Устройство и способ для измерения расхода и состава многофазной флюидной смеси



Устройство и способ для измерения расхода и состава многофазной флюидной смеси
Устройство и способ для измерения расхода и состава многофазной флюидной смеси
Устройство и способ для измерения расхода и состава многофазной флюидной смеси
Устройство и способ для измерения расхода и состава многофазной флюидной смеси
Устройство и способ для измерения расхода и состава многофазной флюидной смеси

 


Владельцы патента RU 2565346:

СИМЕНС АКЦИЕНГЕЗЕЛЛЬШАФТ (DE)

Изобретение относится к устройству (1) для измерения расхода и/или состава многофазной флюидной смеси. Устройство содержит средство (2) излучения, выполненное с возможностью генерации импульсного пучка фотонов для облучения флюидной смеси пространственно вдоль участка (19) потока смеси. Средство (6) управления выполнено с возможностью приложения предопределенного, зависимого от времени напряжения к средству (2) излучения в течение одного импульса фотонов. Средство (3) обнаружения пространственно сконфигурировано для приема фотонов, исходящих от участка (19) потока смеси, в различные моменты времени в течение импульса фотонов, чтобы сформировать изображения пространственного распределения принятых фотонов для каждой из точек во времени. Средство (4) анализа выполнено с возможностью определения расхода одной или нескольких фаз смеси и/или состава смеси на основе временной последовательности изображений пространственного распределения принятых фотонов. Технический результат - упрощение способа и устройства для измерения расхода и/или состава многофазной флюидной смеси, а также повышение точности определения расхода и/или состава многофазной флюидной смеси. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Настоящее изобретение относится к устройству и способу для измерения расхода и/или состава многофазной флюидной смеси. Варианты осуществления настоящего изобретения могут найти применение, например, в нефтяной и газовой промышленности, где используются смеси жидких углеводородов и газообразных углеводородов.

Проблема измерения расходов многофазных флюидов в трубе без необходимости прерывать поток флюида или разделять фазы в процессе измерения имеет особое значение в химической и нефтяной промышленности. Поскольку почти все скважины производят смесь нефти, воды и газа, измерения расхода отдельных компонентов флюидной смеси играют важную роль в эффективной добыче резервуара.

Указанная проблема решалась с помощью устройств многофазных расходомеров, которые в настоящее время широко используются в нефтяной и газовой промышленности и других отраслях химической промышленности. Такие устройства измеряют скорость потока различных компонентов многофазной флюидной смеси путем измерения ослабления гамма-излучения или рентгеновского излучения, прошедшего через смесь, при двух различных уровнях энергии, а именно “высокого” уровня энергии и “низкого” уровня энергии. Измерения основаны на том факте, что коэффициент поглощения гамма-излучения/рентгеновского излучения зависит от материала и энергии фотонов. Соответственно, "высокий" уровень энергии определяется таким образом, что коэффициент поглощения фотонов при этом уровне энергии фотонов, по существу, тот же самый для нефти и воды. "Низкий" уровень энергии определяется таким образом, что коэффициент поглощения фотонов при этом уровне энергии фотонов значительно выше для воды, чем для нефти. Гамма-лучи/рентгеновские лучи проходят через смесь на тестовом участке трубы и облучают детекторы, чувствительные к фотонам и этим двум уровням энергии. Анализ сигналов, записанных с помощью детекторов, обеспечивает возможность оценивания расходов воды, нефти и газа, проходящих через тестовый участок.

Из WO 2011/005133 A1 известно устройство для измерения скорости потока многофазной флюидной смеси. Предложенное устройство содержит средство излучения, средство обнаружения и средство анализа. Средство излучения генерирует пучок фотонов для облучения этой смеси пространственно на участке потока смеси. Средство обнаружения пространственно сконфигурировано для приема фотонов, исходящих от упомянутого участка потока смеси, в различные интервалы времени и обеспечивает изображение пространственного распределения принятых фотонов для каждого упомянутого интервала времени. Средство анализа определяет скорость потока одной или более фаз смеси на основе временной последовательности изображений пространственного распределения полученных фотонов.

В 2011/005133 A1 предлагается использовать рентгеновские фотоны, так что не требуются никакие радиоактивные материалы. Средство излучения выполнено с возможностью попеременной генерации первого и второго импульсов фотонов, причем фотоны в первом импульсе имеют первый уровень энергии, и фотоны во втором импульсе имеют второй уровень энергии. Чтобы обеспечить низкое общее энергопотребление, обеспечивая при этом большую мгновенную мощность в течение импульсов, используется импульсный источник питания с двумя рентгеновскими трубками со стабильным напряжением конечной точки. Первая рентгеновская трубка генерирует пучок рентгеновских фотонов на первом уровне энергии, а вторая рентгеновская трубка генерирует второй пучок рентгеновских фотонов на втором уровне энергии.

