СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ПОТОКА ЖИДКОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК G01P5/08 G01F1/64 

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для измерения скорости потока токопроводящих и токонепроводящих жидкостей, в частности в нефтедобывающей отрасли при контроле работы нефтяных скважин.

Известны способ измерения скорости потока жидкости, включающий измерение взаимной корреляции комплексного сопротивления потока жидкости, и устройство измерения скорости потока жидкости, содержащее множество электродов, расположенных друг против друга и размещенных в потоке жидкости, при этом измеряется взаимная корреляция комплексного сопротивления между электродами и по полученным значениям определяется величина скорости потока [1].

Недостатками этих способа и устройства являются большая погрешность измерения скорости при слабой взаимной корреляции комплексного сопротивления или невозможность измерения скорости при равномерном однородном потоке, низкая чувствительность при измерении скоростей потоков, имеющих высокое комплексное сопротивление, и ограничение областей применения устройства из-за размещения электродов в сечении трубопровода, по которому течет поток жидкости. (Например, неизбежные дополнительные отложения парафина на электродах, размещенных в сечении трубопровода с нефтяным потоком, понижают надежность работы трубопровода).

Известны способ и устройство измерения скорости потока жидкости, включающие подачу между двумя изолированными от жидкости электродами электрического сигнала, создающего вокруг электродов пространственный заряд, который за счет потока жидкости смещается в направлении второго электрода и возбуждает в цепи электродов ток. По фазовому сдвигу между подаваемым сигналом и измеренным током определяется величина скорости потока [2].

Недостатками этих способа и устройства являются большая погрешность при измерении скорости неоднородных потоков жидкости, так как изменение долевого содержания составляющих потока за время измерения приводит к изменению измеренного тока, и ограничение областей применения устройства из-за размещения электродов в сечении трубопровода.

Известны способ и устройство измерения скорости потока токопроводящей жидкости, включающие создание перпендикулярного потоку электромагнитного поля, наводящего токи в жидкости, снимаемые с помощью двух электродов, размещенных в потоке жидкости в сечении, перпендикулярном потоку жидкости, и прямое измерение этих токов, пропорциональных скорости потока [3].

Недостатками этих способа и устройства являются большая погрешность при измерении скоростей неоднородных потоков токопроводящих жидкостей и непригодность для измерения скоростей токонепроводящих жидкостей из-за невозможности получения в них наведенных токов.

Наиболее близким к изобретению является способ измерения скорости (расхода) токопроводящей жидкости, заключающийся в том, что с помощью наведенных импульсных токов задают электрическую метку в поток токопроводящей жидкости, выявляют ее на определенном расстоянии от места задания метки по направлению потока и измеряют скорость потока жидкости по интервалу времени, прошедшему от момента задания метки до момента ее выявления [4].

Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство измерения скорости токопроводящих жидкостей, содержащее генератор импульсов (блок задания входных напряжений), катушку возбуждения (задающий электрод), расположенную на трубопроводе и соединенную с выходом генератора импульсов, измерительную катушку (приемный электрод), подключенную к входу усилителя, блок обработки информации, входы которого соединены с выходами генераторами и усилителя. Устройство измеряет временной сдвиг между импульсами с выхода генератора и с выхода усилителя, определяющий скорость потока жидкости [4].

Недостатком этих способа и устройства является невозможность их применения для определения скорости потока токонепроводящих и слаботокопроводящих жидкостей, так как из-за высокого активного сопротивления таких жидкостей наводимые токи будут очень малы.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является расширение функциональных возможностей путем измерения скорости потока как токопроводящих, так и токонепроводящих жидкостей.

Технический результат достигается тем, что в способе измерения скорости потока жидкости, включающем задание электрической метки в поток жидкости, выявление ее на определенном расстоянии от места задания метки по направлению потока, задают электрическую метку путем создания пространственного электрического заряда в течение интервала времени, равного или большего времени перемещения заряженной жидкости от задающего электрода до приемного при экспериментально полученной минимально возможной скорости потока жидкости, одновременно с прекращением его создания начинают интегрировать ток, возникший в цепи приемного электрода от перемещенного в область приемного электрода пространственного заряда, определяют временной момент изменения скорости интегрирования, происходящего при окончании прохождения пространственного заряда возле приемного электрода, измеряют время от начала интегрирования до этого момента, являющееся величиной, обратно пропорциональной мгновенной скорости потока, многократно повторяют весь цикл действий, усредняют полученные результаты измерений и определяют скорость потока за время измерения.

