RU2780566C1 - Method for non-invasive determination of the volumetric flow rate of liquid and gas in a pipeline and a device for its implementation - Google Patents
Method for non-invasive determination of the volumetric flow rate of liquid and gas in a pipeline and a device for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2780566C1 RU2780566C1 RU2022110544A RU2022110544A RU2780566C1 RU 2780566 C1 RU2780566 C1 RU 2780566C1 RU 2022110544 A RU2022110544 A RU 2022110544A RU 2022110544 A RU2022110544 A RU 2022110544A RU 2780566 C1 RU2780566 C1 RU 2780566C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- signal
- sensors
- frequency
- flow
- processing
- Prior art date
Links
- 239000007788 liquid Substances 0.000 title claims abstract description 24
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims abstract description 33
- 230000005489 elastic deformation Effects 0.000 claims abstract description 10
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 12
- 239000012263 liquid product Substances 0.000 claims description 10
- 241001442055 Vipera berus Species 0.000 claims description 4
- 238000005314 correlation function Methods 0.000 claims description 4
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 3
- 238000005111 flow chemistry technique Methods 0.000 claims description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 13
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 230000001902 propagating Effects 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 2
- 230000001419 dependent Effects 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 238000007710 freezing Methods 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 230000003287 optical Effects 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 238000005191 phase separation Methods 0.000 description 1
- 230000003595 spectral Effects 0.000 description 1
- 230000003068 static Effects 0.000 description 1
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Группа изобретений относится, к средствам измерения объемного расхода жидких и газообразных сред и может широко использоваться в измерительной технике в нефтяной и газовой отрасли.The group of inventions relates to means for measuring the volumetric flow rate of liquid and gaseous media and can be widely used in measuring technology in the oil and gas industry.
Актуальность группы изобретений заключается в создании нового неинвазивного метода измерения объемного расхода, реализованного в виде накладного расходомера с качественными эксплуатационными характеристиками.The relevance of the group of inventions lies in the creation of a new non-invasive method for measuring volume flow, implemented in the form of an overhead flow meter with high-quality performance characteristics.
При этом под качественными эксплуатационными характеристиками понимается следующее:In this regard, the quality performance is understood as the following:
- обеспечение неинвазивного метода измерения объемного расхода без сужения проточного тракта;- providing a non-invasive method for measuring volume flow without narrowing the flow path;
- измерения параметров потока по его физическим характеристикам без создания искусственных возмущений;- measurement of flow parameters according to its physical characteristics without creating artificial disturbances;
- возможность измерения расхода жидкости и газа в широких диапазонах;- the ability to measure the flow of liquid and gas in a wide range;
- возможность переустановки на различные участки трубопровода без остановки процесса;- the possibility of reinstallation on different sections of the pipeline without stopping the process;
- широкий диапазон измеряемых расходов.- a wide range of measured costs.
В настоящий момент существует множество приборов, предназначенных для измерения расхода жидких и газообразных сред, но все они имеют свои достоинства и недостатки. Среди наиболее распространенных расходомеров есть два основных недостатка - это уменьшение проходного сечения канала и необходимость установки в трубопровод путем врезки. Например, мембранные расходомеры перепада давления значительно уменьшают проходное сечение трубопровода, вихревые расходомеры нестабильно работают на низких скоростях, ультразвуковые расходомеры сильно зависят от переотражения акустической волны и калибровки, кориолисовы расходомеры подвержены влиянию вибраций и т.д. Все эти факторы влекут за собой экономические потери и снижение безопасности.At the moment, there are many devices designed to measure the flow of liquid and gaseous media, but they all have their own advantages and disadvantages. Among the most common flowmeters, there are two main drawbacks - this is a decrease in the flow area of the channel and the need for installation in the pipeline by tie-in. For example, differential pressure membrane flowmeters significantly reduce the flow area of the pipeline, vortex flowmeters are unstable at low speeds, ultrasonic flowmeters are highly dependent on acoustic wave reflection and calibration, Coriolis flowmeters are affected by vibrations, etc. All these factors entail economic losses and reduced safety.
Современные тенденции в приборостроении направлены на энергоэффективность и снижение затрат. В настоящее время широкое распространение получили неинвазивные методы измерения расхода жидких и газообразных сред в трубопроводах. Это является следующим витком в развитии средств измерения. Одним из таких устройств является накладной частотно-волновой расходомер, определяющий расход по пульсациям давления турбулентных вихрей в потоке.Current trends in instrumentation are focused on energy efficiency and cost reduction. At present, non-invasive methods for measuring the flow rate of liquid and gaseous media in pipelines are widely used. This is the next round in the development of measuring instruments. One of such devices is a clamp-on frequency-wave flow meter, which determines the flow rate from the pressure fluctuations of turbulent eddies in the flow.
Устройство предназначено для измерения объемного расхода жидких, газообразных и многофазных сред, протекающих в трубопроводе, с возможностью переустановки на различные участки трубопровода без остановки процесса. Это позволяет значительно сэкономить ресурсы, повысить безопасность системы, так как не нужно работать с высоким давлением, и повысить качество производства, поскольку нет потерь продукта. Он имеет ряд преимуществ в сравнении с накладными ультразвуковыми расходомерами, поскольку не требует калибровки при установке на трубопровод, измеряет физический параметр, создаваемый потоком, не зависит от скорости звука в потоке и трубопроводе, отсутствуют переотражения излучаемой волны.The device is designed to measure the volume flow of liquid, gaseous and multi-phase media flowing in the pipeline, with the possibility of reinstallation in different sections of the pipeline without stopping the process. This saves a lot of resources, improves the safety of the system, since there is no need to work with high pressure, and improves the quality of production, since there is no loss of product. It has a number of advantages compared to clamp-on ultrasonic flowmeters, since it does not require calibration when installed on a pipeline, it measures the physical parameter created by the flow, it does not depend on the speed of sound in the flow and pipeline, and there are no re-reflections of the radiated wave.