ЕР 1760793 раскрывает избирательный по энергии датчик рентгеновского излучения, который позволяет выбирать рентгеновские фотоны низкой энергии или рентгеновские фотоны высокой энергии в конкретном отсчете. Стандартный АС рентгеновский луч может использоваться для циклического излучения энергии рентгеновских лучей аналогично форме сигнала двухполупериодного выпрямления. В течение периодов рентгеновских лучей низкой энергии и в течение периодов рентгеновских лучей высокой энергии фотогенерируемый заряд собирается на фотодиоде.

US 2010/098217 А1 раскрывает систему, которая включает в себя поворотный гентри для приема объекта, подвергаемого сканированию. Система содержит источник рентгеновских лучей для проецирования рентгеновских лучей двух различных уровней энергии в направлении объекта, а также источник питания, который возбуждает источник рентгеновских лучей на двух различных уровнях напряжения с предопределенной частотой для генерации рентгеновских лучей на двух различных уровнях энергии. Источник питания в системе содержит источник фиксированного напряжения для ввода напряжения в переключающий модуль с некоторым числом идентичных переключающих каскадов. Каждый каскад в переключающем модуле состоит из первого переключателя, который заряжает конденсатор в проводящем состоянии и выводит первое напряжение, второго переключателя, который соединяет источник фиксированного напряжения с конденсатором последовательно для вывода второго напряжения в проводящем состоянии, и диода, который блокирует обратный ток от конденсатора к источнику питания.

JP 2009297442А раскрывает рентгеновское СТ устройство, обеспечивающее получение двойной энергии. Рентгеновское СТ устройство содержит секцию облучения рентгеновскими лучами для облучения субъекта при переключении между рентгеновскими лучами с первой энергией и рентгеновскими лучами со второй энергией; секцию сбора данных проецирования рентгеновских лучей для сбора данных проецирования рентгеновских лучей, прикладываемых к субъекту; и секцию реконструкции изображения, включающую в себя первую секцию реконструкции изображения для реконструкции первого изображения с использованием данных проецирования рентгеновских лучей, основанных на рентгеновских лучах, имеющих первую и вторую энергию, исключая данные проецирования рентгеновских лучей, собранные на переходном участке, и вторую секцию реконструкции изображения для реконструкции второго изображения с использованием данных проецирования рентгеновских лучей, основанных на рентгеновских лучах, имеющих первую и вторую энергию, включая данные проецирования рентгеновских лучей, собранные на переходном участке.

Задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованного устройства и способа для измерения расхода и/или состава многофазной флюидной смеси.

Указанная задача решается устройством по пункту 1 формулы изобретения и способом по пункту 9 формулы изобретения. Предпочтительные варианты изложены в зависимых пунктах формулы изобретения.

Основная идея настоящего изобретения основана на известном принципе непосредственного измерения скорости потока одной или более фаз смеси на основе временной последовательности пространственного распределения фотонов, исходящих из смеси, которые принимаются средством обнаружения. Чтобы упростить устройство и способ измерения, средство излучения, выполненное с возможностью генерации импульсного пучка фотонов для облучения флюидной смеси пространственно вдоль участка потока смеси, управляется средством управления. Средство управления выполнено с возможностью приложения напряжения к средству излучения. Средство обнаружения пространственно сконфигурировано для приема фотонов, исходящих от участка потока смеси, чтобы сформировать изображения пространственного распределения принятых фотонов для каждого из моментов времени. Средство анализа выполнено с возможностью определения расхода одной или более фаз смеси и/или состава смеси на основе временной последовательности изображений пространственного распределения принятых фотонов. Напряжение, прикладываемое к средству излучения, является предопределенным, зависимым от времени напряжением, имеющим любой ход изменения между начальным напряжением и конечным напряжением в течение одного импульса фотонов. Фотоны, исходящие от участка потока смеси, принимаются в различные моменты времени в течение одного импульса фотонов.

Поскольку напряжение и в результате спектры испускаемых фотонов, предпочтительно рентгеновских лучей, изменяются в течение одного импульса, то можно получать изображения для набора энергий рентгеновских лучей. В результате, можно извлечь выгоду из того факта, что разные материалы имеют различную зависимость интенсивности рентгеновских лучей по отношению к ослаблению с расстоянием для различных рентгеновских спектров. Этот вариант осуществления позволяет с успехом использовать одну рентгеновскую трубку, чтобы получить множество изображений для различных рентгеновских спектров на выходе источника рентгеновских лучей.

