RU2804917C1

RU2804917C1 - Velocity sensor

Info

Publication number: RU2804917C1
Application number: RU2023103697A
Authority: RU
Inventors: Игорь Николаевич Москалев; Александр Вячеславович Семенов; Илья Александрович Горбунов; Юрий Александрович Горбунов
Original assignee: Частное образовательное учреждение высшего образования "Московский Университет им. С.Ю. Витте"
Filing date: 2023-02-17
Publication date: 2023-10-09

Abstract

FIELD: measuring technology.

SUBSTANCE: invention relates to measuring the velocity head of a gas, liquid or gas-liquid flow and, in combination with a volume flow meter of any type, can be used to determine the flow density of gas condensate well production products. The velocity head sensor is installed in a gas, liquid or gas-condensate mixture flow and includes a cylindrical resonator connected to the generator and the oscillation receiver by coupling waveguides and excited in the millimetre range on the H01Pq type oscillation types. The sensor is installed in the flow so that the oncoming flow is perpendicular to its end face. One end of the resonator comprises an inlet for passing part of the flow into the resonator and several holes below the second end for the flow to exit the resonator. The second end of the resonator is made movable and supported by a spring fixed on the end that closes the continuation of the cylindrical part of the resonator.

EFFECT: improved measuring performance.

3 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники и может использоваться для определения скоростного напора в любом потоке - газовом, жидкостном и газожидкостном. В сочетании с вихревым или ультразвуковым расходомерами, определяющими скорость потока, может входить как составная часть расходомера двухфазного потока для измерения массы продуктов добычи газовых, газоконденсатных и нефтяных скважин.The invention relates to the field of measurement technology and can be used to determine the velocity pressure in any flow - gas, liquid and gas-liquid. In combination with vortex or ultrasonic flow meters that determine flow velocity, it can be included as part of a two-phase flow meter for measuring the mass of production products from gas, gas condensate and oil wells.

Кроме того, датчик скоростного напора может быть применен для измерения поля скоростей, эпюры скоростей и построении зависимости ν(r, ϕ) в потоках сложной конфигурации с целью вычисления средней скорости расхода по сечению.In addition, the velocity pressure sensor can be used to measure the velocity field, velocity diagram and plot the dependence ν(r, ϕ) in flows of complex configuration in order to calculate the average flow rate over the cross section.

Далее для определенности будем говорить о потоке газа. Известны измерители динамического напора с помощью трубок Пито, представляющих собой трубку Г- образной формы с отверстиями, направленными навстречу потоку и от него и воспринимающими полное давление, равное сумме динамического давления и статического давления Р_с.(Здесь ν - скорость потока, ρ - его плотность).Further, for definiteness, we will talk about gas flow. Dynamic pressure meters are known using pitot tubes, which are an L-shaped tube with holes directed towards and away from the flow and receiving a total pressure equal to the sum of the dynamic pressure and static pressure P_With.(Here ν is the flow speed, ρ is its density).

Скорость при этом определяется по соотношению:The speed is determined by the relation:

где ΔР - разность давлений в трубах, направленных по и против потока, k₁ - коэффициент, определяемый геометрией трубки; k₂ - коэффициент, учитывающий сжимаемость газа, ρ - плотность газа.where ΔР is the pressure difference in pipes directed along and against the flow, k ₁ is a coefficient determined by the geometry of the tube; k ₂ - coefficient taking into account the compressibility of the gas, ρ - gas density.

На том же принципе основана работа осредняющих напорных трубок (ОНТ) и преобразователей скоростного напора осредняющих (ПСНО) [1].The operation of averaging pressure tubes (APTs) and averaging pressure pressure converters (APVCs) is based on the same principle [1].

Недостатком этих устройств является низкая чувствительность при малых скоростях потока.The disadvantage of these devices is low sensitivity at low flow rates.

Следующим их недостатком является связанность прибора с местом измерения, т.к. дифференциальный манометр должен устанавливаться рядом с трубкой Пито.Their next disadvantage is the connection between the device and the measurement location, because The differential pressure gauge should be installed next to the pitot tube.

