УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ХАРАКТЕРИСТИК ГАЗОВОГО ПОТОКА В ТРУБОПРОВОДЕ Российский патент 1999 года по МПК E21B43/00 G01P5/20 

Изобретение относится к области газовой промышленности и может быть использовано для измерения расхода фаз газожидкостной смеси без сепарации потока.

Известно устройство для измерения скорости газа в трубопроводе время-пролетным методом, в котором два световых луча, прошедших в направлении потока газа, попадают на фотоэлектрические приемники, сигналы от которых поступают на коррелятор [1].

Известно также устройство для контроля характеристик газового потока, содержаее лазерный источник света, делитель луча, две линзовые системы, оптическое приемное устройство и обрабатывающее устройство [2].

Известен способ измерения скоростей частиц различного размера в полидисперсном потоке путем создания в потоке двумя лучами базы измерения и регистрации двумя фотоприемниками моментов пролета частицами границ этой базы [3].

Недостатком данных устройств и способа является невозможность измерения концентрации жидкости и твердых частиц в газовом потоке.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей за счет обеспечения получения информации о скорости, размерах и количестве частиц в газожидкостном потоке, а также снижение техногенной нагрузки на окружающую среду.

Указанная цель достигается тем, что устройство для контроля характеристик газового потока в трубопроводе, включающее лазерный источник света, передающий объектив, состоящий из делителя луча и линзовых систем, приемный объектив и блок обработки сигналов, снабжено защитным окном, выполненным из прозрачного материала, например кварцевого стекла, в блок обработки введены узлы регистрации длительностей импульсов рассеянного света первого и второго счетных объемов и узел регистрации интенсивности импульсов рассеянного света, которые соединены с узлом регистрации задержки между импульсами рассеянного света первого и второго счетных объемов, а сам блок обработки подключен к измерителю, а в способе для контроля характеристик газового потока в трубопроводе, включающем измерение скоростей частиц различного размера двумя лучами, формирующими в газовом потоке два счетных объема, расстояние между которыми составляет базу измерения, и регистрации двумя фотоприемниками моментов пролета частицами границ счетных объемов, производят измерение длительностей импульсов и интенсивности рассеянного частицами света, регистрируют количество частиц в газовом потоке и определяют концентрацию жидкости и твердых частиц по формуле

d_i = v_it_p - h, v_i = L/t₃,
где W - объемная концентрация жидкости или твердых частиц, в зависимости от интенсивности импульса рассеянного частицей света отнесенного к квадрату диаметра частицы; Q - объемный расход газа; τ - время измерений; R - диаметр трубопровода; S_co - площадь поперечного сечения одного из счетных объемов, сформированных лучами; N - количество частиц, зарегистрированных за время τ ; d_i - диаметр частицы; v_i - скорость частицы; t_p - длительность импульса рассеянного частицей света; h - ширина луча в измерительной зоне; L - база измерения; t₃ - время прохождения частицей базы измерения, а также производят расчет расхода газа в трубопроводе по формуле

где r - расстояние от оси трубопровода до счетного объема; k_v - коэффициент, определяемый экспериментально.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для контроля характеристик газового потока в трубопроводе.

Устройство для контроля характеристик газового потока в трубопроводе размещается и закрепляется на трубопроводе 1 и включает лазерный источник света 2, передающий объектив 3, приемный объектив 4, фотоприемники 5 и 6, блок обработки сигналов 7, включающий усилители 8 и 9, узлы регистрации длительностей импульсов рассеянного света первого и второго счетного объемов 10 и 11, узел регистрации задержки между импульсами рассеянного света первого и второго счетных объемов 12, узел регистрации интенсивности импульсов рассеянного света 13, измеритель 14, защитное окно 15, выполненное из прозрачного материала, например кварцевого стекла.

Контроль характеристик газового потока осуществляется следующим образом. Непрерывное излучение лазерного источника света 2 фокусируется с помощью передающего объектива 3 в виде двух лучей через защитное окно 15 внутри потока газа. Приемный объектив 4 передает изображение перетяжек на чувствительные площадки фотоприемников 5 и 6, вследствие чего в потоке газа формируются два счетных объема CO1 и CO2. При прохождении частицы через счетные объемы формируются последовательно два импульса рассеянного излучения, которые через защитное окно 15 и приемный объектив 4 поступают на фотоприемники 5, 6 и преобразуются в импульсы тока. В блоке обработки сигналов 7 усилители 8, 9 и узлы регистрации длительности импульсов рассеянного света 10, 11 преобразует импульсы тока в нормированные по амплитуде импульсы напряжения, длительности которых определяются выражением:
t_p1 ≅ t_p2 = (d_i+h)/v_i,
где t_p1, t_p2 - длительность импульсов рассеянного света; h - ширина луча в измерительной зоне; d_i - диаметр частицы; v_i - скорость движения частицы в потоке.

Оптическая ось схемы передачи рассеянного излучения на фотоприемники расположена под углом 30 - 90^o к оптической оси схемы формирования счетного объема. Обе оптические оси нормальны к направлению движения частиц в газовом потоке.

