СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ГАЗОЖИДКОСТНОГО ПОТОКА

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к измерению расхода природного газа, добываемого на газоконденсатных месторождениях и содержащего жидкую углеводородную фазу в капельном или аэрозольном виде, а также может быть использовано в энергетике (расход газожидкостного потока), авиационной технике, химических и криогенных технологиях и других областях промышленности.

Известен и широко распространен способ измерения расхода газожидкостного потока методом переменного перепада давления с помощью сужающих устройств (СУ) [1]. При протекании газа в месте установки СУ газ увеличивает скорость, при этом на сужающем устройстве возникает перепад давления. Перепад давления Δρ и скорость газа V связаны соотношением:

где ρ - плотность газа в рабочих условиях,

С₁ - постоянная, определяемая геометрическими размерами и формой СУ.

Объемный расход Q₀ рассчитывают по соотношению:

где S - поперечное сечение трубопровода.

Массовый расход определяют, зная объемный расход:

Недостатками способа являются: трудность нахождения плотности газожидкостного потока ρ в рабочих условиях; скопление жидкости перед СУ приводит к нарушению условий применимости метода, вариации коэффициента C₁ в соотношении (1) (коэффициент перестает быть постоянной величиной и становится функцией скорости и объемного содержания жидкости); возможность возрастания ошибки при измерении потоков с небольшими скоростями (V<1 м/с), так как при уменьшении скорости потока перепад давления снижается.

Известно устройство измерения расхода газожидкостного потока [1], состоящее, в общем случае, из измерительного трубопровода, в котором устанавливают стандартное СУ, представляющее собой диафрагму или сопло, блок измерения перепада давления на входе и выходе СУ и блок обработки результатов измерений.

Недостатком устройства является необходимость смены диафрагм с разными диаметрами для обеспечения полного диапазона измерений расхода газа.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению являются способ измерения расхода газожидкостного потока [2], основанный на взаимодействии потока со специально введенным в поток телом возмущения (обтекания). При движении газа на тело возмущения действует сила лобового сопротивления:

где ρ - плотность потока в рабочих условиях,

V - скорость потока,

S₂ - поперечное сечение тела возмущения,

С₂ - коэффициент, зависящий от формы тела возмущения.

При увеличении скорости потока сила лобового сопротивления увеличивается, что приводит к смещению положения тела возмущения, которое в первом приближении пропорционально расходу газа.

Недостатками способа являются: низкая точность измерения, так как регистрация расхода в настоящее время производится визуально; трудность нахождения плотности ρ газожидкостного потока в рабочих условиях.

Устройство измерения расхода газожидкостного потока, выбранное за прототип, получило название ротаметр [2]. Устройство представляет собой устанавливаемую вертикальную трубку с небольшой конусностью: она слегка расширяется снизу верх. Входное отверстие расположено внизу и в отсутствие потока закрыто телом возмущения ("поплавком") - обычно в виде шара; выходное отверстие располагается вверху. При прохождении газа поплавок смещается вверх и высота подъема "поплавка" h пропорциональна расходу: Q₀=κh, где κ - коэффициент пропорциональности.

Недостатком устройства являются: необходимость иметь прозрачный (стеклянный, кварцевый, плексигласовый) корпус ротаметра, что не позволяет работать на больших давлениях, а также требование установки ротаметра в вертикальном положении.

Техническим результатом предложенного изобретения является возможность измерения расхода газожидкостного потока с приемлемой точностью при рабочих условиях применения и в широком диапазоне скоростей потока.

Технический результат достигается тем, что в способе измерения расхода газожидкостного потока, заключающемся во взаимодействии потока с введенным в него телом возмущения, поток пропускают через два открытых цилиндрических резонатора, при этом тело возмущения расположено в плоскости, проходящей через середину второго резонатора, измеряют смещение частот обоих резонаторов, работающих на типах колебаний ТМ _mpq с четным продольным индексом q, по величине сдвига частоты первого резонатора определяют плотность газожидкостного потока ρ, а по смещению частоты второго резонатора определяют скоростной напор и по полученным данным вычисляют объемный и массовый расходы газожидкостного потока в трубопроводе. Для возбуждения отрытых цилиндрических резонаторов используют радиоволны СВЧ/КВЧ диапазонов.

Технический результат достигается тем, что в устройство для измерения расхода газожидкостного потока, состоящее из блока управления частотой, соединенного с генератором качающейся частоты, который через волноводный тройник и волноводы связан с двумя открытыми цилиндрическими резонаторами, выходы которых приемными волноводами соединены с двумя детекторными секциями, соединенными с блоком измерения и обработки частоты, связанным с блоком индикации, во второй отрытый резонатор введено тело возмущения в виде набора упругих радиальных пластин, расположенное в плоскости, проходящей через середину второго резонатора.

На фиг.1 изображена схема устройства для измерения газожидкостного потока. На ней показаны: измерительная секция, состоящая из двух открытых цилиндрических резонаторов 1 и 2, размещенных в силовом корпусе 3, так что поперечное сечение трубопровода 4 сохраняется прежним; тело возмущения 5, расположенное в плоскости, проходящей через середину второго резонатора, перпендикулярно его оси; подводящие волноводы 6, 7; волноводный тройник 8; СВЧ/КВЧ генератор качающейся частоты 9 с блоком управления частотой 10; приемные волноводы 11, 12; детекторные секции 13, 14; блок измерения и обработки частоты 15 с блоком индикации 16.

На фиг.2 изображено тело возмущения 5, представляющее собой фигурную диафрагму, образованную набором узких упругих пластин, ориентированных в радиальном направлении.

