Способ и устройство для измерения давления внутри трубопроводов


 


Владельцы патента RU 2470274:

Государственное учреждение "Арктический и Антарктический научно-исследовательский Институт" (ГУ "ААНИИ") (RU)

Изобретение относится к акустической диагностике и может быть использовано в магистральных нефтегазопроводах. Давление перекачиваемого по трубопроводу продукта измеряют методом спектрального анализа технологических вибраций трубы с помощью информационно-измерительной системы, включающей в себя датчики вибраций, связанные кабельными линиями с системным компьютером диспетчерского пункта. Способ измерения давления внутри трубопровода заключается в определении частоты собственных резонансов трубы с последующим расчетом давления по формуле, устанавливающей функциональную связь частоты с давлением. Для реализации указанного выше способа также предложено устройство, содержащее датчики вибраций с буферными усилителя, установленные на поверхности трубопровода, мультиплексор, фильтр и АЦП. На выходе АЦП установлен спектроанализатор с алгоритмом быстрого преобразования Фурье. Технический результат: повышение функциональных возможностей устройства. 2 н.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к акустической диагностике для использования в стационарных системах мониторинга магистральных нефтегазопроводов.

Известны устройства для контроля плотности или давления жидкости, содержащие генератор акустических колебаний, формирователь плоской акустической волны и измеритель звукового давления, которые дополнены пневматической емкостью и устройством перемещения чувствительного элемента. О плотности или давлении контролируемой среды судят по расстоянию от генератора акустических колебаний до поверхности чувствительного элемента, на котором происходит ступенчатое изменение фазы стоячей волны [1].

Недостатком данного способа и устройства является использование стоячей звуковой волны, что исключает возможность его использования внутри трубопровода с быстро движущимся потоком нефтепродукта.

Известны также способы и устройства для измерения плотности или давления нефтепродуктов, основанные на измерении частоты резонансных колебаний чувствительных элементов типа погруженного в среду камертона [2]. Эти способы предполагают наличие резонатора, датчиков колебаний резонатора и генератора, возбуждающего колебания. Резонансный чувствительный элемент взаимодействует со средой, в которой измеряют плотность или давление, в результате взаимодействия со средой изменяется его резонансная частота. Функциональная зависимость между частотой резонанса и давлением предполагается известной, что позволяет вычислять давление по измеренной частоте. Недостатком такого способа и устройства является возможность налипания на стенках резонатора твердой фазы нефтепродукта, что нарушает его работоспособность.

Наиболее близким по технической сущности и совокупности признаков к заявленному является способ и устройство для бесконтактного измерения давления в сосуде [3]. Способ заключается в том, что внутри емкости размещают резонансный чувствительный элемент из магнитопроводящего материала, выполненный в виде пластины, жестко соединенной с вибрирующим по длине стержнем, и возбуждают в нем акустические продольные колебания с помощью электромагнитного источника возбуждения в форме соленоида. Давление внутри сосуда измеряют по резонансной частоте колебаний чувствительного элемента. Для подключения выводов обмотки соленоида к электронной измерительной схеме в стенке сосуда устанавливают герметичный токоввод с проходным изолятором. Недостатком этого способа и технической реализации, с точки зрения поставленной задачи, является размещение чувствительного элемента внутри трубопровода в быстро движущемся потоке нефтепродукта. В магистральных трубопроводах размещение каких-либо устройств внутри трубы не допускается, так как эти устройства создают препятствие потоку продукта и способствуют отложению твердой фазы на стенках трубы. Другим недостатком конструкции прототипа является наличие сквозных отверстий в трубе под выводы соленоида, что существенно усложняет технологию производства и снижает эксплуатационную надежность трубопровода.

Задачей настоящего изобретения является создание способа и устройства, позволяющего измерять давление среды внутри трубопровода, свободного от указанных недостатков аналогов и прототипа.

Указанная цель достигается предлагаемым способом измерения давления внутри трубопровода и устройством, реализующим этот способ.

