых цилиндрических резонатора, возбуждаемых на длинах волн λ<< D, где D - диаметр цилиндра, один из которых является датчиком плотности поступающего на ротаметр газа, а другой - датчиком объемного расхода газа.

Открытые цилиндрические резонаторы в виде металлических цилиндров являются частью трубопровода, подающего газ на ротаметр.

Открытый цилиндрический резонатор, являющийся датчиком объемного расхода газа, совмещен с ротаметром.

Для возбуждения и приема колебаний используется система распределенной связи между открытым цилиндрическим резонатором и генератором, и открытым цилиндрическим резонатором и детектором для каждого из резонаторов.

На фиг.1 изображена конструкция предлагаемого устройства. На нем показаны: 1 - трубопровод, по которому протекает газ; 2 - корпус первого открытого цилиндрического резонатора (ОЦР-1) - датчика плотности поступающего на ротаметр газа; 3, 4 - кольцевые выступы, организующие отражение волноводной волны на торцах ОЦР-1 и увеличивающие его добротность; 5 - волноводный вход на систему распределенного возбуждения колебаний ОЦР-1; 6 - волноводный выход от системы распределенного приема колебаний ОЦР-1; 7 - отверстия связи распределенной системы возбуждения колебаний ОЦР-1; 8 - отверстия связи распределенной системы приема колебаний ОЦР-1; 9 - корпус второго открытого цилиндрического резонатора (ОЦР-2) - датчика объемного расхода газа; 10, 11 - кольцевые выступы, организующие отражение волноводной волны на торцах ОЦР-2; 12 - волноводный вход на систему распределения возбуждения колебаний ОЦР-2; 13 - волноводный выход от системы распределенного приема колебаний ОЦР-2; 14, 15 - отверстия связи распределенной системы возбуждения и приема колебаний ОЦР-2; 16 - коническая стенка ротаметра, выполненная из материала с малым углом потерь в СВЧ/КВЧ диапазоне; 17 - поплавок ротаметра; 18 - металлическое покрытие на торце поплавка 17.

На фиг.2 приведен разрез ОЦР-1 по плоскости АА'. На ней показана система распределенного возбуждения ОЦР-1: 19 - входной волновод; 20 - кольцевой волновод; 21 - металлическая вставка; 22 - согласованная нагрузка.

Система распределенного приема колебаний ОЦР-1 выполнена аналогично.

Система распределенного возбуждения колебаний совместно с системой распределенного приема колебаний далее называется системой распределенной связи.

Система распределенной связи ОЦР-2 выполнена подобно системе распределенной связи ОЦР-1.

На фиг.3 приведена принципиальная схема измерительного устройства. На ней показано: 23 - модулятор, изменяющий частоту СВЧ/КВЧ генератора 24 по линейному закону; 25 - резонатор ОЦР-1; 26 - измеритель резонансной частоты резонатора ОЦР-1 при заполнении его газом в рабочих условиях; 27 - модулятор, изменяющий частоту СВЧ/КВЧ генератора 28 по линейному закону; 29 - резонатор ОЦР-2; 30 - измеритель резонансной частоты резонатора ОЦР-2 при перемещении поплавка 17 в ротаметре 16; 31 - вычислительный блок.

На фиг.4 показаны эпюры напряжения сигнала с детектора, установленного на выходе ОЦР-1 (сам детектор входит в измеритель резонансной частоты ОЦР-1 - 26): 32 - положение резонансного пика ОЦР-1 в отсутствие газа в трубопроводе; 33 тоже самое - при наличии газа в рабочих условиях (т.е. при рабочей температуре и рабочем давлении); 34, 35 тоже самое - при наличии газа с термобарическими параметрами, отличными от рабочих условий (34 - при повышенной температуре или пониженном давлении, 35 - при пониженной температуре или повышенном давлении).

Работа устройства происходит следующим образом.

