ПЕРВИЧНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ИМПЕДАНСА ДВУХФАЗНОГО ПОТОКА В ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМАХ

Полезная модель относится к средствам измерения и может быть использована для контроля состава и дебита скважинных потоков при добыче нефти.
Известна конструкция первичного преобразователя (патент РФ № 2339936, 27.11.2008 г.), используемого для определения электрической емкости (диэлектрической проницаемости) преимущественно жидкости - нефтепродуктов, который состоит из пластинчатых электродов, образующих электрический конденсатор и расположенных на противоположных сторонах диэлектрической подложки. При этом указанные пластинчатые электроды включают электрод воздействия, соединенный с источником переменного электрического напряжения, и электрод измерения, подключенный к преобразователю токового сигнала. С зазором относительно указанных электродов воздействия и измерения расположен кольцевой экранный электрод, соединенный с источником электрического тока.
Недостатком указанного решения, не позволяющим применить его в трубопроводных системах, является недостаточная надежность проводимых измерений импеданса, обусловленная тем, что
электрический конденсатор устанавливается внутри потока и является для него препятствием, что приводит к постепенному загрязнению электродов и изменению функции преобразования состава и структуры потока в электрический импеданс, а также увеличивает динамическое сопротивление потоку с увеличением рабочего давления во всей трубопроводной системе;
конструкция чувствительного элемента с выделением локального измерительного пространства не позволяет получить интегральное измерение, характеризующее весь поток в поперечном сечении трубопровода;
двухэлектродная схема измерения приведенной конструкции не позволяет производить достаточно точные измерения потоков с высокой электропроводностью, например, высокодебитных скважин с плотностью пластовой воды в диапазоне от 1,02 до 1,2 кг/л, поскольку при измерении низких сопротивлений высокую погрешность вносят переходные сопротивления подключения электродов конденсатора к измерительной схеме и влияние тонких приэлектродных слоев.
Известна конструкция первичного преобразователя (патент РФ № 104727, 20.05.2011 г.), принятого за наиболее близкий аналог к заявляемому решению, содержащего пластинчатые электроды, погружаемые в контролируемую среду многокомпонентного состава (эмульсию, например жидкий нефтепродукт, раствор, например, этилового спирта и т.п.), образующие электрический конденсатор и включающие электрод воздействия, соединенный с источником переменного электрического напряжения, и электрод измерения, подключенный к преобразователю токового сигнала. Кроме того, в состав первичного преобразователя входят также два защитных экранных электрода, подключенные к источникам электрического напряжения, эквипотенциальным электроду воздействия и электроду измерения соответственно.
Недостатком данного решения также является недостаточное обеспечение надежности измерений импеданса, обусловленное вышеуказанными причинами для предыдущего аналога, что ограничивает его применение в трубопроводных системах.
Задачей полезной модели является создание простой конструкции первичного преобразователя, обеспечивающей контроль параметров газожидкостных потоков в трубопроводных системах при нефтедобыче и других отраслях промышленности.
Техническим результатом полезной модели является повышение надежности проведения измерений импеданса двухфазного потока в трубопроводных системах за счет повышения точности и стабильности измерений.
Технический результат достигается при использовании первичного преобразователя для измерения импеданса двухфазного потока в трубопроводных системах, содержащего кольцевые электроды с внутренним диаметром, соответствующим диаметру трубопровода, которые образуют измерительную систему и включают два электрода воздействия и два электрода измерения, при этом электроды воздействия соединяются с источником переменного напряжения и измерителем тока, а электроды измерения соединяются с измерителем напряжения.
Выполнение электродов кольцевыми с внутренним диаметром, соответствующим диаметру трубопровода, позволяет получить конструкцию первичного преобразователя, не создающего препятствия потоку жидкости в трубопроводе, что исключает загрязнение электродов, а также изменение функции преобразования в электрический импеданс, что в итоге обеспечивает стабильность проводимых измерений и повышает их надежность. Такое исполнение электродов позволяет создать измерительное пространство, которое охватывает весь поток в поперечном сечении и обеспечивает измерение его интегральных характеристик. Четырехэлектродное исполнение позволяет также производить точное измерение малых значений импеданса для потоков с высокой электропроводностью за счет исключения влияния соизмеримых сопротивлений монтажа и влияния тонкого приэлектродного слоя в токовой цепи.
Кроме того, допускается использование двуэлектродного исполнения первичного преобразователя с корректировкой схемы подключения электрода воздействия и электрода измерения с источником переменного напряжения и измерителями тока и напряжения. В таком упрощенном варианте исполнения измерение электрического импеданса производится с достаточной точностью, поскольку переходные сопротивления подключения несоизмеримо малы по сравнению с измеряемым импедансом среды.
На фигуре показано подключение четырехэлектродного первичного преобразователя для измерения импеданса двухфазного потока в трубопроводных системах.
i
u
Первичный преобразователь 1 образован четырьмя кольцевыми электродами - двумя электродами воздействия 3 (внутренние) и думая электродами измерения 4 (внешние), при этом электроды воздействия 3 соединяются с источником (генератором) переменного напряжения 5 и измерителем тока 6, а электроды измерения 4 соединяются с измерителем напряжения 7. Электроды измерения 4 имеют ширину B. Измерительное пространство, в котором протекает контролируемый поток, имеет длину L и диаметр ДУ. Электроды воздействия 3 размещены на расстоянии Δ от электродов измерения 4 и имеют ширину B. Ширина электродов измерения 4 и длина измерительного пространства выбираются под контролируемую среду для обеспечения необходимой точности измерения импеданса: увеличение ширины электродов измерения 4 приводит к уменьшению импеданса, увеличение длины измерительного пространства - к увеличению импеданса. Монтаж первичного преобразователя 1 проводится аналогичным образом, описанным выше для двухэлектродного исполнения первичного преобразователя 1.
Предусматривается следующая схема измерения. Источник (генератор) переменного электрического напряжения 5 через резистор 8 подключается к одному из электродов измерения 4 и обеспечивает воздействие электрического поля на контролируемое измерительное пространство. Ко второму электроду измерения 4 подключается измеритель тока 6, протекающего через измерительное пространство, между электродами воздействия 3 измерителем напряжения 7 производится измерение электрического напряжения на участке измерительного пространства, не включающего электроды измерения 4 и приэлектродные слои возле них.
При этом
конструкция первичного преобразователя не имеет препятствий потоку жидкости;
измерительное пространство охватывает весь поток в поперечном сечении и обеспечивает измерение его интегральных характеристик;
обеспечивается точное измерение малых значений импеданса для потоков с высокой электропроводностью, поскольку при четырехэлектродной схеме измерения исключается влияние соизмеримых сопротивлений монтажа и влияния тонкого приэлектродного слоя в токовой цепи.
Таким образом, предложен первичный преобразователь, который обеспечивает высокие эксплуатационные характеристики, точность и стабильность измерений, отличается простотой конструкции, надежностью процесса измерений и может быть использован для надежного и качественного контроля газожидкостных потоков в трубопроводных системах.