CZ20022958A3

CZ20022958A3 - Současné stanovení vícefázových průtokových rychlostí a koncentrací

Info

Publication number: CZ20022958A3
Application number: CZ20022958A
Authority: CZ
Inventors: Vladimir Drobkov; Vladimir Melnikov; Andrey Shustov
Original assignee: Nest International N. V.; Vladimir Drobkov; Vladimir Melnikov; Andrey Shustov
Priority date: 2000-03-09
Filing date: 2001-03-05
Publication date: 2003-01-15
Also published as: CN1217161C; KR100808729B1; NO20022700L; PT1261846E; CA2393727C; IL151612A0; DK1261846T3; ATE242872T1; CA2393727A1; WO2001067051A1; DE60100360D1; AU2001241281A1; JP4800543B2; NO20022700D0; AU3334800A; EP1261846B1; CZ298873B6; EP1261846B8; DE60100360T2; WO2001067050A1

Description

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu a zařízení na stanovení objemových průtokových rychlostí a objemových koncentrací složek kapalné a plynné fáze ve vícefázových směsích kapalina-plyn, jako jsou tekutiny z ropného vrtu, složené z oleje, vody a plynu. Zejména se vynález týká takového způsobu a takového zařízení podle úvodních části nároků 1, resp. 15.

Dosavadní stav techniky

Výtok, proudící potrubím z ropného vrtu je vlcefázová směs oleje, vody a plynu. Přesné a současné méřenf průtokových rychlosti a objemových koncentrací složek směsi je důležité pro řízení provozu vrtu.

Současné způsoby a zařízení pro měření těchto průtokových vlastností vyžaduji předběžnou separaci plynu ve speciálních separátorech, které jsou nainstalovány v měřících zařízeních na území ropných polt. Tato skutečnost vede ke značným kapitálovým výdajům při provádění takových měření.

Také jsou známy techniky k měření uvedených vícefázových průtokových vlastností, bez předběžné separace plynné fáze. Tyto způsoby a zařízení jsou založeny na různých fyzikálních principech: rozdíl hustoty a elektromagnetických vlastnosti složek, interakce pomocí gama paprsků a ultrazvukových vln, a jiné.

V patentu RU-C-2138023 je uveden způsob a zařízení podle úvodní části nároku 1, resp. 15. V jednom místě v potrubí, kterým prochází

-2 Upravený list ·· ··· φφ * · • · φφ *

φ • φ • φ·· • · φ · φ · φφ

Φ·Φ· vicefázová směs s konstantní průtokovou rychlosti, se tímto způsobem podle dosavadního stavu techniky měří akustická vodivost směsi při přenášení akustických impulsů regulovaným objemem směsi snímačem a počítání těchto impulsů, když jsou přijaty přijímačem, s poměrem přenesených a přijatých impulsů, představujícím množství fáze této směsi. Kromě toho, v každém ze dvou míst se měří doba průchodu impulsu regulovaným objemem, kde uvedená doba se vzájemně koreluje s dobou získanou ze druhého místa, a potom se použije v kombinaci s hodnotou vzdálenosti mezi uvedenými místy, k výpočtu rychlosti. Během kalibrace zařízeni, za použiti čistého oleje a čisté vody, se měřf doby průchodu impulsu regulovaným objemem a použijí se v kombinaci se skutečnou (na původním místě - in šitu) dobou průchodu, uvedeným poměrem množství fáze, uvedenou rychlosti a hodnotou průřezu potrubí, pro výpočet skutečných průtokových rychlosti plynu, oleje a vody.

Evropský patent A 0 684 458 uvádi průtokoměr, kde potrubi obsahuje dvě zúžení, kde každé vytváří změnu rychlosti průtoku vzhledem k rychlosti průtoku v místech právě před každým zúžením, respektive v každém zúžení. Pro každé zúženi se měří rozdíl tlaku mezi uvedenými místy. Hodnota objemu V mezi zúženími musí být stanovena předem. Použitím signálů rozdílů tlaku a hodnoty objemu V může být stanovena celková objemová průtoková rychlost. Měřením rozdílu statického tlaku může být stanoveno první přiblížení hustoty p směsi. Další zařízení se používá k vytváření jedné nebo více indikací o složení vlcefázové směsi. Když jsou dány hustoty p_Ol p_w, p₉ složek vlcefázové směsi, stanoví se průtokové rychlosti těchto fází. Tímto průtokoměrem podle dosavadního stavu techniky, se samotná rychlost neměří v místech, kde se změnila rychlost směsí, to je v každém zúženi. Ani v místech v nějaké vzdálenosti od tohoto zúžení se neměří rychlost. Místo toho se musí měřit rozdíl tlaku v každém zúžení, aby se z něho stanovila doba, po kterou směs proudí od

-3Upravený list jednoho zúženi do druhého zúženi. Z uvedené doby a ze známé vzdálenosti mezi zúženími se vypočítá rychlost.

V patentu US 5,287,752 je popsáno zařízení na stanovení průtokových rychlosti vícefázových tekutin pomoci sady kondenzátorů, umístěných na dvou rovnoběžných deskách, které jsou uspořádány uvnitř vodorovného nebo skloněného potrubí, rovnoběžně se směrem průtoku. Pro stanoveni objemového poměru vody a oleje a části průřezu potrubí, obsahujte! kapalnou fázi, se měří impedance média umístěného v tomto okamžiku v měřicích článcích všech základních kondenzátorů. Rychlost kapalné fáze je stanovena měřením a vzájemnou korelaci impedanci základních kondenzátorů, uložených v maticové řadě, umístěné v části průřezu obsahujíc! kapalnou fázi. Rychlost plynu je stanovena měřením doby průchodu strukturálních deformaci průtoku v horní části potrubí. Objemové průtokové rychlosti uvedených fázi jsou stanoveny tak, že se vezmou v úvahu části průřezu potrubí obsahující kapalnou a plynnou fázi průtoku.

Navržený způsob má omezenou oblast použiti, jelikož může být účinně použit jenom v přerušovaném průtokovém režimu. Kromě toho u tohoto způsobu se neberou v úvahu typ emulse a disperse složek.

V patentu US 5,367,911 je popsáno zařízení pro snimání chování kapaliny v potrubí, které může být použito jako průtokoměr. Toto měřici zařízeni obsahuje alespoň dva snímače uspořádané v potrubí, kde jeden je zařazen za druhým ve směru po proudu. Snímače mohou obsahovat akustické snímače nebo elektrické snímače vodivosti (nebo odporu). Každý snímač vytváří signál výstupních dat, indikující naměřenou fyzikální vlastnost média, proudícího v příslušných vzorkovacích objemech. Výstupní signály jsou zpracovány v obvodu a jsou podrobeny vzájemné korelaci. Jelikož je vzdálenost mezí senzory známá, provede se výpočet průtokové rychlostí.

-4Upravený list

Avšak autoři tohoto patentu neberou v úvahu, že plynná fáze se pohybuje vzhledem ke kapalné fázi ve vfcefázových průtocích.

Podstata vynálezu

Předložený vynález vytváří způsob a zařízení na stanoveni objemových průtokových rychlostí složek vicefázových směsí v části potrubí, bez předchozí separace plynu.

Předložený vynález zajišťuje měření objemových koncentrací složek vicefázových směsí v části potrubí.

Vynález také vytváří způsob a zařízení na měření shora uvedených vlastností vícefázového média s rozdílnými typy průtoku.

Vynález zajišťuje získáni spolehlivých dat naměřených vlastnosti výtoků s rozdílnými velikostmi inkluzf plynu.

Kromě toho vynález zaručuje kompaktnost zařízení a jeho snadnou přemfstitelnost.

Shora uvedených význaků se dosáhne pomocí způsobu na stanovení objemových průtokových rychlostí kapalných a plynných složek u vicefázových směsi, protékajících potrubím, kde podle něho měřici článek průtoku, instalovaný do potrubí, obsahuje dvě sekce potrubí, zvané v popise také úseky potrubí, umístěné v jedné řadě ve směru průtoku, a mající rozdílné plochy průtokového průřezu: F₂ = k F! (průměr D₂ = Di \'k) k * 1.

Když je k « 0,5, vyvolává změna plochy průtokového průřezu významnou změnu rychlosti kapalné fáze a odpovídajícím způsobem skutečné rychlosti plynné fáze v měřících úsecích potrubí (ív_ft1 < vv_{fl 2}), zatímco změna relativní rychlosti inkluzí plynu a skutečné objemové • fc «

» • fcfc fcfc ·· fcfctfc • · fc ··· • · · • · · • fc «·· «· fc ♦ · • fcfc fc · • · fcfc ·» fc • fc · • fcfc • fcfc ·· ····

-5koncentrace φ plynu ve směsi je nevýznamná. Analýza výpočtu průtokového modelu směsi umožnila odvodit vzorec pro stanoveni objemové průtokové rychlosti kapalné fáze pro vlcefázový průtok, procházejíc! kalibrovanými úseky potrubí:

Q/ = (k/1 - k) Fí [ w_g,2 (1- Φ2) - w_g,i (1 - φι)3

Objemová průtoková rychlost plynu je stanovena následujícím vzorcem:

Qg = Fí ÍVgJ . <j>1 = F2 Wg,2 . ψ2

Skutečné rychlosti plynné fáze w_fl, objemových koncentraci φ plynu, objemových koncentrací kapalných složek, jako je voda W a olej (1-W) v kalibrovaných úsecích potrubí, jsou stanoveny pomocí ultrazvukového snímáni vzorových objemů vfcefázového průtoku sadou snímačů, uspořádaných v měřících úsecích potrubí podél rádiusu průtokového průřezu. Tyto snímače slouží jako vysilače a přijímače akustických signálů ve vzorkovacích objemech.