В предпочтительном варианте средство излучения выполнено с возможностью прикладывать предопределенный, зависимый от времени ток к средству излучению, чтобы иметь число фотонов, принимаемых средством обнаружения, в предопределенном диапазоне. В то время как управление напряжением, прикладываемым к средству излучения в течение одного импульса фотонов, влияет на энергию фотонов, управление током в течение одного импульса фотонов влияет на количество фотонов, принимаемых средством обнаружения. Поэтому управление током может быть использовано, чтобы учитывать интенсивность принимаемых фотонов, исходящих от участка потока смеси.

В другом предпочтительном варианте осуществления средство обнаружения выполнено с возможностью формирования по меньшей мере двух изображений пространственного распределения принимаемых фотонов в отличающийся момент времени. Этот вариант осуществления гарантирует, что создаются изображения фотонов, имеющих разные уровни энергии.

В другом предпочтительном варианте осуществления средство обнаружения содержит двумерную матрицу детекторных элементов. Этот вариант осуществления предпочтительно обеспечивает измерение пространственного распределения плотности смеси, поперек к направлению потока смеси.

В другом варианте осуществления средство анализа выполнено с возможностью определения скорости потока одной или более фаз смеси на основе взаимной корреляции временной последовательности изображений пространственных распределений принимаемых фотонов. В одной альтернативе этого варианта осуществления средство обнаружения выполнено с возможностью управления интервалом времени между получением изображений различных импульсов таким образом, что они создаются для тех же диапазонов энергии. В другом альтернативном варианте средство обнаружения выполнено с возможностью управления интервалом времени между получением изображений различных импульсов таким образом, что они создаются для разных диапазонов энергии. В результате объемный расход может измеряться для каждой фазы непосредственно без введения сжатия, такого как ограничение Вентури, в направление потока смеси.

В еще одном предпочтительном варианте осуществления средство излучения выполнено с возможностью регулировки времени между последовательными импульсами фотонов.

Изобретение основано на идее использования импульсного средства излучения, особенно источника рентгеновских лучей. Во время одного импульса фотонов средство излучения будет управляться так, что напряжение и, опционально, ток изменяются. В пределах одиночного импульса фотонов по меньшей мере два изображения пространственного распределения принимаемых фотонов формируются в различные моменты времени для получения изображений для различных энергетических спектров на выходе средства излучения. В результате, известный принцип двойной энергии может быть заменен таковым множественной энергии. Так как нужен только один источник фотонов, пространственное разрешение для средства детектирования может быть значительно улучшено.

Путем выполнения взаимно-корреляционного анализа двумерных изображений, которые записываются средством обнаружения для нескольких энергетических спектров средства излучения, могут осуществляться измерения скорости одной или более фаз фиксированной смеси. Анализ позволяет выполнять прямое измерение объемной скорости.

Настоящее изобретение дополнительно описано ниже со ссылкой на проиллюстрированные варианты осуществления, показанные на прилагаемых чертежах, на которых представлено следующее:

Фиг.1 - схема устройства для измерения многофазного флюидного потока,

Фиг.2 - вид сверху устройства по фиг.1 для измерения многофазного флюидного потока, имеющего двумерно скомпонованный детектор,

Фиг.3 - схематичная диаграмма напряжения в зависимости от времени в течение одного импульса фотонов,

Фиг.4 - схематичная диаграмма тока в зависимости от времени в течение одного импульса фотонов, и

Фиг.5 - схематичная диаграмма, иллюстрирующая рабочий цикл средства излучения устройства, соответствующего изобретению.

Варианты осуществления настоящего изобретения, описанные ниже, обеспечивают прямое измерение объемной скорости потока (т.е. расхода) отдельных фаз многофазной смеси и состава этой смеси с учетом пространственного флюидного потока на участке. Многофазная смесь может быть смесью газа (например, газообразных углеводородов), воды и/или нефти (например, жидких углеводородов). Индивидуальная фаза может быть одним из этих компонентов. При облучении смеси по всему поперечному сечению потока смеси, может быть определено пространственное распределение плотности фаз поперечно направлению потока, которое включает в себя качество и точность измерения объемного расхода.

