УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ГАЗА НА ОСНОВЕ РОТАМЕТРА
ROTAMETRE-BASED DEVICE FOR GAS FLOW RATE MEASUREMENT

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к измерению расхода газа, в том числе природного и попутного нефтяного, добываемых на газоконденсатных и нефтяных месторождениях. Оно также может быть использовано для контроля технологических процессов в топливно-энергетической и химической промышленности, в авиационной технике.
Известно устройство [1, 2] для измерения расхода, состоящее из измерительного трубопровода, в котором установлено стандартное сужающее устройство (диафрагма или сопло), блока измерения перепада давления ΔР на сужающем устройстве (СУ) и блока обработки результатов измерений.
Известны также устройства для измерения расхода газа [1, 3] с помощью вихревых расходомеров.
Этим двум группам измерительных устройств присущ тот недостаток, что в случае малых расходов, а точнее - малых перепадов давления на СУ, их точность заметным образом падает, что приводит к ограничению применения упомянутых устройств при регистрации газов, текущих с небольшими скоростями, например газов, подаваемых на факел.
Известны также устройства для измерения расхода газа, основанные на взаимодействии потока со специально введенным в него телом возмущения или обтекания (поплавок, поршень, диск, пластина, крыло).
При движении газа на тело возмущения действует сила скоростного напора
где ρ - плотность потока в рабочих условиях; υ - скорость потока; S - площадь поперечного сечения тела возмущения (площадь Миделя); С - коэффициент, зависящий от формы тела возмущения («коэффициент формы»).
Расходомеры этой группы обладают рядом важных достоинств: они просты в изготовлении, надежны в эксплуатации, имеют широкий диапазон измерений и удовлетворительные метрологические характеристики, могут работать в загрязненных газах. Широкий набор приборов этой группы выделяется в класс ротаметров [4], которые мы и примем за прототип.
Ротаметрами принято называть расходомеры, приемный преобразователь которых состоит из вертикальной конической трубы и помещенного в нее тела обтекания - поплавка. Устанавливается ротаметр вертикально, газ подается снизу. При появлении потока поплавок под действием газодинамического напора поднимается на определенную высоту h. Сила, приложенная к поплавку со стороны потока, зависит от скорости течения, которая определяется при данном расходе величиной проходной площади канала потока. Подъем поплавка приводит к увеличению зазора между ним и внутренней поверхностью трубы. При этом скорость потока снижается и сила, перемещающая его вверх, уменьшается. При постоянном расходе перемещение поплавка прекращается тогда, когда воздействие потока, даваемое формулой (1), сравнивается с весом поплавка. Таким образом, каждому постоянному значению расхода газа соответствует единственное положение равновесия поплавка на определенной высоте h его подъеме в конической трубе. Это обстоятельство и используется для измерения объемного расхода газа Q, который вычисляется по соотношению
где k - коэффициент пропорциональности.
Здесь Q - объемный расход (кг/с), вычисляемый по соотношению
где υ - скорость газа, а σ - сечение трубопровода.
Высоту h, на которую поплавок поднимается потоком, измеряют визуально, пользуясь делениями, нанесенными на внешней стороне ротаметра.
c
Калибровку ротаметра проводят с использованием газа с известной плотностью (ρ), в частности воздуха, при определенных давлении и температуре, например при стандартных условиях
3
3
с
t=20°С, Р=1,0332 кгс/см; при этом ρ=1,2046 кг/м.
i
Если при тех же условиях проводить измерения с газом другой плотности (ρ), то расход будет определен с погрешностью, т.к. цена деления шкалы ротаметра при этом изменится. При одном и том же делении шкалы, т.е. при одной и той же высоте h, должно выполняться условие
i
i
i
i
с
c
c
Объемный поток Q (при плотности ρ) Q=υσ и объемный поток с плотностью ρ Q=υσ связаны соотношением
Отсюда, с учетом (4), следует
i
Т.к. при проведении непрерывных измерений (например, расходов попутных нефтяных газов) внешние условия (температура, давление, а иногда и состав газа) могут заметно изменяться, значение плотности газа ρ не является постоянной величиной и, следовательно, регистрация расхода совершается с неконтролируемой погрешностью, что является принципиальным недостатком ротаметра.
