CZ298873B6

CZ298873B6 - Soucasné stanovení vícefázových prutokových rychlostí a koncentrací

Info

Publication number: CZ298873B6
Application number: CZ20022958A
Authority: CZ
Inventors: Drobkov@Vladimir; Melnikov@Vladimir; Shustov@Andrey
Original assignee: Nest International N. V.
Priority date: 2000-03-09
Filing date: 2001-03-05
Publication date: 2008-02-27
Also published as: CA2393727A1; KR100808729B1; AU2001241281A1; IL151612A; CZ20022958A3; DE60100360D1; CA2393727C; HK1052549A1; IL151612A0; PT1261846E; WO2001067050A1; US20030051558A1; EP1261846B8; EP1261846A1; CN1217161C; EA200200632A1; ES2201033T3; AU3334800A; EP1261846B1; NO325636B1

Abstract

Vynález se týká zpusobu a zarízení na stanovení objemových prutokových rychlostí a objemových koncentrací (.fi.) složek kapalné a plynné fáze ve vícefázových smesích kapalina-plyn v potrubí. Merení jsou provádena pomocí ultrazvukového systému, kterýobsahuje soustavu lokálních ultrazvukových snímacu (5, 6, 7), usporádaných uvnitr potrubí. Každá dvojice vysílace a prijímace snímace vytvárí vzorkovací objem mereného média. Objemové koncentrace (.fi.) komponent smesi jsou urcovány casováním pruchodu akustických impulzu vzorkovacím objemem média. Objemové prutokové rychlosti komponent smesi jsou vypocítávány merením rychlosti (w) fází a objemových koncentrací (.fi.) ve dvou cástech potrubí, majících ruzné velikosti prurezu, které jsou umístenyv urcité vzdálenosti za sebou ve smeru prutoku.

Description

(57) Anotace:

Vynález se týká způsobu a zařízení na stanovení objemových průtokových rychlostí a objemových koncentrací (φ) složek kapalné a plynné fáze ve vícefázových směsích kapalina-plyn v potrubí. Měření jsou prováděna pomocí ultrazvukového systému, který obsahuje soustavu lokálních ultrazvukových snímačů (5, 6, 7), uspořádaných uvnitř potrubí. Každá dvojice vysílače a přijímače snímače vytváří vzorkovací objem měřeného média. Objemové koncentrace (φ) komponent směsi jsou určovány časováním průchodu akustických impulzů vzorkovacím objemem média. Objemové průtokové rychlosti komponent směsi jsou vypočítávány měřením rychlosti (w) fází a objemových koncentrací (φ) ve dvou částech potrubí, majících různé velikosti průřezu, které jsou umístěny v určité vzdálenosti za sebou ve směru průtoku.

Současné stanovení vícefázových průtokových rychlostí a koncentrací

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, složeného z oleje, vody a plynu. Zejména se vynález týká takového způsobu a takového zařízení podle úvodních částí nároku 1, resp. 15.

ío Dosavadní stav techniky

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

Současné způsoby a zařízení pro měření těchto průtokových vlastností vyžadují předběžnou separaci plynu ve speciálních separátorech, které jsou nainstalovány v měřicích zařízeních na území ropných polí. 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 vlastností 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 vícefázová směs s konstantní průtokovou rychlostí, se tímto způsobem podle dosavadního stavu techniky měří akustická vodivost směsi při přenášení akustických impulzů regulovaným objemem směsi snímačem a počítání těchto impulzů, když jsou přijaty přijímačem, s poměrem přenesených a přijatých impulzů, představujícím množství fáze této směsi. Kromě toho, v každém ze dvou míst se měří doba průchodu impulzu 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 zařízení, za použití čistého oleje a čisté vody, se měří doby průchodu impulzu regulovaným objemem a použijí se v kombinaci se skutečnou (na původním místě in sítu) dobou průchodu, uvedeným poměrem množství fáze, uvedenou rychlostí a hodnotou průřezu potrubí, pro výpočet skutečných průtokových rychlostí plynu, oleje a vody.

Evropský patent EP-A-0 684 458 uvádí průtokoměr, kde potrubí 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 zúžení 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 vícefázové směsi. Když jsou dány hustoty p₀, p_w, p_g složek vícefázové směsi, stanoví se průtokové rychlosti těchto fází. Tímto průtokoměrem podle dosavadního stavu techniky se samotná rychlost neměří v místech, kde se změnila rychlost směsi, to je v každém zúžení. 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 jednoho zúžení do druhého zúžení. Z uvedené doby a ze známé vzdálenosti mezi zúženími se vypočítá rychlost.

V patentu US 5 287 752 je popsáno zařízení na stanovení průtokových rychlostí vícefázových tekutin pomocí sady kondenzátorů, umístěných na dvou rovnoběžných deskách, které jsou

-1 CZ 298873 B6 uspořádány uvnitř vodorovného nebo skloněného potrubí, rovnoběžně se směrem průtoku. Pro stanovení objemového poměru vody a oleje a částí průřezu potrubí, obsahující kapalnou fázi, se měří impedance média umístěného v tomto okamžiku v měřicích článcích všech základních kondenzátorů. Rychlost kapalné fáze je stanovena měřením a vzájemnou korelací impedancí základních kondenzátorů, uložených v maticové řadě, umístěné v části průřezu obsahující kapalnou fázi. Rychlost plynuje stanovena měřením doby průchodu strukturálních deformací průtoku v horní části potrubí. Objemové průtokové rychlosti uvedených fází jsou stanoveny tak, že se vezmou v úvahu části průřezu potrubí obsahující kapalnou a plynnou fázi průtoku.