Предлагаемый метод измерения базируется на гипотезе о «замороженности турбулентности» Тейлора, которая гласит, что если величина пульсационной скорости u’(t) намного меньше скорости потока U, то пространственные параметры турбулентности x можно определить по временным t (I) значениям.The proposed measurement method is based on Taylor's “turbulence freezing” hypothesis, which says that if the value of the pulsation velocity u’(t) is much less than the flow velocity U, then the spatial parameters of turbulence x can be determined from the temporal t (I) values.
Другими словами скорость конвекции турбулентных вихрей Uc не зависит от пульсационной составляющей u’(t) и равна средней скорости потока. Таким образом, зная частоту пульсаций вихря - ƒ и волновое число - k можно определить скорость конвекции (II).In other words, the convection velocity of turbulent eddies U c does not depend on the pulsation component u'(t) and is equal to the average flow velocity. Thus, knowing the vortex pulsation frequency - ƒ and the wave number - k, one can determine the convection velocity (II).
В качестве источника сигнала используются вихри, движущиеся в пограничном слое или вблизи него, в турбулентном потоке, которые можно определить как мгновенное значение давления (III):As a signal source, vortices moving in the boundary layer or near it, in a turbulent flow, are used, which can be defined as an instantaneous pressure value (III):
где Р(х) - статическое давление, p(x,t) - центрированная функция описывающая случайные по пространству и времени пульсации давления, которая в свою очередь может быть представлена в виде суммы (IV) гидродинамической p(x,t)га, акустической p(x,t)ак и остальных составляющих пульсационного давления p(x,t)др.where P(x) - static pressure, p(x,t) - centered function describing random in space and time pressure fluctuations, which in turn can be represented as a sum (IV) of hydrodynamic p(x,t) ha , acoustic p(x,t) as well as other components of the pulsation pressure p(x,t) etc .
Согласно гипотезе Дж. Тейлора, полезным источником сигнала является гидродинамическая составляющая p(x,t)гд пульсирующего давления, поскольку конвекция вихрей происходит именно в этой области сигнала. Однако просто считывать сигнал в точке недостаточно, поскольку для вычисления скорости конвекции необходимо определить параметры конвертирующего вихря, такие как частота пульсаций вихря - ƒ и его волновое число - k. Для этого применяется пространственная спектральная обработка с корреляционной функцией.According to J. Taylor's hypothesis, a useful signal source is the hydrodynamic component p(x, t) where of the pulsating pressure, since vortex convection occurs precisely in this region of the signal. However, simply reading the signal at a point is not enough, since in order to calculate the convection velocity, it is necessary to determine the parameters of the converting vortex, such as the vortex pulsation frequency - ƒ and its wave number - k. For this, spatial spectral processing with a correlation function is used.
Наиболее близкими по технической сущности к заявляемым являются технические решения, представленные в п. США №8346491 по кл. G01F 1/00,1/20, 7/00, 22/00, з. 22.02.2008 г., оп. 01.01.2013 г. «Ультразвуковой измеритель потока для обеспечения идентификации продукта» и выбранные в качестве прототипов.The closest in technical essence to the claimed are the technical solutions presented in paragraph US No. 8346491 according to class.
В известном патенте представлены 2 варианта способа измерения и два варианта реализующих их устройств.In a well-known patent, 2 variants of the measurement method and two variants of devices implementing them are presented.
Из двух вариантов наиболее близкими к заявляемым являются технические решения, представленные в первом варианте и характеризующиеся следующими формулами (перевод приведен в приложении к заявке):Of the two options, the closest to the claimed ones are the technical solutions presented in the first option and characterized by the following formulas (the translation is given in the appendix to the application):
1-ый вариант1st option
1. Устройство для идентификации одного или более жидких продуктов, текущих внутри трубы, включающее:1. A device for identifying one or more liquid products flowing inside a pipe, including:
- измеритель потока, имеющий множество сенсоров, способных обнаруживать вихревые возмущения течения с жидкими продуктами и акустические волны, распространяющиеся сквозь поток продуктов, и создавать сигналы, индицирующие вихревые возмущения и акустические волны, и смонтированный на трубе и;- a flow meter having a plurality of sensors capable of detecting eddy disturbances in the flow with liquid products and acoustic waves propagating through the product flow, and generating signals indicative of eddy disturbances and acoustic waves, and mounted on a pipe and;
- узел обработки, способный определять скорость звука и объемный расход одного или более жидких продуктов, использующий сигналы от измерителя потока, в котором узел обработки включает базу данных, имеющую данные о скорости звука для заранее определенной группы продуктов и в котором следующий узел обработки способен идентифицировать тип каждого продукта внутри трубы, дающий температуру и величину давления продукта внутри трубы.- a processing unit capable of determining the speed of sound and volumetric flow of one or more liquid products, using signals from a flow meter, in which the processing unit includes a database having sound velocity data for a predetermined group of products and in which the next processing unit is able to identify the type of each product inside the pipe, giving the temperature and pressure of the product inside the pipe.
2. Устройство по п. 1, в котором база данных содержит данные о скорости звука как функции температуры и величины давления продуктов внутри трубы.2. The apparatus of claim. 1, wherein the database contains data on the speed of sound as a function of the temperature and pressure of the products inside the pipe.
