Способ измерения состава двухфазного вещества в потоке



Способ измерения состава двухфазного вещества в потоке
Способ измерения состава двухфазного вещества в потоке
Способ измерения состава двухфазного вещества в потоке
Способ измерения состава двухфазного вещества в потоке

 


Владельцы патента RU 2611439:

Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН (RU)

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для высокоточного измерения физических свойств веществ, являющихся компонентами двухфазного вещества, неподвижного или транспортируемого по трубопроводу. В частности, данный способ может быть применен для определения состава вещества в потоке добываемой и транспортируемой нефти, являющейся, по существу, трехкомпонентным двухфазным веществом (нефть, газ, вода). Предлагается способ измерения состава двухфазного вещества в потоке, при котором выполняют первый такт измерений, в котором воздействуют на вещество электромагнитными волнами СВЧ-диапазона частот и определяют по результатам воздействия его диэлектрическую проницаемость при применении соответствующего чувствительного элемента в виде СВЧ-резонатора и измерении его резонансной частоты электромагнитных колебаний, при этом дополнительно выполняют последовательно два такта измерений, в которых воздействуют на вещество электромагнитными волнами СВЧ-диапазона частот в двух частотных диапазонах, одному из которых соответствует изменение объема резонатора на некоторую фиксированную величину, а другому - изменение этого объема еще на некоторую фиксированную величину, производят измерение значений резонансной частоты резонатора в этих трех тактах измерений, осуществляют совместное функциональное преобразование измеренных значений резонансной частоты резонатора в указанных трех частотных диапазонах, по результатам которого определяют состав двухфазного вещества. Поскольку такты измерений проводят в течение очень короткого времени, то контролируемая область потока является практически неизменной за время проведения тактов измерений, что позволяет повысить точность результатов измерений и определить состав трехкомпонентного двухфазного вещества, в частности нефтеводогазовой смеси. 1 ил.

 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для высокоточного измерения физических свойств веществ, являющихся компонентами двухфазного вещества, неподвижного или транспортируемого по трубопроводу. В частности, данный способ может быть применен для определения состава вещества в потоке добываемой и транспортируемой нефти, являющейся, по существу, трехкомпонентным двухфазным веществом (нефть, газ, вода).

Известны способы измерения покомпонентного состава двухфазных веществ, имеющие большое значение и для определения расхода каждого из компонентов добываемой из скважин нефти. Для этого, в частности, нашли применение турбинные расходомеры, которые предполагают предварительную гомогенизацию нефтегазовых смесей, а также и другие типы расходомеров, например на трубке Вентури, для использования которых необходимо наличие сепараторов жидкой и газовой фаз вещества (монография: Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. Справочник. Л.: Машиностроение. Ленингр. отделение. 1989. 701 с.). Эти способы также имеют ограниченную область применения и сложны в реализации.

Известно техническое решение (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Наука. 1989. С. 168-177), которое содержит описание способа измерения, по технической сущности наиболее близкого к предлагаемому способу и принятого в качестве прототипа. Способ-прототип предназначен для измерения физических свойств веществ путем измерения их электрофизических параметров с применением радиоволновых (СВЧ) чувствительных элементов в виде резонаторов. В частности, для измерений в трубопроводах данный способ базируется на применении измерительных устройств, содержащих в качестве чувствительных элементов проточные объемные резонаторы с торцевыми элементами в виде запредельных волноводов. Недостатком этого способа измерения является ограниченная область применения, обусловленная невозможностью определения состава веществ при большем, чем две, компоненты контролируемого вещества. В частности, это относится к нефтеводогазовой смеси.

Техническим результатом настоящего изобретения является расширение области применения.

