СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩЕЙ СРЕДЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF MEASUREMENT OF SPEED OF ELECTRIC CONDUCTING MEDIUM MOVEMENT AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Группа изобретений относится к измерению объема перемещенных жидкостей, газов или сыпучих тел путем пропускания их через электромагнитный измеритель скорости потока и может быть использована в области геофизических исследований буровых скважин при добыче и транспортировке нефти, в частности для измерения количества добытого или перекачанного флюида.
Известны способ работы устройства измерения скорости потока среды магнитоиндукционного расходомера (варианты) и магнитоиндукционный расходомер (см. патент на изобретение RU 2410646, МПК G01F 1/60, опубл. 27.01.2011).
Магнитоиндукционный расходомер содержит установленную в магистраль измерительную трубу с намагничивающими катушками, соединенными с намагничивающим блоком, и измерительные электроды, соединенные с измерительным блоком, фильтр низких частот, аналого-цифровой преобразователь измерительных сигналов, выход которого соединен с микроконтроллером, блок памяти, блок передачи данных, индикатор, соединенные между собой через микроконтроллер, выполненный с возможностью подачи сигнала на намагничивающий блок. На концах измерительной трубы дополнительно установлены компенсационные кольца, а измерительный блок состоит из усилителя сигнала, выполненного в виде инструментального усилителя, соединенного со входом интегратора, выход которого подключен к опорному входу усилителя сигнала, выход которого через упомянутый фильтр низких частот соединен с упомянутым аналого-цифровым преобразователем измерительных сигналов.
Однако использование схемы компенсации разностей электрохимических и поляризационных потенциалов электродов на инфранизких частотах делает устройство слишком сложным.
Способ работы устройства измерения скорости потока среды магнитоиндукционного расходомера включает следующие стадии: пропускание потока среды через измерительную трубу, формирование чередующихся прямоугольных импульсов электрического тока положительной и отрицательной полярности с возможностью возбуждения магнитного поля в измерительной трубе посредством намагничивающих катушек и создания измерительного сигнала наведенной ЭДС, электрохимических и поляризационных потенциалов на электродах относительно компенсационных колец, расположенных на концах измерительной трубы в потоке среды, компенсацию в измерительном сигнале составляющей разности электрохимических и поляризационных потенциалов электродов на инфранизких частотах в течение процесса измерения, выделение низкочастотной составляющей измерительного сигнала и разности электрохимических и поляризационных потенциалов электродов, измерение сигнала, пропорционального средней скорости потока среды в измерительной трубе магнитоиндукционного расходомера.
Однако использование электрического тока в виде прямоугольных импульсов положительной и отрицательной полярности усложняет реализацию способа.
Наиболее близкими к заявляемым решениям являются способ измерения расхода электромагнитным расходомером и устройство для его осуществления (см. патент на изобретение RU 2285243, МПК G01F 1/60, опубл. 10.10.2006).
Устройство с коаксиальным магнитным полем для измерения скорости электропроводящей среды содержит корпус с проводником внутри, расположенным вдоль направления движения жидкости, устройство измерения электродвижущей силы (ЭДС). Устройство снабжено источником напряжения, накопительным конденсатором, генератором импульсов, блоком задержки, двумя устройствами выборки и хранения, двумя ключами, двумя ключами силовыми, двумя усилителями, датчиком тока, нуль-органом, инвертором, сумматором, двумя интеграторами и делителем для обеспечения измерения скорости электропроводящей жидкости.
Недостатком устройства является сложность оборудования, необходимого для вычисления скорости жидкости по величине измеренной ЭДС.
Способ измерения скорости электропроводящей жидкости при помощи устройства, содержащего корпус с проводником внутри, включает пропускание периодических импульсов тока I по проводнику вдоль направления движения жидкости для создания коаксиального магнитного поля, измерение во время действия импульса тока ЭДС E, наведенной между корпусом и проводником устройства. Измеряют значение тока обмотки возбуждения и интегрируют во время действия импульса тока на интервале времени между передним фронтом импульса тока и первым нулевым значением тока обмотки возбуждения, интегрируют разность электродвижущих сил во время действия импульса тока на интервале времени между передним фронтом импульса тока и первым нулевым значением тока обмотки возбуждения между ЭДС, наведенной между корпусом и электродом расходомера, и запомненной ЭДС, наведенной между корпусом и электродом расходомера, во время между импульсами тока, вычисляют отношение интеграла разности электродвижущих сил к интегралу значения тока в обмотке возбуждения, которое пропорционально значению расхода.
