УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ГАЗА
DEVICE FOR MEASURING GAS FLOW RATE

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к измерению расхода природного газа, в частности, добываемого на газоконденсатных месторождениях и содержащего жидкую углеводородную фазу в капельном или парообразном состоянии. Оно также может быть использовано в энергетике, авиационной технике, химических и криогенных технологиях, экологии и других областях промышленности, имеющих дело с газами, содержащими аэрозоли в капельно-жидком и твердом виде (например, дым заводских труб).
Известно устройство измерения расхода, состоящее из измерительного трубопровода, в котором установлено стандартное сужающее устройство, представляющее собой диафрагму или сопло, блока измерения перепада давления на входе и выходе сужающего устройства (СУ) и блока обработки результатов измерений [1], [2].
Недостатком устройства является необходимость смены диафрагм с разными диаметрами для обеспечения полного диапазона измерений расхода газа. Кроме того, СУ предназначены для измерения сухого и чистого газа, и если перед диафрагмой начинает скапливаться жидкость, это влечет за собой изменение формы потока над диафрагмой, что приводит к появлению неконтролируемой погрешности [2].
Известны также устройства для измерения расхода газа с помощью вихревых расходомеров. Общим недостатком этих расходомеров (как и расходомеров на основе СУ) является их низкая точность при измерении малых расходов, приводящая к ограничению их применения в случае работы с газами, текущими с небольшими скоростями (например, газы, подаваемые на факел). Недостатком вихревых расходомеров является также необходимость их поверки [1].
Известно устройство измерения расхода газа, основанное на взаимодействии потока со специально введенным в поток телом возмущения (обтекания). При движении газа на тело возмущения действует сила скоростного напора
где ρ - плотность потока в рабочих условиях;
ν - скорость потока;
S - поперечное сечение тела возмущения;
С - коэффициент лобового сопротивления, зависящий от формы тела возмущения.
При увеличении скорости потока эта сила возрастает, что приводит к смещению положения тела возмущения, которое в первом приближении пропорционально расходу газа.
Устройство измерения расхода газожидкостного потока, выбранное за прототип, получило название ротаметр [3]. Устройство представляет собой установленную вертикально трубу с небольшой конусностью (слегка расширяющейся кверху).
об
Входное отверстие расположено внизу и в отсутствие потока закрыто телом возмущения («поплавком»), выполненным, как правило, в виде шара. Выходное отверстие располагается вверху. При прохождении газа поплавок смещается вверх; высота подъема поплавка h в первом приближении пропорциональна объемному расходу:Q=kh, где k - коэффициент пропорциональности.
Недостатком устройства являются: необходимость иметь прозрачный (стеклянный, кварцевый, плексигласовый) корпус ротаметра, что не позволяет работать при больших рабочих давлениях газа; трудность автоматизации процесса измерения, т.к. определение смещения поплавка производится визуально.
Техническим результатом предложенного изобретения является возможность измерения расхода газа с большей точностью при больших рабочих давлениях газа; возможность непрерывного и автоматического проведения процесса измерения.
011
Технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения расхода газа, включающем в себя цилиндрический СВЧ-резонатор и ротаметр, резонатор заполнен диэлектриком с малыми потерями на рабочей частоте, а ротаметр выполнен в виде конической полости в этом диэлектрике, расположенной вдоль оси резонатора. В верхней части резонатора расположена кольцевая диэлектрическая пластина из материала с диэлектрической проницаемостью, существенно более высокой, чем диэлектрическая проницаемость диэлектрика, заполняющего резонатор. В резонаторе используются TE типы колебаний.
1
1
2
2
1
2
-3
-3
На фиг.1 изображена конструкция предлагаемого устройства. На ней показаны: 1 - металлический силовой корпус цилиндрического СВЧ-резонатора, способный выдерживать рабочие давления газа в трубопроводе, 2 - твердый диэлектрик с диэлектрической проницаемостью ε и малыми потерями (tgδ≤10), 3 - кольцевая диэлектрическая пластина из материала с диэлектрической проницаемостью ε (ε>>ε) и малыми потерями (tgδ≤10), 4 - элемент связи резонатора с генератором, 5 - элемент связи резонатора с детектором, 6 - проходные изоляторы, 7 - коническая стенка отверстия в диэлектрике 2, образующая полость ротаметра (коническая стенка ротаметра), 8 - «поплавок» ротаметра (поз. «0» при отсутствии потока, поз «1» при его наличии), 9 - рабочий трубопровод, 10, 11 - переходники от резонатора к рабочему трубопроводу, 12 - присоединительные фланцы, 13 - уплотнения.
φ
011
φ
2
На фиг.2 изображено распределение основного компонента электрического поля Е по высоте резонатора при возбуждении колебания ТЕ. Кривая 14 показывает зависимость E(h) для случая, когда диэлектрическая пластина 3 отсутствует (d=0). Кривая 15 относится к случаю, когда специальным образом подобранная пластина с проницаемостью ε и толщиной d размещена на верхнем торце резонатора.
1
На фиг.3 показаны амплитудно-частотные характеристики резонатора - сплошная линия 16 относится к случаю, когда поплавок занимает нижнее положение "0" (скорость газа равна 0), пунктирная линия 17 - когда поплавок занимает положение "1" (идет некоторый поток, расход газа Q).
На фиг.4 показано смещение частоты резонатора в зависимости от положения поплавка, играющего роль тела возмущения в резонаторе: ω=ω(h). За точку отсчета h=0 принят нижний торец резонатора.
