УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ МНОГОФАЗНОГО ПОТОКА В ТРУБОПРОВОДЕ

Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике и может быть использована для определения вида многофазного потока в трубопроводе в ходе его эксплуатации.
Известно устройство для измерения многофазного потока (RU 2183012 С2, G 01 F 1/74 опубл. 27.05.2002), которое содержит по крайней мере два измерительных кольца с ультразвуковыми датчиками, размещенными на равном расстоянии друг от друга вокруг потока, и по крайней мере один кольцевой емкостный датчик, предназначенный для определения типа режима потока. Измерительные кольца с датчиками позволяют определить местоположение межфазных границ для измерения относительных объемов каждой фазы.
Недостатком устройства является его малая информативность, низкая точность, т.к. поток прозвучивается только в одном (перпендикулярном центральной оси трубопровода) направлении.
Известно устройство для измерения многофазного потока (RU 2270981 С2, G 01 F 15/08, G 01 F 1/74, G 01 F 1/84, опубл. 27.02.2006), которое содержит вихревой сепаратор, связанный с парой кориолисовых расходомеров, обеспечивающих измерение массового расхода и плотности соответственно газового и жидкого компонента, а также измеритель воды в жидком компоненте. Тип измерителя (емкостной, резистивный, микроволновой) выбирается в зависимости от содержания воды в многофазном потоке. Плотность воды измеряют гидрометром в образце воды, отобранном водоотделителем. Данные по плотности и содержанию воды, а также плотности жидкого компонента поступают в регулятор для определения расчетной плотности жидкого компонента.
Недостатком устройства является его громоздкость, малая мобильность, недостаточная информативность, ограниченность в применении.
Известно устройство контроля многофазного потока в трубопроводе (RU 2198397 С2, G 01 N 29/02, опубл. 10.02.2003), которое состоит из одного излучателя и ряда приемников, расположенных на стенках трубопровода по его диаметру, выходы приемников подключены к входам блока аналоговой памяти и таймеров, выходы которого соединены с входами коммутатора, один выход которого подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, а другой к входу оперативной памяти, микропроцессорный модуль, выходы которого соединены с входами блока аналоговой памяти и таймеров, коммутатора, аналого-цифрового преобразователя, оперативной памяти и генератора ультразвукового сигнала. Микропроцессорный модуль управляет работой перечисленных блоков системы и осуществляет обработку данных.
Недостатком устройства является его низкая точность, т.к. не учитываются многие, влияющие на определение режима течения в трубопроводе, параметры, поток прозвучивается только в одном (перпендикулярном центральной оси трубопровода) направлении.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является разработка устройства, позволяющего осуществлять постоянный мониторинг трубопровода.
При осуществлении полезной модели, поставленная задача решается за счет достижения технического результата, который заключается в повышении точности и информативности, при определении режима течения в трубопроводе, за счет того, что учитываются дополнительные факторы, влияющие на характер многофазного потока (температура потока, давление в трубопроводе, угол наклона трубопровода относительно горизонтальной поверхности). Данные дополнительные факторы
существенно влияют на режим течения многофазного потока в трубопроводе. Так, например, температура влияет на вязкость жидкости в трубопроводе, давление в трубопроводе влияет на качественный состав потока, а угол наклона трубопровода относительно горизонтальной поверхности влияет не только на режим течения в трубопроводе, но и на возможность изменения текущего режима течения. Без учета данных параметров, верное определение режима течения многофазного потока в трубопроводе было бы возможно лишь в определенных границах температуры потока, давления в трубопроводе и определенном угле наклона трубопровода. Учитывая данные параметры, помимо повышения точности в определении режима течения потока в трубопроводе, мы существенно расширяем границы применения данного устройства контроля многофазного потока в трубопроводе.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство контроля многофазного потока в трубопроводе содержит излучатель ультразвукового сигнала и ряд приемников ультразвукового сигнала, образующих основную группу преобразователей, расположенную по окружности трубопровода в одной плоскости его сечения, перпендикулярно центральной оси трубопровода, осуществляющую прозвучивание многофазного потока перпендикулярно центральной оси трубопровода, блок аналоговой памяти и таймеров, коммутатор, аналого -цифровой преобразователь, оперативную память, микропроцессорный модуль, генератор ультразвукового сигнала, также содержит средство для определения температуры потока внутри трубопровода, средство для определения давления внутри трубопровода, средство для определения угла наклона трубопровода относительно горизонтальной поверхности, излучатель ультразвукового сигнала, ряд приемников ультразвукового сигнала, образующих дополнительную группу преобразователей, при этом, дополнительная группа преобразователей расположена вдоль
трубопровода, в вертикальной плоскости его сечения, проходящего через центральную ось трубопровода, осуществляющую прозвучивание многофазного потока вдоль центральной оси трубопровода. Выходы средств измерения температуры потока внутри трубопровода, давления внутри трубопровода, угла наклона трубопровода относительно горизонтальной поверхности, а также приемники ультразвукового сигнала обеих групп соединены со входами блоков аналоговой памяти и таймеров, выходы блоков аналоговой памяти и таймеров соединены со входами коммутаторов, один из выходов коммутаторов соединен со входом аналого - цифрового преобразователя, а второй выход коммутаторов соединен со входом оперативной памяти, выходы генератора ультразвукового сигнала соединены со входами источников ультразвукового сигнала, микропроцессорный модуль соединен с генератором ультразвукового сигнала, блоками аналоговой памяти и таймеров, коммутаторами, аналого - цифровым преобразователем, оперативной памятью.
