RU127329U1 - Устройство для измерения скорости нефте-водо-газового потока - Google Patents

Abstract

Устройство для измерения скорости нефте-водо-газового потока, содержащее передатчик и приемник ультразвука, расположенные под углом к направлению потока, каждый из которых содержит соединенные между собой пьезоэлемент и волновод, отличающееся тем, что волноводы передатчика и приемника ультразвука изготовлены из титана.

Description

Полезная модель относится к ультразвуковым расходомерам многофазных сред и может быть использована для измерения параметров контролируемой жидкой среды в трубопроводе с более высокой точностью за счет увеличения амплитуды полезного сигнала и, следовательно, увеличения отношения сигнал/шум.

Известен время-импульсный расходомер РУС-1МК производства ООО "ИЦ "НАУКА" г.Чебоксары, имеющий титановый волновод (http://szpribor.pulscen.ru/goods/9229670-raskhodomer_zhidkostey_ultrazvukovoy_rus_lmk). Расходомер может измерять расход только однофазных сред и не работоспособен в многофазных, так как волноводы расположены достаточно далеко друг от друга, и сигнал с передатчика практически полностью затухает в многофазной среде.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство измерения объемного расхода нефтеводогазового потока, описанные в «Дробков В.П. Разработка и исследование ультразвуковых методов и информационно-измерительной системы измерения расхода нефтеводогазового потока. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. М» стр.26-29.

Устройство, взятое за прототип, содержит передатчик и приемник ультразвука, расположенные под углом к направлению потока, каждый из которых содержит соединенные между собой пьезоэлемент и волновод при этом все металлические детали узла изготовлены из коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т.

Ультразвуковые колебания, излучаемые пьезоизлучателем, отражаются от движущегося нефте-водо-газового потока и поступают на пьезоприемник. При этом за счет эффекта Доплера частота приемного сигнала отличается от частоты зондирующего сигнала на величину, зависящую от скорости движения контролируемого потока. На основании полученного доплеровского смещения частоты вычисляется скорость движения потока.

Пьезоизлучатель и пьезоприемник идентичны по конструкции и содержат пьезопреобразователь, состоящий из пьезоэлемента и металлического волновода, герметично закрепленных в корпусе.

Недостатком устройства является малое значение амплитуды полезного сигнала на пьезоприемнике ультразвуковых преобразователей, т.е. малое значение отношения сигнал/шум, определяющее достоверность получаемой и выдаваемой преобразователями информации.

Задачей предлагаемого устройства является повышение амплитуды полезного сигнала на пьезоприемнике ультразвукового преобразователя скорости.

Это достигается тем, что в устройстве для измерения скорости нефте-водо-газового потока, содержащем передатчик и приемник ультразвука, расположенных под углом к направлению потока, каждый из которых содержит соединенные между собой пьезоэлемент и волновод, волноводы передатчика и приемника ультразвука изготовлены из титана.

Сущность полезной модели поясняется чертежами. На фиг.1 показано взаимное расположение передатчика и приемника ультразвука, где 1 - передатчик, 2 - приемник, 3 - стенки емкости с контролируемой средой. На фиг.2 показано устройство передатчика (приемника) ультразвука, где 4 - корпус, 5 - пьезоэлемент, 6 - волновод. На фиг.3 показаны графики отношения амплитуды сигнала на приемнике к амплитуде сигнала на передатчике при различных контролируемых жидкостях.

Устройство работает следующим образом. Для генерации звуковых волн применяются пьезоэлементы, преобразующие переменное напряжение в механические колебания. Пьезоэлемент 5 соединяется с торцом волновода 6 (как правило, металлическим) с помощью пайки или прижатия пружиной, который крепится к корпусу 4. Противоположный торец волновода 6 передает механические колебания в контролируемую среду. Передатчик 1 непрерывно излучает ультразвуковые колебания фиксированной частоты, которые, отражаясь от движущихся акустических неоднородностей многофазного потока, достигают приемника 2 и преобразуются им в электрический сигнал. Частота этого сигнала зависит от скорости движения потока (доплеровский эффект). Измеряя частоту сигнала, определяется скорость движения многофазного контролируемого потока.