Технический результат достигается также тем, что в устройство измерения скорости потока жидкости, содержащее блок задания входных напряжений, задающий и приемный электроды и блок обработки информации, причем задающий электрод соединен с выходом блока задания входных напряжений, введены интегратор, дифференциатор и блок управления, причем интегрирующий вход интегратора соединен через разделительную цепочку с приемным электродом, вход дифференциатора соединен с выходом интегратора, вход блока управления подключен к выходу дифференциатора, первый выход блока управления соединен с входом блока задания входных напряжений, а второй выход подключен к управляющему входу интегратора и к входу блока обработки информации.

Технический результат достигается также тем, что устройство для измерения скорости потока жидкости дополнительно содержит первый и второй заземляющие электроды, соединенные с шиной земли, причем задающий и первый заземляющий электроды расположены в одной плоскости, перпендикулярной направлению потока, приемный и второй заземляющий электроды расположены в другой плоскости, параллельной первой и отстоящей от нее на расстоянии.

Технический результат достигается также тем, что блок задания входных напряжений содержит логический элемент НЕ и два ключа, входы которых соединены соответственно с источником напряжения и с шиной земли, выходы ключей объединены и являются выходом блока, управляющий вход первого ключа соединен с входом логического элемента НЕ и является входом блока, управляющий вход второго ключа соединен с выходом логического элемента НЕ.

На фиг. 1 приведен пример функциональной схемы устройства, реализующего способ; на фиг. 2 - пример выполнения блока задания входных напряжений; на фиг.3 - эквивалентная электрическая схема жидкости и входной цепи интегратора; на фиг.4 - временная диаграмма работы устройства; на фиг.5 - блок-схема алгоритма работы блока управления; на фиг.6 - блок-схема алгоритма работы блока обработки информации.

Рассматриваемое устройство для измерения скорости потока жидкости содержит блок 1 задания входных напряжений, задающий 2 и приемный 3 электроды, блок 4 обработки информации, интегратор 5, дифференциатор 6 и блок 7 управления. Выход 8 блока 1 задания входных напряжений соединен с задающим электродом 2, приемный электрод 3 подключен через разделительную RC-цепочку 9, содержащую резистор 10 и конденсатор 11, к интегрирующему входу интегратора 5, выход 12 которого соединен с входом дифференциатора 6, подключенного выходом 13 к входу блока 7 управления, первый выход которого соединен с входом блока 1 задания входных напряжений, а второй выход подключен к управляющему входу интегратора 5 и к входу блока 4 обработки информации.

Заземляющие электроды 14 и 15 соединены с шиной земли.

Блок 1 задания входных напряжений содержит логический элемент НЕ 16 и первый и второй ключи 17 и 18, входы которых соединены соответственно с источником напряжения и с шиной земли, выходы ключей 17 и 18 объединены и являются выходом 8 блока 1, управляющий вход ключа 17 соединен с входом логического элемента НЕ 16 и является входом блока 1, управляющий вход ключа 18 соединен с выходом логического элемента НЕ 16.

Реализацию способа рассмотрим на примере использования его для определения скорости потока жидкости, протекающей по трубопроводу, изготовленному из диэлектрического материала. В трубопроводе помещается задающий электрод 2, выполненный в виде металлического полукольца, расположенного на внутренней поверхности трубы в плоскости, перпендикулярной оси трубы. В этой же плоскости расположен первый заземляющий металлический электрод 14, образуя с задающим электродом 2 незамкнутое кольцо. В другой плоскости, параллельной первой и расположенной на расстоянии L от нее, помещается приемный 3 и второй заземляющий 15 электроды, выполненные также в виде двух полуколец.

К задающему электроду 2 прикладывается электрический потенциал. Под воздействием электрического поля в потоке жидкости создается пространственный электрический заряд (электрическая метка).

Представим эквивалентную схему жидкости с точки зрения воздействия на нее электрического поля в виде, показанном на фиг.3. При приложении к жидкости электрического поля через жидкость возникает прямой электрический ток, определяемый величиной активного сопротивления 19, обусловленного непосредственным переносом свободных заряженных йонов, и происходит заряд емкостной составляющей 20 и RC-цепочек с разными постоянными времени, определяемыми величинами емкостей 21₁ - 21_n и сопротивлений 22₁ - 22_n, где 20, 21₁ - 21_n - эквивалентные емкости, связанные с поляризацией молекул жидкости под воздействием электрического поля и отражающие затраты энергии на поляризацию жидкости; 22₁ - 22_n - эквивалентные сопротивления, определяющие совместно с емкостями 21₁ - 21_n RC-цепочки, соответствующие различным временам поляризации молекул жидкости. ЭДС 23, имеющая внутреннее сопротивление 24, обусловлена концентрацией йонов кислот, присутствующих в жидкости.

