УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУРЫ ПОТОКОВ ФЛЮИДОВ
DEVICE FOR MEASUREMENT OF FLUIDS FLOW MOVEMENT SPEED AND TEMPERATURE

Изобретение относится к устройствам для измерения скорости движения потоков флюидов и может быть использовано в трубопроводном транспорте, а также при проведении геофизических и газодинамических исследований скважин на месторождениях и подземных хранилищах газа.
Известно устройство для измерения скорости движения потоков флюидов - термоанемометр, принцип действия которого основан на уносе тепла с термочувствительных элементов (датчиков температуры), нагретых выше температуры окружающей среды с помощью специальных нагревателей (например, скважинная аппаратура газогидродинамического каротажа типа АГДК, содержащая трубчатый охранный кожух, нагревательный элемент и диодный датчик температуры, установленные внутри охранного кожуха. [1] (Проспект ОАО «Газпромгеофизика» «Комплексная аппаратура газодинамического каротажа АГДК-42-8»).
Недостатками известного устройства являются:
- частые выходы из строя диодных датчиков температуры из-за их перегрева при переходе из жидкой среды в газообразную;
- низкая достоверность показаний при быстрых изменениях скорости движения флюидов из-за большой тепловой инерции нагревателя и термочувствительного элемента (ввиду расположения их внутри трубчатого охранного кожуха, имеющего значительную толщину и массу), а также значительного теплового сопротивления между нагревателем, термочувствительным элементом и наружной стенкой кожуха датчика;
- невозможность точного измерения скорости движения потоков воздуха, газа или жидкости при одновременном изменении температуры (например, в скважинных условиях, где температура повышается при увеличении глубины скважины).
Известен термоанемометрический датчик скорости движения флюидов, применяемый в скважинных приборах (датчик притока или расхода жидкости или газа в скважинах), содержащий герметичный трубчатый кожух, состоящий их двух полостей, в которых расположены нагревательный и термочувствительный элементы. [2] (А.С. SU №440484, кл. Е21В 47/10, опубл. 1974 г.).
Недостатками известного термоанемометра являются:
- низкая достоверность показаний при быстрых изменениях скорости движения флюидов из-за большой тепловой инерции нагревателя и термочувствительного элемента (ввиду расположения их внутри трубчатого охранного кожуха, имеющего значительную толщину и массу), а также значительного теплового сопротивления между нагревателем, термочувствительным элементом и наружной стенкой кожуха датчика;
- невозможность точного измерения скорости движения потоков флюидов при одновременном изменении (в процессе проведения измерений) их температуры (например, в стволе скважины температура изменяется в функции глубины на 3-4°C на каждые 100 метров).
Из-за отмеченных недостатков получение корректных результатов измерений оказывается возможно лишь при:
- медленных изменениях скорости движения флюидов;
- введении температурной коррекции показаний термоанемометра (например, путем его градуировки как по скорости, так и по температуре), что значительно усложняет процессы градуировки и интерпретации результатов исследований, а также ограничивает область применения термоанемометрических устройств для измерения скорости движения потоков флюидов.
Задачей настоящего изобретения является повышение точности измерений и информативности устройства за счет:
- снижения тепловой инерции и теплового сопротивления;
- одновременного измерения как скорости движения потока флюида, так и его температуры;
- непрерывного введения соответствующих температурных поправок (на основе показаний датчика температуры).
Сущность настоящего изобретения заключается в том, что известное устройство для измерения скорости и температуры потока флюидов, включающее цилиндрический трубчатый корпус, струевыпрямитель, установленный со стороны открытого конца в передней части цилиндрического трубчатого корпуса и окна для выхода потока флюида в его задней части, нагреватель и термочувствительный элемент, установленные между струевыпрямителем и окнами для выхода потока флюида, электрическую схему для формирования информационного сигнала, блок питания и регистратор, согласно изобретению, дополнительно содержит два термочувствительных резистивных элемента, имеющих равные значения электрических сопротивлений и разные рабочие поверхности витков, омываемых потоком набегающего флюида и расположенных взаимно-перпендикулярно на несущем каркасе, образованном, как минимум, двумя пластинами трапецеидальной формы из электроизоляционного и теплоизоляционного материала, обращенными малыми основаниями трапеций к набегающему потоку флюида, причем витки одного из резистивных термочувствительных элементов расположены на несущем каркасе перпендикулярно направлению движения флюида, второго - параллельно, а термочувствительные элементы включены последовательно в одну из трех ветвей измерительной схемы, выполненной в виде уравновешенного моста постоянного тока, в котором вторая ветвь образована двумя идентичными полупроводниковыми стабилитронами, являющимися одновременно стабилизаторами напряжения питания моста и источниками опорного напряжения, третий термочувствительный элемент установлен перед указанными выше двумя термочувствительными элементами в передней части цилиндрического трубчатого корпуса на ближнем к набегающему потоку флюида конце струевыпрямителя, выполненного из материала с низкой теплопроводностью, причем термочувствительные элементы включены в мостовую схему, состоящую из трех параллельных ветвей, подключенных между двумя токоподводящими зажимами, таким образом, что первая ветвь содержит два последовательно включенных резистивных термочувствительных элемента, образующих два плеча мостовой схемы, вторая ветвь образована двумя идентичными последовательно включенными полупроводниковыми стабилитронами, третья ветвь содержит один термочувствительный элемент, включенный последовательно с регулировочным резистором, съем информации о скорости движения флюидов осуществляется между средней точкой соединения двух резистивных термочувствительных элементов, входящих в первую ветвь, и средней точкой соединенных последовательно идентичных стабилитронов, включенных во вторую ветвь, съем информации о температуре флюида осуществляется между средней точкой последовательно включенного термочувствительного элемента и регулировочного резистора в третьей ветви мостовой схемы и средней точкой соединения двух идентичных полупроводниковых стабилитронов, образующих вторую ветвь.
