СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФАЗОВОГО СОСТОЯНИЯ ГАЗОЖИДКОСТНОГО ПОТОКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF DETERMINING PHASE OF GAS-LIQUID STREAM AND APPARATUS FOR REALISING SAID METHOD

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения фазового состояния газожидкостного потока в вертикальном сечении трубопровода, преимущественно для криогенных сред.
Известны различные способы и устройства определения фазового состояния газожидкостного потока (определения режима течения потока, его сплошности, зависящей от объемного содержания газа в жидкости) (авторские свидетельства SU 440585, SU 1022002 A, SU 1631401 A1; патенты RU 2001391 C1, RU 2006839 C1, RU 2037811 C1, RU 2108567 С1, RU 2198397 С2, RU 2217765 С2, RU 2382359 С2, US 6314373 ВА, US 6655221 ВА, JP 3455634 B2, 9138211 А).
Измерение распределения характеристик газожидкостного потока в поперечном сечении трубопровода позволяет получить более точную информацию о концентрации газовых пузырьков при неравномерном распределении их в потоке жидкости, определить структуру потока.
Из известных способов и устройств наиболее близким к заявленному изобретению является «Способ и устройство для определения режима течения газожидкостного потока» (патент RU 2390766 C1, G01N 27/22). В данном патенте предложен способ определения режима течения газожидкостного потока, при котором осуществляют измерение распределения характеристик газожидкостного потока в вертикальном сечении трубопровода, при этом анализ параметров потока осуществляют по всему вертикальному сечению трубопровода путем измерения диэлектрических характеристик смеси жидкость-газ с помощью нескольких горизонтальных слоев пластинчатых электродов, расположенных вдоль трубопровода и подключенных к измерительной плате, которая измеряет значения диэлектрической проницаемости. В случае наличия пузырьков воздуха диэлектрическая проницаемость смеси жидкость-газ уменьшается пропорционально объемному содержанию воздуха в жидкости. Проходя через соответствующий слой электродов, эта смесь вызывает изменение емкости между пластинами электродов, величина которой измеряется и передается на вторичный прибор.
Для повышения чувствительности устройства необходимо получение достаточной емкости между слоями электродов, что предусматривает использование больших по площади пластинчатых электродов и приводит к перекрытию сечения трубопровода. Само устройство влияет на параметры среды, ее сплошность и режим течения, что отражается на результатах измерений и снижает точность определения структуры газожидкостного потока.
Устройство состоит их шести горизонтальных слоев пластинчатых электродов, подключенных к измерительной плате. Выход из строя одной из секций электродов может привести к отсутствию показаний, характеризующих диэлектрическую проницаемость среды в каком-либо горизонтальном слое газожидкостного потока, и к ошибкам в результатах измерений, что снижает его надежность. Измерительная аппаратура имеет значительную массу и габариты, так как данное устройство представляет собой довольно сложную конструкцию с большим количеством объемных элементов.
Целью изобретения является повышение точности определения фазового состояния газожидкостного потока, повышение надежности и упрощение конструкции устройства.
Поставленная цель достигается тем, что в способе определения фазового состояния газожидкостного потока, включающем определение распределения характеристик газожидкостного потока в поперечном сечении трубопровода посредством размещения в трубопроводе датчика с чувствительным элементом (ЧЭ) или с чувствительными элементами (ЧЭ), подключенными к измерительному устройству, измерение изменения параметров датчика и передачу информационного сигнала об изменении параметров датчика, анализ параметров потока осуществляют с помощью датчика фазового состояния с терморезистивным чувствительным элементом или терморезистивными чувствительными элементами, выполненными в «точечном» исполнении, производят опрос состояния чувствительных элементов, в контрольных точках по вертикальной оси поперечного сечения трубопровода измеряют изменение сопротивления терморезисторов, связанное с изменением фазового состояния среды в горизонтальных слоях газожидкостного потока, обрабатывают сигнал и передают информацию о состоянии потока. Причем при наличии нескольких чувствительных элементов их подключают к измерительному устройству независимо друг от друга по параллельным схемам и опрос их состояния производят циклично.