Заряженная жидкость переносится в направлении приемного электрода 3. Пространственный электрический заряд создают в течение интервала времени, большего времени перемещения заряженной жидкости от задающего 2 электрода до приемного 3 электрода при экспериментально полученной минимально возможной скорости потока жидкости.

При снятии электрического поля заряженные емкостная составляющая 20 и RC-цепочки, определяемые емкостями 21₁ - 21_n и сопротивлениями 22₁ - 22_n, начинают разряжаться на сопротивление 19 и через приемный электрод 3 (см. фиг. 3) на резистор 10 и эквивалентное входное сопротивление 25 интегратора 5, причем
I_{прием.эл-да} = I_r + I_rвхэкв.,
где I_{прием.эл-да} - электрический ток в цепи приемного 3 и второго заземляющего 15 электродов, возникший от перенесенного в область приемного 3 электрода пространственного заряда;
I_r - ток через резистор 10;
I_rвхэкв. - ток через эквивалентное входное сопротивление интегратора 5.

Одновременно со снятием электрического поля начинают интегрировать ток I_rвхэкв., определяют временной момент изменения скорости интегрирования, происходящего при окончании прохождения пространственного заряда возле приемного 3 электрода, измеряют время от начала интегрирования до этого момента, являющееся величиной обратно пропорциональной мгновенной скорости потока, многократно повторяют весь цикл действий, усредняют полученные результаты измерений и определяют скорость потока за время измерения.

Применяя в способе метод интегрирования, также как и создавая пространственный заряд длительным воздействием на поток жидкости электрического поля, обеспечивают высокую чувствительность способа к измеряемым малым токам.

Рассматриваемое в качестве примера устройство, реализующее способ, работает следующим образом.

В соответствии с алгоритмом работы блока 7 управления на его первом выходе формируется управляющий сигнал, который поступает на вход блока 1 задания входных напряжений, отключает через логический элемент НЕ 16 ключ 18 и включает ключ 17, в результате чего с выхода 8 блока 1 к задающему электроду 2 вместе земляного потенциала прикладывается напряжение U_вх.

Жидкость между задающим электродом 2 и первым заземляющим электродом 14 заряжается и переносится в направлении приемного электрода 3, в цепи которого возникает электрический ток I_{прием.эл-да}.

Разделительная RC-цепочка 9, образованная резистором 10 и конденсатором 11, исключает влияние источника ЭДС 23 на входную цепь интегратора 5.

Через интервал времени t1, равный или больший времени перемещения заряженной жидкости от задающего электрода 2 до приемного электрода 3, при экспериментально полученной минимально возможной скорости потока жидкости (t1 ≥ t заряда при V_мин) блок 7 управления снимает управляющий сигнал с первого выхода, в результате чего с выхода 8 блока 1 к задающему электроду 2 вместо напряжения U_вх прикладывается земляной потенциал.

Одновременно со снятием управляющего сигнала с первого выхода блок 7 управления вырабатывает на втором выходе сигнал пуска интегратора, который поступает на управляющий вход интегратора 5 и переводит его в режим пуска. Интегратор 5 начинает интегрировать входной ток I_rвхэкв.. Напряжение на выходе 12 интегратора 5 имеет вид, показанный на фиг.4.

Сигнал пуска интегратора со второго выхода блока 7 управления поступает также на вход блока 4 обработки информации. В соответствии с алгоритмом работы блока 4 с момента пуска интегратора начинается счет числа импульсов, который продолжается в течение всего интервала интегрирования T_инт.

По окончании прохождения пространственного заряда возле приемного электрода 3 ток во входной цепи интегратора 5 прекращается, скорость нарастания напряжения на выходе 12 интегратора 5 меняется (точка "а" на фиг. 4), в результате чего дифференциатор 6 вырабатывает на выходе 13 импульсный сигнал (фиг. 4) по времени, соответствующий моменту изменения скорости интегрирования. Этот импульсный сигнал поступает на вход блока 7 управления и снимает сигнал пуска интегратора 5 со второго выхода блока 7. В результате интегратор 5 начинает устанавливаться в режим исходного положения (ИП), а в блоке 4 сформирован и запомнен код, соответствующий подсчитанному числу импульсов, пропорциональному длительности сигнала пуска интегратора T_инт и обратно пропорциональному мгновенной скорости V потока.