Недостатком способа является необходимость в использовании запоминающих устройств и сложного математического аппарата.
Задачей заявляемой группы изобретений является снижение влияния дестабилизирующих факторов, таких как неламинарное течение потока рабочей среды, низкая и/или непостоянная проводимость рабочей среды, неполное заполнение рабочей средой канала измерительного преобразователя.
Технический результат, достигаемый при реализации заявляемой группы изобретений, заключается в повышении точности и расширении диапазона измерения скорости движения проводящей среды.
0
Указанный технический результат достигается тем, что устройство с коаксиальным магнитным полем для измерения скорости движения электропроводящей среды, содержащее полый корпус с проводником внутри, расположенным вдоль направления движения среды, датчик электродвижущей силы, согласно предложенному решению содержит трансформатор тока возбуждения, первичная обмотка которого выполнена с возможностью подключения к генератору возбуждения, а проводник и корпус выполнены в виде объемного короткозамкнутого витка, и представляют собой вторичную обмотку трансформатора, датчик электродвижущей силы содержит пару электродов, один из которых - центральный, расположен на внешней поверхности проводника, другой - периферийный, на внутренней поверхности корпуса, электроды отделены от проводника и корпуса электростатическими экранами и электроизолирующими слоями и соединены с усилителем и детектором. Между электродами и усилителем установлен электрический фильтр. В качестве усилителя использован селективный усилитель переменного тока. В качестве детектора использован синхронный детектор. Устройство может быть снабжено датчиком тока для контроля величины тока в проводнике. Устройство может быть снабжено датчиком для контроля величины магнитного поля. Корпус устройства может быть выполнен с возможностью размещения внутри трубопровода с электропроводящей средой. Корпус устройства может быть выполнен с возможностью соединения с торцом трубопровода с электропроводящей средой. Периферийный электрод датчика электродвижущей силы может быть выполнен в виде множества узких полос, расположенных параллельно проводнику. Способ измерения скорости движения электропроводящей среды V с магнитной проницаемостью μ при помощи устройства, содержащего корпус с проводником внутри, заключается в пропускании тока I по проводнику вдоль направления движения среды для создания коаксиального магнитного поля, детектировании электродвижущей силы E, наведенной между корпусом и проводником, согласно предложенному решению по проводнику пропускают переменный ток частотой f, а в выделенной электродвижущей силе исключают постоянную электрохимическую составляющую и составляющие с частотами, отличными от f, скорость движения электропроводящей среды находят по формуле V=2πE/(μμI).
Заявляемая группа изобретений поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлено устройство для измерения скорости движения электропроводящей жидкости, на фиг. 2 и 3 представлено схематичное изображение заявляемого устройства с функциональными элементами, обеспечивающими реализацию способа измерения скорости движения электропроводящей жидкости, на фиг. 4 представлен принцип работы устройства, на фиг. 5 - общий вид устройства с корпусом для размещения внутри трубопровода, на фиг. 6 - общий вид устройства с корпусом для соединения с торцом трубопровода, на фиг. 7 и 8 представлено устройство с многокомпонентными электродами. Позициями на чертежах обозначены:
корпус;
проводник;
торцевая заглушка;
промывочное окно;
первичная обмотка трансформатора тока возбуждения;
магнитопровод трансформатора тока возбуждения;
центральный электрод;
периферийный электрод;
электростатический экран;
электроизолирующий слой;
вторичная обмотка трансформатора-датчика тока;
магнитопровод трансформатора-датчика тока;
электрический полосно-пропускающий фильтр;
усилитель напряжения переменного тока;
синхронный детектор СД;
электрический фильтр нижних частот ФНЧ;
генератор возбуждения ГВ;
усилитель обратной связи УОС;
аналого-цифровой преобразователь АЦП
селективный усилитель СУ.
