Устройство для измерения газосодержания нефте-водо-газового потока

Полезная модель относится к ультразвуковым расходомерам многофазных сред и может быть использована для измерения параметров контролируемой жидкой среды в трубопроводе с более высокой точностью за счет увеличения амплитуды полезного сигнала и, следовательно, увеличения отношения сигнал/шум. В устройстве для измерения газосодержания нефте-водо-газового потока, содержащем передатчик и приемник ультразвука, расположенные навстречу друг другу под прямым углом к направлению потока, каждый из которых содержит соединенные между собой пьезоэлемент и волновод диаметром 12 мм, волноводы передатчика и приемника ультразвука изготовлены из титана, 1 н.п. ф-лы, 5 илл.

Полезная модель относится к ультразвуковым расходомерам многофазных сред и может быть использована для измерения параметров контролируемой жидкой среды в трубопроводе с более высокой точностью за счет увеличения амплитуды полезного сигнала и, следовательно, увеличения отношения сигнал/шум.

Известен время-импульсный расходомер РУС-1МК производства ООО "ИЦ "НАУКА" г.Чебоксары, имеющий титановый волновод (http://szpribor.pulscen.ru/goods/9229670-raskhodomer_zhidkostey_ultrazvukovoy_rus_1mk). Расходомер может измерять расход только однофазных сред и не работоспособен в многофазных, так как волноводы расположены достаточно далеко друг от друга, и сигнал с передатчика практически полностью затухает в многофазной среде.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство измерения объемного расхода нефтеводогазового потока, описанные в "Древков В.П. Разработка и исследование ультразвуковых методов и информационно-измерительной системы измерения расхода нефтеводогазового потока. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. М" стр.2427.

Устройство, взятое за прототип, содержит измерительный гидроканал с установленными в нем передатчиком и приемником ультразвука, расположенными под углом к направлению потока, каждый из которых содержит соединенные между собой пьезоэлемент и волновод диаметром 1,4 мм при этом все металлические детали узла изготовлены из коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т.

Ультразвуковые колебания, излучаемые пьезоизлучателем, в случае наличия жидкости проходят через среду, а в случае наличия газа нет. По доли времени, когда сигнал не проходит, определяется газосодержание.

Пьезоизлучатель и пьезоприемник идентичны по конструкции и содержат пьезопреобразователь, состоящий из пьезоэлемента и металлического волновода, герметично закрепленных в корпусе.

Недостатком устройства является малое значение амплитуды полезного сигнала на пьезоприемнике ультразвуковых преобразователей, т.е. малое значение отношения сигнал/шум, определяющее достоверность получаемой и выдаваемой преобразователями информации.

Задачей предлагаемого устройства является повышение амплитуды полезного сигнала на пьезоприемнике ультразвукового преобразователя скорости.

Это достигается тем, что в устройстве для измерения газосодержания нефте-водо-газового потока, содержащем передатчик и приемник ультразвука, расположенные навстречу друг другу под прямым углом к направлению потока, каждый из которых содержит соединенные между собой пьезоэлемент и волновод диаметром 12 мм, волноводы передатчика и приемника ультразвука изготовлены из титана.

Сущность полезной модели поясняется чертежами. На фиг.1 показано взаимное расположение передатчика и приемника ультразвука, где 1 - передатчик, 2 - приемник, 3 - стенки емкости с контролируемой средой. На фиг.2 показано устройство передатчика (приемника) ультразвука, где 4 - корпус, 5 - пьезоэлемент, 6 - волновод. На фиг.3 показаны графики отношения амплитуды сигнала на приемнике к амплитуде сигнала на передатчике при различных контролируемых жидкостях.

Устройство работает следующим образом. Для генерации звуковых волн применяются пьезоэлементы, преобразующие переменное напряжение в механические колебания. Пьезоэлемент 5 соединяется с торцом волновода 6 (как правило, металлическим) с помощью пайки или прижатия пружиной, который крепится к корпусу 4. Противоположный торец волновода 6 передает механические колебания в контролируемую среду. Передатчик 1 периодически излучает ультразвуковые импульсы в контролируемую среду. Если между передатчиком 1 и приемником 2 находится газовый пузырь, то ультразвуковой импульс не достигнет приемника 2, если же газа нет, то - достигнет и преобразуется в электрический сигнал. Вычисляя отношение количества прошедших импульсов к их общему количеству за определенный интервал времени, определяется объемное содержание газа в контролируемой многофазной среде.