Блок 7 сравнивает текущий номер измерения 1 с максимальным числом m измерений, по которому производится усреднение измеренной скорости потока. При i, не равном m, через интервал времени t_ип, необходимый для установления интегратора 5 в режим исходного положения, цикл действий повторяют в соответствии с алгоритмами, приведенными на фиг. 5 и 6, при этом коды 1/V, полученные от каждого измерения, суммируются. При достижении i = m выполняется операция деления m на сумму всех 1/V, в результате чего определяется средняя скорость потока жидкости за время измерения.

Блоки дифференциатора 6, управления 7 и обработки 4 информации могут быть реализованы как аппаратным способом, так и программно-аппаратным способом с использованием микроЭВМ.

Способ и устройство были проверены на экспериментальной лабораторной установке на потоке двухкомпонентной среды, содержащей нефть и воду. Испытания показали, что предложенное техническое решение обеспечивает измерение скорости потока жидкости.

Источники, принятые во внимание:
1. Европейский патент 0510774 A 2, кл. G 01 F 1/74, 1992.

2. Патент Германии DE 7130210 A1, кл. G 01 P 5/08, 1993.

3. Патент США 5018391, кл. G 01 F 1/60, (USCL. 73/86117), 1991.

4. Авт.cв. СССР 168906, кл. G 01 F, 1965.

Использование: в измерительной технике для измерения скорости потока токопроводящих и токонепроводящих жидкостей, в частности в нефтедобывающей отрасли при контроле работы нефтяных скважин. Сущность изобретения: в потоке жидкости создают пространственный электрический заряд в течение интервала времени, не меньшего времени перемещения жидкости от задающего электрода до приемного электрода, при минимально возможной скорости потока одновременно с прекращением создания пространственного заряда начинают интегрировать ток, возникший в цепи приемного электрода, определяют временной момент изменения скорости интегрирования, происходящего при окончании прохождения заряда возле приемного электрода, измеряют время от начала интегрирования до этого момента, являющееся величиной, обратно пропорциональной скорости потока, многократно повторяют весь цикл действий, усредняют полученные результаты измерений и определяют скорость потока за время измерения. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ измерения скорости потока жидкости, включающий задание электрической метки в поток жидкости, выявление ее на определенном расстоянии от места задания метки по направлению потока, отличающийся тем, что задают электрическую метку путем создания пространственного электрического заряда в течение интервала времени, равного или большего времени перемещения заряженной жидкости от задающего электрода до приемного при экспериментально полученной минимально возможной скорости потока жидкости, одновременно с прекращением его создания начинают интегрировать ток, возникший от цепи приемного электрода от перемещенного в область приемного электрода пространственного заряда, определяют временный момент изменения скорости интегрирования происходящего при окончании прохождения пространственного заряда возле приемного электрода, измеряют время от начала интегрирования до этого момента, являющееся величиной обратно пропорциональной мгновенной скорости потока, многократно повторяют весь цикл действий, усредняют полученные результаты измерений и определяют скорость потока за время измерения. 2. Устройство измерения скорости потока жидкости, содержащее блок задания входных напряжений, задающий и приемный электроды и блок обработки информации, причем задающий электрод соединен с выходом блока задания входных напряжений, отличающееся тем, что в него введены интегратор, дифференциатор и блок управления, причем интегрирующий вход интегратора соединен через разделительную цепочку с приемным электродом, вход дифференциатора соединен с выходом интегратора, вход блока управления подключен к выходу дифференциатора, первый выход блока управления соединен с входом блока задания входных напряжений, а второй выход подключен к управляющему входу интегратора и к входу блока обработки информации. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит первый и второй заземляющие электроды, соединенные с шиной земли, причем задающий и первый заземляющий электроды расположены в одной плоскости, перпендикулярной направлению потока, приемный и второй заземляющий электроды расположены в другой плоскости, параллельной первой и отстоящей от нее на расстоянии. 4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что блок задания входных напряжений содержит логический элемент НЕ и два ключа, входы которых соединены соответственно с источником напряжения и с шиной земли, выходы ключей объединены и являются выходом блока, управляющий вход первого ключа соединен с входом логического элемента НЕ и является входом блока, управляющий вход второго ключа соединен с выходом логического элемента НЕ.