Získané hodnoty lokálních vlastnosti vfcefázového průtoku se potom zprůměrujl přes plochy průřezu měřicích úseků potrubí.

Měřeni skutečné rychlosti plynu se provádí vzájemnou korelaci signálů snímače nebo Dopplerovým způsobem.

Měřeni objemové koncentrace plynu se provádí indikaci akustické vodivosti vzorkovacích objemů média.

Ultrazvukové měření objemové koncentrace složek kapalné fáze je založeno na stanoveni doby průchodu akustických impulsů vzorkovacím objemem, jelikož bylo zjištěno, že v tekutině, jako je směs vody a oleje, závisí doba průchodu signálu prakticky lineárně na poměru objemových koncentraci těchto složek, bez ohledu na typ emulse.

Zmíněné význaky jsou také vytvářeny zařízením na stanoveni • · ·» ··»· tt · • tttttt tt · • · tttt tt·· tt* v* • tttttt · • tt · · tttt tt • tt « tttt* tttttt tt tttt tttttttt •tt tttt tttt tttt*·

-6objemových průtokových rychlostí a objemových koncentraci kapalných a plynných složek vlcefázové směsi kapalina-plyn, proudící potrubím, které obsahuje měřici článek průtoku, instalovaný v potrubí. Tento měřicí článek průtoku obsahuje dva úseky potrubí, uspořádané v jedné řadě ve směru průtoku a majíc! rozdílné plochy průtokového průřezu: F₂ = k Fi (průměr D2 - Di Vk) k ? 1.

Změna plochy průtokového průřezu (když k « 0,5), vyvolává významnou změnu rychlosti kapalné fáze a skutečné rychlosti plynné fáze v měřicích úsecích potrubí (%,i < w_g2), zatímco změna relativní rychlosti inkluzf plynu a skutečné objemové koncentrace φ plynu ve směsi je nevýznamná. Objemová průtoková rychlost kapalné fáze je stanovena rozdílem součinů skutečné rychlostí w_g plynné fáze části úseku potrubí, obsahující kapalnou fázi (1 - φ₁) v prvním a ve druhém měřicím úseku potrubí:

Q, = (k/1-k) F, [ w_a>2 (1- φζ) -w_fti (1- q>i)]

Objemová průtoková rychlost plynu je stanovena následujícím vzorcem: Qfl ⁼ Fi Wgj . φι = F₂ w_ft2 . (p2

Skutečné rychlosti plynné fáze w₉, objemových koncentraci φ plynu, objemových koncentraci kapalných složek, jako je voda W a olej (1-W) v kalibrovaných úsecích potrubí jsou stanoveny pomoci ultrazvukového snímáni lokálních objemů vicefázového průtoku sadou snímačů, uspořádaných v měřicích úsecích potrubí podél rádiusu průtokového průřezu.

Princip provozu lokálního měřiče rychlosti plynu je založen na stanoveni vzájemné korelace funkce amplitudy signálu snímače akustické vodivosti. Dva snímače jsou umístěny v pevném odstupu, kde jeden je zařazen |ι> ««V* * · · « t ··# • * * • · * a· a*· *

« · * · • * a · a a a·· a · * a* «· • a » • a a • a aaaa

-7před druhým ve směru proti proudu. Akustický snfmač sestává z vysilače a přijímače ultrazvukových impulsů, vytvářejících akustické znázorněni vzorkovacího objemu. Snímač může být použit jako vysílač a přijímač odražených signálů v režimu „vysílánl-přijímání“.

Elektroakustický kanál tohoto měřiče pracuje následovně; Napěťové impulsy od impulsového generátoru přicházejí do vysilače, kde jsou převáděny na ultrazvukové impulsy. Po průchodu vzorkovacím objemem jsou přijímány přijímačem, dále jsou převáděny na napěťové impulsy, zesíleny a vystlány do vstupu detektoru špičkové hodnoty, který je řízen vyblraclmi impulsy. Vybfracf impulsy stanov! Časový interval, během něhož je očekáváno přijeti signálu. Napětí na vstupu detektoru špičkové hodnoty je úměrné amplitudě přijatého signálu a je stanoveno ztrátami akustické energie ve vzorkovacím objemu snímače. Výstupní signály detektorů špičkové hodnoty přicházej! do kalkulátoru, která stanov! vzájemnou korelaci nebo autokorelačnf funkci (v případě snímače) a vypočítá skutečnou lokální rychlost plynné fáze nebo kapalné fáze bez plynu.

Kromě tohoto vysvětleného principu se může použit Dopplerův způsob pro měřen! lokálnf rychlosti plynné fáze snfmánfm média ultrazvukovými impulsy směrovanými proti proudu průtoku. V této variantě jsou také umístěny vysílač a přijímače v měřicích úsecích potrubí.

Princip provozu měřiče objemové koncentrace plynu je založen na indikaci akustické vodivosti vzorkovacího objemu. Signál od generátoru napěťových impulsů je vystlán do vysílače, sestávajícího z vysílače a vlnovodu. Po provedeni konverze dosáhnou akustické impulsy vzorkovacího objemu pomoci vlnovodu, projdou tímto objemem a přijímacím vlnovodem přicházejí do vysílače, kde jsou převáděny na napěťový signál, který po zesíleni přichází do detektoru špičkové hodnoty. Tvarovač vybíracího impulsu otevře detektor špičkové hodnoty na nějakou • · 99· 9 • Β 99 99 9* • · Β 9999 * β 9 9

999 99 9999 99 9

9 99« 999999 9 9

099 99 99 99 9999

-8dobu, zatímco je očekáván příchozí signál. Z detektoru špičkové hodnoty přichází výstupní signál, úměrný amplitudě přijatého signálu, do komparátoru, který porovnává výstupní signál detektoru špičkové hodnoty s rozlišovací úrovni, stanovenou generátorem rozlišovací úrovně. Výstupní signál komparátoru přichází do kalkulátoru, který stanoví objemový obsah plynu v médiu, jako poměr doby přítomnosti plynové fáze ve vzorkovacím objemu, k celkové době měřeni.

Princip provozu ultrazvukového měřiče objemových koncentraci kapalných složek se založen na stanovení doby průchodu ultrazvukových impulsů vfcefázového průtoku, jelikož bylo zjištěno, že v kapalné fázi, jako je směs vody a oleje, závis! doba průchodu signálu prakticky lineárně na poměru objemových koncentrací kapalných složek, bez ohledu na typ emulse. Vzdálenost mezi vysílačem a přijímačem se zvol! tak, aby se zabránilo průniku velkých inlduzf plynu, o velikosti větší než 1 mm. Napěťové impulsy z generátoru jsou vysílány do ultrazvukového vysilače, který vytváří akustické impulsy. Akustické impulsy procházejí vzorkovacím objemem, jsou přijímány přijímačem a jsou převáděny do napěťového signálu, který je zesilován a je posílán do komparátoru, přičemž je vybírán (strobed). Komparátor se otevře na nějakou dobu, zatímco příjem signálu je očekáván pomoci generátoru vyblraclho impulsu, který zajišťuje vysokou odolnost proti interferenci tohoto schématu. Současně, s vytvářením vysílacích impulsů, se aktivuje schéma, vytvářející trvání impulsu. Toto schéma se zastaví signálem, přicházejícím od výstupu komparátoru. Tak se trvání výstupního signálu rovná době průchodu ultrazvukového signálu od vysílače k přijímače. Potom se impuls převádí do amplitudy signálu a přichází do kalkulátoru, která stanoví objemovou koncentraci složek kapalné fáze.

Procesor působící podle stanovených programů řídí provoz měřičů lokálních průtokových parametrů w_g1, νν_α2, φ₁₍ <p₂, W, zprůměruje tyto • · ΦΦΦΦ ΦΦ ι» * ΦΦ • · 4 «ΦΦΦ · · · · «···· ···· Φ Φ · • « φ φ Φ ·ΦΦ·Φ· Φ ·

Φ · φφφ «ΦΦΦ «Φ «ΦΦ ΦΦ ΦΦ Φ· ΦΦΦΦ

-9parametry přes průřezy měřících úseků potrubí a vypočítá objemové průtokové rychlosti složek kapalné a plynné fáze.