Обе группы преобразователей одновременно принимают и фиксируют амплитуды и времена пробега прошедших и отраженных сигналов, преобразуют их в удобную для обработки цифровую форму и сравнивают с имеющимся во флэш-памяти микропроцессорного модуля набором цифровых эталонов (в определенной ранее эталонной группе), соответствующих различным многофазным потокам, и по результатам сравнения определяют характер многофазного потока. Повышение точности достигается за счет того, что в прозвучивании многофазного потока участвуют обе группы преобразователей.
Группу преобразователей составляют источник ультразвукового сигнала, а также несколько приемников сигнала данного вида. Основная группа преобразователей прозвучивает поток перпендикулярно центральной оси трубопровода, а дополнительная группа преобразователей прозвучивает поток вдоль центральной оси трубопровода. Причем при
продольном прозвучивании путь пройденный ультразвуковой волной от излучателя до каждого приемника всегда различен. Проходя более длинный путь, ультразвуковая волна затрачивает большее время, т.е. время влияния многофазного потока на ультразвуковую волну с увеличением пути увеличивается, таким образом приемник получит звуковую волну максимально измененную многофазным потоком, причем изменения ультразвуковой волны напрямую зависят от состава и режима течения многофазного потока. Исходя из этого, мы будем иметь более точную картину режима течения многофазного потока в трубопроводе.
На фиг.1 представлено устройство для осуществления контроля многофазного потока в трубопроводе. На фиг.2 представлена блок - схема устройства контроля многофазного потока в трубопроводе.
Устройство (на фиг.1) содержит средство для измерения температуры 1 потока, средство для определения давления 2 внутри трубопровода и средство для определения угла наклона 3 трубопровода относительно горизонтальной поверхности, дополнительную группу 4 преобразователей, основную группу 5 преобразователей. Цифрами обозначены: 6 - направление прозвучивания многофазного потока дополнительной группой 4 преобразователей, 7 - направление прозвучивания многофазного потока основной группой 5 преобразователей, 8 - направление движения многофазного потока внутри трубопровода 10, 9 - центральная ось трубопровода 10.
Устройство (на фиг.2) содержит два излучателя 11, 12 и два ряда приемников ультразвукового сигнала 13, 14. Излучатель ультразвукового сигнала 11 и ряд приемников ультразвукового сигнала 13 образуют основную группу 5 преобразователей, расположенную по окружности трубопровода в одной плоскости его сечения, перпендикулярно центральной оси трубопровода, которая прозвучивает многофазный поток перпендикулярно центральной оси 9 трубопровода 10. Излучатель
ультразвукового сигнала 12 и ряд приемников ультразвукового сигнала 14 образуют дополнительную группу 4 преобразователей, расположенную вдоль трубопровода, в вертикальной плоскости его сечения, проходящего через центральную ось трубопровода, которая прозвучивает многофазный поток вдоль центральной оси 9 трубопровода 10.
Место расположения (внутри или снаружи трубопровода) излучателей ультразвукового сигнала 11, 12, приемников ультразвукового сигнала 13, 14, а также других средств измерения и контроля, обозначенных на фиг.1 и фиг.2, определяется исходя из выбранных, при осуществлении устройства, технических средств и их конструктивных особенностей. При выборе технических средств осуществления устройства необходимо учитывать границы применимости, а также область использования того или иного технического средства.