Кроме того, недостатком ротаметра является невозможность его использования при повышенных и высоких давлениях , так как оптически прозрачный корпус изготавливается из стекла, кварца или пластмассы и не выдерживает давлений, заметно превышающих одну атмосферу.
Технический результат предлагаемого решения - повышение точности измерения расхода газа за счет измерения его текущей плотности, возможность измерения при малых расходах газа, а также возможность работы при высоких рабочих давлениях газа.
Технический результат достигается тем, что устройство для измерения расхода газа на основе ротаметра включает в себя два открытых цилиндрических резонатора, возбуждаемых на длинах волн λ<< D, где D - диаметр цилиндра, один из которых является датчиком плотности поступающего на ротаметр газа, а другой - датчиком объемного расхода газа.
Открытые цилиндрические резонаторы в виде металлических цилиндров являются частью трубопровода, подающего газ на ротаметр.
Открытый цилиндрический резонатор, являющийся датчиком объемного расхода газа, совмещен с ротаметром.
Для возбуждения и приема колебаний используется система распределенной связи между открытым цилиндрическим резонатором и генератором, и открытым цилиндрическим резонатором и детектором для каждого из резонаторов.
На фиг.1 изображена конструкция предлагаемого устройства. На нем показаны: 1 - трубопровод, по которому протекает газ; 2 - корпус первого открытого цилиндрического резонатора (ОЦР-1) - датчика плотности поступающего на ротаметр газа; 3, 4 - кольцевые выступы, организующие отражение волноводной волны на торцах ОЦР-1 и увеличивающие его добротность; 5 - волноводный вход на систему распределенного возбуждения колебаний ОЦР-1; 6 - волноводный выход от системы распределенного приема колебаний ОЦР-1; 7 - отверстия связи распределенной системы возбуждения колебаний ОЦР-1; 8 - отверстия связи распределенной системы приема колебаний ОЦР-1; 9 - корпус второго открытого цилиндрического резонатора (ОЦР-2) - датчика объемного расхода газа; 10, 11 - кольцевые выступы, организующие отражение волноводной волны на торцах ОЦР-2; 12 - волноводный вход на систему распределения возбуждения колебаний ОЦР-2; 13 - волноводный выход от системы распределенного приема колебаний ОЦР-2; 14, 15 - отверстия связи распределенной системы возбуждения и приема колебаний ОЦР-2; 16 - коническая стенка ротаметра, выполненная из материала с малым углом потерь в СВЧ/КВЧ диапазоне; 17 - поплавок ротаметра; 18 - металлическое покрытие на торце поплавка 17.
На фиг.2 приведен разрез ОЦР-1 по плоскости АА'. На ней показана система распределенного возбуждения ОЦР-1: 19 - входной волновод; 20 - кольцевой волновод; 21 - металлическая вставка; 22 - согласованная нагрузка.
Система распределенного приема колебаний ОЦР-1 выполнена аналогично.
Система распределенного возбуждения колебаний совместно с системой распределенного приема колебаний далее называется системой распределенной связи.
Система распределенной связи ОЦР-2 выполнена подобно системе распределенной связи ОЦР-1.
На фиг.3 приведена принципиальная схема измерительного устройства. На ней показано: 23 - модулятор, изменяющий частоту СВЧ/КВЧ генератора 24 по линейному закону; 25 - резонатор ОЦР-1; 26 - измеритель резонансной частоты резонатора ОЦР-1 при заполнении его газом в рабочих условиях; 27 - модулятор, изменяющий частоту СВЧ/КВЧ генератора 28 по линейному закону; 29 - резонатор ОЦР-2; 30 - измеритель резонансной частоты резонатора ОЦР-2 при перемещении поплавка 17 в ротаметре 16; 31 - вычислительный блок.
На фиг.4 показаны эпюры напряжения сигнала с детектора, установленного на выходе ОЦР-1 (сам детектор входит в измеритель резонансной частоты ОЦР-1 - 26): 32 - положение резонансного пика ОЦР-1 в отсутствие газа в трубопроводе; 33 тоже самое - при наличии газа в рабочих условиях (т.е. при рабочей температуре и рабочем давлении); 34, 35 тоже самое - при наличии газа с термобарическими параметрами, отличными от рабочих условий (34 - при повышенной температуре или пониженном давлении, 35 - при пониженной температуре или повышенном давлении).
