RU2804917C1 - Velocity sensor - Google Patents
Velocity sensor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2804917C1 RU2804917C1 RU2023103697A RU2023103697A RU2804917C1 RU 2804917 C1 RU2804917 C1 RU 2804917C1 RU 2023103697 A RU2023103697 A RU 2023103697A RU 2023103697 A RU2023103697 A RU 2023103697A RU 2804917 C1 RU2804917 C1 RU 2804917C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- flow
- resonator
- gas
- liquid
- velocity
- Prior art date
Links
Images
Abstract
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 Рс. (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 PWith. (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 Рс. Однако в случае измерения интересующих нас расходов газоконденсатных (ГК) скважин, где давления составляют десятки и сотни атмосфер, величина Рс 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 PWith. 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 PWith 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
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 Uд 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
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 Н01q, 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
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
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
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 Рд 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
Частота цилиндрического резонатора радиусом R и расстоянием между торцами L при типе колебаний H01q (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 Рс одинакова со всех сторон торца 2 и отсюда не влияет на смещение ΔL (Но Рс 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
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 Lmin=15 мм, а максимальное Lmax=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.
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 (3)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2804917C1 true RU2804917C1 (en) | 2023-10-09 |
Family
ID=
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU223747U1 (en) * | 2023-12-07 | 2024-03-01 | Общество с ограниченной ответственностью "Алесинкс" | Device for determining the direction and speed of movement of gases and liquids |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2286546C2 (en) * | 2004-11-23 | 2006-10-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие Федеральный научно-производственный центр "Научно-исследовательский институт измерительных систем им.Ю.Е.Седакова" | Method and device for measuring flow of gas-liquid stream |
GB2567188A (en) * | 2017-10-05 | 2019-04-10 | Ft Tech Uk Ltd | Fluid flow measuring device and associated method |
DE102018113681A1 (en) * | 2018-06-08 | 2019-12-12 | Endress+Hauser Process Solutions (Deutschland) GmbH | Sensor and measuring device for measuring at least one process variable of a medium |
RU2769093C1 (en) * | 2021-01-25 | 2022-03-28 | Частное образовательное учреждение высшего образования "Московский Университет им. С.Ю. Витте" | Method and device for determining the mass flow rate of gas |
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2286546C2 (en) * | 2004-11-23 | 2006-10-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие Федеральный научно-производственный центр "Научно-исследовательский институт измерительных систем им.Ю.Е.Седакова" | Method and device for measuring flow of gas-liquid stream |
GB2567188A (en) * | 2017-10-05 | 2019-04-10 | Ft Tech Uk Ltd | Fluid flow measuring device and associated method |
DE102018113681A1 (en) * | 2018-06-08 | 2019-12-12 | Endress+Hauser Process Solutions (Deutschland) GmbH | Sensor and measuring device for measuring at least one process variable of a medium |
RU2769093C1 (en) * | 2021-01-25 | 2022-03-28 | Частное образовательное учреждение высшего образования "Московский Университет им. С.Ю. Витте" | Method and device for determining the mass flow rate of gas |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU223747U1 (en) * | 2023-12-07 | 2024-03-01 | Общество с ограниченной ответственностью "Алесинкс" | Device for determining the direction and speed of movement of gases and liquids |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US3719073A (en) | Mass flow meter | |
CN100383493C (en) | Vortex mass flow meter | |
US7469188B2 (en) | Method and flow meter for determining the flow rate of a multiphase fluid | |
US4423623A (en) | Microwave meter for fluid mixtures | |
US4048854A (en) | System for determining the ratio of oil to water in a metered fluid stream | |
US4010645A (en) | Density-responsive mass flow vortex type meter | |
US3251226A (en) | Apparatus for measuring mass flow and density | |
US8960016B2 (en) | Method and apparatus for measurement of composition and flow rates of a wet gas | |
US3776033A (en) | Vortex-type mass flowmeters | |
CN100414261C (en) | Device for determination and/or monitoring of the volumetric and/or mass flow of a medium | |
JPS6141923A (en) | Flowmeter | |
RU2804917C1 (en) | Velocity sensor | |
HUT73914A (en) | Ultrasonic flowmeter | |
CN112945326B (en) | Gas flow measuring device and method | |
RU2397479C1 (en) | Device for measuring volume ratio of liquid phase in stream of liquid-natural gas mixture | |
RU2386929C2 (en) | Measuring section of gas-liquid flow metre | |
Cascetta et al. | Field test of a swirlmeter for gas flow measurement | |
RU102109U1 (en) | FLOWMETER | |
RU2805029C1 (en) | Constant differential pressure flowmeter of rotameter type with remote transmission of flow rate | |
RU2665758C2 (en) | Device for measuring mass flow, molecular weight and humidity of gas | |
CN213812438U (en) | Differential pressure type wet gas flowmeter based on double resonance tubes | |
JP7238133B2 (en) | Planar vibration member, viscometer, and method of operating vibratory viscometer | |
RU2534450C1 (en) | Flow rate meter | |
RU2199731C1 (en) | Device for determination of oil product humidity in pipe line | |
RU2640122C1 (en) | Vortex acoustic flow transducer |