Технический результат достигается тем, что в способе измерения состава двухфазного вещества в потоке, при котором выполняют первый такт измерений, в котором воздействуют на вещество электромагнитными волнами СВЧ-диапазона частот и определяют по результатам воздействия его диэлектрическую проницаемость при применении соответствующего чувствительного элемента в виде СВЧ-резонатора и измерении его резонансной частоты электромагнитных колебаний, дополнительно выполняют последовательно два такта измерений, в которых воздействуют на вещество электромагнитными волнами СВЧ-диапазона частот в двух частотных диапазонах, одному из которых соответствует изменение объема резонатора на некоторую фиксированную величину, а другому - изменение этого объема еще на некоторую фиксированную величину, производят измерение значений резонансной частоты резонатора в этих трех тактах измерений, осуществляют совместное функциональное преобразование измеренных значений резонансной частоты резонатора в указанных трех частотных диапазонах, по результатам которого определяют состав двухфазного вещества.

Предлагаемый способ поясняется чертежом. На фиг. 1 приведена схема устройства, поясняющая данный способ измерения.

Здесь показаны: измерительный участок трубопровода 1, волновод 2, первый дополнительный объем 3, волновод 4, второй дополнительный объем 5, электронный блок 6.

Сущность способа измерения состоит в следующем.

Наиболее важной на практике задачей является определение состава трехкомпонентного двухфазного вещества в потоке, а именно объемного содержания нефти или нефтепродукта, газа и воды в их смеси. На примере такого вещества рассмотрим сущность и пути реализации данного способа измерения.

В основе данного способа измерения состава двухфазных веществ, перемещаемых по трубопроводам, лежит проведение основного (первого) и дополнительных (второго и третьего) тактов измерений и последующее совместное функциональное преобразование результатов измерений в этих трех тактах с определением искомого состава вещества в результате этого преобразования. На втором такте измерений производят добавление к объему Vo измерительного участка трубопровода или изъятие из него некоторого фиксированного объема ΔV1 одной из компонент, в предпочтительном варианте объема газа ΔVг. На третьем такте измерений производят, помимо уже добавленного или изъятого объема ΔV1 на втором такте, еще добавление или изъятие объема ΔV2.

Далее будем рассматривать для ясности реализацию способа с добавлением объемов ΔV1 и ΔV2. Рассмотрение реализации способа с изъятием таких объемов проводится аналогично.

Наличие ΔVг приводит к составлению дополнительных уравнений связи входных параметров ∈н, ∈г, ∈в, Vн, Vв и Vг и информативного параметра - резонансной частоты ƒp электромагнитных колебаний проточного резонатора - и, тем самым, позволяет при решении полученной системы уравнений определить покомпонентный состав. Пусть ƒp1 - резонансная частота проточного резонатора, соответствующая первому такту измерений, когда объем резонатора соответствует объему Vо измерительного участка трубопровода, ƒр2 - резонансная частота резонатора во втором такте измерений, когда объем резонатора есть Vо+ΔV1, ƒр3 - объемом трем циклам измерений - первого, и ƒр3 - резонансная частота резонатора в третьем такте измерений, когда объем резонатора есть Vо+ΔV2.

Для нефтеводогазового потока будем при этом иметь

Здесь Vн, Vв и Vг - объемное содержание, соответственно, нефти или нефтепродукта, воды и газа в объеме Vо измерительного участка трубопровода (Vо=Vн+Vв+Vг), ∈н, ∈в и ∈г - диэлектрические проницаемости этих компонентов потока.

Здесь подлежащие измерениям параметры есть Vн, Vв и Vг, а возмущением, от влияния которого на результаты измерений необходимо достичь независимости, является переменная величина (сортность) ∈н нефти или нефтепродукта. Параметры ∈г и ∈в считаются фиксированными; в противном случае систему уравнений (1) следует дополнить уравнениями связи, записанными для частот ƒ4 и ƒ5 (и, соответственно, проведением двух дополнительных тактов измерений, соответствующих дополнительным объемам, присоединяемым к полости, уже содержащей два добавленных объема ΔV1 и ΔV2 с применением соответствующих запредельных волноводов). Решение системы уравнений (1) возможно как аналитически, с учетом конкретных параметров резонатора, дополнительных объемов и свойств контролируемых веществ, так и при аппроксимации экспериментально полученных кривых соответствующими функциями.