На фиг.1 приведена схематическая конструкция устройства.
На фиг.2 представлен несущий изоляционный каркас с обмотками термочувствительных элементов.
На фиг.3 представлена принципиальная электрическая схема включения элементов устройства.
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
Предлагаемое устройство содержит цилиндрический трубчатый корпус 1, несущий изоляционный каркас из электро- и теплоизоляционного материала 2, канавки 3 для укладки витков обмотки 4 термочувствительного элемента Rt, канавки 5 для укладки витков обмотки 6 термочувствительного элемента Rt, термочувствительный элемент Rt 7, струевыпрямитель 8, окна 9 для выхода флюида, электровыводы 10 для подключения термочувствительного элемента Rt в измерительную схему, электровыводы 11 для подключения термочувствительного элемента Rt в измерительную схему, электровыводы 12 для подключения термочувствительного элемента Rt в измерительную схему, несущий изоляционный каркас 2 с обмотками 4 и 6 термочувствительных элементов Rt, Rt, витки которых расположены взаимно -перпендикулярно в канавках 3 и 5 соответственно и имеют разную эффективную поверхность, омываемую потоком набегающего флюида, причем термочувствительный элемент Rt 7 установлен на струевыпрямителе 8, выполненном из теплоизоляционного материала, перед термочувствительными элементами Rt и Rt.
1
2
3
Термочувствительные элементы Rt, Rt и Rt включены в специальную мостовую электрическую схему, состоящую из трех параллельных ветвей, где
1
2
Rt, Rt - термочувствительные элементы первой ветви;
3
Rt - термочувствительный элемент третьей ветви;
1
R - регулировочный резистор третьей ветви;
VT1, VT2 - идентичные стабилитроны второй ветви;
P1, Р2 - устройства регистрации информационного сигнала;
R2 - балластный (токоограничивающий) резистор.
1
2
3
1
2
1
2
3
В цилиндрическом трубчатом корпусе 1 установлен несущий изоляционный каркас 2 из электро- и теплоизоляционного материала с канавками 3 для укладки витков обмотки 4 термочувствительного элемента Rt и канавками 5 для укладки витков обмотки 6 термочувствительного элемента Rt. Термочувствительный элемент Rt 7 установлен на ближнем к потоку флюида конце струевыпрямителя 8 перед термочувствительными элементами Rt и Rt. Подключение термочувствительных элементов Rt, Rt и Rt в электрическую мостовую схему осуществляется с помощью электровыводов 10, 11 и 12, соответственно.
Такое конструктивное решение позволяет:
1
2
- обеспечить непосредственный контакт витков термочувствительных элементов Rt и Rt с потоком флюида, т.е. резко снизить тепловое сопротивление;
1
2
- резко снизить тепловую инерцию за счет снижения массы термочувствительных элементов Rt и Rt;
3
- повысить точность (за счет непрерывного введения соответствующих температурных поправок на основе показаний датчика температуры - термочувствительного элемента Rt) и информативность устройства (за счет одновременного измерения как скорости движения потока флюида, так и его температуры).
Устройство работает следующим образом.
ст
ст
При включении напряжения питания, между двумя токоподводящими зажимами мостовой схемы (фиг.3) устанавливается стабильное электрическое напряжение U, равное сумме напряжений стабилизации U двух идентичных и последовательно включенных полупроводниковых стабилитронов VT1 и VT 2, т.е. U=2U.