Способ измерения скорости движения электропроводящей среды заключается в использовании устройства с коаксиальным магнитным полем. Устройство с коаксиальным магнитным полем для измерения скорости движения электропроводящей среды содержит полый корпус 1 с проводником 2 внутри, представляющим собой стержень, расположенный вдоль оси корпуса по направлению движения среды. Проводник и корпус имеют между собой хороший электрический контакт посредством торцевых заглушек 3 и выполнены из материала, имеющего низкое сопротивление электрическому току, например из меди. Корпус снабжен промывочными окнами 4 на цилиндрической поверхности (фиг. 1-5), сквозь которые электропроводящая жидкость из окружающего пространства может беспрепятственно проникать во внутреннее пространство расходомера. Возможен вариант исполнения, когда промывочные окна, обеспечивающие доступ жидкости во внутреннее пространство расходомера, выполнены в торцевых заглушках расходомера (фиг. 6). Устройство содержит трансформатор тока возбуждения, первичная обмотка 5 которого намотана на кольцевой магнитопровод 6 и выполнена с возможностью подключения к генератору возбуждения 17 (ГВ). Магнитопровод трансформатора тока возбуждения 6 размещен вокруг проводника 2 вблизи одной (для определенности первой, расположенной слева на фиг. 1-4) торцевой заглушки 3, при этом проводник 2 и корпус 1 образуют объемный короткозамкнутый виток, представляя собой вторичную обмотку трансформатора тока возбуждения.
Устройство измерения может быть снабжено датчиком тока для контроля величины тока в проводнике. В качестве датчика тока может быть использован измерительный трансформатор-датчик тока, первичной обмоткой которого является вторичная обмотка трансформатора тока возбуждения - объемный короткозамкнутый виток из корпуса 1 и проводника 2, а вторичная обмотка 11 трансформатора-датчика тока намотана на магнитопровод 12 трансформатора-датчика тока, размещенный вокруг проводника 2 вблизи другой (для определенности второй, расположенной справа на фиг. 1-4) торцевой заглушки. Вторичная обмотка 11 трансформатора-датчика тока подключена к усилителю обратной связи 18. Выходы усилителя обратной связи подключены к генератору возбуждения 17 и аналогово-цифровому преобразователю 19. Возможно использование датчиков тока, имеющих в качестве чувствительного элемента датчик Холла.
Заявляемое устройство содержит устройство измерения электродвижущей силы (ЭДС), содержащее два электрода, один из которых - центральный 7, расположен на внешней поверхности проводника 2, другой - периферийный 8, на внутренней поверхности корпуса 1, электроды отделены от проводника и корпуса электростатическими экранами 9 и электроизолирующими слоями 10 и соединены с селективным усилителем 20 либо с электрическим полосно-пропускающим фильтром 13, а затем с усилителем напряжения переменного тока 14. Селективный усилитель 20 либо усилитель напряжения переменного тока 14 в свою очередь соединены с синхронным детектором 15.
Конструкция электродов определяется требованиями, предъявляемыми к расходомеру. Так для измерения интегрального расхода, снижения внутреннего сопротивления измерительного преобразователя, понижения влияния неламинарного движения потока проводящей среды система электродов должна представлять собой пару цельных (монолитных) электродов. Для измерения профиля скорости потока в рабочем пространстве измерительного преобразователя один, например периферийный, или оба электрода могут быть выполнены многокомпонентными в виде узких продольных или поперечных секторов (см. фиг. 7 и 8), или даже представлять собой матрицу из отдельных точечных, изолированных друг от друга контактов. Каждый из обособленных контактов (компонентов электрода) при этом подключен (относительно второго электрода) к своей индивидуальной схеме обработки сигнала; это позволит измерять профиль скорости потока в рабочем пространстве измерительного преобразователя. Характер измеряемого профиля определяется способом деления измерительных электродов на сектора.
