Покомпонентный расходомер газожидкостной среды

Предложенная модель покомпонентного расходомера газожидкостной среды ГЖС относится к области измерения расхода многокомпонентных газожидкостных потоков и может быть использована в нефтяной промышленности.
Известен бесконтактный тепловой меточный способ измерения расхода газожидкостных потоков, реализованный в расходомере и принятый нами за прототип, состоит в последовательном измерении теплового пограничного слоя и измерении меточным методом скорости потока. Измеряется две величины: ΔТ - разность температур стенок патрубка до и после нагревателя в точках установки термопреобразователей и τ - время прихода тепловой метки к термопреобразователю за теплонагревателем. При измерении ΔТ в поток нагревателем постоянно вводится тепло. При измерении скорости движения метки в поток вводится кратковременный тепловой импульс. По совокупности этих измерений исчисляются величины газа и жидкости (Д.Д. Булкин, Г.А. Соколов. Бесконтактный тепловой расходомер для измерения газожидкостных потоков/ж. Датчики и системы. Sensors & Systems • №12.2008).
Недостатком известного способа является сложный последовательный двухступенчатый процесс нагревания контролируемого газожидкостного потока с завышенной затратой энергии на постоянное нагревание при измерении разности температур ДТ.
Техническим результатом является упрощение бесконтактного расходомера многокомпонентной газожидкостной среды, использующего единый тепловой параметр идентификации компонента, позволивший сократить аппаратурную оснастку.
Технический результат достигается тем, что содержит проточный корпус с входным и выходным патрубками, снабженными крепежными к трубопроводу фланцами, измерительный участок корпуса выполнен щелеобразным прямоугольным, к плоской стороне которого посредством сужающегося прямоугольного конуса прикреплен тепловизор с вычислительным комплексом обработки информации, а входной патрубок охвачен инфракрасным импульсным нагревателем.
На фиг. 1 представлен общий вид расходомера.
На фиг. 2 показаны уровни приобретаемых компонентами температур.
На фиг. 3 показана термограмма проходящей с потоком тепловой метки.
На фиг. 4 показан «единичный» объем W.
Покомпонентный расходомер (фиг. 1) содержит корпус 1, входной парубок 2 и выходной патрубок 3 с крепежными фланцами 4, прямоугольный щелеобразный измерительный участок 5 с плоской стенкой 6, инфракрасный импульсный нагреватель 7, прямоугольный конус 8 и тепловизор с вычислительным комплексом обработки информации 9.
При реализации модели используется высокоскоростной научный тепловизор серии FAST фирмы Telops для инфракрасного анализа быстродействующих процессов, который автоматически адаптируется к быстрым температурным изменениям (рабочая частота кадров типоразмеров от 350 до 3000 Гц и может достигать до 100000 Гц. https://www.cameraiq.ru/catalog/series/ohla-zhdaemyj-nauchnyj-teplovizor).
к
Покомпонентный расходомер ГЖС определяет массовый расход компонентов в смеси следующим образом. Контролируемый поток ГЖС проходит через входной патрубок 2 (фиг. 1), по металлическому корпусу 1 через измерительный участок 5 к выходному патрубку 3. Во входном патрубке 2 поток равномерно по всему сечению нагревается в течение времени Δt инфракрасным импульсным нагревателем 7, охватывающим входной патрубок. Поскольку скорости зарядов компонентов различны из-за различных величин их полных теплоемкостей С, то за заданное время Δt заряда каждый компонент нагревается на различную температуру Т в зависимости от их удельных теплоемкостей «с», масс «m» и времени Δt их нагрева, т.е.
1
где К-коэффициент пропорциональности.
в
н
г
Поступившие в измерительный участок 5 компоненты, например: вода, нефть и газ, нагретые до разных температур Т, Т и Т распределяются по его плоскости, контактируют с его стенкой и создают в ней, нагретые до этих разных температур местные области, термограмма которых показана на фиг. 3 с клеткой, соответствующей матрице тепловизора. Тепловизор 9 с вычислительным комплексом по ячейкам (клеткам) матрицы измеряет температуры в единичных объемах W (рис. 4) и по количеству клеток с равными температурами вычисляет размеры площадей (области), занимаемых каждым компонентом. Соотношения этих равнотемпературных площадей определяют доли α масс Мк компонентов в общей массе М потока (α=Мк/М).
При изменении скорости V контролируемого потока изменяется, при неизменном заданном времени нагрева Δt, и длина L (фиг. 3) нагретой импульсом зоны потока. Скорость V, измеренная по времени τ (фиг. 4) пробега тепловой метки по измерительному участку 4, корректирует измеренные тепловизором температуры и вычислительный комплекс тепловизора 9 определяет общую массу М всех компонентов и отдельно массы Мк компонентов по их долям α.
Идентификация компонента по величине присущей ему температуре выполняется путем сравнения его измеренной температуры с уставками температур, полученных при пусковой настройке измерения смеси конкретных компонентов в соответствии с плотностью ρ и удельной теплоемкостью с соответствующих плотности ρ и удельной теплоемкости с каждого компонента:
1
2
я
Каждая ячейка матрицы вычислительного комплекса тепловизора измеряет скорректированную по скорости V потока температуру, приобретенную компонентом при его нагреве одним импульсом теплового заряда. В соответствии с уравнением (1) масса m в единичном объеме W=a*6*6 (фиг. 4) каждого компонента с учетом скорректированной температуры равна  Скорректированная по скорости V температура каждого компонента , где К и К - коэффициенты пропорциональности, преобразуется в тепловизоре в каждой ячейке матрицы в электрический сигнал  И общая масса М всех компонентов вычислительным комплексом определяется как сумма Е всех ячеек матрицы
к
к
в
в
н
н
г
г
Раздельно массы компонентов подсчитываются как М = α М. Например для газожидкостного потока воды, нефти и газа: М=αМ, М=αМ, М=αМ.
Таким образом обеспечивается построение упрощенного бесконтактного многокомпонентного расходомера, использующего единый температурный параметр идентификации компонентов и позволивший сократить аппаратурную оснастку и при этом применить стандартный тепловизор.