3. Устройство по п. 2., в которых база данных является таблицей.3. The device according to
4. Устройство по п. 1, в котором узел обработки способен определить объемный расход определением скорости конвекции вихревых возмущений внутри потока одного или более жидких продуктов и в котором скорость конвекции определяется характеризацией конвекции гребня (выступа), представляющего вихревые возмущения внутри трубы.4. The apparatus of
5. Устройство по п. 1, в котором узел обработки способен определить объемный расход определением скорости конвекции вихревых возмущений внутри потока одного или более жидких продуктов, и в котором скорость конвекции определяется кросс-коррелированием вместо изменений давления.5. The apparatus of
(пп.6-11 по устройству относятся ко 2-ому варианту)(clauses 6-11 on the device refer to the 2nd option)
12. Способ идентификации одного или более продуктов потока жидкости, текущего внутри трубы, включающий:12. A method for identifying one or more products of a fluid stream flowing inside a pipe, including:
- обеспечение измерителем потока, имеющего множество сенсоров, способных обнаруживать вихревые возмущения течения с жидкими продуктами и акустические волны, распространяющиеся сквозь поток продуктов, и узлом обработки, имеющим базу данных, содержащую данные о скорости звука для заранее определенной группы продуктов., как функцию температуры и давления;- providing a flow meter having a plurality of sensors capable of detecting eddy flow disturbances with liquid products and acoustic waves propagating through the product flow, and a processing unit having a database containing sound velocity data for a predetermined group of products, as a function of temperature and pressure;
- определение скорости звука для каждого из одного или более жидких продуктов, используя κ-ω кривую, основываясь на первых сигналах из измерителя потока, представленных акустическими волнами, распространяющимися через поток;- determining the speed of sound for each of the one or more liquid products, using a κ-ω curve, based on the first signals from the flow meter, represented by acoustic waves propagating through the flow;
- определение скорости конвекции вихревых возмущений внутри потока, основываясь на вторых сигналах из измерителя потока, представленных вихревыми возмущениями с одного или более жидких продуктов;- determining the speed of convection of vortex disturbances within the flow, based on the second signals from the flow meter, represented by vortex disturbances from one or more liquid products;
- идентификацию типа каждого продукта, используя определенную скорость звука для данной температуры и величины давления продуктов внутри трубы.- identification of the type of each product, using a certain speed of sound for a given temperature and pressure of the products inside the pipe.
13. Способ по п. 12, далее содержащий шаг определения объемного расхода одного или более продуктов внутри трубы.13. The method of
14. Способ по п. 13, в котором базой данных является справочная таблица.14. The method of
15. Способ по п. 12, в котором скорость конвенции вихревых возмущений внутри потока определена с использованием кривой (графика) к-ω.15. The method according to
16. Способ по п. 12, в котором скорость конвенции определяется кросс-корреляцией вместо вариаций давления.16. The method of
Из формулы известных устройства и способа видно следующее:From the formula of the known device and method, the following can be seen:
1) в качестве источника полезного сигнала в них используются:1) as a source of a useful signal they use:
- сигналы, полученные от вихревых возмущений, для определения объемного расхода;- signals received from vortex disturbances to determine the volume flow;
- сигналы, полученные от акустических волн, для различения и идентификации состава многофазного потока.- signals received from acoustic waves to distinguish and identify the composition of a multiphase flow.
2) при этом объемный расход измеряется определением скорости вихревых возмущений внутри потока либо характеризацией конвекционного гребня (выступа), представляющего вихревые возмущения внутри трубы или кросс-коррелированием вместо изменений давления.2) in this case, the volume flow is measured by determining the velocity of vortex disturbances within the flow or by characterizing a convection ridge (protrusion) representing vortex disturbances inside the pipe or by cross-correlation instead of pressure changes.
Более конкретно с учетом чертежей и описания можно сказать следующее. Известное устройство содержит набор тензометрических сенсоров, установленных на трубопровод последовательно, через определенное расстояние. Каждая пара сенсоров соединена сумматором и является пространственным (волновым) фильтром, который убирает длинноволновые акустические составляющие пульсаций давления турбулентных вихрей. Полученный отфильтрованный сигнал поступает на полосовой (частотный) фильтр, который обрезает высокочастотную составляющую сигнала. Тем самым остается часть сигнала, содержащая в себе параметры пульсаций турбулентных вихрей в конвективной области частотно-волнового спектра, которая поступает в модуль корреляционной обработки, где сопоставляются данные между двумя обработанными сигналами, и вычисляется временная задержка, которая соответствует времени прохождения конвертирующего вихря в потоке. Поскольку расстояние между пространственными фильтрами известно заранее, возможно вычислить скорость конвекции вихря в пограничном слое. С помощью передаточного коэффициента скорость переноса вихря пересчитывается в скорость потока. Умножив скорость на площадь сечения трубопровода, получаем объемный расход.More specifically, in view of the drawings and description, the following can be said. The known device contains a set of strain gauge sensors installed on the pipeline in series, through a certain distance. Each pair of sensors is connected by an adder and is a spatial (wave) filter that removes long-wavelength acoustic components of pressure fluctuations of turbulent eddies. The resulting filtered signal is fed to a bandpass (frequency) filter, which cuts off the high-frequency component of the signal. Thus, a part of the signal remains, containing the parameters of pulsations of turbulent vortices in the convective region of the frequency-wave spectrum, which enters the correlation processing module, where the data between the two processed signals are compared, and the time delay is calculated, which corresponds to the time of passage of the converting vortex in the flow. Since the distance between the spatial filters is known in advance, it is possible to calculate the vortex convection velocity in the boundary layer. With the aid of the transfer coefficient, the vortex transfer rate is converted into a flow velocity. Multiplying the velocity by the cross-sectional area of the pipeline, we obtain the volume flow.