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

V patentu US 5 367 911 je popsáno zařízení pro snímání chování kapaliny v potrubí, které může být použito jako průtokoměr. Tato měřicí zařízení 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 mezi senzory známá, provede se výpočet průtokové rychlosti.

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

Podstata vynálezu

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

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

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

Vynález zajišťuje získání spolehlivých dat naměřených vlastností výtoků s rozdílnými velikostmi inkluzí plynu.

Kromě toho vynález zaručuje kompaktnost zařízení a jeho snadnou přemístitelnost.

Shora uvedených význaků se dosáhne pomocí způsobu na stanovení objemových průtokových rychlostí kapalných a plynných složek u vícefázových směsí, protékajících potrubím, kde podle něho měřicí 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 = kF] (průměr D₂ = Di Vk) k a 1.

Když je k « 0,5, vyvolává změna plochy průtokového průřezu významnou změnu rychlosti kapalné fáze a odpovídajícím způsobem skutečné rychlosti plynné fáze v měřicích úsecích potrubí ( w_g i < w_g2), zatímco změna relativní rychlosti inkluzí plynu a skutečné objemové koncentrace φ plynu ve směsi je nevýznamná. Analýza výpočtu průtokového modelu směsi umožnila odvodit vzorec pro stanovení objemové průtokové rychlosti kapalné fáze pro vícefázový průtok, procházející kalibrovanými úseky potrubí:

Q, = (k /1 - k) Fr ( w_a2 (1- ψ2) - (1 - _Φ1)]

-2CZ 298873 B6

Objemová průtoková rychlost plynuje stanovena následujícím vzorcem:

Qg = Fl i . <Pi = F2 Wg2 . Φ2

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

Získané hodnoty lokálních vlastností vícefázového průtoku se potom zprůměrují přes plochy průřezu měřicích úseků potrubí.

Měření skutečné rychlosti plynu se provádí vzájemnou korelací signálů snímače nebo Dopplerovým způsobem.

Měření objemové koncentrace plynu se provádí indikací akustické vodivosti vzorkovacích objemů média.

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

Zmíněné význaky jsou také vytvářeny zařízením na stanovení objemových průtokových rychlostí a objemových koncentrací kapalných a plynných složek vícefázové směsi kapalina-plyn, proudí25 cí potrubím, které obsahuje měřicí 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 = kF] (průměr D₂ = Dj Yk) 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 (w_gj) < w_g;2), zatímco změna relativní rychlosti inkluzí plynu a skutečné objemové koncentrace φ plynu ve směsi je nevýznamná. Objemová průtoková rychlost kapalné fáze je stanovena rozdílem součinů skutečné rychlosti w_g plynné fáze částí seku potrubí, obsahující kapalnou fázi (1 - φι) v prvním a ve druhém měřicím úseku potrubí:

₃₅ Qt = (k/1 -k) F, [ iv_g,₂(1- Φ2) -w_a1 (1 - φθ]

Objemová průtoková rychlost plynuje stanovena následujícím vzorcem:

Qg = Fl SPgJ . čpi F₂ W₉,2 . Φ2

Skutečné rychlosti plynné fáze w_g, objemových koncentrací φ plynu, objemových koncentrací kapalných složek, jako je voda W a olej (1-W) v kalibrovaných úsecích potrubí jsou stanoveny pomocí ultrazvukového snímání lokálních objemů vícefázového průtoku sadou snímačů, uspořádaných v měřicích úsecích potrubí podél rádiusu průtokového průřezu.

Princip provozu lokálního měřiče rychlosti plynu je založen na stanovení vzájemné korelace funkce amplitudy signálu snímače akustické vodivosti. Dva snímače jsou umístěny v pevném odstupu, kde jeden je zařazen před druhým ve směru proti proudu. Akustický snímač sestává z vysílače a přijímače ultrazvukových impulzů, vytvářejících akustické znázornění vzorkovacího objemu. Snímač může být použit jako vysílač a přijímač odražených signálů v režimu „vysílánípřijímání“.

-3CZ 298873 B6

Elektroakustický kanál tohoto měřiče pracuje následovně: Napěťové impulzy od impulzového generátoru přicházejí do vysílače, kde jsou převáděny na ultrazvukové impulzy. Po průchodu vzorkovacím objemem jsou přijímány přijímačem, dále jsou převáděny na napěťové impulzy, zesíleny a vysílány do vstupu detektoru špičkové hodnoty, který je řízen vybíracími impulzy.

Vybírací impulzy stanoví časový interval, během něhož je očekáváno přijetí signálu. Napětí na vstupu detektoru špičkové hodnoty je úměrné amplitudě přijatého signálu aje stanoveno ztrátami akustické energie ve vzorkovacím objemu snímače. Výstupní signály detektorů špičkové hodnoty přicházejí do kalkulátoru, který stanoví vzájemnou korelaci nebo autokorelační funkci (v případě snímače) a vypočítá skutečnou lokální rychlost plynné fáze nebo kapalné fáze bez plynu.

Kromě tohoto vysvětleného principu se může použít Dopplerův způsob pro měření lokální rychlosti plynné fáze snímáním média ultrazvukovými impulzy směrovanými proti proudu průtoku. V této variantě jsou také umístěny vysílač a přijímače v měřicích úsecích potrubí.