2
Вышеуказанный способ реализуется устройством для определения фазового состояния газожидкостного потока, содержащим измерительное устройство и датчик с чувствительным элементом или чувствительными элементами, расположенными по поперечному сечению трубопровода и соединенными с измерительным устройством. При этом датчик является терморезистивным датчиком фазового состояния и содержит расположенную вдоль оси движения потока печатную плату с отверстием или отверстиями, над каждым из которых установлен чувствительный элемент, выполненный в виде подложки, на которой размещен пленочный резистор (терморезистор) в «точечном» исполнении. Чувствительный элемент или чувствительные элементы установлены в контрольных точках по вертикальной оси поперечного сечения трубопровода. Измерительное устройство содержит измерительные схемы и микроконтроллер с программным управлением и предназначено для измерения изменения сопротивления каждого из терморезисторов, связанного с изменением фазового состояния среды в горизонтальных слоях газожидкостного потока, и обработки сигнала, причем, при наличии нескольких чувствительных элементов, они подключены к измерительному устройству по параллельным схемам независимо друг от друга. «Точечные» терморезисторы выполнены с размерами по площади не более 0,04 мм  на тонкой теплоизоляционной подложке шириной не более 2 мм и толщиной не более 100 мкм.
Использование в качестве чувствительных элементов размещенных на подложке пленочных резисторов (терморезисторов), выполненных в «точечном» исполнении, а также расположение печатной платы вдоль оси движения потока не вызывают возрастания сопротивления гидродинамическому потоку, не влияют на параметры среды и структуру потока, что повышает точность определения фазового состояния потока.
«Точечное» исполнение терморезисторов позволяет установить на печатной плате в контрольных точках по вертикальной оси поперечного сечения трубопровода такое количество чувствительных элементов, которое необходимо для получения точной картины распределения газа в потоке.
2
Терморезисторы, выполненные в «точечном» исполнении с размерами по площади не более 0,04 мм, обладают маленькой тепловой инерционностью и реагируют на малейшие изменения структуры газожидкостного потока, изменение его сплошности, что повышает точность измерения.
Использование тонкой теплоизоляционной подложки шириной не более 2,0 мм и толщиной не более 100 мкм для формирования пленочного терморезистора обеспечивает снижение теплообмена между терморезистором и подложкой, что также повышает точность измерения.
Точность измерения обеспечивается за счет расположения теплоизоляционной подложки с терморезистором над отверстием печатной платы, что практически исключает влияние печатной платы на теплообмен между чувствительным элементом и средой.
Достаточное количество «точечных» чувствительных элементов, размещенных в контрольных точках, и подключение их к измерительному устройству по параллельным схемам и независимым друг от друга каналам обеспечивают надежность устройства, то есть при отказе одного из терморезисторов информационный сигнал поступает с остальных работающих терморезисторов, не оказывая практического влияния на точность результатов измерения.
Использование в устройстве «точечных» терморезисторов обеспечивает упрощение конструкции датчика за счет уменьшения количества элементов и сокращения их габаритных размеров.
«Точечные» терморезисторы обладают малым энергопотреблением. Для нагрева каждого терморезистора используется не более 16 мА, что не влияет на температуру и плотность газожидкостной среды и имеет важное значение при перекачке криогенных жидкостей и их компонентов по трубопроводным системам.