На фиг.1 иллюстрируется устройство 1 для измерения многофазного флюидного потока в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения. Устройство 1 может быть также названо многофазным расходомером. Устройство 1 включает в себя средство 2 излучения, средство 3 обнаружения, средство 4 анализа и средство 6 управления. Показанное устройство 1 также включает в себя измерительную трубку 13, которая может, например, быть расположена между трубопроводами 20 и 21 выше по потоку и ниже по потоку, соответственно, через которые протекает смесь многофазного флюида, расход которого должна быть измерен. Смесь многофазного флюида может быть, в частности, смесью, которая создается особенно в восходящем потоке нефтегазового производства. Измерительная трубка 13 образует канал для участка 19 потока смеси. В контексте настоящего описания, участок 19 может относиться к объему смеси внутри измерительной трубки 13 или его части. Участок 19 также упоминается в данном документе как "тестовый участок".

Средство 2 излучения генерирует пучок фотонов, чтобы облучать упомянутую смесь пространственно вдоль тестового участка 19. Фотонный пучок ослабляется при прохождении через смесь. Средство 3 обнаружения выполнено с возможностью пространственно принимать фотоны, исходящие от тестового участка 19 потока смеси, в различные моменты времени в течение одного импульса фотонов. Средство 3 обнаружения, таким образом, формирует изображения пространственного распределения принимаемых фотонов для каждого из моментов времени. Средство 4 анализа определяет расход и/или состав одной или более фаз смеси на основе временной последовательности изображений пространственных распределений фотонов, принятых средством обнаружения.

Средство 2 излучения управляется средством 6 управления. Средство управления управляет формой напряжения и, опционально, тока, которые прикладываются к средству излучения в течение одного импульса фотонов. По меньшей мере напряжение, приложенное к средству излучения, изменяется по времени между минимальным напряжением и максимальным напряжением. Путем изменения напряжения по времени в течение одного импульса фотонов спектры излучаемых фотонов изменяются в течение одного импульса. Таким образом, можно получать изображения для набора энергий фотонов путем формирования изображений пространственного распределения принятых фотонов для упомянутых моментов времени в течение одного импульса фотонов. Кроме того, изменение тока между минимальным и максимальным током во времени влияет на количество фотонов, которые могут быть получены средством обнаружения. Предпочтительно количеством фотонов можно управлять в предопределенном диапазоне средства обнаружения.

Отдельные компоненты устройства 1 подробно описаны ниже в общем со ссылкой на фиг.1 и 2, где фиг.2 представляет собой изображение на виде сверху средства 2 излучения, средства 3 обнаружения, средства 6 управления и измерительной трубки 13. Фиг.1 и 2 показаны по отношению к взаимно перпендикулярным осям X-X, Y-Y и Z-Z. Ось Z-Z проходит вдоль направления потока смеси, ось X-X проходит вдоль поперечного направления в основном вдоль направления движения пучка фотонов, и ось Y-Y проходит вдоль поперечного направления по участку 19 потока смеси.

В показанном варианте осуществления, измерения выполняются с использованием рентгеновских фотонов, что является предпочтительным, так как генерация рентгеновских лучей не требует радиоактивного материала, что требует дополнительных мер по обеспечению безопасности, а также может вызвать значительные проблемы с импортными/экспортными операциями. В связи с возможностью генерации фотонов, имеющих различные уровни энергии, средство 2 излучения включает в себя только одну рентгеновскую трубку 5. Рентгеновская трубка 5 генерирует пучок 11 рентгеновских фотонов на уровне энергии, который зависит от напряжения, приложенного к рентгеновской трубке 5 в течение одного импульса фотонов. Напряжение выбирается так, что обеспечиваются по меньшей мере "высокий" уровень энергии и "низкий" уровень энергии. "Высокий" уровень энергии может быть в диапазоне 65-90 кэВ, в то время как "низкий" уровень энергии может находиться, например, в диапазоне 15-35 кэВ. Следует понимать, что управляющее напряжение адаптируется таким образом, чтобы достигались указанные энергии.

Например, для измерения расхода в эффективном режиме потока, включающего в себя три фазы, в том числе воду, нефть и газ, "высокий" уровень энергии выбирается так, что коэффициенты поглощения фотонов для жидких фаз, то есть воды и нефти, по существу, постоянны для фотонов на этом уровне энергии, в то время как "низкий" уровень энергии выбирается так, что для фотонов на этом уровне энергии коэффициенты поглощения фотонов для воды и нефти существенно различаются. Коэффициент поглощения фотонов газовой фазы при данных обстоятельствах значительно ниже по сравнению с таковым для воды и нефти.