Princip provozu měřiče objemové koncentrace plynuje založen na indikaci akustické vodivosti vzorkovacího objemu. Signál od generátoru napěťových impulzů je vysílán do vysílače, sestávajícího z vysílače a vlnovodu. Po provedení konverze dosáhnou akustické impulzy vzorkovacího objemu pomocí vlnovodu, projdou tímto objemem a přijímacím vlnovodem přicházejí do vysílače, kde jsou převáděny na napěťový signál, který po zesílení přichází do detektoru špičkové hodnoty. Tvarovač vybíracího impulzu otevře detektor špičkové hodnoty na nějakou dobu, 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 úrovní, stanovenou generátorem rozlišovací úrovně. Výstupní signál komparátoru přichází do kalkulátor, který stanoví objemový obsah plynu v médiu, jako poměr doby přítomnosti plynové fáze ve vzorkovacím objemu, k celkové době měření.

Princip provozu ultrazvukového měřiče objemových koncentrací kapalných složek je založen na stanovení doby průchodu ultrazvukových impulzů vícefázového průtoku, jelikož bylo zjištěno, že v kapalné fázi, jako je směs vody a oleje, závisí doba průchodu signálu prakticky lineárně na poměru objemových koncentrací kapalných složek, bez ohledu na typ emulze. Vzdálenost mezi vysílačem a přijímačem se zvolí tak, aby se zabránilo průniku velkých inkluzí plynu, o velikosti větší než 1 mm. Napěťové impulzy z generátoru jsou vysílány do ultrazvukového vysílače, který vytváří akustické impulzy. Akustické impulzy procházejí vzorkovacím objemem, jsou přijímány přijímačem a jsou převáděny do napěťového signálu, který je zesilován aje posílán do kompa35 rátoru, přičemž je vybírán (strobed). Komparátor se otevře na nějakou dobu, zatímco příjem signálu je očekáván pomocí generátoru vybíracího impulzu, který zajišťuje vysokou odolnost proti interferenci tohoto schématu. Současně, s vytvářením vysílacích impulzů, se aktivuje schéma, vytvářející trvání impulzu. Toto schéma se zastaví signálem, přicházejícím od výstupu komparátoru. Tak se trvání výstupního signálu rovná době průchodu ultrazvukového signálu od vysílače k přijímači. Potom se impulz převádí do amplitudy signálu a přichází do kalkulátoru, který stanoví objemovou koncentraci složek kapalné fáze.

Procesor působící podle stanovených programů řídí provoz měřičů lokálních průtokových parametrů w_gi, H’_gi2, Φι φ₂, W, zprůměruje tyto parametry přes průřezy měřicích úseků potrubí a vypočítá objemové průtokové rychlosti složek kapalné a plynné fáze.

Přehled obrázků na výkrese

Vynález bude blíže osvětlen pomocí výkresu, kde na obr. la, lb je znázorněno uspořádání zařízení na stanovení vícefázové 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 uvedeném 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

-4CZ 298873 B6 lokální rychlosti plynné fáze pro variantu snímačů uspořádaných do série v režimu „vysílánípříjem“, na obr. 6 je znázorněn diagram napětí signálu, zpracovaného v blokovém diagramu uvedeném na obr. 5, na obr. 7 je znázorněn blokový diagram měřiče lokální rychlosti plynné fáze, pracujícího spárem snímačů v režimu vytváření autokorelační funkce, na obr. 8 je znázorněn typický tvar autokorelační funkce pro výstupní signály detektorů špičkové hodnoty, na obr. 9 znázorněn blokový diagram měřiče lokální rychlosti plynné fáze, pracujícího s jedním snímačem v režimu „vysílání-příjem“, na obr. 10 je znázorněn diagram napětí signálu, zpracovaného v blokovém diagramu uvedeném na obr. 9, na obr. 11 je znázorněn tvar autokorelační funkce výstupního signálu detektoru špičkové hodnoty ve variantě používající jeden snímač, na obr. 12 ío 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 uvedeném na obr. 12, na obr. 14 je znázorněna druhá varianta blokového diagramu ultrazvukového Dopplerova měřiče pro měření lokální rychlosti plynné fáze, na obr. 15 je znázorněn diagram napětí signálu, zpracovaného v blokovém diagramu uvedeném 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 koncentracích kapalných složek, na obr. 20 je znázorněn diagram napětí signálu, zpracovávaného v blokovém diagramu pro měření objemo20 vých koncentrací kapalné fáze, na obr. 21 je znázorněna druhá varianta blokového diagramu ultrazvukového měřiče objemových koncentrací kapalných složek a na obr. 22 je znázorněn diagram napětí signálu pro druhou variantu blokového diagramu měřiče objemové koncentrace kapalných složek.

Příklady provedení vynálezu

Uspořádání měřicího článku průtoku zařízení na stanovení objemových průtokových rychlostí kapalných a plynných složek ve vícefázové směsi je znázorněno na obr. la a obr. lb.

Měřicí článek průtoku je nainstalován do potrubí pomocí přírubových spojení. Měřicí 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 = Di ^Jk). Pro obr. 1 platí k < 1.

Změna plochy průtokového průřezu vyvolává významnou změnu rychlosti kapalné fáze a skutečné rychlosti plynné fáze v měřicích úsecích potrubí s plochami průtokového průřezu Fj a F₂. Pro zajištění minimální hydrodynamické poruchy průtoku je přechod od prvního úseku do druhého úseku a zpět do výchozí plochy Fi průtokového průřezu potrubí proveden pomocí 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 rádiusu těchto úseků. Snímač 7 měřiče objemové koncentrace kapalných složek obsahuje sadu snímačů umístěných v dutině prvních úseků potrubí. Pro urychlení procesu změny viskózního média v objemech snímačů a pro odstranění parafínových usazenin jsou snímače vybaveny mechanickým čisticím zařízením nebo elektrickými ohřívači. Snímače jsou nainstalovány tak, aby mohly být odstraněny z měřicích úseků potrubí, například k provádění technické údržby nebo náhrady.