Из уровня техники известны устройства и способы определения уровня жидкости, основанные на использовании «точечных» терморезисторов в качестве чувствительных элементов, например патент RU 2319114 C1 «Способ контроля дискретных уровней жидкости и система (устройство), обеспечивающая его реализацию». Однако с помощью представленных в патенте RU 2319114 С1 способа и устройства осуществляют контроль конкретного уровня жидкости в емкости, показывая границу раздела жидкость-газ, и не определяют распределение фазового состояния газожидкостного потока. В отличие от известных технических решений, в предложенном изобретении осуществляют измерение изменения сопротивления терморезисторов, связанное с объемным содержанием газа в потоке, выявляют структуру потока в поперечном сечении трубопровода с течением времени и определяют текущую картину распределения газа в горизонтальных слоях газожидкостного потока.
Изобретение поясняется чертежами, схемами и графиками:
фиг.1 - структурная схема устройства для определения фазового состояния газожидкостного потока;
фиг.2 - датчик фазового состояния;
фиг.3 - осциллограмма изменения сигналов с датчиков при изменении фазового состояния газожидкостного потока (первый вариант);
фиг.4 - осциллограмма изменения сигналов с датчиков при изменении фазового состояния газожидкостного потока (второй вариант).
Устройство для определения фазового состояния газожидкостного потока (фиг.1) содержит датчик фазового состояния 1 и измерительное устройство 2 (на фиг.1 представлена структурная схема устройства с двумя и более чувствительными элементами). В состав измерительного устройства входят:
- схемы измерения (СИ) 3, 4, состоящие из элементов балансного моста, в одно из плеч которого подключается чувствительный элемент (терморезистор) 14 (нумерация ЧЭ на фиг.2) датчика фазового состояния 1;
- управляемые источники постоянного напряжения (УИПН) 5, 6 для подачи питания на терморезисторы чувствительных элементов 14 датчика фазового состояния 1;
- операционные усилители (ОУ) 7, 8, предназначенные для усиления сигнала, поступающего с измерительных схем 3, 4;
- микроконтроллер с программным управлением 9, обеспечивающий подключение выхода каждой измерительной схемы к аналого-цифровому преобразователю (АЦП), цифровую фильтрацию измеряемых сигналов, формирование кодовой последовательности цифровых сигналов, определяющих состояние каждого чувствительного элемента 14, то есть фазовое состояние среды, в которой он находится, управление источниками постоянного напряжения 5, 6, подаваемого на каждый чувствительный элемент;
- формирователь сигналов интерфейса 10, обеспечивающий прием сигналов с микроконтроллера 9 и передачу сигналов о состоянии каждого чувствительного элемента 14 по интерфейсу, например RS485, на информационный вход системы индикации и управления 11;
- источник стабилизированного напряжения 12, предназначенный для формирования питающих напряжений для элементов схемы.
2
Размещенный в трубопроводе датчик фазового состояния 1 (фиг.2) содержит печатную плату 13, расположенную вдоль оси движения газожидкостного потока. На печатной плате 13 размещены один или несколько чувствительных элементов 14 (на фиг.2 представлен один чувствительный элемент), каждый из которых выполнен в виде тонкой теплоизоляционной подложки шириной не более 2 мм и толщиной не более 100 мкм, на которой размещен пленочный резистор (терморезистор), выполненный в «точечном» исполнении с размерами по площади не более 0,04 мм. Чувствительные элементы (или элемент) 14 установлены в контрольных точках по вертикальной оси поперечного сечения трубопровода над отверстиями (или отверстием) 15 печатной платы 13. Контактные площадки печатной платы 13 соединены при помощи пайки с контактными площадками подложки и обеспечивают подключение ЧЭ 14, с помощью проводов 16, к измерительному устройству 2. Печатная плата 13 с ЧЭ 14 с помощью винтового соединения крепится к изоляционной прокладке 17, прикрепленной к основанию разъема 18. Провода 16 соединяют контактные площадки печатной платы 13 с выводами разъема 18, который прикрепляется к тройнику 19 накидной гайкой 20. Герметичность обеспечивается с помощью уплотнительной теплоизоляционной прокладки 21. При наличии нескольких чувствительных элементов 14 датчика фазового состояния 1 все они подключены к измерительному устройству 2 по параллельным схемам независимо друг от друга.