Известны также способ и устройство для определения массового расхода газа - Патент РФ 2769093, в котором предлагается использовать систему датчиков динамического напора вмонтированных в тело обтекания, чтобы можно было измерять как величину динамического напора, так профиль скорости.There is also a known method and device for determining the mass flow of gas - RF Patent 2769093, which proposes to use a system of dynamic pressure sensors mounted in the bluff body so that it is possible to measure both the magnitude of the dynamic pressure and the velocity profile.

Однако использование датчиков, измеряющих давление – например, пьезодатчиков или тех же трубок Пито, возможно только в случае малых рабочих давлений и больших скоростей газа, когда давление динамического напора сравнимо с статическим давлением Р_с.Однако в случае измерения интересующих нас расходов газоконденсатных (ГК) скважин, где давления составляют десятки и сотни атмосфер, величина Р_с в 10³-10⁵ раз превышает и проведение измерений становится невозможным.However, the use of sensors that measure pressure - for example, piezoelectric sensors or the same pitot tubes - is possible only in the case of low operating pressures and high gas velocities, when the dynamic pressure comparable to static pressure P_With.However, in the case of measuring the flow rates of gas condensate (GC) wells of interest to us, where pressures amount to tens and hundreds of atmospheres, the value of P_With at 10³-10⁵ times greater than and taking measurements becomes impossible.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является патент РФ №2286546 [3], который примем за прототип. В нем предложено устройство для измерения газового, газоконденсатного или жидкостного потока, работающее по принципу сравнения показаний двух идентичных открытых резонаторов (ОЦР), разделенных фигурной диафрагмой, способной прогибаться под действием газодинамического напора.The closest to the proposed device is RF patent No. 2286546 [3], which we will take as a prototype. It proposes a device for measuring gas, gas-condensate or liquid flow, operating on the principle of comparing the readings of two identical open resonators (OCRs), separated by a shaped diaphragm capable of bending under the influence of gas-dynamic pressure.

Радиочастотные колебания СВЧ/КВЧ - диапазона возбуждают в объемах двух идентичных ОЦР₁ и ОЦР₂ колебания типа ТМ₀₂ на частоте f₀. Диафрагма в виде узких радиальных лепестков размещена в ОЦР₂ в его центре, где электрическое поле Е равно нулю. В отсутствие потока частоты резонаторов совпадают f₁-f₂=f₀. При наличии потока лепестки диафрагмы отклоняются, входят в область электрического поля ОЦР₂ и возмущают его. При этом частота резонаторов смещаются у ОЦР₁: f₁→f₀ - Δf₁, а ОЦР₂: f₂→f₀-Δf₁-Δf₂. Величина смещения определяется двумя составляющими - диэлектрической проницаемостью вещества потока, которая одинакова в обоих резонаторах (Δf₁) и дополнительным возмущением электрического поля ОЦР₂ из-за появления в нем лепестков фигурной диафрагмы (Δf₂). Отсюда разность частот двух ОЦР f₁ - f₂=Δf₂ будет пропорциональна только динамическому напору ρ ν² Radio frequency oscillations of the microwave/EHF range excite in the volumes of two identical ORCs ₁ and ORS ₂ oscillations of type TM ₀₂ at frequency f ₀ . A diaphragm in the form of narrow radial petals is placed in ORC ₂ at its center, where the electric field E is zero. In the absence of flow, the frequencies of the resonators coincide f ₁ -f ₂ =f ₀ . In the presence of flow, the diaphragm blades deflect, enter the region of the electric field of ORC ₂ and disturb it. In this case, the frequency of the resonators shifts for ORC ₁ : f ₁ →f ₀ - Δf ₁ , and for ORC ₂ : f ₂ →f ₀ -Δf ₁ -Δf ₂ . The magnitude of the displacement is determined by two components - the dielectric constant of the flow substance, which is the same in both resonators (Δf ₁ ) and the additional disturbance of the electric field of ORC ₂ due to the appearance of shaped diaphragm blades in it (Δf ₂ ). Hence, the frequency difference between the two ORCs f ₁ - f ₂ =Δf ₂ will be proportional only to the dynamic pressure ρ ν ²

где χ - некоторый коэффициент, определяемый при калибровке.where χ is a certain coefficient determined during calibration.