Данное устройство имеет ряд недостатков: узкий диапазон работы пространственной фильтрации, поскольку расстояние между сенсорами жестко определено при том, что вихри, перемещаемые потоком, имеют различный масштаб, а соответственно, различные частоту пульсаций и волновое число.This device has a number of disadvantages: a narrow range of spatial filtering, since the distance between the sensors is strictly defined, while the vortices moved by the flow have a different scale, and, accordingly, different pulsation frequency and wave number.
Основной проблемой известного способа является низкая точность измерения, поскольку вычисляется скорость конвекции вихря для конкретного волнового числа и частоты, а этого недостаточно для точного определения скорости конвекции.The main problem of the known method is the low measurement accuracy, since the vortex convection rate is calculated for a specific wave number and frequency, and this is not enough to accurately determine the convection rate.
Также в указанном патенте №8346491 говорится о применении частотно-волнового метода измерения скорости конвекции вихрей, который определяет фронт конвективного максимума (гребня) в заданном диапазоне частот и волновых чисел. Для этого применяется сбор данных за определенный промежуток времени и быстрое преобразование Фурье (FFT), после чего данные поступают в «Узел обработки массива». На выходе из «Узла обработки массива» получается частотно-волновой спектр или к-ω график.Also in the specified patent No. 8346491 it is said about the use of a frequency-wave method for measuring the speed of convection of vortices, which determines the front of the convective maximum (crest) in a given range of frequencies and wave numbers. For this, data collection for a certain period of time and the fast Fourier transform (FFT) are used, after which the data is fed to the "Array Processing Node". At the output of the “Array Processing Node”, a frequency-wave spectrum or k-ω graph is obtained.
Основной проблемой известного способа является низкая точность определения конвективного фронта при обработке сигнала, для ее повышения применяется оптимизационная функция. Тем не менее, есть риск получить значения, не соответствующие конвективной области вихревого поля. В описании изобретения не указывается, каким образом удается выделить именно гидродинамическую составляющую пульсаций давления для последующей частотно-волновой обработки, есть только упоминание о предварительном быстром преобразовании Фурье. В итоге результаты измерений не будут соответствовать истинной средней скорости потока.The main problem of the known method is the low accuracy of determining the convective front during signal processing, to improve it, an optimization function is used. However, there is a risk of obtaining values that do not correspond to the convective region of the vortex field. The description of the invention does not indicate how it is possible to isolate the hydrodynamic component of pressure fluctuations for subsequent frequency-wave processing, there is only a mention of a preliminary fast Fourier transform. As a result, the measurement results will not correspond to the true average flow rate.
Кроме того, в рассматриваемом известном патенте эти методы представлены в составе системы для измерения расхода многофазных потоков с разделением фаз, а отдельно для измерения объемного расхода однофазного потока без применения датчиков давления и температуры данных нет.In addition, in the well-known patent under consideration, these methods are presented as part of a system for measuring the flow rate of multiphase flows with phase separation, and there is no data separately for measuring the volumetric flow rate of a single-phase flow without the use of pressure and temperature sensors.
При этом способ определения объемного расхода является весьма сложным за счет использования быстрого преобразования Фурье, необходимости обработки акустических сигналов, а само устройство также весьма сложно, т.к. требует использования акустических сенсоров давления, базы данных о скорости звука в зависимости от температуры и давления.At the same time, the method for determining the volumetric flow rate is very complicated due to the use of the fast Fourier transform, the need to process acoustic signals, and the device itself is also very difficult, because requires the use of acoustic pressure sensors, a database of sound speed versus temperature and pressure.
Задачей является повышение точности определения объемного расхода жидкости и газа в трубопроводе при упрощении используемых для этого технических средств.The task is to improve the accuracy of determining the volumetric flow rate of liquid and gas in the pipeline while simplifying the technical means used for this.
Поставленная задача решается тем, что:The problem is solved by:
- в способе неинвазивного определения объемного расхода жидкости и газа в трубопроводе, заключающемся в том, что на наружной поверхности трубы устанавливают последовательно набор сенсоров, способных обнаруживать вихревые возмущения в потоке и создавать сигналы о них, которые затем фильтруют, вначале убирая длинноволновые акустические составляющие пульсаций давления турбулентных вихрей, затем отфильтровывая высокочастотную составляющую сигнала, в качестве полезного сигнала используют выделенную из турбулентных вихрей гидродинамическую составляющую пульсирующего давления, которую затем подвергают обработке и определяют скорость конвекции вихревых возмущений внутри потока с использованием графика k-ƒ, далее по скорости конвекции вихревых возмущений рассчитывают объемный расход жидкости, согласно изобретению, в качестве сенсоров используют сенсоры упругих деформаций, выполненные с возможностью перестраивания их на фильтрацию волн различной длины, снятые с сенсоров сигналы усиливают перед фильтрацией, после пространственной фильтрации сигнал подвергается частотной фильтрации, после чего отфильтрованый сигнал, содержащий значения пульсаций давления турбулентных вихрей в конвективной области, подвергают частотно-волновой обработке в k-ƒ модуле.- in a method for non-invasive determination of the volumetric flow rate of liquid and gas in a pipeline, which consists in the fact that a set of sensors is installed sequentially on the outer surface of the pipe, capable of detecting vortex disturbances in the flow and creating signals about them, which are then filtered, first removing the long-wave acoustic components of pressure pulsations turbulent vortices, then filtering the high-frequency component of the signal, the hydrodynamic component of pulsating pressure extracted from turbulent vortices is used as a useful signal, which is then processed and the speed of convection of vortex disturbances inside the flow is determined using the k-ƒ graph, then the volumetric liquid flow rate, according to the invention, as sensors, elastic deformation sensors are used, made with the possibility of restructuring them for filtering waves of different lengths, the signals taken from the sensors are amplified before f filtering, after spatial filtering, the signal is subjected to frequency filtering, after which the filtered signal containing the values of pressure fluctuations of turbulent eddies in the convective region is subjected to frequency-wave processing in the k-ƒ module.