На фиг. 8 изображено поперечное сечение устройства для измерения скорости движения электропроводящей среды, содержащего монолитный электрод на центральном проводнике (Ц) и восемь (для простоты иллюстрации) периферийных (П), пронумерованных цифрами от 1 до 8, электродов на внутренней поверхности корпуса. Видно, что пары электродов П1-Ц, П2-Ц, П8-Ц находятся вне проводящей рабочей среды и ЭДС не генерируют, пары электродов П3-Ц, П4-Ц, П5-Ц, П6-Ц, П7-Ц омываются движущейся проводящей средой и генерируют ЭДС, пропорциональную скорости движения среды в плоскости, проходящей через центральный проводник и этот электрод на внутренней поверхности корпуса. Анализ ЭДС с каждой пары контактов позволяет рассчитать степень заполнения сечения измерительного преобразователя рабочей средой и профиль скорости рабочей среды в этом сечении.
Для возбуждения тока в объемном замкнутом витке, образованном проводником, проходящим вдоль оси цилиндрического корпуса, и корпусом, применен трансформатор тока возбуждения, первичная обмотка 5 которого, имеющая большее количество витков, подключена к генератору возбуждения 17, а вторичная обмотка представляет собой упомянутый выше объемный короткозамкнутый виток, проводник которого проходит сквозь отверстие магнитопровода 6 трансформатора тока возбуждения. Если первичная обмотка трансформатора тока возбуждения содержит 100 витков, то для получения в объемном короткозамкнутом витке тока 100 А в первичную обмотку следует подать от генератора возбуждения ток величиной около 1 А.
Ток I, протекающий по проводнику, создает на расстоянии R от проводника магнитное поле, напряженностью H=I/(2πR) [2].
0
Индукция этого поля В=μ μ H [3], где
μ - магнитная проницаемость среды, в большинстве случаев μ=1;
0
0
-7
μ - магнитная проницаемость вакуума, μ=4π10 Гн/м.
Отсюда для конкретного случая имеем индукцию магнитного поля 2 мТл на расстоянии 1 см от проводника с током 100 А.
Величина ЭДС зависит от скорости движения жидкости V, угла, под которым она пересекает силовые линии магнитного поля, индукции поля B, расстояния между электродами R, и для случая перпендикулярного пересечения силовых линий магнитного поля определится выражением E=B R V [4].
Подставляя в [4] выражения [3] для B и [2] для H, получим:
0
E=μ μ I V/(2 π) [5]
Из [5] видно, что для малых значений расхода индуцированная ЭДС будет составлять величину порядка единиц микровольт.
Таким образом, для расширения рабочего диапазона измерений в область малых величин расхода (скорости движения среды) требуется увеличение силы тока в центральном проводнике и/или повышение коэффициента усиления индуцированной ЭДС. Повышение силы тока в центральном проводнике достигается за счет применения трансформатора тока возбуждения, однако в силу энергетических и массо-габаритных соображений это повышение не может быть чрезмерно высоким. Дальнейшее повышение чувствительности измерительного преобразователя возможно за счет повышения коэффициента усиления индуцированной ЭДС. Увеличению усиления препятствуют следующие факторы:
электрохимическая ЭДС, возникающая на погруженных в электролит электродах;
наводки промышленной частоты от расположенных поблизости электрокабелей и блуждающих токов;
собственные шумы измерительного преобразователя и электронного блока;
наводки на измерительные электроды от генератора возбуждения.
Для нейтрализации или минимизации указанных влияний предлагается следующее:
возбуждение электромагнитного поля переменным током;
использование селективного усилителя напряжения переменного тока;
применение синхронного детектора, тактируемого от генератора возбуждения.
При этом селективный усилитель 20 напряжения переменного тока может представлять собой сочетание электрического полосно-пропускающего фильтра 13 и усилителя напряжения переменного тока 14.