На фиг. 1 изображен измерительный участок 1 трубопровода, на котором организовано подсоединение тестового объема газа ΔV. Здесь сам измерительный участок является проточным волноводным резонатором, имеющим торцевые запредельные волноводы, которыми являются торцы магистрального трубопровода (монография: Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Наука. 1989. 208 с. С. 173-117). Зависимость резонансной (собственной) частоты ƒp1 электромагнитных колебаний резонатора от диэлектрической проницаемости трехкомпонентного вещества соответствует первому уравнению в системе уравнений (1).

К измерительному участку 1 через волновод 2, который является запредельным волноводом для частотного диапазона, вблизи подсоединен первый дополнительный объем 3, ограниченный металлической замкнутой поверхностью (фиг. 1). На втором такте измерений при возбуждении в указанном резонаторе электромагнитных колебаний на частоте ƒр2 (иного типа колебаний), большей частоты ƒp1, волновод 2 не является запредельным, вследствие чего объем резонатора становится равным Vо+ΔV1. Этот дополнительный объем ΔV1 может заполняться газовой фазой потока. Для предотвращения попадания в него жидкости волновод 2 перекрывается проницаемой только для газа диэлектрической перегородкой. На третьем такте измерений к объему Vо+ΔV1 с помощью волновода 4, запредельного для частот, меньших, чем частота ƒр3, добавляется на измерительном участке 1 второй дополнительный объем 5, равный ΔV2, заполняемый газом, при возбуждении электромагнитных колебаний более высокого типа на частоте ƒp3h2p1. Такой дополнительный объем 5 может быть подсоединен и к первому дополнительному объему 3 через соответствующий волновод. Итак, второй такт измерений характеризуется добавлением объема ΔV1, а третий такт - добавлением объема ΔV1+ΔV2 к первоначальному объему Vo.

Полученные три зависимости ƒp1, ƒp2 и от входных параметров можно описать с помощью известных соотношений следующего вида (монография: Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Наука. 1989. 208 с. С. 173-117):

где ƒp0 - начальная (в отсутствие жидкой фазы) значение резонансной частоты, Vг - суммарный объем, занимаемый газовой фазой во время соответствующего такта измерений, Vж - объем жидкости (водонефтяной смеси).

Данное соотношение (2) соответствует рассмотрению задачи определения покомпонентного состава нефтеводогазовой смеси как задачи измерения сплошности, когда требуется определить количество свободного газа в потоке жидкости. Для смеси воды и нефти или нефтепродукта, характеризуемой значением диэлектрической проницаемости ∈ж, известны различные аналитические и эмпирические соотношения, относящиеся к тем или иным режимам потоков таких смесей. Так, при относительно малом (~5%) содержании воды в потоке нефти или нефтепродуктах справедливо следующее соотношение (монография: Теория и практика экспресс-контроля влажности твердых и жидких материалов/ Кричевский Е.С., Бензарь В.К., Венедиктов М.В. и др. М.: Энергия. 1980. 240 с. С. 45-66):

где , W=Vв/(Vн+Vв) - влагосодержание.

Частоты ƒp1, ƒр2 и ƒp1 могут быть достаточно близкими. Реализация данного способа не требует различия ∈в на разных частотах.

На фиг. 1 приведено схематичное изображение трубопровода с контролируемым двухфазным веществом. В проточном резонаторе на измерительном участке 1 трубопровода возбуждают электромагнитные колебания с помощью генераторов в составе электронного блока 6 (его подсоединение показано схематично) в диапазонах частот, включающих резонансные частоты ƒр1, ƒp2 и ƒp3. В этом же электронном блоке 6 измеряют значения этих резонансных частот электромагнитных колебаний, осуществляют совместное функциональное преобразование согласно соотношению (1) и определяют, таким образом, искомые значения Vн, Vг и Vв и, если необходимо, ∈н.