При этом в способе после фильтрации сигнал могут подвергать двумерной корреляционной обработке по времени и пространству, сопоставляя данные между первым и последующими обработанными сигналами и вычисляя время задержки между ними:In this method, after filtering, the signal can be subjected to two-dimensional correlation processing in time and space, comparing the data between the first and subsequent processed signals and calculating the delay time between them:
где W - двумерная корреляционная функция между первым сигналом и последующими, N - количество отсчетов, Μ - количество сенсоров, р1 - сигнал в первом фильтре, р2 - сигнал в последующих фильтрах, n - строки, m - столбцы, τ - временная сдвижка сигнала, q=1, 2, …, N-1, x - расстояние между сенсорами, t - время.where W - two-dimensional correlation function between the first signal and subsequent ones, N - number of samples, Μ - number of sensors, p 1 - signal in the first filter, p 2 - signal in subsequent filters, n - rows, m - columns, τ - time shift signal, q=1, 2, …, N-1, x - distance between sensors, t - time.
Затем выполняют двумерную частотно-волновую обработку по зависимости (VI):Then, two-dimensional frequency-wave processing is performed according to the dependence (VI):
где S - частотно-волновой спектр, k - волновое число, ƒ - частота.where S is the frequency-wave spectrum, k is the wavenumber, ƒ is the frequency.
Кроме того, в способе после фильтрации сигнал могут подвергать частотно-волновой обработке по зависимости:In addition, in the method, after filtering, the signal can be subjected to frequency-wave processing according to the dependence:
где S - частотно-волновой спектр, k - волновое число, ƒ - частота, N - количество отсчетов, Μ - количество сенсоров, p - набор сигналов (двумерная матрица) с сенсоров после фильтрации, n - строки, m - столбцы, τ - временная сдвижка сигнала, x - расстояние между сенсорами, t - время.where S - frequency-wave spectrum, k - wave number, ƒ - frequency, N - number of samples, Μ - number of sensors, p - set of signals (two-dimensional matrix) from sensors after filtering, n - rows, m - columns, τ - signal time shift, x - distance between sensors, t - time.
- в устройстве для неинвазивного определения объемного расхода жидкости и газа в трубопроводе, включающем измеритель потока, имеющий набор установленных на наружной стороне трубопровода сенсоров на равном расстоянии, способных обнаруживать вихревые возмущения течения через твердую стенку с жидкими продуктами и создавать индицирующие их сигналы, связанный с измерителем потока узел обработки, содержащий элементы фильтрации сигналов, и связанный с модулем k-ƒ обработки отфильтрованных сигналов, соединенным с вычислителем расхода, согласно изобретению, в качестве сенсоров использованы сенсоры упругих деформаций, выполненные с возможностью перестраивания их на фильтрацию волн различной длины, соединенные выходами с усилителями сигнала, соединенными с входами узла обработки.- in a device for non-invasive determination of the volumetric flow rate of liquid and gas in a pipeline, including a flow meter having a set of sensors installed on the outer side of the pipeline at an equal distance, capable of detecting vortex perturbations of the flow through a solid wall with liquid products and creating signals indicating them, associated with the meter flow processing unit containing signal filtering elements and connected to the filtered signal processing module k-ƒ, connected to the flow computer, according to the invention, elastic deformation sensors are used as sensors, configured to rebuild them to filter waves of different lengths, connected by outputs with signal amplifiers connected to the inputs of the processing unit.
При этом в устройстве выходы каждой пары соседних сенсоров могут быть соединены со входами двух усилителей сигналов, подключенных к входам сумматора с образованием указанной сборкой первичного волнового (пространственного) фильтра, выход каждого из которых через полосовой частотный фильтр подсоединен к модулю обработки.At the same time, in the device, the outputs of each pair of adjacent sensors can be connected to the inputs of two signal amplifiers connected to the inputs of the adder to form the primary wave (spatial) filter specified by the assembly, the output of each of which is connected to the processing module through a band-pass filter.
Кроме того, в устройстве сенсоры упругих деформаций могут быть выполнены с заранее заданной частотно-волновой полосой пропускания сигнала, настроенной на детектирование пульсаций давления турбулентных вихрей в конвективной области, а их выходы подключены к входам модуля k-ƒ обработки отфильтрованных сигналов.In addition, in the device, elastic strain sensors can be made with a predetermined frequency-wave signal bandwidth configured to detect pressure fluctuations of turbulent eddies in the convective region, and their outputs are connected to the inputs of the filtered signal processing module k-ƒ.
А также в устройстве k-ƒ модуль может содержать блоки обработки отфильтрованного сигнала, при этом первый блок служит для выполнения корреляционной обработки сигнала, второй - для частотно-волновой обработки, при которой определяется скорость конвекции турбулентных вихрей в потоке, а третий блок предназначен для вычисления объемного расхода при помощи передаточного коэффициента.And also in the k-ƒ device, the module may contain blocks for processing the filtered signal, while the first block is used to perform correlation signal processing, the second - for frequency-wave processing, in which the speed of convection of turbulent vortices in the flow is determined, and the third block is designed to calculate volume flow using a transfer ratio.