Работа устройства происходит следующим образом.
mp
mnq
on1
Радиочастотные колебания СВЧ/КВЧ диапазона от генератора 24 (фиг.3), модулируемые по частоте модулятором 23, поступают на вход 5 ОЦР-1 (фиг.1 и 2) и далее через входной волновод 19 проходят в кольцевой волновод 20. Вставка 21 служит для обеспечения плавного перехода волновода 19 в волновод 20. При прохождении волноводной волны по волноводу 20 часть энергии поглощается в согласованной нагрузке 22, а часть через отверстия связи 7 проходит в экваториальную часть ОЦР-1, где возбуждает волноводную волну; тип волны - TM. Эта волна, распространяясь в обоих направлениях, отражается от кольцевых выступов 3 и 4, что приводит к возникновению колебаний типа TM в объеме, образованным корпусом первого открытого цилиндрического резонатора 2 и кольцевыми торцами 3 и 4, совместно образующими открытый цилиндрический резонатор - ОЦР-1. Добротность таких колебаний может быть весьма высокой, а частотный спектр резонатора - редким, что позволяет выделить какое-нибудь одно из колебаний (например, TM, где n какой-либо радиальный индекс) и далее с ним работать, т.е. проследить за его смещением по частоте [5].
o
o
1
o
1
Пусть в отсутствие газа частота этого колебания будет f (поз.32, фиг.4). При заполнении объема резонатора газом скорость распространения радиоволн в нем падает и собственные частоты его смещаются по частоте; в частности, колебание, имевшее частоту f теперь будет возбуждаться на более низкой частоте f:f→f. При этом относительное смещение частоты зависит от величины диэлектрической проницаемости газа ε
Диэлектрическая проницаемость ε определяется поляризуемостью молекул газа α и его молярной массой М, т.е., в конечном счете, плотностью газа ρ. Связь между плотностью газа и сдвигом частоты резонатора дается [7] соотношением
где
o
A
-12
ε=8,854·10 Ф/м - электрическая постоянная; N - число Авогадро.
см
см
В случае, если мы имеем дело со смесью газов (например, с природным газом, который состоит из метана с добавкой этана, пропана и др., а также азота и углекислого газа), то под М понимается молярная масса смеси: М→М, а под α - ее поляризуемость: α→α. Эти величины вычисляются из данных по компонентному составу смеси [7].
Коэффициент К может быть определен либо расчетным путем - из данных по компонентному составу, либо экспериментальным - путем проведения калибровочных измерений.
С выхода 6 резонатора ОЦР-1 колебания поступают к детектору и на измеритель резонансной частоты резонатора ОЦР-1 (оба находятся в блоке измерителя резонансной частоты резонатора ОЦР-1 26); полученное значение сдвига резонансной частоты ОЦР-1 Δf вводится в вычислительный блок 31.
Теперь рассмотрим работу канала измерителя объемного расхода или, что тоже самое, измерения высоты подъема поплавка h. Оно осуществляется с помощью резонатора ОЦР-2.
Возбуждение колебаний в ОЦР-2 происходит так же, как и в ОЦР-1. Радиочастотные колебания СВЧ/КВЧ диапазона от генератора 28 (фиг.3), модулируемые по частоте модулятором 27, поступают на вход 12 резонатора ОЦР-2 (фиг.2 и 3) и возбуждают его. (Процесс возбуждения полностью подобен описанному выше для ОЦР-1).
mn1
Пусть далее для определенности мы выбрали для работы колебания типа TM.
mn1
p
Резонансная частота колебаний типа TM в цилиндрическом резонаторе в газе f определяется соотношением
a
mn
m
где ε - абсолютная диэлектрическая проницаемость газа; a - радиус цилиндра; l - его длина, υ - n-ый корень m-ой функции Бесселя J(x).
p
При этом резонансная частота этой моды f, согласно (10), будет определяться длиной резонатора l.