Узел регистрации задержки 12 фиксирует задержку t₃ между импульсами t_p1 и t_p2, по которой определяют локальную скорость газового потока:
v_i = L/t₃,
где L - база измерения, равная расстоянию между счетными объемами CO1 и CO2.

Узел регистрации интенсивности импульсов рассеянного света 13 формирует импульс напряжения амплитудой U_а, по которой определяют материал частицы.

Таким образом регистрируются мгновенные значения скорости и размеров частиц, пересекающих счетные объемы CO1 и CO2. Наличие турбулентных пульсаций газа приводит к разбросу скоростей частиц по величине и направлению относительно скорости газа. Поэтому необходима статистическая обработка результатов измерений, которую осуществляет измеритель, изготовленный, например, на базе микрокомпьютера семейства "Micro PC". Выходные сигналы узлов 10, 11, 12, 13 поступают на измеритель 14 и обрабатываются по заданной программе с целью определения характеристик газового потока: расхода газа и концентрации жидкости и твердых частиц в газовом потоке.

Предлагаемое устройство и способ обеспечивают полную автоматизацию контроля характеристик газового потока, высокую информативность: одновременное и качественное измерение расхода газа и концентрации жидкости и твердых частиц, а также позволяет исследовать структуру газового потока. Кроме того, устройство имеет малые габариты и вес, а предлагаемый способ контроля не требует выпуска газа в атмосферу, что позволяет сберечь запас природного газа и существенно снизить техногенную нагрузку на окружающую среду.

Источники информации:
1. З. N 2365802 МКИ² G 01 P 5/20, пр. 14.09.77 FR, опубл. 26.05.78, конв. пр. 28.09.76. З. N 2643616 DE.

2. З. N 3631900 МКИ⁴ G 01 P 5/20, 13/00, 3/36, пр. 19.09.86 DE, опубл. 07.04.88.

3. А.с. N 901910 МКИ³ G 01 P 5/18 SU, опубл. 30.01.82.

Изобретение относится к газовой промышленности и может быть использовано для измерения расхода фаз газожидкостной смеси без сепарации потока. Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей за счет обеспечения получения информации о скорости, размерах и количестве частиц в газожидкостном потоке, а также снижение техногенной нагрузки на окружающую среду. Устройство включает лазерный источник света, передающий объектив, состоящий из делителя луча и линзовых систем, приемный объектив и блок обработки сигналов. Дополнительно снабжено защитным окном, выполненным из прозрачного материала, например кварцевого стекла. В блок обработки введены узлы регистрации длительностей импульсов рассеянного света первого и второго счетных объемов и узел регистрации интенсивности импульсов рассеянного света, которые соединены с узлом регистрации задержки между импульсами рассеянного света первого и второго счетных объемов. При этом блок обработки подключен к измерителю. Для осуществления способа измеряют скорости частиц различного размера двумя лучами, формирующими в газовом потоке два счетных объема, расстояние между которыми составляет базу измерения. Затем регистрируют двумя фотоприемниками моменты пролета частицами границ счетных объемов, измеряют длительности импульсов и интенсивности рассеянного частицами света и регистрируют количество частиц в газовом потоке. Концентрацию жидкости и твердых частиц определяют по приведенному математическому выражению. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для контроля характеристик газового потока в трубопроводе, включающее лазерный источник света, передающий объектив, состоящий из делителя луча и линзовых систем, приемный объектив и блок обработки сигналов, отличающееся тем, что оно снабжено защитным окном, выполненным из прозрачного материала, например кварцевого стекла, в блок обработки введены узлы регистрации длительностей импульсов рассеянного света первого и второго счетных объемов и узел регистрации интенсивности импульсов рассеянного света, которые соединены с узлом регистрации задержки между импульсами рассеянного света первого и второго счетных объемов, а сам блок обработки подключен к измерителю. 2. Способ контроля характеристик газового потока в трубопроводе, включающий измерение скоростей частиц различного размера двумя лучами, формирующими в газовом потоке два счетных объема, расстояние между которыми составляет базу измерения, и регистрацию двумя фотоприемниками моментов пролета частицами границ счетных объемов, отличающийся тем, что производят измерение длительностей импульсов и интенсивности рассеянного частицами света, регистрируют количество частиц в газовом потоке и определяют концентрацию жидкости и твердых частиц по формуле

d_i = V_i t_p - h, V_i = L/t_з,
где W - объемная концентрация жидкости или твердых частиц, в зависимости от интенсивности импульса рассеянного частицей света, отнесенного к квадрату диаметра частицы;
Q - объемный расход газа;
τ - время измерений;
R - диаметр трубопровода;
S_co - площадь поперечного сечения одного из счетных объемов, сформированных лучами;
N - количество частиц, зарегистрированных за время τ;
d_i - диаметр частицы;
V_i - скорость частицы;
t_p - длительность импульса рассеянного частицей света;
h - ширина луча в измерительной зоне;
L - база измерения;
t_з - время прохождения частицей базы измерения,
а также производят расчет расхода газа в трубопроводе по формуле

где r - расстояние от оси трубопровода до счетного объема;
k_v - коэффициент, определяемый экспериментально.