Přehled obrázků na výkrese

Vynález bude blfže osvětlen pomoci výkresu, kde na obr. 1a, 1b je znázorněno uspořádání zařízeni na stanoveni vlcefázové průtokové rychlosti, navržené v rámci tohoto vynálezu, na obr. 2 je znázorněn blokový diagram měřiče lokální rychlosti plynné fáze pro variantu sekvenčního umístění snímačů, na obr. 3 je znázorněn diagram napětí signálu, zpracovaného v blokovém diagramu uvedeného na obr. 2, na obr. 4 je znázorněn typický tvar funkce vzájemné korelace pro výstupní signály detektorů špičkové hodnoty, na obr. 5 je znázorněn blokový diagram měřiče lokální rychlosti plynné fáze pro variantu snímačů uspořádaných do série v režimu „vysílání-příjem“, na obr. 6 je znázorněn diagram napětí signálu, zpracovaného v blokovém diagramu uvedeného na obr. 5, na obr. 7 je znázorněn blokový diagram měřiče lokální rychlosti plynné fáze, pracujícího s párem snímačů v režimu vytváření autokorelačni funkce, na obr. 8 je znázorněn typický tvar autokorelačni funkce pro výstupní signály detektorů špičkové hodnoty, na obr. 9 znázorněn blokový diagram měřiče lokálnf rychlosti plynné fáze, pracujícího s jedním snímačem v režimu „vysílání-příjem“, na obr. 10 je znázorněn diagram napětí signálu, zpracovaného v blokovém diagramu uvedeného na obr. 9, na obr. 11 je znázorněn tvar autokorelačni funkce výstupního signálu detektoru špičkové hodnoty ve variantě použlvajicf jeden snímač, na obr. 12 je znázorněn blokový diagram ultrazvukového Dopplerova měřiče lokální rychlosti plynné fáze, na obr. 13 je znázorněn typický tvar signálů v blokovém diagramu ultrazvukového Dopplerova měřiče rychlosti uvedeného na

9999 • 0 · ··

0 • 0 • 9

9« 99 9 *9 * *

9 9 · « 9 9 ·

999

•

0 9

-10obr. 12, na obr. 14 je znázorněna druhá varianta blokového diagramu ultrazvukového Dopplerova měřiče pro měřeni lokální rychlosti plynné fáze, na obr. 15 je znázorněn diagram napět! signálu, zpracovaného v blokovém diagramu uvedeného na obr. 14, na obr. 16 je znázorněn blokový diagram měřiče obsahu plynu ve vícefázové směsi, na obr. 17 je znázorněn diagram signálu, zpracovávaného v blokovém diagramu měřiče obsahu plynu, na obr. 18 je znázorněn diagram výstupního signálu detektoru špičkové hodnoty, na obr. 19 je znázorněn blokový diagram ultrazvukového měřiče objemových koncentraci kapalných složek, na obr. 20 je znázorněn diagram napětf signálu, zpracovávaného v blokovém diagramu pro měřeni objemových koncentrací kapalné fáze, na obr. 21 je znázorněna druhá varianta blokového diagramu ultrazvukového měřiče objemových koncentraci kapalných složek a na obr. 22 je znázorněn diagram napětf signálu pro druhou variantu blokového diagramu měřiče objemové koncentrace kapalných složek.

Příklady provedeni wnálezu

Uspořádání měřícího článku průtoku zařízeni na stanoveni objemových průtokových rychlosti kapalných a plynných složek ve vícefázové směsi je znázorněno na obr. 1a a obr. 1b.

Měřicí článek průtoku je nainstalován do potrubí pomocí přírubových spojení. Měřici článek průtoku obsahuje dva měřicí úseky 1 a 2 potrubí, uspořádané v jedné řadě ve směru průtoku, a mající rozdílné plochy průtokového průřezu: F₂ = kFi (průměr D₂ = Dt ýk). Pro obr. 1 platí k <1.

Změna plochy průtokového průřezu vyvolává významnou změnu rychlosti kapalné fáze a skutečné rychlosti plynné fáze v měřících toto tototo • · • ·«· to to

• * • to · to • toto · to to to to · to · • to ·· ···· úsecích potrubí s plochami průtokového průřezu F, a F₂. Pro zajištěni minimální hydrodynamické poruchy průtoku je přechod od prvního úseku do druhého úseku a zpět do výchozí plochy F, průtokového průřezu potrubí proveden pomoci přechodových úseků 3 a 4 potrubí. Každý snímač 5 a 6 měřiče skutečné rychlosti a měřiče obsahu plynu obsahuje sadu snímačů, umístěných v měřicích úsecích potrubí, podél rádiusů těchto úseků. Snímač 7 měřiče objemové koncentrace kapalných složek obsahuje sadu snímačů umístěných v dutině prvních úseků potrubí. Pro urychleni procesu změny viskóznfho média v objemech snímačů a pro odstranění parafinových usazenin jsou snfmače vybaveny mechanickým Čisticím zařízením nebo elektrickými ohřívači. Snimače jsou nainstalovány tak, aby mohly být odstraněny z měřicích úseků potrubí, například k provádění technické údržby nebo náhrady.

Posuzujme odděleně měřiče vfcefázových průtokových parametrů, které jsou části zařízeni, a výpočetní model průtoku vicefázové směsí, použitý ke stanoveni objemových průtokových rychlosti složek směsi.

Ke stanoveni průtokových rychlosti fázi se používá výpočetní model směsi kapalina-plyn, kde inkluze plynu různých velikosti představuji plynnou fázi. V rovnicích se používají zprůměrované fyzikální hodnoty.

Skutečná objemová koncentrace plynu v i-tém průřezu průtoku je:

φι = F_e.i/Fi , (1) kde

F| = π/4 Dj² je plocha průřezu i-tého úseku potrubí,

F_gj = φι . Fi je plocha průřezu, obsahující plyn.

Jelikož F, = F_gj + F_ti , kde F_Z(i je plocha průřezu, obsahujíc! kapalinu, můžeme misto rovnice (1) napsat:

<Pi = (2)

W^rg.<+ Wj, . Wg.j/ W ,,i

4« 4444 • 14 · ···

4 4 * · 4 • 4 ···

4· ·· • 4 · · • · · 4

4 4 444 • 4 · • 4 44 «* ·*

4 4 4

4 4

4 * 4

4*4

4« 4444

-12kde w ^r _g,i » Q _ai / F, je snížená rychlost plynné fáze v i-tém úseku potrubí, kde Q _fti je objemová průtoková rychlost plynné fáze v i-tém úseku potrubí;

w^rtí = Q _h I Fj je snížená rychlost kapalné fáze v i-tém úseku potrubf, kde Q tj je objemová průtoková rychlost kapalné fáze v i-tém úseku potrubf;

= Q _aj / F_a,i je skutečná rychlost plynné fáze v i-tém úseku potrubí, kde Q_g,j je objemová průtoková rychlost plynné fáze v i-tém úseku potrubí;

w ,j = Q /j / F / i je skutečná rychlost kapalné fáze v i-tém úseku potrubf, kde Q je objemová průtoková rychlost kapalné fáze v i-tém úseku potrubf; a

F a - (1 - <Pi) Γ je plocha průřezu i-tého úseku potrubí; obsahujícího kapalinu.

Jelikož kromě toho w = v/ _;>, /(1 - φθ a - w _w + Wgj'*¹ , kde je relativní rychlost plynné fáze v i-tém úseku potrubf, tak dostaneme:

w^ffl,i + w,,j + (1 -<Pi) w_e,i^ral

Podle experimentálních údajů je relativní rychlost průtoku plynových bublin w _α (skupinová rychlost vznášeni vzhůru) spojena se skutečnou objemovou koncentraci pomoci následujícího vztahu:

/ (1 - Φι) (4) kde w «, je průměrná rychlost jednotlivé bubliny vznášející se vzhůru ·« »·· • «9 • 9 ··· · · • · * • 9 999

9 · 9 • · · · » · 999

9 9 • 9 99

9 9 9 • 9 9 • 9 · ·· ···*

-13v nekonečném kapalném médiu .

Skutečné rychlosti w_gi a w_a2 v měřicích úsecích potrubí jsou spojeny s relativními rychlostmi následovně:

We.1 =W,,1 +Wn* a =w_t2 +νν_α2^ (5)

Odečtením první rovnice (5) od druhé rovnice (5) dostaneme následujíc! rovnici:

W_ft2 -W_fti = Aw„ = (W_lt2 - Wv) + (vV* -Wg.r· ) (6) která může být napsána v této formé:

Aw_a = v//,2/(1 -φζ) - Vl/ ,j/(1 -<pi) + w_fte [1/(1 - 93) -1/(1 - φθ ] (7)

Za předpokladu, že máme následující vztah F₂ = k Fi, kde k / 1, a když vezmeme v úvahu, že v/ /, = Q _Al / Fj, dostaneme:

Q/ 1-q>i We,» 1-q>i

--[-----1] +--[--1] (8)

F i (1 - φθ k (1 - Φ2) 1 - <Pi 1 <p2 jelikož Q Q/.