Как уже упоминалось, рентгеновская трубка 5 будет работать в импульсном режиме. Использование импульсного источника питания, преимущественно приводит к меньшей общей потребляемой мощности и обеспечивает более высокую мгновенную мощность во время импульсов. Длительность импульсов может быть основана, например, на ожидаемом диапазоне скоростей потока смеси, чтобы гарантировать, что флюид (смесь) не покрывает значительное расстояние во время облучения и формирования по меньшей мере двух изображений в течение одного импульса.

В показанном варианте осуществления фотонный пучок 11 проходит через апертуру 9 формирования пучка, которая обеспечивает желаемую форму для поперечного сечения пучка. Фотонный пучок 11, проходящий через апертуру 9, пространственно облучает тестовый участок 19 потока смеси. В показанном варианте осуществления пространственное облучение тестового участка 19 проходит вдоль плоскости Z-Y (т.е. пространственно вдоль направления потока и поперек направлению потока), как показано на фиг.2. Это, в сочетании с двумерным средством 3 обнаружения, позволяет измерять пространственное распределение плотности фаз смеси поперечно к направлению смеси, что особенно полезно для точного измерения скорости потока в случае неравномерного потока, т.е. флюидного потока, имеющего неоднородный состав фаз в пределах поперечного сечения потока.

В одном варианте осуществления средство 2 излучения расположено на расстоянии L от тестового участка 19 и не прикреплено к измерительной трубке 13. Это позволяет расходящемуся пучку 11 фотонов в достаточной степени облучать тестовый участок 19 флюидного потока. Расстояние L обычно превышает 0,3 м и предпочтительно равно примерно 0,5 м.

Измерительная трубка 13 включает в себя окна из материала, который обычно прозрачен для облучения фотонным пучком 11. Предпочтительным материалом для такого окна является бериллий. Хотя измерительная трубка 13 может иметь любое поперечное сечение, прямоугольное (включая квадратное) поперечное сечение измерительной трубки 13 является особенно предпочтительным в случае неравномерного потока смеси, обеспечивая легкость обработки пространственных изображений, получаемых средством 3 обнаружения, для измерения пространственного распределения плотности различных фаз по сечению 19 потока смеси.

Фотонный пучок 11 ослабляется при прохождении через смесь. Средство 3 обнаружения соответственно пространственно сконфигурировано для приема фотонов, исходящих из смеси. В случае измерения расхода для смесей, имеющих относительно однородный состав фаз по сечению потока, может быть достаточным пространственно конфигурировать средство 3 обнаружения, чтобы принимать фотоны вдоль одного измерения. Для измерения расхода относительно смесей, имеющих неравномерный состав фаз по сечению потока, предпочтительно пространственно конфигурировать средство 3 обнаружения двумерным образом. В данном случае средство 3 обнаружения включает в себя двумерную матрицу детекторных элементов или набор детекторных элементов, скомпонованных в двумерной области. Матрица детекторных элементов расположена параллельно плоскости Z-Y. Размерность b детекторной матрицы предпочтительно равна или больше, чем размерность а измерительной трубки 13. Детекторные элементы могут включать в себя, например, сцинтилляторы, которые могут включать в себя неорганические или органические кристаллы сцинтилляторов, органические жидкие сцинтилляторы или даже пластиковые сцинтилляторы. Детекторные элементы должны быть чувствительны к фотонам между упомянутыми выше “высоким” и “низким” уровнями энергии. Матрица детекторов может содержать связанные умножители фотонов для генерации сигналов соответствующих облучению детекторных элементов.

Средство 3 обнаружения принимает фотоны для различных моментов времени каждого отдельного импульса фотонов и формирует набор изображений для каждого импульса пространственного распределения фотонов, принятых в течение этих моментов времени, причем каждый из них соответствует отличающемуся уровню энергии вследствие изменяющегося в зависимости от времени напряжения в течение импульса фотонов. Детекторные элементы должны быть способны захватывать по меньшей мере два изображения в пределах одного импульса фотонов.

Примерный вариант различного изменяющегося напряжения U и тока I в течение одного импульса фотонов приведен на фиг.3 и 4. Импульс фотонов начинается в момент времени t1 и заканчивается в момент времени t2. Только в качестве примера - напряжение линейно увеличивается от напряжения U1 до напряжения U2. В отличие от этого - и снова только в качестве примера - ток уменьшается, начиная от тока I1, до тока I2. Следует понимать, что изменение напряжения и тока, соответственно, не должно делаться линейно. Кроме того, напряжение не должно увеличиваться в течение импульса фотонов. Напряжение может уменьшаться от начального напряжения до конечного напряжения или иметь любой ход между U1 и U2. То же самое касается зависимого от времени тока.