Возможно также не одновременное, а последовательное возбуждение в проточном резонаторе электромагнитных колебаний в диапазонах частот, включающих резонансные частоты ƒp1, ƒр2 и ƒр3, и их измерение. При этом данные измеряемые значения сохраняют в электронном блоке и, по завершении цикла измерений с получением данных во всех трех тактах измерений, производят указанное выше функциональное преобразование согласно соотношению (1) с определением значений Vн, Vв и Vг и, если необходимо, ∈н. Поскольку такты измерений производят в течение очень короткого времени, то контролируемая область потока является практически неизменной за время проведения тактов измерений, что не влияет на результаты измерений.

Таким образом, данный способ позволяет определять состав транспортируемого трехкомпонентного двухфазного вещества, в частности нефтеводогазовой смеси. Он реализуем с применением электромагнитных волн СВЧ-диапазонов частот и с использованием соответствующей этим диапазонам элементной базы.

Способ измерения состава двухфазного вещества в потоке, при котором выполняют первый такт измерений, в котором воздействуют на вещество электромагнитными волнами СВЧ-диапазона частот и определяют по результатам воздействия его диэлектрическую проницаемость при применении соответствующего чувствительного элемента в виде СВЧ-резонатора и измерении его резонансной частоты электромагнитных колебаний, отличающийся тем, что дополнительно выполняют последовательно два такта измерений, в которых воздействуют на вещество электромагнитными волнами СВЧ-диапазона частот в двух частотных диапазонах, одному из которых соответствует изменение объема резонатора на некоторую фиксированную величину, а другому - изменение этого объема еще на некоторую фиксированную величину, производят измерение значений резонансной частоты резонатора в этих трех тактах измерений, осуществляют совместное функциональное преобразование измеренных значений резонансной частоты резонатора в указанных трех частотных диапазонах, по результатам которого определяют состав двухфазного вещества.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области противодействия терроризму и может быть использовано в системах защиты объектов. Способ обнаружения осколочных взрывных устройств основан на методе нелинейной радиолокации и включает облучение СВЧ электромагнитным зондирующим полем и регистрацию новых составляющих в спектре отраженного сигнала.

Предлагаемый способ относится к области электрических измерений и может применяться для контроля изменений интегрального состава вещества в химической промышленности, добывающей промышленности, в системах контроля отработанных газов двигателей внутреннего сгорания, либо в аналогичных комплексных системах, где крайне важна задача мониторинга изменения интегрального состава вещества, находящегося в любом агрегатном состоянии. Контроль изменений интегрального состава вещества основан на измерении изменений набега фазы микроволнового сигнала при его многократном распространении через объем контролируемого вещества.

Одной из главнейших задач обеспечения безопасности работ в угледобывающих шахтах является контроль содержания в рудничной атмосфере опасных газов и смесей, среди которых наибольшую угрозу представляют метан и угольная пыль. Предлагаемый способ относится к области электрических измерений и может применяться для контроля изменения состава интегральной газовой среды в угледобывающих шахтах, в системах контроля отработанных газов, которые выделяются вследствие промышленной деятельности человека, либо в аналогичных комплексных системах, где крайне важна задача мониторинга концентрации вторичных взрыво- и пожароопасных продуктов производства. Контроль изменений интегрального состава газовой среды основан на измерении изменений набега фаз микроволнового сигнала при его многократном распространении по замкнутой волноводной структуре, через которую также пропускают воздух их окружающей среды.

Способ определения процентного содержания воды в смеси диэлектрик-вода при изменении содержания воды в смеси в широких пределах относится к области электрических измерений неэлектрических величин и может быть использован для контроля содержания воды в жидких смесях типа диэлектрик-вода, например жидких углеводородах (нефть, масло, мазут и т.п.) или во влажных смесях (цементно-песочная смесь и т.п.).

Датчик перманентного контроля сердечного ритма шахтера относиться к области обеспечения безопасности работ в горной промышленности и может использоваться для перманентного контроля сердечного ритма всего персонала в шахтах, как во время выполнения ими плановых работ, так и при возникновение чрезвычайных ситуаций, повлекших изоляцию персонала шахты за/под завалом горной породы. Новым в датчике перманентного контроля сердечного ритма шахтера является размещение датчика внутри корпуса аккумуляторного блока шахтерского фонаря со стороны его широкой стенки, обращенной к телу шахтера и изготовление датчика в виде автодинного генератора, совмещенного с микрополосковой антенной и содержащего кроме того датчик тока, узкополосный усилитель инфразвуковой частоты, микроконтроллер со встроенным аналого-цифровым преобразователем и получатель информации о сердечном ритме шахтера. Автодинный генератор состоит из полевого транзистора, блокировочного конденсатора и микрополосковой антенной на диэлектрической подложке с экранирующей пластиной, который начинает генерировать колебания при подаче на сток транзистора напряжения постоянного тока.