Ze vztahů (3) a (4) vyplývá, že ^ = νν^Γαι / (w^r&i + ) (9)

Když se provedou příslušné transformace a vezme se v úvahu, že QftřQe, dostaneme:

·«*« • · · • ··· * ··· • « ι 9*9

-141/φ, = 1+Q//Q_e + F| /Q_o (10)

Dosazením hodnoty Q_B = Fj cpi w _α i , kde w _ft i a q>j jsou naměřené hodnoty, dostaneme;

1 Q/ Wg„

- = 1+ ~ (----- +---) (11) <Pi <Pi Fj Wg, i Vťftj

Q/ W_g,„ kde od <pi = 1-------- (12)

Fj W g. t W _ft i

Proto Q, = Fj [ w^i (1 - <pi) - Wg,» ] (13)

Mělo by být poznamenáno, že v případě stacionární kapaliny (Q/ = 0) vyplývá ze vzorce (13) následující vztah: w _a » - w _9ι „ / (1 - φι), což se shoduje s definici relativní rychlosti (4), takže v tomto případě w_a,i = w_fti ^rel

Ze vzorce (13) vyplývá, že

Q/= Fi [ Wg.1 (1 -φι) (14) a

Q/= F₂ [ Wg,2 (1 -Φ2) - Wg.] (14)

Když máme vyrovnané vztahy (14) a (15), a když vezmeme v úvahu, že F₂ = k Fi , kde k r 1, dostaneme:

Q/ = Fi [ Wg,₂ (1 - φ₂) - i (1 - φι) j k/ (1 - k) (16)

9* »*««

9 9 9

9 9

9 9 *

9 ·

9999

-15Tak je objemová průtoková rychlost kapalné fáze v kalibrovaných úsecích potrubí stanovena podle vztahu (16) z naměřených skutečných rychlostí a objemových koncentrací plynné fáze v prvním a ve druhém měřícím úseku potrubí. Jestliže F₂ = 0,5 Fj , z výrazu (16) se stane:

Q/- Fi [ ιν_β>2 (1-92) - ιν_αι (1-gn) ] (17)

Kromě toho by mělo být poznamenáno, že jestliže φι - ψ2 - 0, urči měřiče rychlosti akustickou nehomogennost kapalné fáze a tedy odpovídajícím způsobem i rychlosti Wjj a w_í2 . Tak se vztah (16) transformuje do vzorce Q, = Fí . W/j, a jestliže Φι = φ₂ = 1, zaujme tento vztah tvar Q, = 0.

Objemové průtokové rychlosti složek kapalné fáze jsou stanoveny vzorci:

Q«.= Q/(1-W) a Ct_w=Q, .W (18) kde W je objemová koncentrace vody v emulzi. Objemová průtoková rychlost plynné fáze je stanovena následujícím vztahem:

Qg ⁼ Fi . φι - νν_α2 . F₂ . <p2 (19)

Na obr. 2 je znázorněn blokový diagram ultrazvukového měřiče lokální rychlosti w _g plynně fáze vlcefázové směsi. Obvod měřiče zahrnuje: generátor napěťových impulsů 8, první snímač 9, zapojený do série s generátorem 8, a obsahující vysilač 10 a přijímač 11. (mezera mezi nimi vytváří první vzorkovací objem 12), první zesilovač 13 a první detektor 14 špičkové hodnoty, který je vybírán. Následující prvky jsou zapojeny do série s generátorem 8: druhý snímač 15, obsahující vysílač 16 a přijímač 17 (mezera mezi nimi vytváří druhý vzorkovací objem 18), druhý zesilovač • 0 000« • 0 »*

0

0 0 · · • 0 0· ·00

0

0 ·00 0 0 40 k 0 0 0 k 0 0 k 0 0 k 0 ·

000·

-1619 a také druhý detektor 20 špičkové hodnoty, který je vybírán. Kromé toho je s generátorem 8 spojen tvarovač 21 zpožděných vybíraclch impulsů a první a druhý detektor 14 a 20 špičkové hodnoty. Uvedené špičkové detektory jsou spojeny s kalkulátorem 24, resp, s displejem 25 pomocí prvního a druhého analogově digitálního konvertoru (ADC) 22 a 23.

Snímače 9 a 15 jsou umístěny v potrubí tak, aby průtok procházel nejdříve jedním vzorkovacím objemem, například objemem 18, a potom druhým objemem, například objemem 12. Rozměry snímačů jsou voleny tak, aby vyvolávaly minimum poruch průtoku (průměr snímačů < 3 mm). Vzdálenost δ mezi vysilačem a přijímačem činí až asi 2 mm a vzdálenost / mezi dolní a homf dvojicí snímačů se rovná 3 až 5 mm. Vlnovody první a druhé dvojice snímačů v rovině snímače jsou umístěny vzájemně kolmo, což také zlepšuje hydrodynamiku průtoku.

Ultrazvukový měřič lokální rychlosti pracuje následovně. Napěťové impulsy od generátoru 8 jsou přenášeny do vysilačů 3 a 9, jsou transformovány na ultrazvukové impulsy a procházejí vzorkovacími objemy 12 a 18, potom jsou přijímány přijímači U a 17, transformovány na napěťový signál, zesilovány zesilovači 13 a 19 a přenášeny do detektorů 14 a 20 špičkové hodnoty, které jsou vybírány. Současně s přenášením ultrazvukových impulsů, jejichž doba průchodu je stanovena vzdáleností mezi vysílačem a přijímačem pevným kmitočtem impulsů, přicházejí vyblrací impulsy do vybíraclch vstupů detektorů 14 a 20 špičkové hodnoty. Vybíracf impulsy zapínají detektory špičkové hodnoty do aktivního stavu. V důsledku toho se na výstupech detektorů špičkové hodnoty vytvářejí hladiny napětí, úměrné amplitudám přijatých akustických signálů (viz diagram napětí, znázorněný na obr. 3). Po analogově digitální konverzi v ADC 22 a ADC 23 se napěťové signály přenášejí do kalkulátoru 24, který vypočítá funkci vzájemné korelace (CCF) pro přijaté akustické signály a znázorni ji na displeji 25.

4*4 · • 4 • ·»· • •4 • 4 «V *4 4 «4 4

4 «

4 4

4444

-17Z důvodu nespojité struktury představuje vícefázová smés akusticky nehomogenní médium. Proto bude kolísat amplituda přijatých signálů. Akustické dtfuzéry (většina z nich jsou inkluze plynu, vytvářejíc! hlavní přínos k difúzi ultrazvukových impulsů) vyvolávají kolísání, nejdříve, když procházejí druhým vzorkovací objem. V důsledku toho se mění amplituda výstupního signálu ve druhém detektoru 20 špičkové hodnoty, a potom s určitým zpožděním, které se rovná době, v níž akustický difuzér prochází od druhého vzorkovacího objemu do prvního vzorkovacího objemu τ, a také se mění amplituda výstupního signálu v prvním detektoru špičkové hodnoty 14. Statistická data akumulace výstupních signálů detektorů špičkové hodnoty zajišťuji vytváření maxima CCF, jejf souřadnice v časové ose se rovná τ. Tak je stanovena lokální rychlost plynu výrazem:

W_g = //T kde l je vzdálenost mezi prvním a druhým vzorkovacím objemem.

Typický tvar funkce vzájemné korelace je znázorněn na obr. 4.

Také je možná jiná varianta akustického snimáni vícefázové směsi měřenfm lokální rychlosti plynu. V tomto případě se používají dva akustické snímače, umístěné do série, které pracují v režimu „vysíláni - příjem“. Zobrazení takového řešení je uvedeno na obr. 5.

V této variantě sestává měřič rychlosti ze dvou identických eiektroakustických kanálů, z nichž každý obsahuje následující prvky, zapojené do série: akustický snímač 26, zesilovač 13, detektor 14 špičkové hodnoty, který je vybírán (sřroóed), analogově digitální konvertor (ADC) 22 a také elektrický impulsový generátor 8, spojený se snímačem 26 pomoci rezistoru 27 vzorkovacího objemu, a tvarovač 21. zpožděných vybíracích impulsů. Tvarovač 21 je spojen svybíracím vstupem detektoru špičkové hodnoty 14. Výstupy kanálů jsou spojeny s kalkulátorem 24 a potom s displejem 25.

• φ «φ φ

φ · φ φ φ

φ φφ φφ φφφ • φ • φφφ φ •

• ΦΦ φ

φφφ •

• Φ φφ φφ φ φ φ φ φ φ φ φφφ φφφ φφ φφφφ

-18Akustické snímače jsou umistény v potrubí tak, aby průtok 28 postupně procházel vzorkovacím objemem druhého kanálu.

Měřič pracuje následovně. Elektrické impulsy z generátoru 8 jsou přenášeny do akustického snímače 26, kde jsou transformovány na ultrazvukové signály a vysílány do průtoku 28. Potom se část akustické energie odráží od difuzérů média a přichází zpět ke snímači 26, zesiluje se zesilovačem 13 a přenáší se do detektoru 14 špičkové hodnoty, přičemž se vybírá. Současně se zpožděný vybíracl impuls od tvarovače 21 přenáší do vybíraciho vstupu detektoru 14 špičkové hodnoty (viz diagram napětí na obr. 6). Rezistor 27 provádí odpojeni výstupu generátoru 8 a vstupu zesilovače 13. Na výstupu detektoru 14 špičkové hodnoty se vytváří hladina napětí, úměrná amplitudě přijatého signálu. Doba zpoždění vybíraciho impulsu to vzhledem k impulsu generátoru 8 (viz obr. 6) je nastavena tak, že se vezme v úvahu doba průchodu ultrazvukového signálu od snímače do vzorkovacího objemu a zpět.