Posuzujme odděleně měřiče vícefázových průtokových parametrů, které jsou částí zařízení, a výpočetní model průtoku vícefázové směsi, použitý ke stanovení objemových průtokových rychlostí složek směsi.

Ke stanovení průtokových rychlostí fází se používá výpočetní model směsi kapalina-plyn, kde inkluze plynu různých velikostí představují plynnou fázi. V rovnicích se používají zprůměrované fyzikální hodnoty.

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

-5CZ 298873 B6 φί ⁼ F_gii / Fj, (1) kde

F; = π/4 D² je plocha průřezu i-tého úseku potrubí,

F_g i = φ;. Fi je plocha průřezu, obsahující plyn.

Jelikož Fj = F_gji + F_;i, kde F/, je plocha průřezu, obsahující kapalinu, můžeme místo rovnice (1) napsat:

W^r8<j <Pi =----------------------- (2)

W^fg,l+ W^r/,i · W₉.j/ W ,,i kde w^rg i = g_g i / Fj je snížená rychlost plynné fáze v i-tém úseku potrubí, kde gg i je objemová průtoková rychlost plynné fáze v i-tém úseku potrubí;

^w g,i ⁼ Qij / Fí J^e snížená rychlost kapalné fáze v i-tém úseku potrubí, kde Qn je objemová průtoková rychlost kapalné fáze v i-tém úseku potrubí;

w_gj = Q_s i / Fg i je skutečná rychlost plynné fáze v i-tém úseku potrubí, kde Q_g i je objemová průtoková rychlost plynné fáze v i-tém úseku potrubí;

w/ j = Qi i / Fy je skutečná rychlost kapalné fáze v i-tém úseku potrubí, kde Qi[ je objemová průtoková rychlost kapalné fáze v i-tém úseku potrubí; a

F/,i = (1 — φί) F; je plocha průřezu i-tého úseku potrubí; obsahujícího kapalinu.

Jelikož kromě toho = wf /(1 - φ;) a w_gi, = + w_g/^el, kde w_{g l} ^rel je relativní rychlost plynné fáze v i-tém úseku potrubí, tak dostaneme:

w^re,i + w^r/,i + (1 -<pj wj*

Podle experimentálních údajů je relativní rychlost průtoku plynových bublin w_g/^el (skupinová rychlost vznášení vzhůru) spojena se skutečnou objemovou koncentrací φ, pomocí následujícího vztahu:

Wg/*¹ =W_a« /(1 -φί) (4) kde w_gj0O je průměrná rychlost jednotlivé bubliny vznášející se vzhůru v nekonečném kapalném médiu.

Skutečné rychlosti w_gjl a w_g>2 v měřicích úsecích potrubí jsou spojeny s relativními rychlostmi 30 následovně:

Wg,l ⁼ W/,1 + Wg,i^rel' a Vťg 2 = W/,2 + Wg_j2 ^re1' (5)

Odečtením první rovnice (5) od druhé rovnice (5) dostaneme následující rovnici:

Wg,2 - W/J = Aw_g = (wy₂ - W/,i) + (w_gi2^rel - Wg/^el) (6) která může být napsána v této formě:

Aw_g = w^r,j2/(l φ2) — w^r/a / (1 -φ]) +w_g;0O [1/(1 — φ₂) — 1/(1 — φ,)] (7)

Za předpokladu, že máme následující vztah F₂ = k F_b kde k ψ 1, a když vezmeme v úvahu, že vtfyj 40 = Q/j/Fj, dostaneme:

-6CZ 298873 B6

Q/ 1 - φι Wg,» 1-q>i _AWe=--[---1] +--[--(8)

F i (1 - <pi) k (1 - 92) 1 - φι 1 - φ2 jelikož Q/j = Q;.

Ze vztahů (3) a (4) vyplývá, že φ, = w’^rg,, / O^rg>i + w^r/j + w?.«,) (9)

Když se provedou příslušné transformace a vezme se v úvahu, že Q_{g l} = Q_g, dostaneme:

1/φ,= l+Q//Q_g + f,w_g,,_y,/Q_g (10) ío Dosazením hodnoty Q_g = Fj φ; w_g>j, kde n'_g, a ψί jsou naměřené hodnoty, dostaneme:

1 Qí

- - 1 + — (---+--) (11) <Pi <Pi FiWgi tv_ftí

Q/ W g, (o odkud φι = 1 - - - ——— (12)

Fj w i w i

Proto Q; = Fj [w_gg (1 - 9i) - w_g> „□] (13)

Mělo by být poznamenáno, že v případě stacionární kapaliny (Q/ = 0) vyplývá ze vzorce (13) následující vztah: w_gg = w_g00 / (1 - φβ, což se shoduje s definicí relativní rychlosti (4), takže v tomto případě w_gii = w_g/^el

Ze vzorce (13) vyplývá, že

Q/ = F] [w_g>] (1-φ,)-νν_&00] (14) a

Qz⁼ F₂ [w_{g 2} (1 — φ₂) — w_g J (15)

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

Q; = F] [w_g>2 (1 - φ₂) - w_g> ] (1 — φι)] k/ (1 — k) (16)

Tak 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 měřicím úseku potrubí. Jestliže F₂ = 0,5 F_b z výrazu (16) se stane:

Q/ = F] [w_g,₂(l -(p₂)-w_g>1 (1 -φ,)] (17)

Kromě toho by mělo být poznamenáno, že jestliže φι = φ₂ = 0, určí měřiče rychlosti akustickou nehomogennost kapalné fáze a tedy odpovídajícím způsobem i rychlosti w/j a wy₂. Tak se vztah (16) transformuje do vzorce Q; = Fi . viyi, a jestliže φι = φ₂ = 1, zaujme tento vztah tvar Q/ = 0.