1
1
1
2
2
2
2
1
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
2
2
Электрический ток J, протекающий по первой ветви, согласно закону Джоуля-Ленца, образует за время Т в термочувствительном элементе Rt количество теплоты Q=0,24JR Т, а в термочувствительном элементе Rt - количество теплоты Q=0,24JR Т, причем Q=Q по причине равенства значений их сопротивлений R и R. Приращения значений электрических сопротивлений ΔR и ΔR термочувствительных и элементов Rt и Rt (за счет их разогрева протекающим током J) будут также равными. Следовательно, разность потенциалов между положительным выводом источника питания и точкой соединения термочувствительных элементов Rt и Rt, имеющих равные значения электрических сопротивлений R и R и равные температурные коэффициенты сопротивления, составит половину напряжения U.
Аналогично, разность потенциалов между положительным выводом источника питания и точкой соединения стабилитронов VT1 и VT2 равна напряжению стабилизации стабилитрона VT1 и составляет половину напряжения U.
1
2
1
2
1
2
Поэтому сигнал разбаланса мостовой схемы, регистрируемый с помощью устройства Р1 в первой измерительной диагонали (между первой и второй ветвями), будет равен 0 при любой температуре флюида или окружающей среды, находящихся в неподвижном состоянии (в статике). Однако положение коренным образом изменится в случае начала движения потока флюида со стороны открытого конца корпуса 1 через струевыпрямитель 8 к термочувствительным элементам Rt и Rt и затем - на выход устройства через окна 9 в корпусе 1), поскольку витки обмоток 4 и 6 термочувствительных элементов Rt и Rt, расположенные взаимно перпендикулярно в канавках 3 и 4 несущего каркаса 2 (фиг.2) и омываемые потоком набегающего флюида, имеют разные эффективные поверхности (s и s соответственно) и, следовательно, разные коэффициенты теплоотдачи. Так, согласно [2], коэффициент теплоотдачи - λ определяется выражением
где
q - мощность, затрачиваемая на нагрев тела, Вт;
2
s - площадь поверхности тела, м;
н
п
Т и Т - температуры нагретого тела и потока.
1
2
Таким образом, формируется сигнал разбаланса мостовой схемы, зависящий от интенсивности уноса тепла с термочувствительных элементов Rt и Rt и несущий информацию о скорости движения потока флюида, причем нулевому значению скорости соответствует нулевое значение сигнала разбаланса мостовой схемы при любой температуре.
Чувствительность предлагаемого устройства для измерения скорости движения потоков флюидов и их температуры, а также и диапазон измеряемых скоростей могут регулироваться подбором параметров элементов мостовой схемы и напряжения питания. Выполнение несущего электроизоляционного каркаса, как минимум, из двух пластин трапецеидальной формы, соединенных крестообразно и обращенных малыми основаниями трапеций к потоку движущегося флюида, способствует обеспечению равномерной чувствительности устройства по поперечному сечению цилиндрического трубчатого корпуса.
3
1
2
1
2
3
1
2
На фиг.2 также показан термочувствительный элемент Rt 7, установленный на ближнем к набегающему потоку флюида конце струевыпрямителя 8 (перед термочувствительными элементами Rt, Rt) и образующий совместно с последовательно соединенным регулировочным резистором R1 третью ветвь мостовой схемы для измерения температуры потока флюида. Такое конструктивное решение позволяет практически полностью исключить влияние собственного тепловыделения термочувствительных элементов Rt и Rt на точность измерения температуры потока флюида. Следует также отметить, что термочувствительный элемент Rt (в отличие от элементов Rt и Rt) должен быть высокоомным для уменьшения погрешности измерения температуры из-за эффекта разогрева за счет протекающего по нему тока.
1
2
3
Предлагаемое устройство для измерения температуры и скорости движения потоков флюидов, выполненное из высокотемпературных материалов (например, слюда или керамика - для несущего изоляционного каркаса 2; никель или вольфрам - для выполнения обмоток термочувствительных элементов Rt, Rt и Rt и т.д.) может быть применено в экстремальных условиях (при высоких температурах и давлениях, например, в газотурбинных агрегатах для перекачки газа, авиационном и ракетном двигателестроении и др.).
1
2
Другим преимуществом устройства является низкая тепловая инерция, обусловленная прямым контактом витков термочувствительных элементов Rt и Rt с потоком флюидов, скорость движения которых подлежит измерению.
Источники информации:
1. Проспект ОАО «Газпромгеофизика» «Комплексная аппаратура газодинамического каротажа АГДК-42-8».
2. А.С. SU №440484, кл. Е21В 47/10, 1974 г. - прототип.