1. Способ измерения давления в магистральных нефтегазопроводах, использующий естественный шум перекачиваемого продукта, заключается в том, что на наружной поверхности трубопровода устанавливают датчики вибраций и с их помощью регистрируют в компьютере спектр шумового сигнала, содержащий спектральные составляющие вибраций собственных резонансных частот трубопровода, при этом давление рассчитывают по формуле, устанавливающей функциональную зависимость между давлением и частотой резонансных гармоник.

2. Устройство для измерения давления в магистральных нефтегазопроводах по п.1, содержащее датчики вибраций с буферными усилителями, установленные на поверхности трубопровода на фиксированных расстояниях порядка нескольких километров и подключенные к системному компьютеру линиями связи через мультиплексор, полосовой фильтр и аналого-цифровой преобразователь (АЦП), характеризуется тем, что на выходе АЦП установлен микропроцессорный спектроанализатор высокого разрешения с алгоритмом быстрого преобразования Фурье, выделяющим собственные резонансные частоты трубопровода, по которым системным компьютером вычисляется давление в каждом сечении трубопровода.

Преимущество предлагаемого способа измерения давления, позволяющего устранить недостатки аналогов и прототипа, заключается в отсутствии сквозных отверстий в стенке трубы и каких-либо устройств внутри трубы, что повышает эксплуатационную надежность и увеличивает срок службы измерительного устройства.

Устройство для реализации данного способа измерения давления в определенных сечениях трубопровода имеет преимущество над аналогами и прототипом в простоте конструкции, экономичности электропитания и минимальном наборе технических средств для решения поставленной задачи.

Простота конструкции достигается тем, что в каждом сечении трубопровода, в котором требуется измерять давление продукта, устанавливается минимальный набор технических средств, включающих только датчик вибраций с буферным усилителем. Используются преимущественно датчики пьезокерамического типа, не требующие электропитания. Буферный усилитель в микросхемном исполнении, необходимый для согласования датчика с линией связи, имеет очень малое энергопотребление. Остальные устройства, входящие в состав измерительной схемы: полосовой фильтр, АЦП, микропроцессорный анализатор спектра шумового сигнала, подключаются линиями связи через мультиплексор к системному компьютеру и находятся на стороне системного компьютера в одном экземпляре, поскольку являются общими для всей цепочки первичных датчиков, установленных вдоль трассы газопровода.

Необходимая точность измерения давления, порядка 1% от диапазона измерения 25 МПа, обеспечивается строгой и однозначной зависимостью частоты собственных резонансных гармоник трубы от давления. Зависимость частоты резонансных гармоник от температуры учитывается введением поправок в результат измерения давления. Температура трубы измеряется отдельными датчиками.

Работа устройства для измерения давления внутри трубопровода происходит следующим образом. Шум потока перекачиваемого продукта создает вибрации стенки трубы в полосе частот от 0,05 до 10 кГц с относительно равномерным спектром. В этом спектре выделяются по амплитуде отдельные составляющие, обусловленные собственными резонансными гармониками трубы. Частота гармоник зависит от напряженного состояния стенки трубы, обусловленного внутренним давлением. Эффект зависимости резонансной частоты от механического напряжения эквивалентен возбуждению натянутой струны, у которой частота собственных колебаний возрастает при увеличении натяжения. Датчики вибраций воспринимают колебания трубы и передают их в линию связи через согласующий буферный усилитель. Из полного спектра шумов фильтром выделяется полоса, в которой расположены собственные резонансные частоты трубы. Зависимость частоты резонансных гармоник трубопровода от давления может быть описана эмпирической формулой, например, в виде степенного полинома второй степени.