Так как электрохимическая ЭДС представляет собой постоянную или медленно меняющуюся величину, использование селективного усилителя напряжения переменного тока и, тем более, синхронного детектора, позволяет полностью ее нейтрализовать. То же можно сказать о сравнительно низкочастотных помехах и наводках от токов промышленной частоты. Применение синхронного детектора 15 позволяет эффективно подавлять даже частоты, попадающие в полосу пропускания селективного усилителя 20 напряжения переменного тока, но не совпадающие по фазе с измеряемым сигналом. Тем не менее, применение селективного усилителя или усилителя напряжения переменного тока с фильтром на входе необходимо и оправдано, так как для стабильной долговременной работы в широком диапазоне температур необходимо основное усиление получить на переменном токе, до детектора 15. Это позволит избежать заметного дрейфа усилителя напряжения постоянного тока, включенного между фильтром нижних частот и АЦП (на чертеже не показан). Применение фильтра на входе позволит избежать перегрузки усилителя сигналами помех и наводок, которые могут превышать полезный сигнал на несколько порядков. Такое построение схемы обработки эффективно и по отношению к собственным шумам, достаточно простыми средствами можно обрабатывать сигналы величиною до десятков нановольт. Для защиты от наводок от генератора возбуждения применены электростатические экраны 9. Все токоведущие части устройства для измерения отделены от измерительных электродов датчика ЭДС слоем электроизоляции и электростатическим экраном. Трансформаторы также помещены в электростатический экран.
Как видно из того же выражения [5], величина индуцированной ЭДС определяется не только измеряемым параметром - скоростью потока V, но и величиной тока в центральном проводнике I. Нестабильность этого тока напрямую влияет на стабильность измерений. Для повышения точности и стабильности измерения скорости движения проводящей среды необходимо или стабилизировать величину тока в центральном проводнике, или измерять ее и вносить соответствующие корректировки в выходной параметр. В этом изобретении применены оба метода - производится грубая стабилизация тока возбуждения, не позволяющая ему значительно отклониться от заданной величины, а точная подстройка выходного параметра осуществляется на основе измерения величины поля возбуждения или тока, это поле порождающего (так как эти параметры связаны выражением [2]). Для этого измерительный преобразователь снабжен или датчиком напряженности или индукции поля, расположенном на фиксированном расстоянии от центрального проводника и измеряющем непосредственно параметры поля, или еще одним - измерительным трансформатором-датчиком тока, измеряющим ток в центральном проводнике. Скорость потока в этом случае будет вычисляться по формуле:
0
0
V=2πE /(μ μ I) [6], или V=K E /I [7], где K=2π /(μ μ) [8].
Из выражений [5] и [7] вытекает простой способ коррекции измеренной V при нестабильном I: Если напряжение, пропорциональное индуцированной ЭДС Е подать на вход аналого-цифрового преобразователя, а напряжение, пропорциональное току центрального проводника подать на вход опорного напряжения этого преобразователя, то нестабильность тока возбуждения будет скомпенсирована, так как уменьшение тока возбуждения (а стало быть, и напряжения, подаваемого на вход опорного напряжения) в m раз приведет к уменьшению индуцированной ЭДС в m раз, одновременно уменьшение опорного напряжение в m раз приведет к увеличению итогового кода АЦП в те же m раз. Соответственно, увеличение тока возбуждения приведет к росту индуцированной ЭДС и росту опорного напряжения АЦП, что вызовет пропорциональное уменьшение выходного кода.
Генератор возбуждения с помощью трансформатора тока возбуждения наводит в центральном проводнике, свободно омываемом скважинной жидкостью, переменный ток. Силовые линии магнитного поля имеют вид коаксиальных цилиндров, охватывающих проводник с током. Линии напряженности электрического поля исходят радиально от центрального проводника, образуя нечто вроде солнечной короны. Система измерительных электродов представляет собой один общий монолитный электрод на центральном проводнике и множество узких электродов на внутренней поверхности корпуса, расположенных параллельно центральному проводнику. Такое построение измерительного преобразователя позволяет при сохранении достаточно большой площади электродов измерить скорость потока в каждом отдельном сечении плоскостью, проходящей через центральный проводник и выбранный электрод на внутренней поверхности корпуса. Эта же конструкция измерительного преобразователя позволяет измерять расход при неполном заполнении сечения измерительного преобразователя проводящей рабочей средой.
