RU2213342C2

RU2213342C2 - Infrared sensor of free gas concentration in flow of oil

Info

Publication number: RU2213342C2
Application number: RU2001129617/28A
Authority: RU
Inventors: Г.Н. Ахобадзе
Original assignee: Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН
Priority date: 2001-11-01
Filing date: 2001-11-01
Publication date: 2003-09-27

Abstract

FIELD: measurement technology, systems controlling technological processes. SUBSTANCE: sensor includes infrared radiation source 1 connected with output to input coupling element 2, dielectric ring 3 mounted for rotation around longitudinal axis of pipe-line over which flow of oil is transported, output coupling element 4 connected with output to input of detector 5 and indicator 6. EFFECT: raised reliability of measurements. 1 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах управления технологическими процессами. The invention relates to the field of measuring equipment and can be used in process control systems.

Известно двухканальное СВЧ-устройство для измерения концентрации включений в жидкости, протекающей по трубопроводу. Это устройство (Викторов В.А. и др. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоиздат, 1989, с.172) содержит два объемных резонатора - измерительный и опорный, через сквозные отверстия в которых пропущены диэлектрические трубки, соответственно, с контролируемой и эталонной жидкостями. Согласно этому устройству по разности частот измерительного и опорного резонаторов с различными диэлектрическими параметрами веществ (примеси в измерительной жидкости) определяют концентрацию. A two-channel microwave device for measuring the concentration of inclusions in a fluid flowing through a pipeline is known. This device (Viktorov V.A. et al. Radio wave measurements of technological process parameters. M .: Energoizdat, 1989, p. 172) contains two volume resonators - measuring and reference, through which the dielectric tubes are passed through holes, respectively, with controlled and reference liquids. According to this device, the concentration is determined from the frequency difference of the measuring and reference resonators with various dielectric parameters of substances (impurities in the measuring liquid).

Недостатком этого устройства следует считать сложность процедуры определения разностной частоты, связанной с измеряемым параметром. The disadvantage of this device should be considered the complexity of the procedure for determining the differential frequency associated with the measured parameter.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятый автором за прототип устройство (Кратиров В. А. и др. Проблема свободного газа в товарной нефти. Нефтяное хозяйство, 2001, 1, с.72-74), содержащее механизм перемещения с источником гамма-излучения и блоком детектирования, блок обработки и индикации. В этом устройстве по величине сигнала блока обработки и индикации, после воздействия пучка прямого гамма-излучения на контролируемую среду в трубопроводе, определяют содержание свободного газа в потоке. The closest technical solution to the proposed one is the device adopted by the author for the prototype (V. Kratirov et al. The problem of free gas in marketable oil. Oil industry, 2001, 1, p. 72-74), containing a movement mechanism with a gamma radiation source and a detecting unit, a processing and indication unit. In this device, according to the signal value of the processing and indication unit, after exposure to a direct gamma-ray beam on the controlled medium in the pipeline, the content of free gas in the stream is determined.

Недостатком данного устройства следует считать невысокую его надежность из-за сложности в конструкции механизма перемещения, связанной с зондированием потока. The disadvantage of this device should be considered its low reliability due to the complexity in the design of the movement mechanism associated with sensing the flow.

Задачей, решаемой заявляемым техническим решением, является повышение надежности определения концентрации потока нефти, транспортируемого по трубопроводу. The problem solved by the claimed technical solution is to increase the reliability of determining the concentration of oil flow transported through the pipeline.

Поставленная задача решается тем, что в инфракрасный датчик концентрации свободного газа в потоке нефти, содержащий источник излучения, детектор и блок индикации, введены диэлектрическое кольцо, свободно охватывающее диэлектрический трубопровод и установленное с возможностью вращения вокруг продольной оси трубопровода, входной и выходной элементы связи, расположенные диаметрально на наружной поверхности кольца, причем выход источника излучения подключен ко входному элементу связи, выходной элемент связи через детектор соединен с индикатором. The problem is solved in that an infrared sensor for the concentration of free gas in the oil stream, containing a radiation source, a detector and an indication unit, introduces a dielectric ring freely enclosing the dielectric pipe and mounted with the possibility of rotation around the longitudinal axis of the pipeline, input and output communication elements located diametrically on the outer surface of the ring, and the output of the radiation source is connected to the input communication element, the output communication element through the detector is connected to and cators.

