Измеритель расхода жидкости в трубопроводе

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована в газовой, нефтяной, химической промышленности и предназначена для непрерывного измерения объемного расхода жидкости в трубопроводе, объема прокачанной жидкости и преобразования измеренной величины в электрический цифровой сигнал для дистанционной передачи в системы сбора данных геолого-технологических исследований, системы контроля, регулирования и управления технологическими процессами.
Известен преобразователь ультразвуковых расходомеров-счетчиков, имеющих диаметр сечения проточной полости одного порядка с диаметром сечения ультразвукового луча (от 10 до 40 мм), содержащий корпус с входными и выходными патрубками, находящимися на одной оси, два пьезопреобразователя, оси ультразвуковых лучей которых перпендикулярны оси патрубков, два косых отражателя. Ось измерительного участка между косыми отражателями параллельна оси патрубков, смещена относительно этой оси более чем на один диаметр проточной полости патрубков оппозитно пьезопреобразователям (RU №66031, G01F 1/66, 2007 г.)
Однако из-за наличия наличие косых отражателей, вызывающих турбулентность измеряемого потока при их отекании и, как следствие, нелинейность и нестабильность характеристик расходомера, устройство имеет низкую чувствительность и точность измерений. Кроме того, устройство ограничено в применении из-за невозможности его использования при диаметрах трубопровода, превышающего 40 мм. Устройство сложно в изготовлении и при эксплуатации крайне затруднительно выполнять поверку/калибровку.
Известен накладной ультразвуковой многофазный расходомер (RU 2490598, кл. G01F1/66, 2013 г.), включающий угловой высокочастотный импульсный допплеровский преобразователь выполнен с возможностью подавать импульсный сигнал в жидкий слой под первым углом падения по отношению к прямой линии, которая перпендикулярна внутренней стенке трубы на разделе между трубой и жидкостью. Абсолютное значение угла падения в жидком слое обычно, от 10 до 80 градусов. Контактный преобразователь функционально соединен со стенкой трубы. Контактные приемопередающие преобразователи расположены в разных корпусах и расположены вокруг окружности трубы под разными углами, например, наверху трубы может формировать пару передатчик-приемник и контактным преобразователем - внизу трубы, и связаны с блоком электроники.
Расположение приемопередающих контактных преобразователей в разных корпусах усложняет конструкцию измерителя объемного расхода жидкости в трубопроводе и его эксплуатацию. Кроме того, данным устройством невозможно измерять расход бурового раствора из-за высокой степени поглощения ультразвука.
Прототипом полезной модели является датчик расходомера, известный из Интернета http://geosensor.ru/products/sensor/flow/rud/se4. Известный датчик расходомера включает ультразвуковой излучатель и приемник, которые установлены в углублениях корпуса, расположенных с контактной стороны и связанные с блоком электроники.
Однако указанный датчик для бесконтактного измерения объемного расхода жидкой среды, предназначен только для измерения объемного расхода жидкости, имеющей газообразные или твердые включения и протекающей по закрытому, полностью заполненному трубопроводу. При этом концентрация включений должна быть не уровне типовой водопроводной воды. Поэтому данным датчиком затруднительно проводить измерение объемного расхода бурового раствора, имеющего высокое содержание твердых включений.Буровой раствор является сложной многокомпонентной дисперсной системой суспензионных, эмульсионных и аэрированных жидкостей, применяемых для промывки скважин в процессе бурения.
Проблемой полезной модели является разработка измерителя объемного расхода бурового раствора в трубопроводе.
Техническим результатом полезной модели является повышение точности измерения объемного расхода бурового раствора.
Поставленная проблема и указанный технический результат достигаются тем, что измеритель расхода жидкости в трубопроводе включает ультразвуковой излучатель и приемник, установленные в углублениях корпуса, расположенных с контактной стороны и связанные с блоком электроники. Согласно полезной модели углубления корпуса для установки в них ультразвуковых излучателя и приемника выполнены под углом 30° к контактной стороне, а все пустоты корпуса заполнены компаундом.
Контактная сторона корпуса покрыта электропроводным гелем.
В качестве ультразвукового излучателя и приемника используются элементы пьезокерамические ДЖГК.757681.008-238 (Ф23х3,1).
Измеритель расхода жидкости выполнен во взрывозащищенном и искрозащищенном исполнении.
Выполнение углублений для установки в них ультразвукового излучателя и приемника под углом 30° дают строгое направление ультразвукового излучения и его прием под тем же углом, который определен экспериментальным путем для измерения объемного расхода бурового раствора в трубопроводе, при этом уменьшение или увеличение угла значительно повлияет на качество приема сигнала, тем самым снизит точность определения. Выполнение углублений с контактной стороны позволяет ультразвуковому сигналу беспрепятственно через стенку трубопровода проникать внутрь для беспрепятственного измерения объема и расхода бурового раствора.