Длиной l в ОЦР-2 является продольный размер от кольцевого выступа 11 до плоской поверхности поплавка 18.
o
p
o
В отсутствие потока поплавок находится в крайнем нижнем положении: l=l. Соответственно и рабочая частота резонатора будет f(l).
1
o
p
o
p
1
При появлении потока поплавок поднимается на высоту h. При этом расстояние от кольцевого выступа до торца изменится: оно станет l=l-h. Соответственно изменится и собственная частота резонатора f(l)→f(l).
p
1
p
1
Резонансная частота f(l) резонатора ОЦР-2 29 измеряется с помощью модулятора 27, изменяющего частоту СВЧ/КВЧ генератора 28 по линейному закону, и измерителя резонансной частоты резонатора ОЦР-2 30, работа которых полностью аналогична работе описанных выше блоков канала измерения плотности: модулятора 23, изменяющего частоту СВЧ/КВЧ генератора 24 по линейному закону, и измерителя резонансной частоты резонатора ОЦР-1 26. Измеренное значение резонансной частоты f(l) вводится в вычислительное устройство 31.
1
o
1
1
1
1
В блоке 31 происходит вычисление плотности газа ρ по соотношению (8), вычисление длины l по соотношению (10), определение высоты подъема поплавка h по соотношению h=l-l и затем расхода газа Q по соотношению (2), с введением в него коррекции по соотношению (6). (При вычислении длины ОЦР-2 из данных по сдвигу его частоты учитывается дополнительный сдвиг, обязанный наличию в объеме ОЦР-2 газа при рабочем давлении). Если, например, плотность газа возросла (из-за возрастания давления при неизменной температуре, или при понижении температуры при неизменном давлении, или из-за соответствующего изменения обоих параметров), то положение пика 33 на оси частот сместится - оно сдвинется влево на величину +δf и станет соответствовать пику 35 (см. фиг.4). При этом новому, возросшему значению резонансной частоты резонатора ОЦР-1 f+δf будет соответствовать новое, возросшее значение величины плотности ρ+δρ. Это новое значение плотности ρ+δρ вносится в формулу (6) и корректирует величину определяемого ротаметром расхода.
1
1
1
1
Если плотность газа наоборот снизилась, то пик 33 сместится вправо, т.е. f→f-δf, что будет соответствовать новому значению плотности ρ-δρ.
Таким образом, при непрерывном измерении величины расхода газа с помощью ротаметра, дополненного устройством непрерывного измерения плотности на основе открытого цилиндрического резонатора, удается повысить метрологические характеристики измерителя расхода в рабочих условиях нефтегазовых предприятий, где колебания давления, температуры газа и объемного расхода газа нередко имеют случайный и непредсказуемый характер.
Устройство для измерения расхода газа на основе ротаметра было проверено в лабораторных условиях с использованием открытых цилиндрических резонаторов, работающих на частотах 32-36 ГГц (λ≅8 мм), и показало, что погрешности ротаметра, связанные с неконтролируемыми вариациями плотности потока и его скорости, практически устраняются.
Список литературы
1. Правила измерения расхода газов и жидкостей стандартными сужающими устройствами РД-50-213-80. М.: Изд. Стандартов, 1982, 320 с.
2. Плотников В.М., Подрешетников В.А., Тетеревятников Л.Н. Приборы и средства учета природного газа и конденсата. Л.: Недра, 1986, 238 с.
3. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества веществ. Справочник. Кн.2 под ред. Е.А.Шорникова. - 5 изд. СПб.: Политехника, 2004, 412 с.
4. Болдин А.А., Бошняк Л.Л., Соловский В.М. Ротаметры. П. Машиностроение, 1983, 200 с.
5. Москалев И.Н., Стефановский A.M. Диагностика плазмы с помощью открытых цилиндрических резонаторов. М.: Энергоатомиздат, 1985, 146 с.
6. А.А.Брандт. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. М.: ГИФМЛ, 1963, 404 с.
7. Вышиваный И.Г., Костюков В.Е., Москалев И.Н., Кузнецов С.А., Смирнов В.В. Плотнометрия попутных нефтяных и природных газов на основе измерения их диэлектрической проницаемости: анализ проблемы. Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. №10, 2008, с.8-12.