Радиочастотные колебания СВЧ/КВЧ диапазона от генератора 24 (фиг.3), модулируемые по частоте модулятором 23, поступают на вход 5 ОЦР-1 (фиг.1 и 2) и далее через входной волновод 19 проходят в кольцевой волновод 20. Вставка 21 служит для обеспечения плавного перехода волновода 19 в волновод 20. При прохождении волноводной волны по волноводу 20 часть энергии поглощается в согласованной нагрузке 22, а часть через отверстия связи 7 проходит в экваториальную часть ОЦР-1, где возбуждает волноводную волну; тип волны - TM_mp. Эта волна, распространяясь в обоих направлениях, отражается от кольцевых выступов 3 и 4, что приводит к возникновению колебаний типа TM_mnq в объеме, образованным корпусом первого открытого цилиндрического резонатора 2 и кольцевыми торцами 3 и 4, совместно образующими открытый цилиндрический резонатор - ОЦР-1. Добротность таких колебаний может быть весьма высокой, а частотный спектр резонатора - редким, что позволяет выделить какое-нибудь одно из колебаний (например, TM_on1, где n какой-либо радиальный индекс) и далее с ним работать, т.е. проследить за его смещением по частоте [5].

Пусть в отсутствие газа частота этого колебания будет f_o (поз.32, фиг.4). При заполнении объема резонатора газом скорость распространения радиоволн в нем падает и собственные частоты его смещаются по частоте; в частности, колебание, имевшее частоту f_o теперь будет возбуждаться на более низкой частоте f₁:f_o→f₁. При этом относительное смещение частоты зависит от величины диэлектрической проницаемости газа ε

Диэлектрическая проницаемость ε определяется поляризуемостью молекул газа α и его молярной массой М, т.е., в конечном счете, плотностью газа ρ. Связь между плотностью газа и сдвигом частоты резонатора дается [7] соотношением

где

ε_o=8,854·10^-12 Ф/м - электрическая постоянная; N_A - число Авогадро.

В случае, если мы имеем дело со смесью газов (например, с природным газом, который состоит из метана с добавкой этана, пропана и др., а также азота и углекислого газа), то под М понимается молярная масса смеси: М→М_см, а под α - ее поляризуемость: α→α_см. Эти величины вычисляются из данных по компонентному составу смеси [7].

Коэффициент К может быть определен либо расчетным путем - из данных по компонентному составу, либо экспериментальным - путем проведения калибровочных измерений.

С выхода 6 резонатора ОЦР-1 колебания поступают к детектору и на измеритель резонансной частоты резонатора ОЦР-1 (оба находятся в блоке измерителя резонансной частоты резонатора ОЦР-1 26); полученное значение сдвига резонансной частоты ОЦР-1 Δf вводится в вычислительный блок 31.

Теперь рассмотрим работу канала измерителя объемного расхода или, что тоже самое, измерения высоты подъема поплавка h. Оно осуществляется с помощью резонатора ОЦР-2.

Возбуждение колебаний в ОЦР-2 происходит так же, как и в ОЦР-1. Радиочастотные колебания СВЧ/КВЧ диапазона от генератора 28 (фиг.3), модулируемые по частоте модулятором 27, поступают на вход 12 резонатора ОЦР-2 (фиг.2 и 3) и возбуждают его. (Процесс возбуждения полностью подобен описанному выше для ОЦР-1).

Пусть далее для определенности мы выбрали для работы колебания типа TM_mn1.

Резонансная частота колебаний типа TM_mn1 в цилиндрическом резонаторе в газе f_p определяется соотношением

где ε_a - абсолютная диэлектрическая проницаемость газа; a - радиус цилиндра; l - его длина, υ_mn - n-ый корень m-ой функции Бесселя J_m(x).

При этом резонансная частота этой моды f_p, согласно (10), будет определяться длиной резонатора l.

Длиной l в ОЦР-2 является продольный размер от кольцевого выступа 11 до плоской поверхности поплавка 18.

В отсутствие потока поплавок находится в крайнем нижнем положении: l=l_o. Соответственно и рабочая частота резонатора будет f_p(l_o).

При появлении потока поплавок поднимается на высоту h. При этом расстояние от кольцевого выступа до торца изменится: оно станет l₁=l_o-h. Соответственно изменится и собственная частота резонатора f_p(l_o)→f_p(l₁).