Кроме того, в устройстве k-ƒ модуль может содержать блоки обработки отфильтрованного сигнала, при этом первый блок служит для выполнения частотно-волновой обработки, при которой определяется скорость конвекции турбулентных вихрей в потоке, а второй блок предназначен для вычисления объемного расхода при помощи передаточного коэффициента.In addition, in the k-ƒ device, the module may contain blocks for processing the filtered signal, while the first block is used to perform frequency-wave processing, in which the speed of convection of turbulent eddies in the flow is determined, and the second block is designed to calculate the volume flow using the transfer coefficient .
Применение в заявляемом способе для обнаружения вихревых возмущений в потоке и создания сигналов о них сенсоров упругих деформаций, выполненных с возможностью перестраивания их на фильтрацию волн различной длины, в совокупности с усилением снятых с сенсоров сигналов перед фильтрацией, и частотно-волновой обработкой в k-ƒ модуле отфильтрованных сигналов, содержащих значения пульсаций давления турбулентных вихрей в конвективной области, позволяет повысить точность определения скорости конвенции, а следовательно, и определения объемного расхода при весьма простой методике обработки.Application in the claimed method to detect vortex disturbances in the flow and create signals about them of elastic deformation sensors, made with the possibility of rebuilding them for filtering waves of different lengths, in combination with amplifying the signals taken from the sensors before filtering, and frequency-wave processing in k-ƒ The module of filtered signals containing the values of pressure fluctuations of turbulent vortices in the convective region makes it possible to increase the accuracy of determining the convention velocity, and, consequently, the determination of the volumetric flow rate with a very simple processing technique.
В заявляемом устройстве использование в качестве сенсоров в измерителе потока сенсоров упругих деформаций, выполненных с возможностью перестраивания их на фильтрацию волн различной длины, соединенных выходами с усилителями сигнала, связанными с входами узла обработки, обеспечивает в совокупности повышение точности определения скорости конвекции, а следовательно и определения объемного расхода при весьма простой его схеме.In the claimed device, the use of elastic strain sensors as sensors in the flow meter, which can be reconfigured to filter waves of various lengths, connected by outputs to signal amplifiers connected to the inputs of the processing unit, together provides an increase in the accuracy of determining the convection velocity, and hence determining volumetric flow with a very simple scheme.
Технический результат - повышение точности определения объемного расхода жидкости и газа в трубопроводе при упрощении используемых для этого средств.The technical result is an increase in the accuracy of determining the volumetric flow rate of liquid and gas in the pipeline while simplifying the means used for this.
Заявляемые способ и устройство для неинвазивного определения объемного расхода жидкости и газа в трубопроводе обладают новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него такими существенными признаками как:The claimed method and device for non-invasive determination of the volumetric flow rate of liquid and gas in a pipeline are novel in comparison with the prototype, differing from it in such essential features as:
- в способе: применение сенсоров упругих деформаций, выполненных с возможностью перестраивания их на фильтрацию волн различной длины, усиление снятых с сенсоров сигналов перед фильтрацией, частотно-волновая обработка в k-ƒ модуле после фильтрации сигналов, содержащих значения пульсаций давления турбулентных вихрей в конвективной области, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата;- in the method: the use of elastic deformation sensors made with the possibility of restructuring them for filtering waves of different lengths, amplifying the signals taken from the sensors before filtering, frequency-wave processing in the k-ƒ module after filtering signals containing the values of pressure fluctuations of turbulent eddies in the convective region , providing in the aggregate the achievement of a given result;
- в устройстве: использование в качестве сенсоров в измерителе потока сенсоров упругих деформаций, выполненных с возможностью перестраивания их на фильтрацию волн различной длины, соединенных выходами с усилителями сигнала, соединенными с входами узла обработки, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата.- in the device: use as sensors in the flow meter of elastic deformation sensors, made with the possibility of restructuring them to filter waves of different lengths, connected by outputs to signal amplifiers connected to the inputs of the processing unit, which together ensure the achievement of the desired result.
Хотя сами по себе, такие операции как, пространственная и полосовая фильтрации, частотно-волновая обработка известны в науке и данной области техники, и реализующие их элементы устройств, однако их совместное использование в измерении объемного расхода с повышением точности этого измерения и упрощения средств реализации заявителю неизвестны, поэтому он считает, что заявляемые технические решения соответствуют критерию «изобретательский уровень».Although by themselves, such operations as spatial and band-pass filtering, frequency-wave processing are known in science and the given field of technology, and the elements of devices that implement them, however, their joint use in measuring volumetric flow with an increase in the accuracy of this measurement and simplification of means of implementation for the applicant unknown, so he believes that the claimed technical solutions meet the criterion of "inventive step".
Заявляемые способ и устройство для определения объемного расхода потока жидкости и газа в трубопроводе могут найти широкое применение в измерительной технике в нефтегазовой промышленности и потому соответствуют критерию «промышленная применимость».The inventive method and device for determining the volumetric flow rate of liquid and gas in a pipeline can be widely used in measuring technology in the oil and gas industry and therefore meet the criterion of "industrial applicability".
Изобретения иллюстрируются чертежами, где представлены на:The inventions are illustrated by drawings, where they are presented on:
- фиг. 1 - принципиальная схема работы устройства на основе частотно-волнового метода определения скорости конвекции вихрей;- fig. 1 is a schematic diagram of the operation of the device based on the frequency-wave method for determining the speed of vortex convection;
- фиг. 2 - частотно-волновой спектр с применением предварительной корреляции;- fig. 2 - frequency-wave spectrum using preliminary correlation;
- фиг. 3 - частотно-волновой спектр без применения предварительной корреляции;- fig. 3 - frequency-wave spectrum without the use of preliminary correlation;
фиг. 4 - принципиальная схема работы устройства на основе частотно-волнового метода определения скорости конвекции вихрей.fig. 4 is a schematic diagram of the operation of the device based on the frequency-wave method for determining the speed of vortex convection.