Изменяющийся ток I в течение импульса фотонов влияет на число фотонов, получаемых средством 3 обнаружения. Таким образом, обработка сигнала может быть облегчена за счет управления количеством фотонов в оптимальном диапазоне для средства 3 обнаружения.

В альтернативном варианте импульсы фотонов могут управляться так, чтобы прикладывать импульсы к рентгеновской трубке 5 таким образом, чтобы получать рентгеновские изображения средством 3 обнаружения для того же напряжения на рентгеновской трубке с точно определенным временем между ними. Это позволяет выполнять измерения скорости с помощью взаимно-корреляционного анализа для различных энергетических спектров рентгеновских лучей. Поэтому скорость для каждой фазы, проходящей через тестовый участок 19, может быть определена.

Является предпочтительным, если синхронизация между получением изображений для одних и тех же диапазонов энергии выполнена таким образом, чтобы взаимно-корреляционный анализ обеспечивал наилучшую точность. Соответствующий интервал времени между путями изображений “высокой” энергии и “низкой” энергии позволяет выполнять взаимно-корреляционный анализ. Таким образом, объемный расход можно измерить для каждой фазы непосредственно.

Средство 3 обнаружения адаптировано для подачи временной последовательности изображений на средство 4 анализа (фиг.1) для определения расхода и/или состава из одной или более фаз смеси, причем каждое изображение представляет пространственное распределение фотонов, принятых в конкретный момент времени. На фиг.3 и 4 установлены различные моменты времени ta, tb, tc, td, te, указывающие формирование изображений пространственного распределения принятых фотонов в пределах импульса фотонов. В показанном варианте записаны пять изображений. Тем не менее, следует понимать, что количество изображений и время между записями двух соседних изображений может быть выбрано в зависимости от потребностей.

Средство 4 анализа может включать в себя, например, коммерческий персональный компьютер, такой как настольный или ноутбук, выполняющий программу для вычисления объемного и/или массового расхода смеси с использованием последовательности изображений, принятых от средства 3 обнаружения, и для доставки искомых результатов. В зависимости от количества требуемой обработки, средство 4 анализа может альтернативно включать в себя микропроцессор общего назначения, программируемую пользователем вентильную матрицу (FPGA), микроконтроллер или любое другое оборудование, которое содержит схемы обработки и схемы ввода/вывода, подходящие для вычисления скорости потока на основе изображений, принятых от средства 3 обнаружения.

Со ссылкой на фиг.3-5 далее описывается пример вычисления скорости потока в вышеупомянутом режиме вытекающего потока, содержащего три фазы, а именно воду, нефть и газ. Возможные напряжения и токи в зависимости от времени, прикладываемые к рентгеновской трубке, показаны на фиг.3 и 4. Длительность импульса фотонов (т.е. t2-t1) выбрана таким образом, что может быть сделано выбранное или требуемое количество отсчетов (см. ta, tb, tc, td, te) с помощью средства 3 обнаружения. В данном примере в общей сложности выбраны пять отсчетов на импульс. Определение длительности импульса зависит от характеристик устройства 1.

В настоящем примере предполагается, что многофазный поток проходит через расходомер с тестовым участком 19 с размерами поперечного сечения 40 мм х 40 мм со скоростью смеси 20 м/с. Размер пикселя средства 3 обнаружения может быть 100 мкм. Соответственно, датчик средства обнаружения имеет разрешение 400 х 800 пикселей. Согласно фиг.5, в общей сложности четыре рентгеновских импульса следуют в последовательности таким образом, что каждая последовательность состоит из двух или более четко определенных импульсов, как показано на фиг.5. Длительность импульса установлена как Δtp = t2-t1 = t4-t3 = t6-t5 = t8-t7 ≈ 200 мкс. В течение этого времени поток смеси будет покрывать расстояние Δх = 200·106[с]·20[м/с] = 4 мм. Это означает, что картина течения будет сдвинута примерно на 40 пикселей в датчике средства 3 обнаружения. Если средство обнаружения во время каждого импульса в последовательности получает рентгеновские изображения в момент, показанный на фиг.3 и 4, то число фактически получаемых изображений зависит от возможностей датчика, интенсивности рентгеновского сигнала, скорости потока и так далее. По меньшей мере два изображения для каждого импульса должны быть получены.