Objemové průtokové rychlosti složek kapalné fáze jsou stanoveny vzorci:

Qoii = Q/(l-W)aQ_w = Q/.W (18)

-7CZ 298873 B6 kde W je objemová koncentrace vody v emulzi. Objemová průtoková rychlost plynné fáze je stanovena následujícím vztahem:

Q_g = w_g>i . F, . φ, = w_gj2. F₂. φ₂ (19)

Na obr. 2 je znázorněn blokový diagram ultrazvukového měřiče lokální rychlosti w_e plynné fáze vícefázové směsi. Obvod měřiče zahrnuje: generátor napěťových impulzů 8, první snímač 9, zapojený do série s generátorem 8, a obsahující vysílač 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, ío obsahující vysílač 16 a přijímač 17 (mezera mezi nimi vytváří druhý vzorkovací objem 18), druhý zesilovač 19 a také druhý detektor 20 špičkové hodnoty, který je vybírán. Kromě toho je s generátorem 8 spojen tvarovač 21 zpožděných vybíracích impulzů 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 vysílačem a přijímačem činí až asi 2 mm a vzdálenost / mezi dolní a horní 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 impulzy od generátoru 8 jsou přenášeny do vysílačů 3 a 9 jsou transformovány na ultrazvukové impulzy a procházejí vzorkovacími objemy 12 a 18, potom jsou přijímány přijímači ϋ 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 impulzů, jejichž doba průchodu je stanovena vzdáleností mezi vysílačem a přijímačem pevným kmitočtem impulzů, přicházejí vybírací impulzy do vybíracích vstupů detektorů 14 a 20 špičkové hodnoty. Vybírací impulzy 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 znázorní ji na displeji 25.

Z důvodu nespojité struktury představuje vícefázová směs akusticky nehomogenní médium. Proto bude kolísat amplituda přijatých signálů. Akustické difuzéry (většina z nich jsou inkluze plynu, vytvářející hlavní přínos k difúzi ultrazvukových impulzů) vyvolávají kolísání, nejdříve, když procházejí druhým vzorkovacím objemem. 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 zajišťují vytváření maxima CCF, její souřadnice v časové ose se rovná τ. Tak je stanovena lokální rychlost plynu výrazem:

w_g = l / τ kde / je vzdálenost mezi prvním a druhým vzorkovacím objemem.

Typický tvar funkce vzájemné korelace je znázorněn na obr. 4. Také je možná jiná varianta akus50 tického snímání vícefázové směsi měřením lokální rychlosti plynu. V tomto případě se používají dva akustické snímače, umístěné do série, které pracují v režimu „vysílání - příjem“. Zobrazení takového řešení je uvedeno na obr. 5.

-8CZ 298873 B6

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

Akustické snímače jsou umístěny v potrubí tak, aby průtok 28 postupně procházel vzorkovacím ío objemem druhého kanálu.

Měřič pracuje následovně. Elektrické impulzy 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 zesilo15 vačem 13 a přenáší se do detektoru 14 špičkové hodnoty, přičemž se vybírá. Současně se zpožděný vybírací impulz od tvarovače 21 přenáší do vybíracího vstupu detektoru 14 špičkové hodnoty (viz diagram napětí na obr. 6). Rezistor 27 provádí odpojení výstupu generátoru 8 a vstupu zesilovače 13. Na výstupu detektoru 14 špičkové hodnoty se vytváří hladina napětí, úměrná amplitudě přijatého signálu. Doba zpoždění vybíracího impulzu t₀ vzhledem k impulzu 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 difuzéiy nejdříve procházejí vzorkovacím objemem první25 ho 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 snímači. Rychlost difuzérů obsažených v médiu, je stanovena následujícím vzorcem:

w_g = l / τ kde l 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.

Kromě shora popsané varianty je také možné vytvořit měřič lokální rychlosti plynu, použitím snímače s párem vysílačů 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 vzorko40 vacím objemem. Na základě těchto skutečností je vytvářena autokorelační funkce výstupních signálů, a je stanovena doba průchodu difuzéru vzorkovacím objemem. Zobrazení této varianty měřiče lokální rychlosti plynu je znázorněno na obr. 7. V tomto případě obsahuje obvod prvky, zapojené do série: elektrický impulzový generátor 8, vysílač 10, akusticky spřažený s přijímačem U, zesilovač 13, detektor 14 špičkové hodnoty, který je vybírán (strobed), analogově digitální konvertor (ADC) 22, kalkulátor 24 a displej 25. Generátor 8 je také spojen prostřednictvím tvarovače 21 zpožděných vybíracích impulzů s vybíracím vstupem detektoru špičkové hodnoty. Prostor mezi vysílačem 10 a přijímačem 11 představuje vzorkovací objem 12.

Měřič rychlosti pracuje následovně. Elektrické impulzy přicházejí od generátoru 8 do vysílače

10, jsou transformovány na ultrazvukové signály a vzorkovacím objemem 12 přicházejí do přijímače 11, potom do zesilovače 13 a do detektoru 14 špičkové hodnoty. Současně jsou vyslány vybírací impulzy od tvarovače 21, zpožděné na dobu šíření signálu od vysílače k přijímači, do vybíracího vstupu detektoru špičkové hodnoty. Napětí od vstupu detektoru 14 špičkové hodnoty, úměrné amplitudě přijatého signálu, se přenáší do ADC 22, potom do kalkulátoru 24 a displeje

-9CZ 298873 B6

25. Když průtok obsahuje difuzéry akustického signálu s velikostí částic menší než vzorkovací objem, každý difuzér pronikající do vzorkovacího objemu bude vyvolávat kolísání amplitudy přijatého signálu. Pro první přiblížení se doba kolísání amplitudy rovná době průchodu difuzéru vzorkovacím objemem. Autokorelační funkce stanovuje průměrnou dobu pro statistické vzorko5 vání dat. Typický tvar autokorelační funkce je znázorněn na obr. 8. Lokální rychlost plynu tak může být vypočítána vzorcem:

w_g = d / Ti kde d je lineární rozměr piezoelektrické destičky ve směru průtoku. Ti je hlavní šířka smyčky autokorelační funkce (obr. 8).