Существенным отличительным признаком в указанной выше совокупности является наличие свободно охватывающего трубопровод, по которому транспортируется поток, диэлектрического кольца с возможностью вращения вокруг продольной оси трубопровода. An essential distinguishing feature in the aforementioned combination is the presence of a freely enclosing pipeline through which the flow is transported, a dielectric ring with the possibility of rotation around the longitudinal axis of the pipeline.

В заявляемом техническом решении благодаря свойствам совокупности перечисленных признаков использование для диагностики измеряемого потока вращающегося вокруг трубопровода инфракрасного излучения позволяет решить поставленную задачу: обеспечить более высокую надежность определения концентрации. In the claimed technical solution, due to the properties of the totality of the listed features, the use of infrared radiation rotating around the pipeline for diagnosing the measured flow allows us to solve the problem: to provide higher reliability of determining the concentration.

Изобретение поясняется чертежом, где приведена функциональная схема датчика. The invention is illustrated in the drawing, which shows a functional diagram of the sensor.

Датчик содержит источник инфракрасного излучения 1, подключенный выходом ко входному элементу связи 2, диэлектрическое кольцо 3, выходной элемент связи 4, соединенный выходом со входом в детектор 5, и индикатор 6. Номером 7 обозначен диэлектрический трубопровод. The sensor contains an infrared radiation source 1, connected by an output to the input communication element 2, a dielectric ring 3, an output communication element 4, connected by the output to the input to the detector 5, and indicator 6. The number 7 denotes the dielectric pipeline.

Источник инфракрасного излучения 1 со входным элементом связи 2 и выходной элемент связи 4 с детектором 5 и индикатором 6 соответственно расположены диаметрально на наружной поверхности диэлектрического кольца 3, свободно охватывающего трубопровод 7 с возможностью вращения вокруг его продольной оси. The infrared radiation source 1 with the input communication element 2 and the output communication element 4 with the detector 5 and the indicator 6 are respectively located diametrically on the outer surface of the dielectric ring 3, freely covering the pipe 7 with the possibility of rotation around its longitudinal axis.

Датчик работает следующим образом. Узкий пучок инфракрасного излучения с выхода источника излучения 1 с помощью входного элемента 2 поступает в контролируемый поток. После взаимодействия электромагнитного поля инфракрасной волны с потоком прошедший через него сигнал улавливается выходным элементом 4. В рассматриваемом случае согласно закону Бугера для интенсивности прошедшей через контролируемый поток инфракрасной волны можно записать:
I = I₀•e^-α·d (1),
где I₀ и I - значения интенсивности инфракрасного излучения на входе входного элемента связи и выходе выходного элемента связи, d - диаметр трубопровода, α - показатель поглощения среды, который зависит от природы и состояния облучаемого потока.The sensor operates as follows. A narrow beam of infrared radiation from the output of the radiation source 1 through the input element 2 enters a controlled stream. After the interaction of the electromagnetic field of the infrared wave with the stream, the signal passing through it is captured by the output element 4. In the case under consideration, according to Bouguer’s law, for the intensity of the infrared wave transmitted through the controlled stream, we can write:
I = I ₀ • e ^{-α · d} (1),
where I ₀ and I are the values of the intensity of infrared radiation at the input of the input communication element and the output of the output communication element, d is the diameter of the pipeline, α is the absorption coefficient of the medium, which depends on the nature and condition of the irradiated stream.

Учитывая, что данный случай содержания свободного газа в потоке нефти можно отнести к смеси непоглощающего вещества (свободный газ) в поглощающем (нефть), для параметра α (закон Бера) можно принимать
α=b•k (2),
где b - коэффициент пропорциональности, k - концентрация смеси.Given that this case of the content of free gas in the oil stream can be attributed to a mixture of non-absorbing substance (free gas) in the absorbing (oil), for parameter α (Beer's law), we can take
α = b • k (2),
where b is the coefficient of proportionality, k is the concentration of the mixture.