Поскольку поток смеси в течение импульса перемещается только на 40 пикселей из 800 пикселей, можно будет выбрать части кадров с той же картиной течения. Таким образом, возможно точное измерение состава смеси.

Предположим, что время между двумя импульсами в одной последовательности составляет около 200 мкс, интервал времени между получением изображений для импульсов в последовательности Δtv = t'a-ta = t'b-tb ≈ 400 мкс. В течение этой разницы во времени поток смеси будет покрывать расстояние в направлении вниз по потоку трубки Δх = 400·10-6[с]-20[м/с] = 8 мм. Это расстояние равно 80 пикселям средства 3 обнаружения. Таким образом, путем выполнения взаимной корреляции для путей изображения, принятых в t'a, ta и t'b, tb соответственно, можно измерить скорость для каждой фазы смеси отдельно. Кроме того, ток в течение каждого рентгеновского импульса должен быть отрегулирован таким образом, что оптимальное качество изображения будет получено с помощью средства 3 обнаружения.

Хотя изобретение было описано со ссылкой на конкретные варианты осуществления, это описание не предназначено, чтобы быть истолковано в ограничительном смысле. Например, предложенный способ может быть использован для непосредственного измерения объемных скоростей потоков многофазной смеси, содержащей более или менее трех фаз, путем получения соответствующего количества изображений различных энергетических уровней фотонов в пределах одного импульса фотонов. Форма показанного зависимого от времени напряжения и тока может варьироваться. Соответственно, временные характеристики, количество пикселей средства обнаружения, количество получаемых изображений, напряжение рентгеновской трубки могут быть выбраны иным образом в зависимости от доступного оборудования, расхода, состава потока и т.д.

Ссылочные обозначения

1 Устройство

2 Средство излучения

3 Средство обнаружения

4 Средство анализа

5 Рентгеновская трубка

7 Фильтр

9 Апертура

11 Пучок фотонов

13 Измерительная трубка

19 Участок

20 Выше по течению трубки

21 Ниже по течению трубки

L Расстояние

а Размер измерительной трубки

b Размер средства обнаружения

U Напряжение

U1 Начальное напряжение

U2 Конечное напряжение

I Ток

I1 Начальный ток

I2 Конечный ток

ta Момент времени измерения

tb Момент времени измерения

tc Момент времени измерения

td Момент времени измерения

te Момент времени измерения

ta' Момент времени измерения

tb' Момент времени измерения

1. Устройство (1) для измерения расхода и/или состава многофазной флюидной смеси, содержащее:
- средство (2) излучения, выполненное с возможностью генерации импульсного пучка фотонов для облучения флюидной смеси пространственно вдоль участка (19) потока смеси;
- средство (6) управления, выполненное с возможностью приложения напряжения к средству (2) излучения;
- средство (3) обнаружения, пространственно сконфигурированное для приема фотонов, исходящих от участка (19) потока смеси, чтобы сформировать изображения пространственного распределения принятых фотонов для каждой из точек во времени; и
- средство (4) анализа, выполненное с возможностью определения расхода одной или более фаз смеси и/или состава смеси на основе временной последовательности изображений пространственного распределения принятых фотонов,
отличающееся тем, что напряжение, прикладываемое к средству (2) излучения, является предопределенным, зависимым от времени напряжением, имеющим любой ход изменения между начальным напряжением (U1) и конечным напряжением (U2) в течение одного импульса фотонов; и
фотоны, исходящие от участка (19) потока смеси, принимаются в различные моменты времени в течение одного импульса фотонов.

2. Устройство по п. 1, в котором средство (2) излучения выполнено с возможностью приложения предопределенного, зависимого от времени тока к средству (2) излучения, чтобы иметь число фотонов, принятых средством (3) обнаружения, в заданном диапазоне.

3. Устройство по п. 1, в котором средство (3) обнаружения выполнено с возможностью формирования по меньшей мере двух изображений пространственного распределения принятых фотонов в разные моменты времени.

4. Устройство по п. 1, в котором средство (3) обнаружения включает в себя двумерную матрицу детекторных элементов.

5. Устройство по п. 1, в котором средство (4) анализа выполнено с возможностью определения скорости потока одной или более фаз смеси на основе взаимной корреляции временной последовательности изображений пространственных распределений принятых фотонов.

6. Устройство по п. 5, в котором средство (3) обнаружения выполнено с возможностью управления интервалом времени между получением изображений различных импульсов таким образом, что они получаются для тех же самых диапазонов энергии.

7. Устройство по п. 5, в котором средство (3) обнаружения выполнено с возможностью управлять интервалом времени между получением изображений различных импульсов таким образом, что они получаются для разных диапазонов энергии.