Také je možná ještě jedna varianta měřiče místní rychlosti plynu. Její technické provedení je znázorněno na obr. 9. V této variantě obsahuje obvod měřiče rychlosti následující 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 pomocí rezistoru 27 se snímačem 26, a spojený pomocí tvarovače 21 zpožděných vybíracích impulzů s vybíracím vstupem detektoru 14 špičkové hodnoty. Snímač 26 je umístěn v potrubí tak, aby vícefázový průtok 28 protínal akustické pole snímače 26 kolmé na směr průtoku.

Měřič pracuje následovně. Napěťové impulzy 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 vícefázového média (jejich hlavní částí jsou inkluze plynu) a vrací se do snímače 26, kde je transformována na elektrické signály, které pomocí zesilovače 13 přicházejí do detektoru 14 špičkové hodnoty. Současně je přenášen zpožděný vybírací impulz od tvarovače 21 do vybíracího vstupu detektoru

14 špičkové hodnoty (viz diagram napětí, znázorněný na obr. 10).

Rezistor odpojí výstup generátoru 8 a vstup zesilovače 13. Napěťová amplituda výstupu detektoru 14 špičkové hodnoty je úměrná amplitudě přijatého signálu.

Doba zpoždění vybíracího impulzu t₀ vzhledem k impulzu 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 přiblížení se doba kolísání rovná době průchodu difuzéru vzorkovacím objemem. Za podmínky, že velikosti difuzéru jsou mnohem menší než velikost vzorkovacího objemu, může být lokální rychlost plynu určena autokorelaci signálů vzorcem:

w_g = d / Tj kde d je lineární rozměr piezoelektrické destičky ve směru průtoku, τι je hlavní šířka smyčky autokorelační funkce (obr. 11).

Kromě shora popsaných variant je také možné jiné provedení ultrazvukového měřiče lokální rychlosti plynu použitím. Dopplerova způsobu stanovení rychlosti. V tomto případě jsou vysílač 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 impulzů, spojený svysílačem l_0. Přijímač lije spojen pomocí zesilovače 13. s fázovým detektorem - násobičem 29. Následující 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 11, jsou transformovány na napěťové signály, jsou přenášeny pomocí zesilovače 13 do prvního vstupu fázového detektoru 29. Napěťový signál od generátoru 8 je vysílán do druhého vstupu fázového detektoru 29. Od výstupu fázového detektoru 29 jsou nízkofrekvenční signály posílány pomocí

-10CZ 298873 B6 filtru 30 a zesilovače 31 do kalkulátoru 32, kde je stanoven Dopplerův kmitočet úměrný přibližné rychlosti akustických difuzérů snímači, a potom se vypočítá lokální rychlost plynu. Výsledky zpracování se posílají do displeje 9. Signál zpracování v obvodu je znázorněn na obr. 13.

Jiná varianta technického provedení ultrazvukového Dopplerova měřiče lokální rychlosti plynuje znázorněna na obr. 14. Vysílač a přijímač s lineárními rozměry do 3 mm jsou také uspořádány v kalibrovaném úseku potrubí, vzájemně proti sobě, pod pevným úhlem. Měřicí obvod měřiče obsahuje generátor 8 napěťových impulzů, spojený s vysílačem 10. Přijímač 11 je spojen pomocí zesilovače 13 s fázovým detektorem - násobičem 29 jeho výstup je spojen se „vzorkovacímío ukládacím“ blokem 30. Druhý vstup fázového detektoru 29 je připojen ke generátoru 8. Vstup „vzorkovacího-ukládacího“ bloku 30 je spojen s generátorem 8 pomocí tvarovače 2J_ zpožděných vybíracích impulzů. Výstup bloku 30 je spojen s kalkulátorem 32 a potom s displejem 25.

Měřič pracuje následovně. Napěťové impulzy od generátoru 8 jsou přenášeny do vysílače 10 a vyvolávají akustické impulzy, šířící se v opačném směru k průtoku. Impulzy 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 posílán do druhého vstupu detektoru 29. Nízkofrekvenční signál od generátoru 8 je posílán do „vzorkovacího-ukládacího“ bloku 30, který zaznamenává signál na svém vstupu v okamžicích, stanovených časovou polohou zpožděného vybíracího impulzu od tvarovače 2L Spektrální zpracování signálu od „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 zpracování jsou znázorněny na obr. 15.

Ultrazvukový měřič obsahu plynu (viz obr. 16) obsahuje generátor 8 napěťových impulzů, zapojený do série s vysílačem 10, který je akusticky spřažen s přijímačem 11, zesilovač 33 a detektor 34 špičkové hodnoty, který je vybírán. Generátor 8 je také spojen s vybíracím vstupem detektoru 34 špičkové hodnoty pomocí tvarovače 35 zpožděných vybíracích impulzů. Výstup detektoru špičkové hodnoty je spřažen s přímým 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 11 jsou upevněny vzájemně proti sobě, a vytvářejí vzorkovací objem 40.