Резонансные частоты трубопровода при диаметре стальной трубы порядка 1 м находятся в диапазоне от 0,3 до 2 кГц. После фильтрации шумовой сигнал вместе с резонансными гармониками преобразуется в цифровую форму с помощью АЦП. С выхода АЦП сигнал поступает на вход микропроцессорного анализатора спектра с высоким разрешением на уровне 0,1 Гц. С помощью алгоритма быстрого преобразования Фурье анализатор спектра выделяет резонансные гармоники колебаний трубопровода с наибольшей амплитудой и измеряет точное значение их частоты. Данные из анализатора спектра поступают в системный компьютер, в котором производится расчет внутреннего давления, например, согласно формуле степенного полинома второй степени:

P=α·Δf+bΔf2+cf0(20-T),

где Р - измеряемое давление;

а, b, с - градуировочные коэффициенты;

Δf - приращение частоты резонансной гармоники;

f0 - номинальное значение частоты;

Т - температура стенки трубы.

В этой формуле коэффициенты а и b характеризуют крутизну зависимости частоты резонансов от давления, а коэффициент с - зависимость частоты от температуры. Требования высокого разрешения спектрального анализа по частоте обусловлены относительно малым приращением частоты резонансов в полном диапазоне давлений - порядка 30÷70 Гц при номинальном значении 1600 Гц.

Лабораторно-стендовые испытания опытного образца устройства подтвердили его работоспособность, надежность функционирования в полном диапазоне влияющих внешних условий и ожидаемую точность измерений давления на уровне 1% от диапазона.

Источники информации

1. RU 2045029, 27.09.1995 "Устройство для измерения плотности жидкости".

2. RU 2124714, 10.01.1999 "Устройство для измерения плотности жидкости".

3. RU 2273007, 27/03/2010 "Устройство для бесконтактного измерения давления в сосуде" (прототип).

1. Способ измерения давления в магистральных нефтегазопроводах, использующий естественный шум перекачиваемого продукта, заключается в том, что на наружной поверхности трубопровода устанавливают датчики вибраций и с их помощью регистрируют в компьютере спектр шумового сигнала, содержащий спектральные составляющие вибраций собственных резонансных частот трубопровода, при этом давление рассчитывают по формуле, устанавливающей функциональную зависимость между давлением и частотой резонансных гармоник.

2. Устройство для измерения давления в магистральных нефтегазопроводах по п.1, содержащее датчики вибраций с буферными усилителями, установленные на поверхности трубопровода на фиксированных расстояниях порядка нескольких километров и подключенные к системному компьютеру линиями связи через мультиплексор, полосовой фильтр и аналого-цифровой преобразователь (АЦП), характеризуется тем, что на выходе АЦП установлен микропроцессорный спектроанализатор высокого разрешения с алгоритмом быстрого преобразования Фурье, выделяющим собственные резонансные частоты трубопровода, по которым системным компьютером вычисляется давление в каждом сечении трубопровода.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к устройствам для измерения давления. .

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для измерения давления. .

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к преобразователям давлений, и может быть использовано в разработке и изготовлении малогабаритных полупроводниковых датчиков давлений.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к волоконно-оптическим датчикам давления (ВОДД), и может быть использовано в различных измерительных системах для контроля давления.

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано в системах дистанционного сбора информации о давлении в различных отраслях промышленности. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления контролируемой среды - жидкости, суспензии, газа. .

Изобретение относится к области контроля ядерных реакторов, а именно к способам контроля давления газа в тепловыделяющем элементе (ТВЭЛ) реактора. .

Изобретение относится к области контроля ядерных реакторов, а именно к устройствам контроля давления газа в тепловыделяющем элементе (ТВЭЛе) реактора. .

Изобретение относится к пищевой промышленности, а именно представляет собой прибор для одновременного мониторинга нескольких физико-химических параметров молока в процессе его свертывания, например температуры, вязкости, активной кислотности, активности ионов кальция (или других ионов в зависимости от выбора ион-селективных электродов).