Недостатком этого способа является необходимость использовать два резонатора с диаметром равным диаметру продуктового трубопровода, что при диаметрах D≥50 мм становится, во-первых, экономически дорого, а, во-вторых, измерительное устройство становится громоздким, поскольку длина ОЦР должна быть в несколько (4-5) раз больше его диаметра.The disadvantage of this method is the need to use two resonators with a diameter equal to the diameter of the product pipeline, which with diameters D≥50 mm becomes, firstly, economically expensive, and, secondly, the measuring device becomes cumbersome, since the length of the ORC must be several ( 4-5) times larger than its diameter.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является расширение диапазона применения датчиков скоростного напора в область больших рабочих давлений (~100 атм).The technical result of the proposed invention is to expand the range of application of velocity pressure sensors to the region of high operating pressures (~100 atm).

Техническим результатом является также уменьшение размеров датчика динамического напора, что открывает возможность разместить его в вихреобразующей призме вихревого расходомера (BP). В частности, это позволит реализовать измерение профиля скорости по радиусу ν(r) [2].The technical result is also a reduction in the size of the dynamic pressure sensor, which opens up the possibility of placing it in the vortex-forming prism of a vortex flowmeter (BP). In particular, this will make it possible to measure the velocity profile along the radius ν(r) [2].

Техническим результатом является также возможность с помощью датчика динамического напора измерять плотность газового потока и тем самым превратить вихревой расходомер, измеряющий только скорость потока, в счетчик массы и расширить парк конструкций массовых расходомеров.The technical result is also the ability to use a dynamic pressure sensor to measure the density of a gas flow and thereby turn a vortex flow meter, which measures only the flow velocity, into a mass counter and expand the fleet of mass flow meter designs.

Принципиальная схема датчика приведена на фиг. 1. На ней обозначено: 1 - цилиндрический резонатор миллиметрового диапазона; 2 - неподвижный торец резонатора 1; 3 - подвижный торец резонатора 1; 4 - отверстие в торце 2; 5 -пружина; 6 - основание цилиндра, организующего цилиндрический резонатор; 7, 8 - волноводы, соединяющие резонатор 1 с генератором и детектором; 9, 10 -отверстия связи резонатора 1 с КВЧ генератором и детектором; 11 - отверстия для выпуска потока из резонатора; 12 - поток, набегающий на торец 2 резонатора 1; 13 - поток, выходящий из резонатора 1. Далее обозначим всю эту сборку через R1.A schematic diagram of the sensor is shown in Fig. 1. It is marked: 1 - cylindrical resonator of the millimeter range; 2 - fixed end of resonator 1; 3 - movable end of resonator 1; 4 - hole in end 2; 5 - spring; 6 - base of the cylinder organizing the cylindrical resonator; 7, 8 - waveguides connecting resonator 1 with the generator and detector; 9, 10 - holes for connecting resonator 1 with an EHF generator and detector; 11 - holes for releasing flow from the resonator; 12 - flow incident on end 2 of resonator 1; 13 - flow leaving resonator 1. Next, we denote this entire assembly by R1.

На фиг. 2 показана блок-схема электрической части устройства. На ней показаны: 14 - генератор пилообразного напряжения; 15 - генератор качающейся частоты КВЧ диапазона, модулируемый по частоте по пилообразному закону; 16-ферритовый вентиль; 17 - сборка R1; 18 - КВЧ детектор; 19 - сборка R2, идентичная сборке R1, устанавливаемая так, что поток в нее не входит (направление потока параллельно торцу 2); 20 - КВЧ детектор; 21 - блок обработки принятых сигналов.In fig. Figure 2 shows a block diagram of the electrical part of the device. It shows: 14 - sawtooth voltage generator; 15 - EHF frequency sweep generator, frequency modulated according to a sawtooth law; 16-ferrite valve; 17 - assembly R1; 18 - EHF detector; 19 - assembly R2, identical to assembly R1, installed so that the flow does not enter it (the flow direction is parallel to end 2); 20 - EHF detector; 21 - block for processing received signals.