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

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

-11 CZ 298873 B6

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

U = U^max exp (-k . n_b . d_b ²) (20) kde

U^max je amplituda signálu, kde kapalná fáze plní řízený objem, k je součinitel úměrnosti, stanovený geometrickými rozměry snímače, ultrazvukovým kmitočtem, atd., ío n_b je koncentrace plynových bublin, d_b je průměr plynových bublin.

Když vezmeme v úvahu, že koncentrace bublin ve vzorkovacím objemu se průběžně mění následkem proudění směsi, amplituda signálu také kolísá. Počet bublin ve vzorkovacím objemu je stanoven Poissonovým zákonem. Takže velikost průměrné hodnoty přijatého signálu a jeho hodnoty rozptylu n_b a d_b se vypočítají za použití známého matematického modelu kalkulátorem 24. Objemový obsah plynuje stanoven podle vzorce:

nd³ 1

Φ3⁼ N · — (21)

V kde V je vzorkovací objem,

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

Koncentrace plynné fáze v případě měnitelného složení inkluzí plynu v průtoku je stanovena následujícím vztahem:

t 2 '1 + t 3 · φ3 φ =: —----- (22)

Τ

Τ = fi +1₂ +1₃ je doba zprůměrování, kde ti je časový úsek, kde inkluze plynu nejsou obsaženy ve vzorkovacím objemu, t₂ je časový úsek, kde inkluze plynu tvořené v bublinami velkého průměru a také plynové ucpávky jsou obsaženy ve vzorkovacím objemu, t₃ je časový úsek, kde jsou malé bubliny obsaženy ve vzorkovacím objemu.

Velikost vzorkovacího objemu se volí podle podmínek technického provedení nebo použití snímače, zpravidla je velikost menší než 1 mm³.

Blokový diagram ultrazvukového měřiče objemových koncentrací kapalných složek je znázorněn na obr. 19. Měřicí obvod měřiče obsahuje generátor 8 napěťových impulzů a následující prvky zapojené do série: vysílač 10, akusticky spřažený s přijímačem 11, zesilovač 41, první komparátor 42, první prvek 2& 43, první RS klopný obvod 44, druhý prvek 2& 45, druhý RS klopný obvod 46 a konvertor 47 „trvání amplitudy“. Generátor 8 je také spojen s tvarovačem 48 zpožděných vybíracích impulzů 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 druhým komparátorem 50, jeho vstup je spřažen s druhým vstupem druhého prvku 2& 45.

- 12CZ 298873 B6

Výstup tvarovače 48 zpožděných vybíracích impulzů je spojen s druhým vstupem prvního prvku 2& 43.

Vysílač a přijímač 10 a ϋ 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.

ío Ultrazvukový měřič objemové koncentrace pracuje následovně. Pravoúhlé napěťové impulzy vytvářené generátorem 8 jsou transformovány na ultrazvukové impulzy vysílačem JJ). Po průchodu vzorkovacím objemem 52 dosáhnou přijímače 11 ajsou transformovány na elektrické impulzy. Potom přichází signál pomocí zesilovače 41 do přímého vstupu prvního komparátoru 42.

Současně s posíláním napěťového impulzu 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.

Impulzy od výstupu z komparátoru 42 jsou přenášeny do S-vstupu prvního RS klopného obvodu 44 pomocí prvního prvku 2& 43, který je vybírán (strobed) impulzy z výstupu tvarovače 48 zpožděných vybíracích impulzů a přepnou ho na stav Jedna“ (viz diagram napětí na obr. 20). Časové zpoždění je stanoveno dobou šíření ultrazvukových impulzů od vysílače 10 do přijímače ii. Použití zpožďovacího prvku vylučuje chybné uvedení měřiče do provozu, určené elektrický25 mi a akustickými šumy.

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

Signál z výstupu prvního RS klopného obvodu 44 přenášený najeden ze vstupů druhého prvku 2& 45 umožňuje průchod signálu skrze něho od druhého komparátoru 50, který indikuje, že přijatý signál protnul značku „nula“. První protnutí značky „nula“ vyvolá uvedení druhého RS klopného obvodu 46 do činnosti, takže se přepne na stav „nula“. Takto vytvořené napěťové impulzy mají trvání úměrné době průchodu ultrazvukových impulzů od vysílače J_0 do přijímače 11 a nezávisejí na amplitudách ultrazvukových impulzů. Potom jsou tyto impulzy 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 koncentrací kapalných složek (viz obr. 21) je nastavovací zařízení napětí provedeno jako detektor 55 špičkové hodnoty, který je vybírán (strobed) (viz obr. 21). Jeho vstup je spojen s výstupem zesilovače 41 a vybírací vstup je spřažen se vstupem tvarovače 48 zpožděných vybíracích impulzů a výstup detektoru 55 špičkové hodnoty je spojen se druhým vstupem prvního komparátoru 42 pomocí děliče 56 napětí.

Nastavovací zařízení napětí pracuje následovně. Napěťový signál od zesilovače 41 je přenášen do detektoru 55 špičkové hodnoty. Současně s časovým zpožděním, stanoveným dobou průchodu ultrazvukových impulzů od vysílače 10 do přijímače 11, přichází signál od tvarovače 48 zpožděných vybíracích impulzů do jeho vybíracího vstupu (viz obr. 22). V důsledku toho, napěťový po50 tenciál, 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 vlastností média a teploty a následkem stárnutí prvků měřicího obvodu, atd.

- 13CZ 298873 B6

Použití nastavovacího zařízení napětí umožňuje automaticky podpořit úroveň uvádění komparátoru do činnosti významnými (ÍOnásobnými) změnami tlumení signálu v určeném médiu, například při nebezpečném výskytu plynových bublin ve vzorkovacím objemu, změnou disperze složek a zjiných důvodů.