0
Заявляемый способ измерения скорости движения электропроводящей среды V с магнитной проницаемостью μ возможно реализовать при помощи устройства, содержащего корпус с проводником внутри. Способ заключается в пропускании переменного тока I частотой f по проводнику вдоль направления движения среды для создания коаксиального магнитного поля. Во время пропускания тока детектируют электродвижущую силу E, наведенную между корпусом и проводником, при этом в выделенной электродвижущей силе исключают постоянную электрохимическую составляющую и составляющие с частотами, отличными от f. Скорость движения электропроводящей среды находят по формуле V=2πE/(μμI).
Для реализации заявленного способа устройство для измерения расхода располагают продольно вдоль течения жидкости, скорость течения которой (т. е. расход) требуется измерить. При таком расположении измерительного преобразователя жидкость пересекает силовые линии магнитного поля под углом, близким к 90°. В жидкости индуцируется ЭДС, напряженность поля которой имеет радиальную направленность. Разность потенциалов, вызываемая этой ЭДС, снимают с помощью электродов 7 и 8, и подают на электрический полосно-пропускающий фильтр 13 и усилитель напряжения переменного тока 14 (либо на селективный усилитель 20). Усиленный и отфильтрованный сигнал детектируют синхронным детектором 15, опорный сигнал на который поступает с генератора возбуждения 17. Выпрямленный сигнал фильтруют электрическим фильтром нижних частот 16 и подают на аналогово-цифровой преобразователь 19. В состав измерительного преобразователя входит также усилитель обратной связи 18, на вход которого поступает сигнал, пропорциональный величине индукции поля возбуждения, измеренный либо непосредственно с помощью соответствующего датчика, либо косвенно, путем измерения тока в центральном проводнике, так как индукция поля при прочих равных условиях прямо пропорциональна величине протекающего по проводнику тока. Сигнал с усилителя обратной связи используют и/или для стабилизации поля возбуждения путем воздействия на генератор возбуждения 17, и/или в качестве опорного сигнала для аналого-цифрового преобразователя 19, для компенсации влияния изменения величины поля возбуждения, т.к. величина индуцированной ЭДС при прочих равных условиях, как следует из выражения [4], прямо пропорциональна величине индукции поля.
Сформированный усилителем обратной связи сигнал воздействует на генератор возбуждения таким образом, чтобы в случае отклонения величины силы тока в проводнике от заданного значения вернуть ее к заданной величине. Сформированный усилителем обратной связи сигнал таким образом воздействует на аналогово-цифровой преобразователь, чтобы в случае отклонения величины силы тока в проводнике от заданного значения так изменить масштаб преобразования, чтобы сформированный код минимально отличался от такового при номинальном токе в проводнике.
Заявляемый способ может быть использован для измерения скорости движения электропроводящей среды (жидкости, газа, сыпучих веществ) или объекта относительно электропроводящей среды, в частности количества жидкости перемещенной перекачкой, самотеком или под действием иной силы через сечение трубопровода, канала или русла. Устройство может быть использовано в составе различных агрегатов в нефтяной, газовой, горнодобывающей, химической, металлургической промышленности, энергетике, транспорте, пищевой отрасли, жилищно-коммунальном хозяйстве и других секторах производственного, сельскохозяйственного, медицинского, военного или научного назначения, включая спускаемые на кабеле или проволоке скважинные устройства, устройства для каротажа в процессе бурения, измерений в процессе бурения, каротажа во время спуска или подъема бурильной колонны, устройства для измерения во время добычи и перекачки, управления насосами и задвижками в составе «интеллектуальных скважин», устройства для измерения количества питьевой и технической воды, теплоносителя, бытовых и промышленных стоков, водосбросов гидроузлов, устройства для измерения скорости речных, морских, океанических течений, надводных и подводных судов и механизмов. Изделие может быть выполнено малогабаритным и в составе матрицы таких изделий использоваться для измерения профиля течения по сечению трубопровода, канала, русла. Устройство может быть использовано для измерения скорости газов, ионизированных с помощью высокой температуры, например, скорости истечения газов из сопла газовых турбин, или с помощью вспомогательного источника ионизирующего излучения или высокого электрического напряжения.