Amplituda signálu na výstupu detektoru špičkové hodnoty kolísá podle výskytu akustických difuzérů ve vzorkovacím objemu. Jelikož difuzóry nejdříve procházej! vzorkovacím objemem prvního snímače a potom vzorkovacím objemem druhého snímače, vytváří se maximum jejich CCF. Souřadnice τ tohoto maxima v časové ose je stanovena dobou průchodu difuzorů od prvního snímače ke druhému snimači. Rychlost difuzérů obsažených v médiu, je stanovena následujícím vzorcem:

w„ = //t kde / je vzdálenost mezi prvním a druhým snímačem.

Pro výpočet procházejí signály CCF od výstupů detektorů špičkové hodnoty prvního a druhého kanálu skrze ADC do kalkulátoru 24. Výsledky výpočtů jsou znázorněny na displeji 25.

···· ·

* 000 • 0 00

0 0 0 0· 000

0 0

000 ·

00 •0 00 0 0 0 ·

0 0 • 0 0

0 0 •0 0000

-19Kromě shora popsané varianty je také možné vytvořit měřič lokálni rychlosti plynu, použitím snímače s párem vysilačů a přijímačů akustických signálů, a umístěných také v potrubí. Vysílač a přijímač jsou umístěny vzájemně proti sobě a vytvářejí vzorkovací objem. Vzdálenost mezi nimi je zvolena tak, aby směs volně protékala vzorkovacím objemem. Průchodem akustického difuzéru štěrbinou se tlumí ultrazvukový signál po dobu, která se rovná průchodu difuzéru vzorkovacím objemem. Na základě těchto skutečnosti je vyvářena autokorelačnt funkce výstupních signálů, a je stanovena doba průchodu difuzéru vzorkovacím objemem. Zobrazeni této varianty měřiče lokální rychlosti plynu je znázorněno na obr. 7. V tomto případě obsahuje obvod prvky, zapojené do série: elektrický impulsový generátor 8, vysílač |0, akusticky spřažený s přijímačem 11, zesilovač 13, detektor 14 špičkové hodnoty, který je vybírán (sfrobed), analogové digitální konvertor (ADC) 22, kalkulátor 24 a displej 25. Generátor 8 je také spojen prostřednictvím tvarovače 21 zpožděných vyblracích impulsů s vybiracím vstupem detektoru špičkové hodnoty. Prostor mezi vysilačem W a přijímačem H představuje vzorkovací objem 12.

Měřič rychlosti pracuje následovně. Elektrické impulsy přicházej! od generátoru 8 do vysílače W, jsou transformovány na ultrazvukové signály a vzorkovacím objemem 12 přicházejí do přijímače H, potom do zesilovače 13 a do detektoru 14 špičkové hodnoty. Současné jsou vysílány vyblracl impulsy od tvarovače 21, zpožděné na dobu šířeni signálu od vysílače k přijímači, do vyblraclho vstupu detektoru špičkové hodnoty. Napět! od vstupu detektoru 14 špičkové hodnoty, úměrné amplitudě přijatého signálu, se přenáší do ADC 22, potom do kalkulátoru 24 a displeje 25. Když průtok obsahuje difuzéry akustického signálu s velikostí částic menší než vzorkovací objem, každý difuzér pronikající do vzorkovacího objemu bude vyvolávat kolísáni amplitudy přijatého signálu. Pro první přiblížení se doba kolísáni amplitudy rovná době průchodu *· ···· • · · • · ·· » · · · • · · ·· «·« ·· • · · • ♦ · • · • ♦ «♦ ·· ··« »· ·« ♦· • t · · t · · • · ♦ · • · · ·« ·♦··

-20difuzéru vzorkovacím objemem. Autokorelační funkce stanovuje průměrnou dobu pro statistické vzorkováni dat. Typický tvar autokorelační funkce je znázorněn na obr. 8. Lokální rychlost plynu tak může být vypočítána vzorcem:

w_g= dlxi kde d je lineární rozměr piezoelektrické destičky ve směru průtoku, τι je hlavni šířka smyčky autokorelační funkce (obr. 8).

Také je možná ještě jedna varianta měřiče mfstnf rychlosti plynu. Její technické provedení je znázorněno na obr. 9. V této variantě obsahuje obvod měřiče rychlosti následujíc! prvky zapojené do série: akustický snímač 26, zesilovač 13, detektor 14 špičkové hodnoty, který je vybírán, analogově digitální konvertor 22, kalkulátor 24 a displej 25, a také generátor 8, spojený pomoci rezistoru 27 se snímačem 26, a spojený pomocí tvarovače 21 zpožděných vybfracich impulsů s vybfraclm vstupem detektoru 14 špičkové hodnoty. Snimač 26 je umístěn v potrubí tak, aby vícefázový průtok 28 protínal akustické pole snímače 26 kolmo na směr průtoku.

Měřič pracuje následovně. Napěťové impulsy z generátoru 8 jsou přenášeny rezistorem 27 do snímače 26, kde jsou transformovány na akustické signály a vysílány do průtoku 28, kolmo kjeho směru. Část akustické energie se odráží od akustických difuzérů vlcefázového média (jejich hlavni části jsou inkluze plynu) a vrací se do snímače 26, kde je transformována na elektrické signály, které pomoci zesilovače 13 přicházejí do detektoru 14 špičkové hodnoty. Současně je přenášen zpožděný vybíracl impuls od tvarovače 21 do vybíracfho vstupu detektoru 14 špičkové hodnoty (viz diagram napětí, znázorněný na obr. 10).

Rezistor odpojí výstup generátoru 8 a vstup zesilovače 13. Napěťová

-21 ·· ·« ·· ·· *· ·· «*i I··· ·»·· ' · «.· ····♦* · (( ( » · · ·«· · · » · • « ( o · · · · · (( ((( «· ·· ·· ((·· amplituda výstupu detektoru 14 špičkové hodnoty je úměrná amplitudě přijatého signálu.

Doba zpožděni vybfraclho impulsu to vzhledem k impulsu generátoru 8 (viz obr. 10) je nastavena podle doby průchodu ultrazvukového signálu od snímače 26 do vzorkovacího objemu a zpět.

Amplituda signálu na výstupu detektoru špičkové hodnoty kolísá podle eventuality akustických difuzérů ve vzorkovacím objemu. Pro první přiblíženi se doba kolfsání rovná době průchodu difuzéry vzorkovacím objemem. Za podmínky, že velikosti difuzérů jsou mnohem menši než velikost vzorkovacího objemu, může být lokální rychlost plynu určena autokorelacl signálů vzorcem:

w₀ = d/τι kde d je lineám! rozměr piezoelektrické destičky ve směru průtoku, -q je hlavni šířka smyčky autokorelačnf funkce (obr. 11).

Kromě shora popsaných variant je také možné jiné provedeni ultrazvukového měřiče lokální rychlosti plynu použitím Dopplerova způsobu stanoveni rychlosti. V tomto případě jsou vysilač a přijímač s lineárním rozměrem do 3 mm nastaveny v kalibrovaném úseku potrubí, vzájemně proti sobě, pod pevným úhlem. Obvod měřiče je znázorněn na obr. 12. Měřič obsahuje generátor 8 elektrických impulsů, spojený s vysilačem 10. Přijímač H je spojen pomoci zesilovače 13 s fázovým detektorem - násobičem 29. Následujíc! prvky jsou zapojeny do série s výstupem detektoru 29: filtr 30 dolní propusti, druhý zesilovač 31, kalkulátor 32 spektra signálu a displej 25. Signál je následovně zpracováván v měřicím obvodu. Po odrazu vysílaných ultrazvukových kmitů od akustických difuzérů průtoku přicházejí akustické signály do přijímače 1_1, jsou transformovány na napěťové signály, jsou přenášeny

-22pomocí zesilovače 13 do prvního vstupu fázového detektoru 29 Napěťový signál od generátoru 8 je vystlán do druhého vstupu fázového detektoru 29. Od výstupu fázového detektoru 29 jsou nízkofrekvenční signály posílány pomoci filtru 30 a zesilovače 31. do kalkulátoru 32, kde je stanoven Dopplerův kmitočet úměrný přibližné rychlosti akustických difuzérů snímači, a potom se vypočítá lokálnf rychlost plynu. Výsledky zpracování se posílají do displeje 9. Signál zpracování v obvodu je znázorněn na obr. 13.