На фиг. 3 приводятся сигналы U_д с детекторов 18 и 20 как функция частоты генератора 15 при его модуляции по пилообразному закону; 22 - сигналы со сборки R1 и R2 в случае отсутствия вещества потока (они совпадают); 23 - сигнал со сборки R2 в рабочих условиях; 24 - то же самое - со сборки R1.In fig. Figure 3 shows the signals U _d from detectors 18 and 20 as a function of the frequency of the generator 15 when modulated according to a sawtooth law; 22 - signals from the assembly R1 and R2 in the absence of flow substance (they coincide); 23 - signal from assembly R2 in operating conditions; 24 - the same thing - from assembly R1.

На фиг. 4 показан пример размещения датчика скоростного напора сборка R1 в призме, создающей вихри в вихревом расходомере; 25 - корпус расходомера; 26 - вихреобразующая призма.In fig. Figure 4 shows an example of placing a velocity pressure sensor assembly R1 in a prism that creates vortices in a vortex flow meter; 25 - flow meter body; 26 - vortex-forming prism.

Работа устройства происходит следующим образом. Два идентичных датчика (фиг. 1) - сборки R1 и R2 устанавливаются в потоке таким образом, что торец сборки R1 ориентирован перпендикулярно продольной скорости потока, так что небольшая часть потока входит в резонатор 1 через отверстие 4 и выходит через отверстие 11. В сборке R2 торец устанавливается параллельно продольной скорости потока. При этом сборка R2 заполняется газом через те же отверстия 4 и 11, однако на торец 3 никакого динамического напора не оказывается. Через отверстия 4 и 11 постоянно осуществляется обновление среды, так что в резонаторе существует газ того же состава и при том же рабочем давлении, что идет в промысловой трубе. Сборки R1 и R2 возбуждаются на моде Н_01q, имеющей резонансную частоту f₀. Особенность этих видов колебаний состоит в том, что они допускают зазор между цилиндрической частью резонатора 1 и торцом 3, что обеспечивает проход газу, поступающему через отверстие 4.The device operates as follows. Two identical sensors (Fig. 1) - assemblies R1 and R2 are installed in the flow in such a way that the end of the assembly R1 is oriented perpendicular to the longitudinal flow velocity, so that a small part of the flow enters the resonator 1 through hole 4 and exits through hole 11. In assembly R2 the end is installed parallel to the longitudinal flow velocity. In this case, assembly R2 is filled with gas through the same holes 4 and 11, but there is no dynamic pressure on end 3. Through holes 4 and 11, the medium is constantly renewed, so that in the resonator there is a gas of the same composition and at the same operating pressure as that in the production pipe. Assemblies R1 and R2 are excited on the H _01q mode, which has a resonant frequency f ₀ . The peculiarity of these types of vibrations is that they allow a gap between the cylindrical part of the resonator 1 and the end 3, which ensures the passage of gas entering through hole 4.

Схема регистрации (фиг. 2) включает в себя генератор пилообразного напряжения 14, которое поступает на управляемый по частоте генератор 15, который периодически генерирует электромагнитные колебания, линейно изменяющиеся по частоте. Ферритовый вентиль 16 служит для защиты генератора 15 от отраженных волн. После вентиля 16 СВЧ мощность раздваивается, и одна часть возбуждает резонатор в сборке R1 17, а другая - резонатор в сборке R2 19, сигналы, с которых поступают на детекторы 18 и 20 соответственно.The recording circuit (Fig. 2) includes a sawtooth voltage generator 14, which is supplied to a frequency-controlled generator 15, which periodically generates electromagnetic oscillations that vary linearly in frequency. The ferrite valve 16 serves to protect the generator 15 from reflected waves. After valve 16, the microwave power is bifurcated, and one part excites the resonator in the assembly R1 17, and the other excites the resonator in the assembly R2 19, the signals from which are sent to detectors 18 and 20, respectively.