Выходы приемников ультразвукового сигнала 13 подключены к соответствующим входам блока 15 аналоговой памяти и таймеров, а выходы приемников ультразвукового сигнала 14 к соответствующим входам блока 16 аналоговой памяти и таймеров. Выходы блока 15 аналоговой памяти и таймеров, а также блока 16 аналоговой памяти и таймеров - соединены с входами коммутаторов 17 и 18 соответственно. Один из выходов коммутаторов 17 и 18 подключен к входу аналого - цифрового преобразователя 19, а другой к входу оперативной памяти (ОЗУ) 20. В составе устройства имеется микропроцессорный модуль 21, выходы которого соединены с входами блоков 15 и 16 аналоговой памяти и таймеров, коммутаторов 17 и 18, аналого - цифрового преобразователя 19, оперативной памяти 20 и генератора ультразвукового сигнала 22.
Микропроцессорный модуль 21 управляет работой перечисленных элементов схемы фиг.2 и осуществляет обработку данных.
Примером средства определения давления внутри трубопровода является датчик давления Метран - 100 ДИ, примером средства
определения температуры многофазного потока внутри трубопровода является датчик температуры ТСМУ Метран - 274, примером средства определения угла наклона трубопровода относительно горизонтальной поверхности является датчик угла наклона (инклинометр) ИЛМ - 01.
Устройство для контроля многофазного потока в трубопроводе 10 функционирует следующим образом. Данные с выходов средств определяющих температуру 1 потока, давление 2 внутри трубопровода 10 и угол наклона 3 трубопровода 10 относительно горизонтальной поверхности поступают на входы блока 16 аналоговой памяти, где под управлением микропроцессорного модуля 21 происходит фиксация значений данных параметров для текущего цикла опроса приемников 13, 14. Причем, при следующем цикле опроса приемников 13, 14, также первоначально происходит съем информации со средств для измерения температуры 1 потока, давления 2 внутри трубопровода 10 и определения угла наклона 3 трубопровода 10 относительно горизонтальной поверхности. Далее, при помощи коммутатора 18, происходит передача полученных аналоговых сигналов значений температуры потока, давления внутри трубопровода 10 и угла наклона трубопровода относительно горизонтальной поверхности на аналого - цифровой преобразователь 19 с целью преобразования их в пропорциональный цифровой код. После этого полученные цифровые коды поступают в оперативную память (ОЗУ) 20, где, под управлением микропроцессорного модуля 21, происходит определение группы эталонных значений различных режимов многофазного потока для данной температуры потока, давления внутри трубопровода 10 и угла наклона трубопровода 10 относительно горизонтальной поверхности.
Затем, генератор ультразвукового сигнала 22 под управлением микропроцессорного модуля 21 генерирует электрические импульсы с частотой (1-2,5) МГц. Эти импульсы поступают на излучатели 11 и 12, которые формируют ультразвуковые колебания, распространяющиеся
через контролируемую среду - многофазный поток. С помощью приемников 13 и 14 осуществляется прием ультразвуковых колебаний, прошедших через многофазный поток, которые подаются на входы блоков 15 и 16 аналоговой памяти и таймеров соответственно, где происходит фиксация максимальных амплитуд и времени приема сигналов по управляющим сигналам синхронизации с микропроцессорного модуля 21. Коммутаторы 17 и 18 позволяют последовательно опросить блоки 15 и 16 аналоговой памяти и таймеров с целью преобразования с помощью аналого-цифрового преобразователя 19 аналоговых сигналов в пропорциональный цифровой код, а также последовательно передать цифровые коды таймеров, пропорциональные временным задержкам принятых сигналов, в оперативную память (ОЗУ) 20.
Идентификация режима течения и его особенностей осуществляется микропроцессорным модулем 21 по программе, хранимой во флэш-памяти модуля.
Устройство может быть положено в основу долговременного мониторинга трубопровода. При помощи данного устройства для контроля многофазного потока в трубопроводе возможно построение системы, осуществляющей расчет прогнозируемой скорости внутренней коррозии трубопровода. На основе данного устройства возможно проведение комплексной диагностики уже функционирующих трубопроводов, а также проведение работ по оптимизации функционирования трубопроводов. Данное устройство может быть использовано в составе параметрического способа определения утечек трубопровода.