Jiná varianta technického provedeni ultrazvukového Dopplerova měřiče lokálnf rychlosti plynu je znázorněna na obr. 14. Vysilač a přijímač s lineárními rozměry do 3 mm jsou také uspořádány v kalibrovaném úseku potrubí, vzájemně proti sobě, pod pevným úhlem. Měřici obvod měřiče obsahuje generátor 8 napěťových impulsů, spojený s vysílačem 10. Přijímač ti je spojen pomoci zesilovače 13 s fázovým detektorem násobičem 29, jeho výstup je spojen se „vzorkovacím-ukládacím“ blokem 30. Druhý vstup fázového detektoru 29 je připojen ke generátoru 8. Vstup „vzorkovač ího-ukládacího“ bloku 30 je spojen s generátorem 8 pomoci tvarovače 21 zpožděných vyblraclch impulsů. Výstup bloku 30 je spojen s kalkulátorem 32 a potom s displejem 25.

Měřič pracuje následovně. Napěťové impulsy od generátoru 8 jsou přenášeny do vysilače 10 a vyvolávají akustické impulsy, šiřicf se v opačném směru k průtoku. Impulsy odražené od akustických difuzérů, hlavně od plynových bublin, přicházejí do přijímače 11. a pomocí zesilovače 13 jsou přenášeny do prvního vstupu fázového detektoru násobiče 29. Vysokofrekvenční signál od generátoru 8 je postlán do druhého vstupu detektoru 29. Nízkofrekvenční signál od generátoru 8 je posílán do „vzorkovaclho-ukládacího“ bloku 30, který zaznamenává signál na svém vstupu v okamžicích, stanovených časovou polohou zpožděného vybiraclho impulsu od tvarovače 21. Spektrální zpracováni signálu od

0* ··· • · · · «9« · 0

9 9

999 • 9 00 0» • 99 9 9 09 9

9 9 9 9 9 9

9 099 9 0 9 9

9 # 9 9 9

99 ·9 9999

-23„vzorkovacího-ukládacího“ bloku 30 se provádí v kalkulátoru 32, kde je izolován Dopplerův kmitočet, úměrný přibližné rychlosti akustických difuzérů snímači, a vypočítá se lokální rychlost plynu. Výsledky zpracováni jsou znázorněny na obr. 15.

Ultrazvukový měřič obsahu plynu (viz obr. 16) obsahuje generátor 8 napěťových impulsů, zapojený do série s vysilačem 10, který je akusticky spřažen s přijímačem H, zesilovač 33 a detektor 34 špičkové hodnoty, který je vybírán. Generátor 8 je také spojen s vybíracím vstupem detektoru 34 špičkové hodnoty pomoci tvarovače 35 zpožděných vybfracích impulsů. Výstup detektoru špičkové hodnoty je spřažen s přfmým vstupem prvního komparátoru 36, s inverzním vstupem druhého komparátoru 37 a s kalkulátorem 24. Výstupy komparátorů 36 a 37 jsou také spojeny s kalkulátorem 24 a potom s displejem 25. Inverzní vstup prvního detektoru špičkové hodnoty a přímý vstup druhého detektoru špičkové hodnoty jsou spojeny s prvním nastavovacím zařízením 38 napětí, resp. se druhým nastavovacím zařízením 39 napětí. Vysílač 10 a přijímač H jsou upevněny vzájemně proti sobě, a vytvářej! vzorkovači objem 40.

Měřič pracuje následovně. Kolmé napěťové impulsy vytvářené generátorem 8, jsou transformovány vysílačem 10 na ultrazvukové impulsy, které jsou vysílány do vzorkovacího objemu 40, dorazí k přijímači 11, jsou transformovány na napěťové impulsy a přenášeny pomoci zesilovače 33 do detektoru 34 špičkové hodnoty. Diagram zpracováni signálu v prvcích obvodu měřiče je znázorněn na obr. 17. Na výstupu detektoru 34 Špičkové hodnoty se vytváří hladina úměrná amplitudě signálu přijatého v okamžiku vstupu zpožděného vybiraciho impulsu.

Tato amplituda přijatého signálu je stanovena objemovou koncentrací plynu ve vzorkovacím objemu 40. Když je vzorkovací objem naplněn kapalinou bez inkluzí plynu, je amplituda přijatého signálu na maximu a hladina napětí na vstupu detektoru 34 špičkové hodnoty je vyšši než napětí «* »♦

II ♦ • · • · · t

-24nastavovacího zařízení 38 (U1). To vyvolává uvedeni komparátoru 36 do činnosti a vytvářeni jednotlivého logického signálu na jeho výstupu. Logický signál se posílá do kalkulátoru 24 a je posuzován kalkulátorem 24 jako situace s objemovou koncentraci plynu φ - 0 (viz obr. 18). Velikosti inkluzf plynu ve skutečném vícefázovém průtoku jsou rozdílné a mohou být menši nebo větší než velikost vzorkovacího objemu 40. Když velikost bublin nebo plynových ucpávek přesáhne velikost vzorkovacího objemu, je šířeni ultrazvukových impulsů totálně zablokováno, amplituda přijatého signálu se zmenši na minimum, vymezená hladinou šumu, a hladina napětí na výstupu detektoru 34 špičkové hodnoty je také minimální a je nižší než napětí nastavovacího zařízeni 39 (U2). V tomto případě se uvede do činnosti komparátor 37 a vytváří jednotlivý logický signál, posuzovaný kalkulátorem 24 jako situace s objemovou koncentraci plynu φ = 1.

Když jsou velikosti plynových bublin menši než velikost vzorkovacího objemu 40, amplituda výstupního signálu detektoru 34 špičkové hodnoty se pohybuje od U1 do U2 (víz obr. 18) a je popsána následujícím vztahem:

U = U ™* exp (- k. n_b . d_b ²) (20) kde

U ™* je amplituda signálu, kde kapalná fáze plni řízený objem, k je součinitel úměrnosti, stanovený geometrickými rozměry snímače, ultrazvukových kmitočtem, atd., n_b je koncentrace plynových bublin, d_b je průměr plynových bublin.

Když vezmeme v úvahu, že koncentrace bublin ve vzorkovacím objemu se průběžně měn! následkem prouděni směsi, amplituda signálu také kolísá. Počet bublin ve vzorkovacím objemu je stanoven Poissonovým zákonem. Takže velikost průměrné hodnoty přijatého signálu a jeho

-25hodnoty rozptylu n_b a d_b se vypočítají za použití známého matematického modelu kalkulátorem 24. Objemový obsah plynu je stanoven podle vzorce;

nd³ 1 ψ3 ⁼ N-- - (21)

V kde V je vzorkovací objem,

N = n_b · V je počet bublin ve vzorkovacím objemu.

Koncentrace plynné fáze v případě měnitelného složeni ínkluzí plynu v průtoku je stanovena následujícím vztahem;

1 + 13 ψ3 (22)

T - 11 + 12+ 1₃ je doba zprůmérovánl, kde tí je časový úsek, kde inkluze plynu nejsou obsaženy ve vzorkovacím objemu,

1₂ je časový úsek, kde inkluze plynu tvořené v bublinami velkého průměru a také plynové ucpávky jsou obsaženy ve vzorkovacím objemu,

1₃ je časový úsek, kde jsou malé bubliny obsaženy ve vzorkovacím objemu.

Velikost vzorkovacího objemu se voli podle podmínek technického provedeni nebo použiti snímače, zpravidla je velikost menši než 1 mm³.

Blokový diagram ultrazvukového měřiče objemových koncentraci kapalných složek je znázorněn na obr. 19. Měřicí obvod měřiče obsahuje generátor 8 napěťových impulsů a následující prvky zapojené do série; vysilač 10, akusticky spřažený s přijímačem H, zesilovač 41, první • * 1 f « «

I f

-26komparátor 42, první prvek 2& 43, první RS klopný obvod 44, druhý prvek 2& 45, druhý RS klopný obvod 46 a konvertor 47 „trváni amplitudy. Generátor 8 je také spojen stvarovačem 48 zpožděných vyblracích impulsů a se druhými vstupy RS klopných obvodů 44 a 46. Druhý vstup prvního komparátoru 42 je spřažen s nastavovacím zařízením 49 napětí. Výstup zesilovače 41 je spojen se druhým komparátorem 50. jeho vstup je spřažen se druhým vstupem druhého prvku 2& 45. Výstup tvarovače 48 zpožděných vyblracích impulsů je spojen se druhým vstupem prvního prvku 2&43.

Vysílač a přijímač 10 a 11 jsou namontovány v přístrojovém tělese 51, vzájemně proti sobě, přičemž vytvářejí vzorkovací objem 52.

Přístrojové těleso 51 je vybaveno ohřívačem 53 a prvkem 54 na mechanické Čištění vzorkovacího objemu 52.

Ultrazvukový měřič objemové koncentrace pracuje následovně. Pravoúhlé napěťové impulsy vytvářené generátorem 8 jsou transformovány na ultrazvukové impulsy vysílačem 10. Po průchodu vzorkovacím objemem 52 dosáhnou přijímače 11 a jsou transformovány na elektrické impulsy. Potom přichází signál pomoci zesilovače 41 do přímého vstupu prvního komparátoru 42.