Заливка компаундом углублений в корпусе формирует акустический канал, распространяющий продольную волну от излучателя до границы среза корпуса – стенка трубы под нужным углом (в нашем случае – 30°). Кроме того заливка компаундом выполняет согласование акустических импедансов пьезоизлучателя и системы жидкость – стенка трубопровода. При этом лицевая сторона пьезоизлучателя компаундом не заливается для формирования в нем со стороны выхода излучения необходимой нагрузки для пьезоэлемента.
Обработка контактной стороны корпуса звукопроводным гелем улучшает прилегание корпуса к стенке трубопровода.
Использование в качестве ультразвукового излучателя и приемника пьезокерамических элементов ДЖГК.757681.008-238 (Ф23х3,1), имеющих частоту основного резонанса 640 кГц, обеспечивает лучшее проникновение в жидкость из-за сравнительно большой длины волны, а также получать больший доплеровский сдвиг, влияющий на достоверность измерения расхода жидкости.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен корпус излучателя в разрезе; на фиг. 2 разрез А-А; на фиг. 3 – общий вид измерителя.
Измеритель объемного расхода жидкости выполнен во взрывозащищенном и искрозащищенном исполнении и включает корпус 1, в котором с контактной стороны 2 выполнено углубление 3 под углом 30°, для установки в нем ультразвукового излучателя 4 в виде пьезокерамического элемента (ДЖГК.757681.008-238 (Ф23х3,1) и углубление 5 под углом 30°, для установки в нем приемника 6 в виде пьезокерамического элемента (ДЖГК.757681.008-238 (Ф23х3,1). Вдоль корпуса 1 образован канал 7, проходящий вдоль корпуса, пересекая дно 8 углубления 3 и дно 9 углубления 5 с образованием в них отверстий 10 для подвода электропровода к ультразвуковому излучателю 4 и отверстие 11 для подвода электропровода к приемнику 6, для их соединения с блоком электроники 12. Все каналы корпуса 1 после установки в него ультразвукового излучателя 4 и приемника 6 заполнены компаундом (на фиг. не показано). Контактная сторона 2 корпуса 1 покрыта звукопроводным гелем 13.
Измеритель представляет собой неразборный узел, содержащий пьезоэлектрические преобразователи (излучатель 4 и приемник 6), заключенные в металлический корпус 1, залит полимерным компаундом и соединенный кабелем 14 с блоком электроники 12. Блок электроники 12 изготовлен на печатной плате и размещается в пластиковом корпусе. На боковых поверхностях корпуса расположен разъем для кабеля связи с внешними устройствами.
Измерение объемного расхода бурового раствора с использованием измерителя расхода жидкости производится следующим образом.
Измеритель расхода жидкости предназначен для бесконтактного измерения объемного расхода жидкой среды (бурового раствора), имеющей газообразные и твердые включения, протекающей по закрытому, полностью заполненному трубопроводу. Корпус 1 контактной стороной 2 с звукопроводным гелем 13 прикрепляют к трубе заполненной буровым раствором, при этом минимальная длина прямолинейного участка трубы до измерителя должна составлять не менее 10 D, где D – диаметр трубы, а после измерителя - не менее 5D для минимизации влияния неравномерности потока по профилю на результат измерения.
Блок электроники 12 измерителя формирует непрерывный электрический сигнал частотой 640 кГц и напряжением 9В. Этот сигнал по кабелю поступает в ультразвуковой преобразователь – излучатель 4 и возбуждает в нем механические колебания. Колебания создают ультразвуковые волны, которые через стенку трубопровода проникают в жидкость под заданным углом 30°. Волны, отражаясь от частиц неоднородностей жидкости, возвращаются к преобразователю – ультразвуковому приемнику 6 и возбуждают в нем вторичные механические колебания, которые создают на его выходе электрический сигнал. Угол вхождения ультразвукового луча в жидкость определяется соотношением скоростей звука в жидкости и корпусе 1 и углом установки излучателя 4, по закону Снеллиуса. Сигнал по кабелю 14 поступает в блок электроники 12, детектируется, усиливается и преобразуется в цифровой код. Микропроцессор обрабатывает принятый сигнал, производит необходимые расчеты и поддерживает связь по цифровому каналу.
Измеритель позволяет производить измерения без нарушения стенок трубопровода. Принцип действия измерителя расхода жидкости основан на излучении в контролируемую жидкость непрерывного ультразвукового сигнала постоянной частоты, приеме отраженного от включений в жидкость ультразвукового сигнала и определении среднего отклонения частоты принятого сигнала от частоты излученного сигнала. Разница частот излученного и принятого сигналов прямопропорциональна средней скорости потока жидкости и расходу жидкости в трубопроводе.
Точность измерения обусловлена в первую очередь тем, что оба преобразователя установленные в одном корпусе под строго определенным углом 30°.
В настоящее время измеритель расхода жидкости находится на стадии испытаний.