На фиг.3 показаны два случая положения тела возмущения 5 - в случае отсутствия потока (а) и в случае его наличия (б).

На фиг.4 изображена основная компонента электрического поля Е_Z как функция продольной координаты Z при работе резонатора 2 на одном из типов колебаний ТМ _mpq с четным индексом q=2 и указано место установки Z_q возмущающего тела.

Способ реализуется следующим образом.

Радиочастотные колебания СВЧ/КВЧ диапазона, выдаваемые генератором 9, возбуждают в объемах резонаторов 1 и 2 колебания, характеризующиеся определенной пространственной структурой, т.е. с определенной поляризацией (ТМ), определенным числом полуволн по азимуту (m), радиусу (р) и продольной координате Z_q, а также определенной ("собственной") частотой ω_mpq=ω₀, задаваемой геометрией резонатора - его формой и размерами. При протекании газожидкостного потока в полости резонатора 1 собственная частота такого возмущенного резонатора смещается ω₀→ω₁=ω₀-Δω₀₁. Величина этого смещения определяется диэлектрической постоянной газожидкостной смеси ε, которая является функцией ее состава и плотности ρ (в рабочих условиях). Поскольку состав смеси и рабочие условия (давление и температура) известны, то по величине смещения Δω₀₁ можно определить плотность ρ.

Введение внутрь резонатора 2 тела возмущения приводит к дополнительному частотному смещению: ω₀→ω₂=ω₀-Δω₀₂. При этом положение тела подбирают таким образом, чтобы в отсутствие потока тело возмущения не вносило возмущение в резонаторе 2, а при наличии потока оно под действием силы лобового сопротивления F_л отклонялось в область ненулевого СВЧ/КВЧ поля резонатора 2 и возмущало его. Поскольку величина Δω₀₂ пропорциональна смещению возмущенного тела, а последнее определяется величиной

то из измерений величины Δω₀₂ и ранее определенной плотности ρ находят скорость V.

Устройство, реализующее этот способ, работает следующим образом.

Генератор 9, управляемый пилообразным напряжением, выдаваемым блоком 10 управления частотой, линейно изменяет частоту в диапазоне рабочей частоты - колебания ТМ _mpq. СВЧ/КВЧ колебания поступают на волноводный тройник 8, делятся на две части и по волноводам 6 и 7 поступают на резонаторы 1 и 2, которые возбуждаются в моменты времени, когда частота генератора 9 совпадает с собственными частотами резонаторов 1 и 2. Сигналы от резонаторов 1 и 2 по приемным волноводам 11 и 12 поступают на детекторные секции 13 и 14 и далее на блок измерения и обработки 15. В блоке измерения и обработки 15 определяются смещения рабочих частот обоих резонаторов Δω₀₁, Δω₀₂, проводятся вычисления и результаты выводятся на блок индикации 16. Так как резонаторы 1 и 2 идентичны, то Δω₀₁=Δω₀₂.

При заполнении трубопровода газожидкостной смесью до рабочего давления частоты колебаний ТМ _mpq смещаются ω₀₁→ω₁=ω₀₁-Δω₁ и ω₀₂→ω₂=ω₀₂-Δω₂, причем смещения Δω₁ и Δω₂ также одинаковы. Величина частотного смещения Δω₁ определяется из соотношения [3]:

Величина ε связана с плотностью ρ уравнением Клаузиуса-Моссотти [4]:

где N₀ - число Авогардо,

α - поляризуемость вещества потока,

μ - молекулярная масса.

Величина ε является функцией состава потока и рабочих условий (давление Р и температура Т)

где P₀, Т₀ и ε₀ - давление, температура и диэлектрическая постоянная вещества потока при стандартных условиях

Так как ε₀ метана крайне мало: ε₀=1,0008, то величина ε даже при больших давлениях несильно отличается от 1. Отсюда, принимая ε+2=3, из (4) и (5) имеем:

Пусть теперь газожидкостная среда движется со скоростью V, т.е. возникает поток, характеризующийся расходами Q₀ и Q_m. Под действием силы лобового сопротивления F_л пластинки возмущающего тела 5 изгибаются и их концы попадают в область электрического поля. При этом частота резонатора 2 дополнительно смещается на величину Δω₂: ω₁→ω₂=ω₀₂-Δω₁-Δω₂. Это смещение может быть подсчитано по соотношению [3]:

где u - полная энергия, запасенная в резонаторе 2,

Δτ - объем тела возмущения,

dτ - элемент объема тела возмущения,

ε₁ - диэлектрическая постоянная материала тела возмущения.

Сила лобового сопротивления F_л, заставляющая прогибаться пластины 5, определяется скоростным напором:

где S - поверхность пластин, возмущающих поток,

С₂ - коэффициент, учитывающий аэродинамику тела возмущения.

Поскольку смещение пластин возмущающего тела 5 вызывает смещение частоты резонатора 2, то:

где χ - некоторый коэффициент, величина которого устанавливается в процессе калибровки.

Из соотношения (10), зная ρ, определяют скорость V:

Используя далее найденное значение плотности и скорости, блок измерения и обработки 15 производит перемножение и находит далее величины объемного и массового расхода по соотношениям (2) и (3).

Литература

[1] - Плотников В.М., Подрешетников В.А., Тетеревятников Л.Н. Приборы и средства учета природного газа и конденсата. Л., Недра, 1989, 238 с.

[2] - Кремлевский П.П. Измерение расхода многофазных потоков. Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1982, 105 с.

[3] - Голант В.Е. СВЧ методы исследования плазмы. М.: Наука, 1968, 326 с

[4] - Тареев Б.М. Физика диэлектрических материалов. М.: Энегроатомиздат, 1982, 320 с.