8. Устройство по п. 1, в котором средство (2) излучения выполнено с возможностью регулировки времени между последовательными импульсами фотонов.

9. Устройство по п. 2, в котором средство (3) обнаружения выполнено с возможностью формирования по меньшей мере двух изображений пространственного распределения принятых фотонов в разные моменты времени.

10. Устройство по п. 2, в котором средство (3) обнаружения включает в себя двумерную матрицу детекторных элементов.

11. Способ измерения расхода и/или состава многофазной флюидной смеси, содержащий:
- генерацию пучка (11) фотонов для облучения смеси пространственно вдоль участка (19) потока смеси путем приложения напряжения к средству (2) излучения в течение одного импульса фотонов;
- пространственный прием фотонов, исходящих от участка (19) потока смеси, и формирование изображений пространственного распределения принятых фотонов для каждого из моментов времени; и
- определение расхода одной или более фаз смеси и/или состава на основе временной последовательности изображений пространственного распределения принятых фотонов,
отличающийся тем, что
этап приложения напряжения к средству (2) излучения содержит приложение предопределенного, зависимого от времени напряжения, имеющего любой ход изменения между начальным напряжением (U1) и конечным напряжением (U2) в течение одного импульса фотонов; и
прием фотонов, исходящих от участка (19) потока смеси, осуществляется в различные моменты времени в течение одного импульса фотонов.

12. Способ по п. 11, дополнительно содержащий приложение предопределенного, зависимого от времени тока к средству (2) излучения для получения количества фотонов средством (3) обнаружения в заданном диапазоне.

13. Способ по п. 11, в котором формируются по меньшей мере два изображения пространственного распределения принимаемых фотонов в разные моменты времени.

14. Способ по п. 11, в котором пространственный прием фотонов содержит прием фотонов посредством двумерной матрицы детекторных элементов.

15. Способ по п. 14, дополнительно содержащий определение пространственного распределения плотности одной или более фаз упомянутой смеси на основе упомянутых изображений пространственного распределения фотонов, принимаемых по двумерной области.

16. Способ по п. 11, в котором интервал времени между получением изображений различных импульсов регулируется таким образом, что они получаются для одних и тех же диапазонов энергии.

17. Способ по п. 11, в котором интервал времени между получением изображений различных импульсов регулируется таким образом, что они получаются для разных диапазонов энергии.

18. Способ по п. 12, в котором формируются по меньшей мере два изображения пространственного распределения принимаемых фотонов в разные моменты времени.

19. Способ по п. 12, в котором пространственный прием фотонов содержит прием фотонов посредством двумерной матрицы детекторных элементов.

20. Способ по п. 19, дополнительно содержащий определение пространственного распределения плотности одной или более фаз упомянутой смеси на основе упомянутых изображений пространственного распределения фотонов, принимаемых по двумерной области.



 

Похожие патенты:

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для определения скорости потока магнитных или ферромагнитных частиц (8) в суспензии (3), протекающей через контрольные зоны.

Способ измерения расхода жидкой или газообразной измеряемой среды, заключающийся в том, что внутри трубопровода помещают жидкую измеряемую среду, поляризуют электрическим полем часть потока жидкой измеряемой среды, проходящей между двумя электродами с помощью подаваемого к двум электродам импульса напряжения, вследствие этого создают метку в потоке жидкой измеряемой среды, а расход жидкой измеряемой среды измеряют за счет времени перемещения метки на контрольном участке пути.

Изобретение относится к области тепловой меточной расходометрии и может быть использовано для определения объемного или массового расхода газа или жидкости. .

Изобретение относится к способам и средствам транспортировки газов и жидкостей и может быть использовано для испытаний запорно-регулирующей арматуры (ЗРА) магистрального трубопровода (МТ).

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к средствам измерения расхода потоков веществ, а именно к тепловым расходомерам. .

Изобретение относится к экспериментальной гидродинамике импульсных дисперсных потоков и может быть использовано в двигателестроении для оценки скорости топливовоздушной струи при впрыске топлива.

Изобретение относится к области гидрометрии, в частности к измерению скоростей течения воды в открытых руслах. .

Изобретение относится к способам для измерения расходов газовых потоков и может найти применение для целей контроля потоков газа в газоанализаторах и пробоотборных устройствах.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в информационно-измерительных системах нефтеперерабатывающей, нефтедобывающей, химической и других отраслях промышленности для измерения содержания компонентов многофазной среды.
Наверх