Изобретение относится к оптоволоконным технологиям

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано при конструировании и в процессе сборки волоконно-оптических датчиков давления на основе оптического туннельного эффекта

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления контролируемой среды. Вибрационный датчик избыточного давления состоит из герметично перекрываемого корпуса, чувствительного элемента, датчика возбуждения колебаний, датчика съема колебаний, усилителя, преобразователя и регистратора. Чувствительный элемент расположен внутри корпуса и принимает давление измеряемой среды. Чувствительный элемент выполнен в виде первичного преобразователя, состоящего из двух соосных труб разного диаметра, соединенных верхними основаниями друг с другом и нижними основаниями друг с другом посредством верхних и нижних фигурных патрубков соответственно. Нижние фигурные патрубки прикреплены к корпусу через вентильный блок. Внутренняя труба первичного преобразователя выполнена с отверстиями. Во внешнюю трубу первичного преобразователя вкручены датчик съема колебаний и датчик возбуждения колебаний, сдвинутые относительно друг друга на 90 градусов. Усилитель соединен входом с датчиком съема колебаний, а выходом с датчиком возбуждения колебаний и преобразователем. Выход преобразователя подключен к регистратору, отображающему величину избыточного давления измеряемой среды. Техническим результатом изобретения является повышение точности, увеличение диапазона и надежности измерения. 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления жидкости и газов. Резонансный сенсор давления содержит измерительную мембрану с возбуждающим электродом и резонансной полостью, к краям которой с двух сторон жестко закреплен резонансный элемент в форме балки с прямоугольным сечением, в теле которого сформированы тензорезисторы, при этом размер сечения балки в ортогональном направлении к плоскости колебаний постоянен, а в направлении колебаний возрастает по линейному закону, достигая максимального значения по середине балки, причем отношение максимального размера сечения к минимальному в указанном направлении лежит в интервале от 1 до 6. Техническим эффектом является уменьшение нелинейности преобразовательной характеристики резонансного сенсора давления. 4 ил.