В отсутствие вещества потока в сборках R1 и R2 ввиду их идентичности сигналы с детекторов 18 и 20 имеют вид резонансной кривой с частотой f₀ - 22. В случае же наличия потока со скоростью v и плотностью ρ сигнал с детектора 18 имеет вид той же кривой, но с частотой f₁ - 24, а с детектора 20 - вид той же кривой, но с частотой f₂- 23.In the absence of flow matter in the assemblies R1 and R2, due to their identity, the signals from detectors 18 and 20 have the form of a resonance curve with a frequency f ₀ - 22. In the presence of a flow with speed v and density ρ, the signal from detector 18 has the form of the same curve, but with a frequency f ₁ - 24, and from detector 20 - a view of the same curve, but with a frequency f ₂ - 23.

Это происходит по следующим причинам.This happens for the following reasons.

При заполнении объема трубопровода, где установлены сборки R1 и R2, газом - диэлектриком с диэлектрической проницаемостью 8 до рабочего давления резонансная частота обоих сборок сместится вниз на величину Δf₀₂ [4]When the volume of the pipeline where the assemblies R1 and R2 are installed is filled with gas - a dielectric with a dielectric constant of 8 to the operating pressure, the resonant frequency of both assemblies will shift down by the value Δf ₀₂ [4]

Где ε - диэлектрическая проницаемость материала потока газа при рабочем давлении Р и температуре Т.Where ε is the dielectric constant of the gas flow material at operating pressure P and temperature T.

А сигнал с сборки 1 дополнительно еще сместится за счет силы динамического напора где С - коэффициент формы подвижного торца 2 (устанавливается экспериментально). Под действием силы Р_д торец 2 смещается до тех пор, пока эта сила не уравновесится силой сжатия пружина 5. При этом первоначальное расстояние между торцами резонатора L возрастает на некоторую величину ΔL: L→L+ΔL.And the signal from assembly 1 will additionally shift due to the force of dynamic pressure where C is the shape coefficient of the movable end 2 (established experimentally). Under the influence of force _Pd , end 2 is displaced until this force is balanced by the compression force of spring 5. In this case, the initial distance between the ends of the resonator L increases by a certain amount ΔL: L→L+ΔL.

Частота цилиндрического резонатора радиусом R и расстоянием между торцами L при типе колебаний H_01q(q=1; 2; …) определяется соотношением:The frequency of a cylindrical resonator with a radius R and a distance between the ends L for vibration type H _01q (q=1; 2; ...) is determined by the relation:

Как видно из (2) частота f определяется, в частности, расстоянием между торцами резонатора L.As can be seen from (2), the frequency f is determined, in particular, by the distance between the ends of the resonator L.

Поэтому, когда длина L меняется, а именно возрастает, то частота также снижается: f₂→f₂-f₂₁.Therefore, when the length L changes, namely increases, the frequency also decreases: f ₂ →f ₂ -f ₂₁ .

Величина статического давления Р_с одинакова со всех сторон торца 2 и отсюда не влияет на смещение ΔL (Но Р_с входит в соотношение, определяющее плотность газа ρ и его диэлектрическую проницаемость ε).The magnitude of the static pressure P c _is the same on all sides of end 2 and hence does not affect the displacement ΔL (But P _{c is} included in the ratio that determines the gas density ρ and its dielectric constant ε).

Измеряем частоты f₂ и // находим величину динамического напораWe measure the frequencies f ₂ and // find the value of the dynamic pressure

Коэффициент η определяется при калибровке.The coefficient η is determined during calibration.

Соотношение (3) позволяет определить динамический напор по измерению смещения частоты резонаторов в сборках R1 и R2. Это существенно повышает чувствительность устройства, т.к. в настоящее время частота легко может быть измерена с относительной погрешностью 10^-4÷10^-5.Relation (3) allows us to determine the dynamic head by measuring the frequency shift of the resonators in the R1 and R2 assemblies. This significantly increases the sensitivity of the device, because Currently, the frequency can easily be measured with a relative error of 10 ^-4 ÷10 ^-5 .