Provoz měřičů lokálních hodnot w_gj, w_gj], φι, φ₂ a W je řízen procesorem podle nastaveného programu. Tímto procesorem se také provádí zprůměrování 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,, Q_oi|, Q_w, Q_g, podle vzorců (16, 18, 19).

I když byl vynález popsán zejména k použití 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 příkladu provedení na obr. 1 znázorněno uspořádání úseků potrubí se zmenšujícími se plochami průřezu, při pohledu ve směru průtoku, může se použít opačné uspořádání úseků potrubí, se zvětšujícími se plochami průřezu, při pohledu ve směru průtoku.

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims

25 1. Způsob stanovení průtokových rychlostí plynné a kapalné fáze průtoku vícefázové směsi v potrubí, obsahující následující 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 stanoví objemová koncentrace (φ) plynné fáze směsi v úseku (1) potrubí, na základě

30 naměřené akustické vodivosti směsi v úseku (1) potrubí;

d) dále se stanoví objemové průtokové rychlosti plynné fáze (Q_g) a první složky (Ql) kapalné fáze a druhé složky (Q2) kapalné fáze (Q_;) 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:

35 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 změří akustická vodivost směsi ve druhém úseku (2) potrubí;

40 h) dále se stanoví objemová koncentrace (φ) plynné fázi 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_;, Ql, Q2) použitím hodnot

45 skutečné rychlosti (w) a objemových koncentrací získaných v kombinaci pro první úsek (1) a druhý úsek (2) potrubí.
2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že se plocha (FQ průřezu prvního úseku (1) potrubí liší od plochy (F₂) průřezu druhého úseku (2) potrubí, přičemž F₂ = kF], kde

50 k*l.

- 14CZ 298873 B6
3. Způsob podle nároku 2, vyznačující se tím, že hodnota objemové průtokové rychlosti kapalné fáze se stanoví podle vzorce:

Q, = k / (k — 1)Fi [w₂(1-φ₂)-w, (1 — φι)]

5 kde Wi, 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, přičemž objemová průtoková rychlost plynné fáze se stanoví pomocí: ío Q_g = FiWi(pi nebo Q_g = F₂w₂(p₂ objemová průtoková rychlost první složky kapalné fáze se stanoví pomocí:

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

Q₂ = (1-W) Q/..
4. Způsob podle nároků 1 až 3, vyznačující 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 laž4, vyznačující se tím, že se koncentrace (φ) plynné fáze 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 laž5, vyznačující se tím, že se tato měření provádějí za použití ultrazvukových snímačů.
7. Způsob podle nároku 6, vyznačující se tím, že objemové koncentrace složek

30 (W) kapalné fáze směsi se stanoví za použití ultrazvukových snímačů, alespoň v jednom průřezu, alespoň v jednom úseku (1, 2) potrubí, a měřením doby průchodu ultrazvukových impulzů uvedenou směsí od uvedených snímačů.
8. Způsob podle nároku 7, vyznačující se tím, že objemové koncentrace složek 35 plynné fáze (φ) směsi se stanoví za použití ultrazvukových snímačů alespoň v jednom průřezu prvního úseku (1) potrubí a druhého úseku (2) potrubí, a měřením amplitudy ultrazvukových impulzů, procházejících uvedenou směsí od uvedených snímačů.
9. Způsob podle nároku 8, vyznačující se tím, že rychlosti (w) fází směsi se stanoví 40 za použití ultrazvukových snímačů alespoň v jednom průřezu prvního úseku (1) potrubí a druhého úseku (2) potrubí, a způsobem vzájemné korelace nebo autokorelačním způsobem.
10. Způsob podle nároku 9, vyznačující se tím, že rychlosti (w) fází směsi se stanoví za použití ultrazvukových snímačů alespoň v jednom průřezu prvního úseku (1) potrubí a

45 druhého úseku (2) potrubí, a měřením Dopplerova kmitočtu ultrazvukových impulzů od snímačů.
11. Způsob podle nároků 1, 2, 3, 4, 5, vyznačující se tím, že měření se provádí za použití snímačů elektrické vodivosti.

50
12. Způsob podle nároků 1, 2, 3, 4, 5, vyznačující se tím, že měření se provádí za použití snímačů elektrické kapacity.

-15CZ 298873 B6
13. Způsob podle nároků 1, 2, 3, 4, 5, vyznačující se tím, že měření se provádí za použití optických snímačů.

5
14. Způsob podle nároku 8, vyznačující se tím, že složkami kapalné fáze směsi jsou voda a olej.
15. Zařízení na stanovení průtokových rychlostí plynné a kapalné fáze průtoku vícefázové směsi v potrubí, obsahuje:

ío 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) potrubí, a který je připojen k obvodu pro měření akustické vodivosti směsi v úseku (1) potrubí a pro stanovení objemové koncentrace (φ) plynné fáze směsi v úseku (1) potrubí, na základě naměřené akustické vodivosti

15 směsí v úseku (1) potrubí;

c) procesor, který je připojen k obvodu pro stanovení objemové průtokové rychlosti plynné fáze (Q_g), a první a druhé složky (Ql, Q2) kapalné fáze (Q/) směsi, použitím hodnot uvedené skutečné rychlosti (w) a uvedené objemové koncentrace, vyznačující se tím, že uvedeným úsekem potrubí je první úsek (1) potrubí; přičemž zařízení dále obsahuje:
20 d) druhý úsek (2) potrubí, který je uspořádán 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;

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)

25 potrubí;

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

30 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