Способ определения фазового состояния газожидкостного потока с использованием предложенного устройства реализуется следующим образом.
Для проведения анализа потока жидкости в трубопроводе размещают датчик фазового состояния с терморезистивным чувствительным элементом или терморезистивными чувствительными элементами, каждый из которых выполнен в «точечном» исполнении. Чувствительные элементы (или элемент) 14 расположены в потоке таким образом, что измерения проводят в контрольных точках (при наличии одного ЧЭ - в контрольной точке) по вертикальной оси поперечного сечения трубопровода. С управляемых источников постоянного напряжения 5, 6 на терморезисторы чувствительных элементов подают питающее напряжение. Под действием электрического тока происходит самонагрев, сопротивление терморезисторов увеличивается, устанавливается тепловой баланс, при котором температура и сопротивление терморезисторов постоянны. В случае появления пузырьков газа или несплошностей в потоке жидкости, объемное содержание газа в определенных горизонтальных слоях потока увеличивается, происходит изменение фазового состояния среды. Тепловой баланс нарушается, температура соответствующих терморезисторов увеличивается за счет изменения теплопроводности среды, что приводит к повышению их сопротивления и изменению напряжения в диагонали балансного моста соответствующей схемы измерения. При наличии в датчике одного ЧЭ устройство содержит одну измерительную схему, а при наличии нескольких ЧЭ сигналы с чувствительных элементов поступают в измерительное устройство по параллельным схемам независимо друг от друга. При уменьшении объемного содержания газа в горизонтальных слоях потока температура соответствующих терморезисторов из-за теплоотдачи снижается, сопротивление уменьшается и, соответственно, изменяется сигнал в диагонали балансного моста соответствующей схемы измерения. Сигналы с измерительных схем через операционные усилители поступают на микроконтроллер с программным управлением, обеспечивающим подключение выхода каждой измерительной схемы к АЦП. Производится цифровая фильтрация измеряемых сигналов и формирование кодовой последовательности цифровых сигналов, определяющих состояние каждого чувствительного элемента. Формируется кодограмма, отражающая картину текущего распределения содержания газа в газожидкостном потоке по вертикальному сечению трубопровода. Информационный сигнал о состоянии каждого чувствительного элемента, то есть о фазовом состоянии среды, в которой он находится, по интерфейсу, например RS485, подается на информационный вход системы индикации и управления.
На фиг.3 и фиг.4 представлены осциллограммы изменения сигналов с чувствительных элементов датчика при изменении фазового состояния среды в трубопроводе с течением времени. Результаты получены при проведении анализа газожидкостного потока с использованием предложенного устройства с терморезистивным датчиком, содержащим четыре чувствительных элемента, расположенные по вертикальной оси поперечного сечения трубопровода. Время испытаний составило 3500 секунд. На графиках показано изменение напряжения в плече балансного моста каждой из четырех измерительных схем, соответствующее изменению объемного содержания газа в потоке в зависимости от времени анализа. Осциллограмма на фиг.3 отображает фазовый переход среды из газообразного состояния в жидкость на 2390,5-2391,5 секундах испытаний. Время перехода, зависящее от скорости перемещения жидкости, составило 1,5 секунды (время задержки). Осциллограмма на фиг.4 отображает результаты тех же измерений за весь период испытаний (масштаб координаты времени больше, чем на фиг.3). На данном графике для четырех контрольных точек по поперечному сечению трубопровода представлена картина распределения содержания газа в потоке, фазовые переходы среды, а именно: газовая фаза, переход из газовой фазы в жидкость, изменение сплошности среды, газовый пузырек, жидкость, переход из жидкой фазы в газовую фазу и газовая фаза.
Предложенный способ определения фазового состояния газожидкостного потока и устройство для его реализации по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивают повышение точности определения фазового состояния газожидкостного потока, повышение надежности и упрощение конструкции устройства.