Současně s posíláním napěťového impulsu se přepne první RS klopný obvod 44 na stav „nula a druhý RS klopný obvod 46 na stav jedna“,

Jelikož opačný vstup komparátoru 42 je spojen s nastavovacím zařízením 49 napětí, nastane uvedení komparátoru 42 do provozu, když amplituda přijatého signálu přesáhne nastavené napětí. Impulsy od výstupu z komparátoru 42 jsou přenášeny do S-vstupu prvního RS klopného obvodu 44 pomoci prvního prvku 2& 43, který je vybírán (strobed) impulsy z výstupu tvarovače 48 zpožděných vyblracích impulsů a přepnou ho na stav jedna“ (viz diagram napětí na obr. 20). Časové spojení je stanoveno dobou šíření ultrazvukových impulsů od vysílače 10 « ·· · * 4 • ··· « ·· ♦ • ·

-27do přijímače 11. Použiti zpožďovacího prvku vylučuje chybné uvedeni měřiče do provozu, určené elektrickými a akustickými šumy.

Jelikož jeden ze vstupů druhého komparátoru 50 je spojen s uzemňovacím drátem, vytváří napěťové impulsy vždy, když amplituda přijatého signálu protne značku „nula“, a tak se zafixuje i slabý signál (viz obr. 20). Výstupní signál komparátoru nezávist na amplitudě přijatého signálu.

Signál z výstupu prvního RS klopného obvodu 44 přenášený na jeden ze vstupů druhého prvku 2& 45 umožňuje průchod signálu skrze ného od druhého komparátoru 50, který indikuje, že přijatý signál protnul značku „nula. Prvni protnuti značky „nula“ vyvolá uvedeni druhého RS klopného obvodu 46 do činnosti, takže se přepne na stav „nula“. Takto vytvořené napéťové impulsy máji trváni úměrné době průchodu ultrazvukových impulsů od vysilače 10 do přijímače U a nezávisejí na amplitudách ultrazvukových impulsů. Potom jsou tyto impulsy transformovány v konvertoru 47 na amplitudu signálu úměrně době jejich trvání, kde signál je přenášen do kalkulátoru a monitoru.

Ve druhé variantě ultrazvukového měřiče objemových koncentraci kapalných složek (viz obr. 21) je nastavovací zařízeni napětí provedeno jako detektor 55 špičkové hodnoty, který je vybírán (strobed) (viz obr. 21). Jeho vstup je spojen s výstupem zesilovače 41 a vybíraci vstup je spřažen se vstupem tvarovače 48 zpožděných vybiracich impulsů a výstup detektoru 55 špičkové hodnoty je spojen se druhým vstupem prvního komparátoru 42 pomocí děliče 56 napěti.

Nastavovací zařízeni napěti pracuje následovně. Napěťový signál od zesilovače 41 je přenášen do detektoru 55 špičkové hodnoty. Současně s časovým zpožděním, stanoveným dobou průchodu ultrazvukových impulsů od vysilače 10 do přijímače H. přichází signál od tvarovače 48 zpožděných vybiracich impulsů do jeho vybíracího vstupu (viz obr. 22).

• » ·

-28V důsledku toho, napěťový potenciál, který se rovná maximální hodnotě amplitudy signálu, je vytvářen na výstupu detektoru 55 špičkové hodnoty. Napěťový signál, který prošel děličem 56 napětí, je tlumen, takže je zaručeno bezpečné uvedení prvního komparátoru 42 do provozu, ve vybrané půlvlně signálu odchylkami vlivem změn řízených vlastnosti média a teploty a následkem stárnuti prvků měřicího obvodu, atd.

Použiti nastavovacího zařízeni napětí umožňuje automaticky podpořit úroveň uváděni komparátoru do činnosti významnými (10 násobnými) změnami tlumení signálu v určeném médiu, například při nebezpečném výskytu plynových bublin ve vzorkovacím objemu, změnou disperse složek a z jiných důvodů.

Provoz měřičů lokálních hodnot w _Βι1 , φι , φ₂ a W je řízen procesorem podle nastaveného programu. Tímto procesorem se také provádí zprůměrovánf Času a průřezu kalibrovaných úseků potrubí, shora uvedených hodnot. Procesorem jsou kromě toho stanoveny objemové průtokové rychlosti složek vícefázového průtoku, jako je kapalina, olej, voda a plyn Q,, 0^, Qw, Q_g , podle vzorců (16,18,19).

I když byl vynález popsán zejména k použiti pro směs oleje, vody a plynu, musí být pochopitelné, že princip vynálezu, jak je stanoven v připojených nárocích, je také použitelný pro jiné směsi.

Dále, i když je v přikladu provedeni na obr. 1 znázorněno uspořádání úseků potrubí se zmenšujícími se plochami průřezu, při pohledu ve směru průtoku, může se použit opačné uspořádáni úseků potrubí, se zvětšujícími se plochami průřezu, při pohledu ve směru průtoku.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY v

tt* •

« ··· • · •tt • · • · tt· • · · • tttt tt · • · tttt • tttt • tt tttttttt

1. Způsob stanoveni průtokových rychlosti plynné a kapalné fáze průtoku vlcefázové směsi v potrubí, obsahujíc! následujíc! kroky:

a) nejdříve se změří skutečná rychlost (w) alespoň jedné fáze směsi v úseku (1) potrubí;

b) dále se změří akustická vodivost směsi v úseku (1) potrubí;

c) dále se stanov! objemová koncentrace (φ) plynné fáze směsi v úseku (1) potrubí, na základě naměřené akustické vodivosti směsi v úseku (1) potrubí;

d) dále se stanoví objemové průtokové rychlosti (Qg) plynné fáze a první složky (Q1) kapalné fáze a druhé složky (Q2) kapalné fáze (Q_ř) směsi, použitím hodnot uvedené skutečné rychlosti (w) a uvedené objemové koncentrace, vyznačující se tím, že s uvedeným úsekem potrubí, kterým je první úsek (1) potrubí:

e) se vytvoří druhý úsek (2) potrubí, uspořádaný v jedné řadě s prvním úsekem (1) potrubí, přičemž první úsek (1) a druhý úsek (2) potrubí mají rozdílné průřezy, takže na spojení obou úseků (1, 2) dochází ke změně průtokové rychlosti směsi;

f) dále se změří skutečná rychlost ve druhém úseku (2) potrubí;

g) dále se změř! akustická vodivost směsi ve druhém úseku (2) potrubí;

h) dále se stanoví objemová koncentrace (φ) plynné fáze ve druhém úseku (2) potrubí, na základě naměřené akustické vodivosti směsi ve druhém úseku (2) potrubí;

i) dále se stanoví objemová koncentrace (W) různých složek kapalné fáze směsi, na základě naměřené akustické vodivosti směsi alespoň v jednom úseku potrubí;

j) nakonec se stanoví hodnoty objemové průtokové rychlosti (Q_g ,Q_hQ1, Q2) použitím hodnot skutečné rychlosti (w) a objemových koncentrací získaných v kombinaci pro první úsek (1) a druhý úsek (2) potrubí.

-30Upravený list
2. Způsob podle nároku 1,vyznačujíc! se 11 m, že se plocha (F₄) průřezu prvního úseku (1) potrubí liší od plochy (F₂) průřezu druhého úseku (2) potrubí, přičemž F₂ = k Fí, kde k /1.
3. Způsob podle nároku 2, vyznačující se tím, že hodnota objemové průtokové rychlosti kapalné fáze se stanoví podle vzorce:

Q, = k / (k -1) F, [ w₂ (1- <P2> - w, (1 - <p,)J kde νΐή, w₂ je průměrná skutečná rychlost plynné fáze v prvním úseku (1) potrubí a respektive ve druhém úseku (2) potrubí, <Pi , <P2 je průměrná skutečná objemová koncentrace plynu ve směsi v prvním úseku (1) potrubí a respektive ve druhém úseku (2) potrubí, přičemž objemová průtoková rychlost plynné fáze se stanoví pomoci: Q_fl=F₁W'i φι nebo Q_B=F₂w₂ Φ2 objemová průtoková rychlost první složky kapalné fáze se stanov! pomoci:

Qi = W Q, a objemová průtoková rychlost druhé složky kapalné fáze se stanoví pomocí:

Q₂=(1 -W)Q,
4. Způsob podle nároků 1až 3, vyznačujíc! se tím, že se rychlost (w) plynné fáze měří v rozdílných radiálních místech v každém z uvedených průřezů prvního úseku (1) potrubí a druhého úseku (2) potrubí, a naměřené hodnoty lokální rychlosti se pro každý průřez zprůměrují, k vytvoření hodnoty pro použití jako hodnota rychlosti ve výpočtech.
5. Způsob podle nároků 1 až4, vyzn a ču j I c í se t i m, že se

-31 • 0 0 · * ·*.

