Устройство для измерения расхода газа на основе ротаметра



Устройство для измерения расхода газа на основе ротаметра
Устройство для измерения расхода газа на основе ротаметра
Устройство для измерения расхода газа на основе ротаметра
Устройство для измерения расхода газа на основе ротаметра
Устройство для измерения расхода газа на основе ротаметра

 


Владельцы патента RU 2436049:

Федеральное государственное унитарное предприятие Федеральный научно-производственный центр "Научно-исследовательский институт измерительных систем им. Ю.Е. Седакова" (RU)

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 (ρc), в частности воздуха, при определенных давлении и температуре, например при стандартных условиях

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

Если при тех же условиях проводить измерения с газом другой плотности (ρi), 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 Qi (при плотности ρi) Qiiσ и объемный поток с плотностью ρс Qccσ 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 ρi 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 - TMmp. Эта волна, распространяясь в обоих направлениях, отражается от кольцевых выступов 3 и 4, что приводит к возникновению колебаний типа TMmnq 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, TMon1, 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 fo (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 fo теперь будет возбуждаться на более низкой частоте f1:fo→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

εo=8,854·10-12 Ф/м - электрическая постоянная; NA - 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→Мсм, а под α - ее поляризуемость: α→αсм. 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 TMmn1.

Резонансная частота колебаний типа TMmn1 в цилиндрическом резонаторе в газе fp определяется соотношением

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

При этом резонансная частота этой моды fp, 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=lo. Соответственно и рабочая частота резонатора будет fp(lo).

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

Резонансная частота fp(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 fp(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=lo-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.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к ультразвуковым датчикам потока, используемым в хирургических системах. .

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах управления технологическими процессами. .

Изобретение относится к области высокоточных методов измерения расхода прокачиваемых через трубопроводы жидкостей или газов. .

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для определения величин расходов многофазного потока, например для измерения дебита нефтяных скважин.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к ультразвуковым способам измерения расхода жидких и/или газообразных сред и устройствам для его осуществления.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах управления технологическими процессами. .

Изобретение относится к измерительной технике по ультразвуковым (у.з.) расходомерам, а именно к способам и устройствам измерения расхода объема и массы жидких и газовых сред в напорных трубопроводах круглого сечения.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к ультразвуковым способам измерения расхода жидких и газообразных сред, и может быть использовано, например, в нефтяной и газовой промышленности

Изобретение относится к ультразвуковым расходомерам

Изобретение относится к измерительным приборам, конкретнее к расходомерам

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

Изобретение относится к измерительной системе для определения и/или контроля расхода измеряемой среды через измерительную трубу, содержащей, по меньшей мере, один ультразвуковой преобразователь и, по меньшей мере, один блок регулирования/оценки, который с помощью измерительных сигналов или измеренных данных, выведенных из измерительных сигналов, определяет объемный и/или массовый поток протекающей в измерительной трубе измеряемой среды, причем ультразвуковой преобразователь содержит, по меньшей мере, один электромеханический преобразовательный элемент, передающий и/или принимающий ультразвуковые сигналы, а также, по меньшей мере, один связующий слой в зоне между электромеханическим преобразовательным элементом и измеряемой средой, направляющий ультразвуковые сигналы

Изобретение относится к области измерения объема или массы жидкостей или газов путем пропускания их через измерительные устройства непрерывным потоком и измерением частоты фазового сдвига, времени распространения электромагнитных или других волн и может найти применение для измерения расхода жидкости или газа в напорных трубопроводах

Изобретение относится к способу определения и/или контроля расхода измеряемой среды через измерительную трубу с одним первым и, по меньшей мере, одним вторым ультразвуковыми датчиками, из которых первый ультразвуковой датчик содержит, по меньшей мере, один электромеханический ультразвуковой преобразовательный элемент и размещен на первом участке измерительной трубы, а второй ультразвуковой датчик содержит, по меньшей мере, два электромеханических ультразвуковых преобразовательных элемента и размещен на втором участке измерительной трубы так, что переданные первым ультразвуковым датчиком через измеряемую среду ультразвуковые сигналы принимаются вторым ультразвуковым датчиком, а переданные вторым ультразвуковым датчиком через измеряемую среду ультразвуковые сигналы принимаются первым ультразвуковым датчиком, и, по меньшей мере, с одним блоком регулирования/оценки, который с помощью ультразвуковых измерительных сигналов или измеренных данных, выведенных из ультразвуковых измерительных сигналов, определяет объемный и/или массовый поток протекающей в измерительной трубе измеряемой среды методом разности времени прохождения, а также к измерительной системе
Наверх