Способ контроля изменений интегрального состава газовой среды относится к области электрических измерений и может быть использован в составе аналитическо-измерительных комплексов непрерывного контроля за параметрами атмосферы в замкнутых пространствах, в шахтах и тоннелях, а также в системах автоматического управления технологическими процессами, системах непрерывного экологического мониторинга и метеорологии. Преимущество данного способа измерения, по сравнению с другими способами измерения заключается в защищённости датчиков от пыли, влаги, паров, малом времени измерения и возможности проведения контроля изменений интегрального состава газовой среды на протяжённых трассах и в больших объёмах рабочих пространств.

Использование: для бесконтактного и дистанционного определения толщины плоских диэлектрических материалов. Сущность изобретения заключается в том, что одновременно излучают электромагнитные волны с частотой F1 и частотой в k раз выше kF1 в сторону поверхности диэлектрической пластины по нормали к ней, принимают отраженные волны, вычисляют разность фаз φ1 между принимаемой волной с частотой kF1 и волной с частотой F1, предварительно умноженной на k, после этого одновременно излучают электромагнитные волны с другой частотой F2 и частотой в k раз выше kF2 в сторону поверхности диэлектрической пластины по нормали к ней, принимают отраженные волны, вычисляют разность фаз φ2 между принимаемой волной с частотой kF2 и волной с частотой F2, предварительно умноженной на k, толщину диэлектрической пластины определяют по фазам φ1 и φ2.

Изобретение относится к области подповерхностной радиолокации и контроля насыпи железных дорог и автодорог. Влажность, загрязненность и толщину слоев насыпи определяют с помощью георадара.

Настоящее изобретение относится к области обеспечения безопасности, а именно к сканирующему устройству формирования топографического изображения в миллиметровом диапазоне волн для досмотра людей.

Предлагаемое изобретение относится к способам определения влажности. Оно может найти применение в нефтехимической промышленности, и в частности, для экспресс-контроля качества авиационных керосинов в условиях аэродрома.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для высокоточного измерения физических свойств веществ, являющихся компонентами трехкомпонентного вещества, неподвижного или транспортируемого по трубопроводу. В частности, данный способ может быть применен для определения состава вещества в потоке добываемой и транспортируемой нефти, являющейся, по существу, трехкомпонентным двухфазным веществом (нефть, газ, вода). Предлагается способ измерения состава трехкомпонентного водосодержащего вещества в потоке, при котором воздействуют на вещество электромагнитными волнами в двух частотных диапазонах и определяют по результатам воздействия его диэлектрическую проницаемость при применении соответствующих радиоволновых датчиков и измерении одного из информативных параметров каждого из них, причем частоты этих волн соответствуют разным значениям диэлектрической проницаемости воды, и частоту, по меньшей мере, одной из волн выбирают в СВЧ-диапазоне, при этом дополнительно воздействуют на вещество электромагнитными волнами в третьем частотном диапазоне СВЧ-диапазона частот, соответствующем отличному от двух других значений диэлектрической проницаемости воды, при применении соответствующего ему радиоволнового датчика и измерении одного из его информативных параметров, осуществляют совместное функциональное преобразование измеренных значений информативных параметров датчиков в указанных трех частотных диапазонах, по результатам которого определяют состав вещества в виде объемного содержания каждой из трех компонент вещества. Повышение скорости получения первичной информации о параметрах потока, перемещаемого по трубопроводу, а также определения покомпонентного состава нефтеводогазовой смеси, является техническим результатом изобретения. 4 ил.
Наверх