Резонансная частота f_p(l₁) резонатора ОЦР-2 29 измеряется с помощью модулятора 27, изменяющего частоту СВЧ/КВЧ генератора 28 по линейному закону, и измерителя резонансной частоты резонатора ОЦР-2 30, работа которых полностью аналогична работе описанных выше блоков канала измерения плотности: модулятора 23, изменяющего частоту СВЧ/КВЧ генератора 24 по линейному закону, и измерителя резонансной частоты резонатора ОЦР-1 26. Измеренное значение резонансной частоты f_p(l₁) вводится в вычислительное устройство 31.

В блоке 31 происходит вычисление плотности газа ρ по соотношению (8), вычисление длины l₁ по соотношению (10), определение высоты подъема поплавка h по соотношению h=l_o-l₁ и затем расхода газа Q по соотношению (2), с введением в него коррекции по соотношению (6). (При вычислении длины ОЦР-2 из данных по сдвигу его частоты учитывается дополнительный сдвиг, обязанный наличию в объеме ОЦР-2 газа при рабочем давлении). Если, например, плотность газа возросла (из-за возрастания давления при неизменной температуре, или при понижении температуры при неизменном давлении, или из-за соответствующего изменения обоих параметров), то положение пика 33 на оси частот сместится - оно сдвинется влево на величину +δf и станет соответствовать пику 35 (см. фиг.4). При этом новому, возросшему значению резонансной частоты резонатора ОЦР-1 f₁+δf будет соответствовать новое, возросшее значение величины плотности ρ₁+δρ. Это новое значение плотности ρ₁+δρ вносится в формулу (6) и корректирует величину определяемого ротаметром расхода.

Если плотность газа наоборот снизилась, то пик 33 сместится вправо, т.е. f₁→f₁-δf₁, что будет соответствовать новому значению плотности ρ₁-δρ.

Таким образом, при непрерывном измерении величины расхода газа с помощью ротаметра, дополненного устройством непрерывного измерения плотности на основе открытого цилиндрического резонатора, удается повысить метрологические характеристики измерителя расхода в рабочих условиях нефтегазовых предприятий, где колебания давления, температуры газа и объемного расхода газа нередко имеют случайный и непредсказуемый характер.

Устройство для измерения расхода газа на основе ротаметра было проверено в лабораторных условиях с использованием открытых цилиндрических резонаторов, работающих на частотах 32-36 ГГц (λ≅8 мм), и показало, что погрешности ротаметра, связанные с неконтролируемыми вариациями плотности потока и его скорости, практически устраняются.

Список литературы

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

2. Плотников В.М., Подрешетников В.А., Тетеревятников Л.Н. Приборы и средства учета природного газа и конденсата. Л.: Недра, 1986, 238 с.

3. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества веществ. Справочник. Кн.2 под ред. Е.А.Шорникова. - 5 изд. СПб.: Политехника, 2004, 412 с.

4. Болдин А.А., Бошняк Л.Л., Соловский В.М. Ротаметры. П. Машиностроение, 1983, 200 с.

5. Москалев И.Н., Стефановский A.M. Диагностика плазмы с помощью открытых цилиндрических резонаторов. М.: Энергоатомиздат, 1985, 146 с.

6. А.А.Брандт. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. М.: ГИФМЛ, 1963, 404 с.

7. Вышиваный И.Г., Костюков В.Е., Москалев И.Н., Кузнецов С.А., Смирнов В.В. Плотнометрия попутных нефтяных и природных газов на основе измерения их диэлектрической проницаемости: анализ проблемы. Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. №10, 2008, с.8-12.

1. Устройство для измерения расхода газа на основе ротаметра, отличающееся тем, что включает в себя два открытых цилиндрических резонатора возбуждаемых на длинах волн λ<<D, где D - диаметр цилиндра, один из которых является датчиком плотности поступающего на ротаметр газа, а другой - датчиком объемного расхода газа.

2. Устройство для измерения расхода газа по п.1, отличающееся тем, что открытые цилиндрические резонаторы в виде металлических цилиндров являются частью трубопровода, подающего газ на ротаметр.

3. Устройство для измерения расхода газа по п.1, отличающееся тем, что открытый цилиндрический резонатор, являющийся датчиком объемного расхода газа, совмещен с ротаметром.

4. Устройство для измерения расхода газа по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что для возбуждения и приема колебаний используется система распределенной связи между открытым цилиндрическим резонатором и генератором, и открытым цилиндрическим резонатором и детектором для каждого из резонаторов.