В результате совместных преобразований выражений (1) и (2) имеем:
I=I₀•e^-bхkхd.As a result of joint transformations of expressions (1) and (2), we have:
I = I ₀ • e ^-bхkхd .

Отсюда

Анализ выражения (3) показывает, что из-за поглощающих свойств нефти в инфракрасном диапазоне длин волн под параметром k надо понимать содержание нефти в сечении потока, определяемое отношением площади части сечения потоком, занятой нефтью S_н, к общей площади сечения S₀
k_н=S_н/S₀,
где k_н - концентрация (содержание) нефти в сечении потока.From here

An analysis of expression (3) shows that, due to the absorbing properties of oil in the infrared wavelength range, the parameter k must be understood as the oil content in the flow cross section, determined by the ratio of the area of part of the cross section to the flow occupied by oil S _n to the total cross-sectional area S ₀
k _n = S _n / S ₀ ,
where k _n is the concentration (content) of oil in the cross section of the stream.

В силу этого концентрация (содержание) свободного газа в потоке может быть определена как
k_г=S_г/S₀=1-k_н,
где S_г - часть сечения потока, занятая газом.Due to this, the concentration (content) of free gas in the stream can be defined as
k _g = S _g / S ₀ = 1-k _n ,
where S _g - part of the cross section of the flow occupied by the gas.

Из сопоставлений формул (3) и (4) видно, что при отсутствии потока нефти в трубопроводе (k_н=0) интенсивность прошедшего через трубопровод сигнала равна I=I₀ (k_г=1), а при отсутствии свободного газа в потоке нефти (k_г=0) ослабление интенсивности прошедшего сигнала составляет I₀/e^bхd (k_н=1). Таким образом, по интенсивности прошедшего через поток нефти инфракрасного сигнала можно судить о содержании свободного газа в потоке нефти.From the comparisons of formulas (3) and (4) it can be seen that in the absence of oil flow in the pipeline (k _n = 0), the intensity of the signal transmitted through the pipeline is I = I ₀ (k _g = 1), and in the absence of free gas in the oil flow (k _g = 0) the attenuation of the intensity of the transmitted signal is I ₀ / e ^bхd (k _n = 1). Thus, by the intensity of the infrared signal transmitted through the oil stream, one can judge the content of free gas in the oil stream.

В предлагаемом датчике для определения интенсивности прошедшего инфракрасного сигнала и отображения информации о содержании (концентрации) свободного газа в потоке нефти выходной сигал выходного элемента связи 4 после детектирования в детекторе 5 переносится в индикатор 6. In the proposed sensor to determine the intensity of the transmitted infrared signal and display information about the content (concentration) of free gas in the oil stream, the output signal of the output communication element 4 after detection in the detector 5 is transferred to the indicator 6.

В данном техническом решении путем вращения диэлектрического кольца вокруг продольной оси диэлектрического трубопровода исключается погрешность измерения, связанная с неравномерным распределением свободного газа по сечению потока. In this technical solution, by rotating the dielectric ring around the longitudinal axis of the dielectric pipeline, the measurement error due to the uneven distribution of free gas over the flow cross section is eliminated.

Итак, в заявляемом датчике на базе диэлектрического кольца, осуществляющего вращения электромагнитного поля инфракрасной волны, можно обеспечить высокую надежность измерения концентрации. So, in the inventive sensor based on a dielectric ring that rotates the electromagnetic field of the infrared wave, it is possible to ensure high reliability of the concentration measurement.

Claims

An infrared sensor for the concentration of free gas in the oil flow transported through a dielectric pipeline, containing a radiation source, a detector and an indicator, characterized in that a dielectric ring is inserted into it, freely enclosing the pipeline and mounted with the possibility of rotation around the longitudinal axis of the pipeline, input and output communication elements located diametrically on the outer surface of the ring, and the output of the radiation source is connected to the input communication element, and the output communication element through etektor connected to the indicator.