Заявляемый способ для неинвазивного определения объемного расхода жидкости и газа в трубопроводе заключается в следующем.The inventive method for non-invasive determination of the volumetric flow rate of liquid and gas in the pipeline is as follows.
На наружной поверхности трубы устанавливают последовательно набор сенсоров упругих деформаций, способных обнаруживать вихревые возмущения в потоке и создавать сигналы о них, выполненных с возможностью перестраивания их на пространственную фильтрацию волн различной длины. При этом в качестве полезного сигнала используют выделенную из турбулентных вихрей гидродинамическую составляющую пульсирующего давления. Эти сигналы усиливают, затем фильтруют, вначале убирая длинноволновые акустические составляющие пульсаций давления турбулентных вихрей, затем отфильтровывая высокочастотную составляющую сигнала. Оставшуюся часть сигнала, содержащего значения пульсаций давления турбулентных вихрей в конвективной области, подвергают частотно-волновой обработке с использованием кривой k-ƒ. Затем определяют скорость конвекции вихревых возмущений внутри потока и далее по скорости конвекции вихревых возмущений рассчитывают объемный расход жидкости.On the outer surface of the pipe, a set of elastic deformation sensors is installed in series, capable of detecting vortex disturbances in the flow and creating signals about them, configured to rebuild them for spatial filtering of waves of different lengths. In this case, the hydrodynamic component of the pulsating pressure extracted from turbulent vortices is used as a useful signal. These signals are amplified and then filtered, first removing the long-wavelength acoustic components of the pressure fluctuations of turbulent eddies, then filtering out the high-frequency component of the signal. The rest of the signal, containing the values of pressure fluctuations of turbulent vortices in the convective region, is subjected to frequency-wave processing using the k-ƒ curve. Then the speed of convection of vortex disturbances inside the flow is determined, and then the volumetric flow rate of the liquid is calculated from the speed of convection of vortex disturbances.
При этом после фильтрации сигнал могут подвергать двумерной корреляционной обработке с последующей двумерной частотно-волновой обработкой по вышеприведенным в формулах V, VI зависимостям или только частотно-волновой обработке по зависимости VII.In this case, after filtering, the signal can be subjected to two-dimensional correlation processing, followed by two-dimensional frequency-wave processing according to the above dependences in formulas V, VI, or only frequency-wave processing according to dependence VII.
Устройство для определения объемного расхода жидкости и газа в трубопроводе выполнено следующим образом (Фиг. 1).The device for determining the volumetric flow rate of liquid and gas in the pipeline is made as follows (Fig. 1).
На наружной стенке 1 трубопровода для регистрации пульсаций давления вихрей 2 в потоке внутри трубы установлены сенсоры 3 упругих деформаций, например, пьезопленочный, оптический с решеткой Брега, пьезокерамический и др. Выходы сенсоров 3 соединены с помощью кабеля 4 со входами усилителей 5. Выходы усилителей 5 с помощью кабелей 6 связаны с входами сумматоров 7, принимающих сигналы с пары таких сенсоров 3. Вся эта сборка 8 представляет собой первичный волновой (пространственный) фильтр, который убирает длинноволновую составляющую сигнала. Отфильтрованный сигнал из волнового (пространственного) фильтра 8 поступает по кабелю 9 на полосовой (частотный) фильтр 10, где обрезается высокочастотная часть спектра, содержащая акустические составляющие сигнала. В результате на выходе фильтра 10 сигнал содержит значения пульсаций давления турбулентных вихрей p(x,t)гд в конвективной области, которые по кабелю 11 передаются в модуль 12 частотно-волновой обработки сигнала k-ƒ модуля 12, в котором имеется элемент памяти 14, где хранится кривая k-ƒ. Данные с остальных фильтров 10 также передаются по кабелям 11 в k-ƒ модуль 12, который может быть реализован в двух вариациях: с блоком 13 корреляционной обработкой или без него 15.On the
Более конкретно обработка производится следующим образом В первом случае в блоке 13 выполняется корреляционная обработка сигнала по времени и пространству по формуле (V), после чего выполняется двумерная частотно-волновая обработка по зависимости (VI) в блоке 14:More specifically, the processing is performed as follows. In the first case, in
где W - двумерная корреляционная функция между первым сигналом и последующими, N - количество отсчетов, Μ - количество сенсоров, р1 - сигнал в первом фильтре, р2 - сигнал в последующих фильтрах, n - строки, m - столбцы, τ - временная сдвижка сигнала, q=1, 2, …, N-1, x - расстояние между сенсорами, t - время.where W - two-dimensional correlation function between the first signal and subsequent ones, N - number of samples, Μ - number of sensors, p 1 - signal in the first filter, p 2 - signal in subsequent filters, n - rows, m - columns, τ - time shift signal, q=1, 2, …, N-1, x - distance between sensors, t - time.
где S - частотно-волновой спектр, k - волновое число, ƒ - частота.where S is the frequency-wave spectrum, k is the wavenumber, ƒ is the frequency.
Во втором случае в блоке 15 достаточно частотно-волновой обработки по зависимости (VII).In the second case, in
где S - частотно-волновой спектр, k - волновое число, ƒ - частота, N - количество отсчетов, Μ - количество сенсоров, p - набор сигналов (двумерная матрица) с сенсоров после фильтрации, n - строки, m - столбцы, τ - временная сдвижка сигнала, x - расстояние между сенсорами, t - время.where S - frequency-wave spectrum, k - wave number, ƒ - frequency, N - number of samples, Μ - number of sensors, p - set of signals (two-dimensional matrix) from sensors after filtering, n - rows, m - columns, τ - signal time shift, x - distance between sensors, t - time.