Экспериментально нами был создан и испытан макет датчика с параметрами: диаметр 2R=11 мм, минимальное расстояние между торцами составляло L_min=15 мм, а максимальное L_max=25 мм. Диаметр отверстия в неподвижном торце составил 7 мм. В качестве подвижного торца использовалась металлическая трубка размерами dxl=7 мм × 20 мм.We experimentally created and tested a sensor prototype with the following parameters: diameter 2R=11 mm, the minimum distance between the ends was L _min =15 mm, and the maximum L _max =25 mm. The diameter of the hole in the fixed end was 7 mm. A metal tube with dimensions dxl=7 mm × 20 mm was used as a movable end.

Диапазон изменения торца относительно среднего пополнения составляет ±5 мм. При этом частота резонатора изменялась от 34550 МГц до 35500 МГц.The range of change of the end relative to the average replenishment is ±5 mm. In this case, the resonator frequency varied from 34550 MHz to 35500 MHz.

В качестве генератора и приемника использовался напорный анализатор - измеритель КСВН с блоком индикации и генераторным блоком. Предельная чувствительность датчика к динамическому напору составила -10 Па.A pressure analyzer - a VSWR meter with an indication unit and a generator unit - was used as a generator and receiver. The maximum sensitivity of the sensor to dynamic pressure was -10 Pa.

ЛитератураLiterature

1. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества веществ. Справочник. Книга 1. - СПб.: Политехника, 2002. - 409 с.1. Kremlevsky P.P. Flow meters and substance quantity counters. Directory. Book 1. - St. Petersburg: Politekhnika, 2002. - 409 p.

2. Москалев И.Н., Семенов А.В., Горбунов И.А., Горбунов Ю.А. Способ и устройство для определения массового расхода газа // Патент на изобретение №2769093. RU. Опубл. 28.03.2022, Бюл. №10.2. Moskalev I.N., Semenov A.V., Gorbunov I.A., Gorbunov Yu.A. Method and device for determining gas mass flow // Patent for invention No. 2769093. RU. Publ. 03/28/2022, Bulletin. No. 10.

3. И.Г. Вышиваный, В.Е. Костюков, И.Н. Москалев и др. Способ и устройство измерения расхода газожидкостного потока. Патент РФ №2286546. Опубл. 27.10.2006, Бюл. №30.3. I.G. Embroidered, V.E. Kostyukov, I.N. Moskalev et al. Method and device for measuring gas-liquid flow. RF patent No. 2286546. Publ. 10/27/2006, Bulletin. No. 30.

4. А.А. Брандт. Исследования диэлектриков на сверхвысоких частотах. М.: Физматгиз, 1963, 404 с.4. A.A. Brandt. Research of dielectrics at ultrahigh frequencies. M.: Fizmatgiz, 1963, 404 p.

5. В.В. Никольский. Теория электромагнитного поля. М.: Высшая школа, 1964, 384 с.5. V.V. Nikolsky. Electromagnetic field theory. M.: Higher School, 1964, 384 p.

Claims

1. A velocity pressure sensor installed in a flow of gas, liquid or gas-condensate mixture, including a cylindrical resonator connected to an oscillation generator and receiver by communication waveguides and excited in the millimeter range on types of oscillations of the form H _01q , installed in the flow so that the oncoming flow was perpendicular to its end, characterized in that one end of the resonator contains an inlet hole for passing part of the flow into the resonator and several holes below the second end for the flow out of the resonator, and the second end of the resonator is made movable and supported by a spring attached to the end that closes the continuation of the cylindrical resonator parts.

2. The velocity pressure sensor according to claim 1, characterized in that as a reference signal, against which the signal from the velocity pressure sensor is measured, another sensor is used, identical to the measuring one, but installed so that its end, which has a hole for the passage of flow, located parallel to the oncoming flow so that there is no high-speed pressure in this resonator.

3. Velocity pressure sensor according to claim 1, characterized in that data on the pressure value are presented in frequency form.