• · * • · · *40 0·

0 0 0 0 00· ► · · ’ · * » 0 *

00 00·· koncentrace plynné fáze (φ) měří v rozdílných radiálních místech v každém z uvedených průřezů prvního úseku (1) potrubí a druhého úseku (2) potrubí, a naměřené hodnoty objemové koncentrace se pro každý průřez zprůměrují, k vytvoření hodnoty pro použití jako hodnota koncentrace ve výpočtech.
6. Způsob podle nároků 1až 5, vyznačující se t i m, že se tato měření provádějí za použití ultrazvukových snímačů.
7. Způsob podle nároku 6, vy zn a £ u j I c í se t í m, že objemové koncentrace složek (W) kapalné fáze směsí stanoví za použití ultrazvukových snímačů, alespoň v jednom průřezu, alespoň v jednom úseku (1, 2) potrubí, a měřením doby průchodu ultrazvukových impulsů uvedenou směsi od uvedených snímačů.
8. Způsob podle nároku 7, vyznačující se tfm.že objemové koncentrace složek plynné fáze (φ) směsi se stanov! za použiti ultrazvukových snímačů alespoň v jednom průřezu prvního úseku (1) potrubí a druhého úseku (2) potrubí, a měřením amplitudy ultrazvukových impulsů, procházejících uvedenou směsi od uvedených snímačů.
9. Způsob podle nároku 8, vyznačující se tím, že rychlosti (w) fází směsi se stanoví za použití ultrazvukových snímačů alespoň v jednom průřezu prvního úseku (1) potrubí a druhého úseku (2) potrubí, a způsobem vzájemné korelace nebo autokorelačnim způsobem.
10. Způsob podle nároku 9, vyznačující se tím, že rychlosti (w) fází směsí se stanoví za použití ultrazvukových snímačů alespoň v jednom průřezu prvního úseku (1) potrubí a druhého úseku (2) potrubí, •

-32Upravený list • 4

4 4 4

4 4 4

4 4

4 4

4· 44 a měřením Dopplerova kmitočtu ultrazvukových impulsů od snímačů.
11. Způsob podle nároků 1,2,3,4,5, vyznačující se t f m, že měřeni se provádí za použiti snímačů elektrické vodivosti.
12. Způsob podle nároků 1,2, 3,4,5 , vy z n a č uj i c i se tim, že měřeni se provádí za použiti snimačů elektrické kapacity.
13. Způsob podle nároků 1,2,3, 4,5, vyz n a č u j f c í se t i m, že měřeni se provádí za použiti optických snimačů.
14. Způsob podle nároku 8, vyznačující se tfm.že složkami kapalné fáze směsi jsou voda a olej.
15. Zařízeni na stanoveni průtokových rychlosti plynné a kapalné fáze průtoku vfcefázové směsi v potrubí, vyznačující se tim, že obsahuje:

a) snímač (5) rychlosti, který je uspořádaný v úseku (1) potrubí, a který je připojen k obvodu pro měření skutečné rychlosti (w) alespoň jedné fáze směsi v úseku (1) potrubí;

b) snímač (6) akustické vodivosti, který je uspořádaný v úseku (1) potrubf, a který je připojen k obvodu pro měření akustické vodivosti směsi v úseku (1) potrubí a pro stanoveni objemové koncentrace (φ) plynné fáze směsi v úseku (1) potrubí, na základě naměřené akustické vodivosti směsi v úseku (1) potrubí;

c) procesor, který je připojen k uvedenému obvodu pro stanoveni objemové průtokové rychlosti plynné fáze Q_flI a první a druhé složky Q1, Q2 kapalné fáze Q_; směsi, použitím hodnot uvedené skutečné rychlosti (w) a uvedené objemové koncentrace, vyznačující se tím, že

-33Upravený list φ

φφφ φ

φ · φ φ φ φφ •

φ φ

·ΦΦ· uvedeným úsekem potrubí je první úsek (1) potrubí; přičemž zařízeni dále obsahuje:

d) druhý úsek (2) potrubí, který je uspořádán v jedné řadé s prvním úsekem (1) potrubí, přičemž první úsek (1) a druhý úsek (2) potrubí máji rozdílné průřezy, takže na spojeni obou úseků (1, 2) dochází ke změně průtokové rychlosti směsi;

e) další snímač (5) rychlosti, který je uspořádaný ve druhém úseku (2) potrubí, a který je připojen k obvodu pro měření skutečné rychlosti (w) alespoň jedné fáze směsi ve druhém úseku (2) potrubí;

f) další snímač (6) akustické vodivosti, který je uspořádaný ve druhém úseku (2) potrubí, a který je připojen k obvodu pro měřeni akustické vodivosti směsi ve druhém úseku (2) potrubí a pro stanoveni objemové koncentrace (φ) plynné fáze směsi ve druhém úseku (2) potrubí, na základě naměřené akustické vodivosti směsi ve druhém úseku (2) potrubí;

g) snímač (7) kapalné koncentrace, který je uspořádán v jednom (1) z uvedených úseků (1,2) potrubí, a který je připojen k dalšímu obvodu pro stanovení objemové koncentrace (W) různých složek kapalné fáze směsi na základě naměřené akustické vodivosti směsi v uvedeném úseku (1) potrubí; a přičemž procesor je připojen k dalšímu obvodu a je uspořádán pro použiti hodnot skutečné rychlosti (w) a objemových koncentraci získaných pro první a druhý úsek (1, 2) potrubí, v kombinaci pro stanovení objemových průtokových rychlosti Q_g ,Q_it Q1, Q2.
16. Zařízení podle nároku 15, vyznačující se tím, že se v ném používají pro každý úsek (1,2) potrubí následující prostředky na měření lokálních průtokových vlastností alespoň jedné fáze uvedené směsi:

-34Upravený list ultrazvukový měřič rychlosti plynu na měřeni skutečné rychlosti (w) plynu uvedené směsi, založený na korelačním způsobu nebo na Dopplerově způsobu, ultrazvukový měřič objemové koncentrace plynu , ultrazvukový měřič objemových koncentrací kapalných složek.
17. Zařízeni podle nároku 15, vy z n a č u j I c I se 11 m, že jsou vněm použity měřiče se snímači elektrické kapacity nebo elektrické vodivosti, na měřeni lokálních průtokových vlastností alespoň jedné fáze uvedené směsi.
18. Zařízeni podle nároku 15, vyznačujíc! se tím, že je v něm použit pro každý úsek (1, 2) potrubí měřič gama na stanoveni objemové koncentrace plynu.
19. Zařízeni podle nároku 15, vyznačující se tím, že je v něm použit pro každý úsek (1, 2) potrubí vertikálně uspořádaný přístroj na stanoveni objemové koncentrace plynu pomoci měřeni rozdílu statických tlaků.
20. Zařízení podle nároků 15,16,17, vy z n a č u j I c í se 11 m, že je vněm měřičem rychlosti plynu měřena rychlost (iv) plynné fáze v rozdílných radiálních místech v každém z uvedených průřezů prvního úseku (1) potrubí a druhého úseku (2) potrubí, a naměřené hodnoty lokálni rychlosti jsou pro každý průřez zprůměrovány, k vytvoření hodnoty pro použiti jako hodnota rychlosti ve výpočtech.
21. Zařízení podle nároků 15,16,17, vyz n a č uj í c i se tím, že je vněm měřičem objemové koncentrace plynu měřena koncentrace

-35Upravený list plynné fáze (φ) v rozdílných radiálních místech v každém z uvedených průřezů prvního úseku (1) potrubí a druhého úseku (2) potrubí, a naměřené hodnoty koncentrace jsou pro každý průřez zprůměrovány, k vytvoření hodnoty pro použiti jako hodnota koncentrace ve výpočtech.
22. Zařízení podle nároků 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, vy z n a č u j I c I se t í m, že se plocha (F0 průřezu prvního úseku (1) potrubí liší od plocha (F₂) průřezu druhého úseku (2) potrubí, přičemž F₂ = k F> , kde k *1.
23. Zařízení podle nároků 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, vyznačující se t i m, že obsahuje procesor na výpočet hodnoty objemové průtokové rychlosti kapalné fáze podle vzorce:

Q, = k/ (k-1) F₁ [ w₂ (1- φ₂) - iv, (1 - φι)] kde w₂ je průměrná skutečná rychlost plynné fáze v prvním úseku (1) potrubí a respektive ve druhém úseku (2) potrubí, φι . Φ2 je průměrná skutečná objemová koncentrace plynu ve směsi v prvním úseku (1) potrubí a respektive ve druhém úseku (2) potrubí; na výpočet objemové průtokové rychlosti plynné fáze podle vzorců:

G_g=Fiw₁<p₁ nebo Q_fl-F₂w₂<p₂na výpočet objemové průtokové rychlosti první složky kapalné fáze podle vzorce:

Q, = WQ, a na výpočet objemové průtokové rychlosti druhé složky kapalné fáze podle vzorce:

Q₂=(1 -W)Q/ • * •Φ • · * · • · · · • · * ·» ·· · · · « * · ' ♦ · • · · »ι ····

-36Upravený list
24. Zařízení podle nároků 15,16,17, 18,19,20,22,23, vyznačující se t i m, že snímanými složkami kapalné fáze vicefázového průtoku jsou voda a olej.