По результатам обработки строятся двумерные графики частотно-волновых спектров: для блока 13 с корреляцией представлен на фиг. 2, для блока 15 без корреляции представлен на фигуре 3. Как видно из результатов фронт конвективных максимумов 18 соответствует скорости потока ~5 м/с, которая была задана на входе в трубопровод. Каждая точка, лежащая на вершине фронта, определяет скорость конвекции вихря своего масштаба. Тем самым можно определить скорость конвекции вихревого поля в потоке, а не отдельной волны. Для этого выполняется линейная аппроксимация значений фронта конвективных максимумов и определяется угол наклона φ линии фронта 18, значения которого передаются по кабелю 16 в модуль 17, где можно вычислить скорость конвекции вихрей Uc. Зная скорость конвекции, возможно вычислить среднюю скорость потока через передаточный коэффициент γ, а по средней скорости вычислить объемный расход Q (VIII).Based on the results of processing, two-dimensional graphs of the frequency-wave spectra are constructed: for
Возможен альтернативный вариант реализации изобретения (фиг. 4). Если применять сенсоры 19 с заранее заданной частотно-волновой полосой пропускания сигнала, настроенной на детектирование пульсаций давления турбулентных вихрей 2 в конвективной области фильтрация с помощью волнового 8 и полосового фильтров 10 не потребуется и сигналы с сенсоров 19, по проводам 20 передаются в усилители 21, а усиленный сигнал по проводам 22 в k-ƒ модуль 12.An alternative implementation of the invention is possible (Fig. 4). If
В сравнении с прототипами заявляемые средства определения объемного расхода жидкости и газа в трубопроводе обеспечивают более точное определение объемного расхода и являются более простыми.In comparison with the prototypes, the inventive means for determining the volumetric flow rate of liquid and gas in the pipeline provide a more accurate determination of the volumetric flow rate and are simpler.
Claims (15)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2780566C1 true RU2780566C1 (en) | 2022-09-27 |
Family
ID=
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2816283C1 (en) * | 2023-10-11 | 2024-03-28 | Общество с ограниченной ответственностью "К-ОМЕГА" | Method for preliminary processing of analogue signals from sensors of clamp-on acoustic flow meter and device for its implementation |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1194746A1 (en) * | 1999-07-02 | 2002-04-10 | CiDRA Corporation | Multiple flow rate measurement using unsteady pressures |
US8346491B2 (en) * | 2007-02-23 | 2013-01-01 | Expro Meters, Inc. | Sonar-based flow meter operable to provide product identification |
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1194746A1 (en) * | 1999-07-02 | 2002-04-10 | CiDRA Corporation | Multiple flow rate measurement using unsteady pressures |
US8346491B2 (en) * | 2007-02-23 | 2013-01-01 | Expro Meters, Inc. | Sonar-based flow meter operable to provide product identification |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2816283C1 (en) * | 2023-10-11 | 2024-03-28 | Общество с ограниченной ответственностью "К-ОМЕГА" | Method for preliminary processing of analogue signals from sensors of clamp-on acoustic flow meter and device for its implementation |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2446393C2 (en) | Method of diagnosing pipe roughness and ultrasonic flowmeter | |
CA2513248C (en) | Apparatus and method using an array of ultrasonic sensors for determining the velocity of a fluid within a pipe | |
EP1886098B1 (en) | An apparatus and method for measuring a parameter of a multiphase flow | |
US7526966B2 (en) | Apparatus and method for measuring a parameter of a multiphase flow | |
US7881884B2 (en) | Flowmeter array processing algorithm with wide dynamic range | |
CA2532468C (en) | A dual function flow measurement apparatus having an array of sensors | |
CA2994208C (en) | Multi-phase flow-monitoring with an optical fiber distributed acoustic sensor | |
Shi et al. | Flow rate measurement of oil-gas-water wavy flow through a combined electrical and ultrasonic sensor | |
CA2637011C (en) | An apparatus and method for measuring a parameter of a multiphase flow | |
Ma et al. | Study of the accuracy of ultrasonic flowmeters for liquid | |
CN106813108A (en) | A kind of leakage locating method based on speed difference | |
Lu et al. | Film thickness measurement with an ultrasonic transducer | |
US9995609B2 (en) | Single wrapped sensor flow meter | |
RU2780566C1 (en) | Method for non-invasive determination of the volumetric flow rate of liquid and gas in a pipeline and a device for its implementation | |
CN110186521A (en) | Vortex street moisture based on Wavelet Ridge feature extraction crosses reading compensation and flow-measuring method | |
CN107024603B (en) | Gas-liquid two-phase bubbly flow flow velocity acoustic-electric bimodal measurement method | |
CN109188016B (en) | Acoustic-electric bimodal measurement method for phase-splitting flow velocity of oil-gas-water three-phase flow | |
CN106932606A (en) | Gas-liquid two-phase slug flow and slug flow flow velocity acoustic-electric bimodal measuring method | |
CN112525774B (en) | Measuring method for flow velocity, density and viscosity based on vortex shedding flowmeter frequency spectrum | |
CN114563065A (en) | Gas ultrasonic flowmeter calibration method | |
Li et al. | Study on transit-Time ultrasonic flow meter with waveform analysis | |
Brahma et al. | Data-based estimation and simulation of compressible pulsating flow with reverse-flow through an orifice | |
KR101179749B1 (en) | Two phase flow measurement device and method by using fluid borne noise and solid borne noise | |
RU2669153C1 (en) | Method of determining parameters of oscillations transmission on a liquid path of elements of pipeline systems | |
JP2022538457A (en) | Determination of rheological properties of liquids from acoustic signals |