При встрече звуковой волны с границей раздела двух материалов, имеющих различные плотность и упругость, происходит ее частичное отражение. Коэффициент интенсивности звуковой волны K_отр, отраженной от границы раздела, определяется формулой Френеля:

где: z₁, z₂ - акустические сопротивления материалов, кг/с·м².

Коэффициент интенсивности звуковой волны K_пр, прошедшей сквозь границу раздела, определяется из закона сохранения энергии:

Тогда

Звуковая волна, проходя от пьезоэлемента через волновод в жидкость, встречает на своем пути две границы раздела материалов: пьезоэлемент/волновод и волновод/жидкость. Введем следующие обозначения:

z₁ - акустическое сопротивление материала пьезоэлемента, кг/с·м ²;

z₂ - акустическое сопротивление материала волновода, кг/с·м²;

z₃ - акустическое сопротивление материала жидкости, кг/с·м².

Коэффициент интенсивности звуковой волны K_ж в жидкости, исходя из введенных обозначений, равен:

В ультразвуковых расходомерах происходит прямое преобразование электрического сигнала на пьезоизлучателе в механические колебания жидкости и обратное преобразование механических колебаний жидкости в электрический сигнал на пьезоприемнике, т.е. звуковая волна проходит через четыре границы раздела материалов. Следовательно, отношение K амплитуды электрического сигнала на пьезоприемнике к амплитуде электрического сигнала на пьезоизлучателе равно квадрату коэффициента K_ж, определяемого по формуле (4), т.е.:

Таким образом, при заданном материале пьезоэлемента и известном типе жидкости задача повышения амплитуды полезного сигнала состоит из нахождения параметра z₂ , т.е. в выборе материала волновода. Для нахождения максимального значения уравнения (5) при постоянных значениях z₁ и z₃ дифференцируем уравнение (5) по переменному значению z₂:

Приравнивая уравнение (6) к нулю, находим точку экстремума функции (5):

Акустическое сопротивление z материала вычисляется по формуле:

где: - плотность материала, кг/м³;

с - скорость распространения звука в материале, м/с.

В качестве материала пьезоэлементов используют цирконат-титанат свинца (ЦТС). В качестве жидкости рассмотрим нефть и воду. Характеристики материалов сведем в таблицу фиг.4.

На фиг.3 показаны графики зависимости коэффициента K от акустического сопротивления z₂ материала волновода при его контакте с водой и с нефтью. Из графиков видно, что максимальная амплитуда электрического сигнала на пьезоприемнике, как и следует из формулы (7), достигается при z₂=46 кг/с·м².

В современных ультразвуковых расходомерах применяются стальные волноводы. Вместо стали предлагается применять титан, у которого значение z ближе к оптимальному, и который более устойчив к воздействию агрессивных сред. Вычислим по формуле (5) значение коэффициента K для стального и титанового волновода при работе ультразвукового расходомера в нефти и воде и сведем результаты в таблицу фиг.5.

Из таблицы фиг.5 следует, что титановые волноводы повышают амплитуду полезного сигнала приблизительно в три раза, что подтверждается экспериментально. Увеличение амплитуды полезного сигнала повышает устойчивость ультразвукового расходомера к электрическим помехам и повышает его точность, т.к. в спектре сигнала на пьезоприемнике уменьшается случайная составляющая, приводящая к случайным отклонениям показаний расходомера.

Устройство для измерения газосодержания нефте-водо-газового потока, содержащее передатчик и приемник ультразвука, расположенные навстречу друг другу под прямым углом к направлению потока, каждый из которых содержит соединенные между собой пьезоэлемент и волновод диаметром 12 мм, отличающееся тем, что волноводы передатчика и приемника ультразвука изготовлены из титана.