При встрече звуковой волны с границей раздела двух материалов, имеющих различные плотность и упругость, происходит ее частичное отражение. Коэффициент интенсивности звуковой волны К_отр, отраженной от границы раздела, определяется формулой Френеля:

где: z₁, z₂ - акустические сопротивления материалов, кг/с·м².

Коэффициент интенсивности звуковой волны К_пр, прошедшей сквозь границу раздела, определяется из закона сохранения энергии:

тогда

Звуковая волна, проходя от пьезоэлемента через волновод в жидкость, встречает на своем пути две границы раздела материалов: пьезоэлемент/волновод и волновод/жидкость. Введем следующие обозначения:

z₁ - акустическое сопротивление материала пьезоэлемента, кг/с·м²;

z₂ - акустическое сопротивление материала волновода, кг/с·м²;

z₃ - акустическое сопротивление материала жидкости, кг/с·м². Коэффициент интенсивности звуковой волны К_ж в жидкости, исходя из введенных обозначений, равен:

В ультразвуковых расходомерах происходит прямое преобразование электрического сигнала на пьезоизлучателе в механические колебания жидкости и обратное преобразование механических колебаний жидкости в электрический сигнал на пьезоприемнике, т.е. звуковая волна проходит через четыре границы раздела материалов. Следовательно, отношение К амплитуды электрического сигнала на пьезоприемнике к амплитуде электрического сигнала на пьезоизлучателе равно квадрату коэффициента К_ж, определяемого по формуле (4), т.е.:

Таким образом, при заданном материале пьезоэлемента и известном типе жидкости задача повышения амплитуды полезного сигнала состоит из нахождения параметра z₂, т.е. в выборе материала волновода. Для нахождения максимального значения уравнения (5) при постоянных значениях z₁ и z₃ дифференцируем уравнение (5) по переменному значению z₂:

Приравнивая уравнение (6) к нулю, находим точку экстремума уравнения (5):

Акустическое сопротивление z материала вычисляется по формуле:

где: ρ - плотность материала, кг/м³;

с - скорость распространения звука в материале, м/с.

В качестве материала пьезоэлементов используют цирконат-титанат свинца (ЦТС). В качестве жидкости рассмотрим нефть и воду. Характеристики материалов сведем в таблицу фиг.4.

На фиг.3 показаны графики зависимости коэффициента К от акустического сопротивления z₂ материала волновода при его контакте с водой и с нефтью. Из графиков видно, что максимальная амплитуда электрического сигнала на пьезоприемнике, как и следует из формулы (7), достигается при z₂=4-6 кг/с·м².

В современных ультразвуковых расходомерах применяются стальные волноводы. Вместо стали предлагается применять титан, у которого значение z ближе к оптимальному, и который более устойчив к воздействию агрессивных сред. Вычислим по формуле (5) значение коэффициента К для стального и титанового волновода при работе ультразвукового расходомера в нефти и воде и сведем результаты в таблицу фиг.5.

Из таблицы фиг.5 следует, что титановые волноводы повышают амплитуду полезного сигнала приблизительно в три раза, что подтверждается экспериментально. Увеличение амплитуды полезного сигнала повышает устойчивость ультразвукового расходомера к электрическим помехам и повышает его точность, т.к. в спектре сигнала на пьезоприемнике уменьшается случайная составляющая, приводящая к случайным отклонениям показаний расходомера.

Claims (1)

1. Устройство для измерения скорости нефте-водо-газового потока, содержащее передатчик и приемник ультразвука, расположенные под углом к направлению потока, каждый из которых содержит соединенные между собой пьезоэлемент и волновод, отличающееся тем, что волноводы передатчика и приемника ультразвука изготовлены из титана.

   

Images