Группа изобретений относятся к исследованиям скважин и может быть использована для мониторинга внутрискважинных параметров. Техническим результатом является оптимизация, автоматизация, повышение эффективности процесса добычи нефти, в т.ч. за счет повышения скорости и достоверности мониторинга внутрискважинных параметров по всей длине скважины. Способ мониторинга внутрискважинных параметров, при котором с помощью источника лазерного излучения формируют заданной длительностью и частотой световой импульс, поступающий в оптоволоконный кабель, где по всей длине кабеля выделяют излучение рассеяния. Излучение рассеяния, поступающее в блок обработки, преобразуют в электрический сигнал и усиливают, затем из него выделяют полезный сигнал, поступающий на вход второго контроллера, где определяют частоту смещения полезного сигнала относительно частоты генерации источника лазерного излучения, а затем по ее значению вычисляют текущее значение параметра изменения давления, полученные данные сравнивают с заданными в первом контроллере, при отклонении от которых автоматически регулируют процесс добычи нефти в соответствии с изменением притока, определяемого путем непрерывного измерения изменения давления, в скважине управляют частотой вращения вала электродвигателя, при значении параметра изменения давления меньше заданной величины увеличивают частоту вращения вала электродвигателя, при значении параметра изменения давления больше заданным значением уменьшают. 5 н. и 11 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к волоконно-оптическим устройствам измерения давления. Устройство содержит широкополосные полупроводниковые светодиоды, Y-образные волоконно-оптические разветвители и резонаторы Фабри-Перо. Один из резонаторов Фабри-Перо предназначен для получения интерференции световых лучей, отраженных от поверхности мембраны и торца световода, при воздействии давления и температуры контролируемой среды на базовое расстояние между ними. Второй резонатор Фабри-Перо предназначен для получения интерференции отраженных световых лучей при температурном воздействии среды. Вторые оптоволоконные выходы разветвителей сопряжены с регистрирующим блоком, Фотоприемная линейка которого через аналого-цифровой преобразователь связана с процессором обработки цифровых сигналов. Световоды первого и второго резонаторов расположены в корпусе, имеющем две полости, между которыми расположена мембрана. Одна из полостей корпуса сообщается с контролируемой средой и обращена к центральной части мембраны со стороны противолежащей ее отражающей поверхности. В другой полости корпуса размещены изолированные друг от друга световоды резонаторов. Технический результат - повышение точности измерений за счет уменьшения влияния неоднородности температуры. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники. Устройство для измерения давления и скорости его изменения состоит из проточного пневматического канала 1, содержащего два анемочувствительных элемента 2, 3 измерения скорости изменения давления и сообщающего глухую камеру 4 с газодинамическим объектом, микронагнетателя 5 с электроприводом, измерительного 6 анемочувствительного элемента, компенсационного 7 анемочувствительного элемента, первого 8 и второго 9 формирующих сопел, канала 10 измерения давления, канала 11 измерения скорости изменения давления, микроконтроллера 12 и средства 13 отображения информации. Измерительный 6 анемочувствительный элемент размещен в пневматическом канале, объединяющем выходы микронагнетателя 3 по отрицательному избыточному давлению с проточным пневматическим каналом 1. Компенсационный 7 анемочувствительный элемент размещен в непроточной полости 14, сообщенной с проточным пневматическим каналом 1. Первое 8 и второе 9 формирующие сопла, в створе которых расположены первый 2 и второй 3 анемочувствительные элементы измерения скорости изменения давления соответственно, расположены в проточном пневматическом канале 1 встречно друг другу. Первый вход канала 10 измерения давления подсоединен к измерительному 6 анемочувствительному элементу, а второй вход - к компенсационному 7 анемочувствительному элементу. Первый вход канала 11 измерения скорости изменения давления подсоединен ко второму 3 анемочувствительному элементу измерения скорости изменения давления, а второй вход - к первому 2 анемочувствительному элементу. Первый вход микроконтроллера 12 подключен к выходу канала 10 измерения давления, второй вход - к выходу канала 11 измерения скорости изменения давления, а выходами микроконтроллера являются первый выход, являющийся выходным сигналом устройства по давлению, второй выход, являющийся выходным сигналом устройства по скорости изменения давления, подсоединенные к входу системы 13 отображения информации, и третий выход микроконтроллера подсоединен к входу блока 15 управления, выход которого подсоединен к управляющему входу микронагнетателя 3. Технический результат заключается в повышении точности. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относятся к измерительной технике и предназначено для измерения давления (как статического, так и динамического) газов и жидкостей. Датчик давления состоит из записанной на оптическом световоде по меньшей мере одной волоконно-оптической решетки Брэгга (ВБР), мембраны, корпуса, при этом мембрана жестко прикреплена к световоду и имеет возможность движения по осевой линии относительно корпуса, оптический световод жестко прикреплен к торцу корпуса по его осевой линии. Также датчик может состоять из мембраны, корпуса, записанной на оптическом волокне по меньшей мере одной волоконно-оптической решетки Брэгга (ВБР), базового элемента крепления, элемента приложения торцевой нагрузки, направляющей. При этом базовый элемент крепления и элемент приложения торцевой нагрузки соединены с оптическим волокном таким образом, что место соединения не касается ВБР, а направляющая соединена с базовым элементом крепления и корпусом, мембрана закреплена в корпусе. Элемент приложения торцевой нагрузки касается мембраны по осевой линии. Техническим результатом является обеспечение малых массогабаритных параметров, повышение точности измерения, уменьшение влияния внешних воздействий на точность измерения, упрощение конструкции датчика. 2 н. и 21 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к датчикам разности давления, и может быть использовано в различных измерительных системах для контроля давления. Заявленный датчик разности давлений имеет корпус, выполненный из составных частей, между которыми установлена силовая мембрана, образуя две камеры в корпусе, сочленяемые стенки корпуса выполнены с выемками, образуя опорные поверхности для силовой мембраны, в каждой составной части корпуса установлена измерительная мембрана, центры мембран соединены элементами передачи деформации с центром силовой мембраны с противоположных ее сторон, преобразователи выполнены в виде оптического волокна, закрепленного на поверхности каждой измерительной мембраны, а чувствительные элементы выполнены в виде волоконных брэгговских решеток, закрепленных в чувствительных зонах измерительных мембран. Техническим результатом изобретения является повышение точности и скорости измерения. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.
Наверх