На фиг.5 показана выходная характеристика СВЧ-ротаметра - зависимость регистрируемого объемного расхода Q (при определенной плотности потока) от частотного смещения резонатора
,
определяемого местоположением поплавка по координате h.
Работа устройства происходит следующим образом.
011
φ
1
Радиочастотные колебания СВЧ-диапазона от генератора (на фиг.1 не показан) поступают на элемент связи 4 и возбуждают в резонаторе 1, тип колебания ТЕ. Распределение основного компонента электрического поля Е по высоте резонатора приведено на фиг.2. В отсутствие потока (поплавок 8 на фиг.1 в положении "0") резонансная частота резонатора равна ω. При появлении потока на поплавок 8 будет действовать скоростной напор. При этом поплавок поднимается до некоторой высоты h (положение "1", фиг.1), такой, чтобы пропустить поток в кольцевой зазор между поплавком и конически расходящейся стенкой ротаметра 7. Сумма сил, действующая на поплавок в положении 1, становится равной нулю: вес поплавка mg уравновешивается силой скоростного напора F, вычисляемой по (1):
Высота h, на которую поднялся поплавок, и величина объемного расхода Q связаны зависимостью
где k коэффициент, устанавливаемый при калибровке.
Поясним смысл установки в резонатор пластины 3. В отсутствие пластины 3 поле в резонаторе имеет вид полуволны синусоиды (фиг.2, кривая 14). При этом при попадании поплавка в области, симметрично стоящие от экваториальной плоскости резонатора, реакция резонатора будет одинаковой, т.к. в этих областях поле имеет одну и ту же напряженность. Это приводит к неоднозначности показаний и к сокращению динамического диапазона величин регистрируемых расходов. При введении пластины 3 в резонатор она искажает поле так, как это показано на фиг.2 (кривая 15), и диапазон регистрируемых расходов возрастает почти вдвое. Одновременно устраняется неоднозначность регистрируемых показаний.
0
0
1
Введение в объем резонатора 1 поплавка возмущает резонатор, это выражается в смещении его собственной частоты ω (ω→ω) и изменении добротности. Поскольку поплавок выполнен из диэлектрического материала с малыми потерями, то добротность резонатора не изменяется, и возмущение сводится только к изменению собственной частоты. На фиг.3 показана амплитудно-частотная характеристика резонатора А(ω) в случаях, когда поток отсутствует (поплавок находится в положении "0") и при наличии потока (поплавок находится в положении "1"). Амплитудно-частотная характеристика может быть получена [4] путем регистрации частотно-модулированного сигнала СВЧ генератора при пилообразной форме модулирующего напряжения (на фиг.1 не показаны).
3
011
φ
1
1
0
2
Сдвиг частоты резонатора при введении тела возмущения может быть найден из теории малых возмущений [5]: он определяется размером поплавка, его диэлектрической проницаемостью (ε) и величиной электрического поля резонатора в месте размещения поплавка. При заданных размерах поплавка при работе на типе колебания ТЕ сдвиг частоты качественно повторяет вид функции Е (h). На фиг.4 показана функция ω(h), по которой можно определить сдвиг частоты Δω=ω-ωпри перемещении поплавка из положения "0" в какое-либо положение "1" (см. фиг.1).
1
Таким образом, относительный сдвиг частоты резонатора  однозначно связан с положением поплавка в объеме резонатора - с его координатой h, которая в свою очередь связана с расходом Q (фиг.5).
Отсюда, по изменению величины частотного смещения  однозначно определяют объемный (при неизменной плотности потока ρ) расход:
0
2
Множитель G определяется в результате предварительной калибровки СВЧ-ротаметра по какому-либо эталонному средству поверки. Он может являться функцией смещения h (G=G(h)) т.е. зависимость Q(h) будет нелинейной (фиг.5). Однако при необходимости подбором профиля трубки ротаметра, толщины корректирующей пластины 3 и ее диэлектрической постоянной ε, а также формы поплавка можно сделать шкалу ротаметра линейной или близкой к ней.
к
i
При проведении калибровки необходимо знание плотности газа (при условиях калибровки) - ρ. Если при тех же условиях проводятся измерения с газом другой плотности (ρ), цена деления шкалы изменится.
Так как при одном и том же делении шкалы (при постоянном h) должно выполняться условие
имеем
Поскольку объемный поток определяется скоростью газа Q=ν·S, то
откуда
Таким образом, при непрерывном измерении величины объемного расхода неизвестного потока необходимо проводить постоянное измерение его плотности.
СВЧ-устройство для определения расхода газа было проверено в лабораторных условиях как на чистых, так и на запыленных газах и газах, содержащих капельно-жидкий аэрозоль, и показало высокие метрологические характеристики.
Литература
[1] - Плотников В.М., Подрешетников В.А., Тетеревятников Л.Н. Приборы и средства учета природного газа и конденсата. Л.: Недра, 1989, 238 с.
[2] - Правила измерения расхода газов и жидкостей стандартными сужающими устройствами РД-50-213-80. М.: Изд. Стандартов, 1982, 320 с.
[3] - Кремлевский П.П. Измерение расхода многофазных потоков. Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1982, 105 с.
[4] - Москалев И.Н. Стефановский A.M. Диагностика плазмы с помощью открытых цилиндрических резонаторов, М.: Энергоатомиздат, 1985, 145 с.
[5] - Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. М.: ГИФМЛ, 1963, 404 с.