СПОСОБ ТОМОГРАФИЧЕСКОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДВУМЕРНОГО ПРОФИЛЯ СКОРОСТИ ЖИДКОСТИ (ГАЗА) В СЕЧЕНИИ КАНАЛА ТРАНСПОРТИРОВКИ И ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ МОДУЛЬ ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2001 года по МПК G01P5/24 G01F1/66 

Изобретение относится к области методов измерения профиля скорости жидкости или газа, прокачиваемых через каналы транспортировки (трубопроводы).

Изобретение может найти применение как в нефтяной и газовой промышленности, так и в любых установках, содержащих каналы транспортирования жидкостей или газов.

Измерительный ультразвуковой модуль встраивается в трубопровод, представляя собой после этого часть трубопровода. Измерения в многоплоскостном измерительном модуле производятся в измерительных плоскостях, параллельных оси модуля и друг другу. Регистрируя разность времен пролета ультразвуковых импульсов в измерительных плоскостях в прямом и обратном направлениях, можно вычислить среднюю скорость, пропорциональную интегралу вдоль прямой линии (линии пересечения измерительной плоскости с поперечным сечением модуля) от двумерного распределения аксиальной компоненты вектора скорости жидкости или газа [1, 2]. Для радиально-симметричного распределения скоростей при достаточном количестве измерительных плоскостей реконструкция двумерного распределения скоростей сводится к преобразованию типа Абеля [3]. Однако для визуализации произвольного двумерного распределения скоростей такой исходной информации принципиально недостаточно. В то же время гидродинамическое моделирование жидких и газообразных потоков в трубопроводах, а также имеющиеся в наличии многочисленные экспериментальные данные указывают на существование широкого многообразия профилей вектора скорости возмущенных потоков, в частности, в непосредственной близости от участков, на которых изменяется геометрическая конфигурация канала транспортировки (сужение, расширение, изгиб канала, в том числе в нескольких плоскостях, разветвление канала и т. д.), а также в местах существования асимметричных гидравлических сопротивлений.

Для модельного представления профилей скорости возмущенных потоков иногда используют следующие типы функций, предложенных Салами [4]:
радиальная;
U=(1-r)^1/n+mr(1-r)^1/k, (1)
тригонометрическая:

Вариацией значений n, m, k и f(θ) в (1) и (2) можно поучить широкое многообразие пространственных вариаций профилей поля скоростей.

Известен способ определения двумерного распределения профиля скорости с помощью набора измерений в диаметральных измерительных плоскостях для разных ориентаций измерительной плоскости, сопоставления результатов измерений с набором двумерных распределений, предложенных Салами [4] и принимаемых в качестве стандартных, и последующего выбора из них распределения, дающего наилучшее соответствие с результатами измерений [5] (прототип для способа). Такое определение двумерного распределения скоростей заведомо некорректно, если ни одно распределение Салами не близко к реальному профилю скоростей.

За основу для устройства, реализующего предлагаемый способ, берется многоплоскостной измерительный модуль, содержащий приемно-излучающие элементы, вмонтированные в стенки модуля и предназначенные для генерации и регистрации ультразвуковых импульсов, распространяющихся в измерительных плоскостях, параллельных оси измерительного модуля и друг другу. При этом каждой измерительной плоскости соответствует отдельная пара ультразвуковых приемно-излучательных элементов (датчиков) [6] (прототип для устройства). Прототип служит только для определения суммарного расхода и не обеспечивает получения исходных данных для полной реконструкции реального двумерного профиля скорости жидкости (газа).

Цель изобретения - определение реального двумерного профиля скорости жидкости (газа) в сечении канала транспортировки на основе получения достаточного количества исходной информации для томографической реконструкции произвольной двумерной функции распределения скоростей жидкости (газа).

Цель достигается тем, что исходные данные получают ультразвуковым времяпролетным методом последовательно для наборов измерительных плоскостей, параллельных оси модуля и друг другу, причем каждый набор таких плоскостей отличается от остальных наборов ориентацией относительно потока жидкости (газа), а многоплоскостной измерительный модуль, реализующий способ получения исходных данных, выполняется в виде, допускающем вращение модуля относительно его продольной центральной оси, что обеспечивается применением в его конструкции соответствующей системы вращения модуля. Полученные исходные данные используются для реконструкции и визуализации двумерного распределения профиля скорости транспортируемой жидкости (газа) путем вычисления обратного преобразования Радона или иным известным томографическим алгоритмом реконструкции. После этого могут быть рассчитаны любые характеристики, зависящие от двумерного распределения профиля скорости транспортируемой жидкости (газа), в частности, расход - количество жидкости (газа), протекающего в единицу времени по каналу транспортировки.

Для многоплоскостных ультразвуковых времяпролетных измерений приближенно с точностью до малых порядка

где С - скорость звука в неподвижной среде, L - рассеяние между ультразвуковыми нриемно-излучательными элементами, Δt - разность времен прохождения ультразвукового импульса от датчика A₁ до датчика А₂ в прямом и обратном направлениях, и - средняя скорость потока в измерительной плоскости с расстоянием ξ от оси трубы с радиусом R:

При этом возможен как отражательный режим, когда датчики находятся с одной стороны трубы, а отражательная площадка находится на другой стороне трубы, так и трансмиссионный режим, когда датчики находятся по разные стороны трубы.

Вращение модуля вокруг его продольной оси обеспечивает получение аналогичных наборов измерений для различных ориентаций модуля относительно потока жидкости (газа). При этом результаты измерений будут представлять собой так называемые параллельные проекции в обычной томографической схеме (преобразование Радона ) [7, 8]:

где (x, y) - координаты в неподвижной системе координат, (ξ,ζ) - координаты во вращающейся системе координат, θ - угол поворота вращающейся системы координат относительно неподвижной системы координат, - преобразование Радона. Тогда восстановление произвольною двумерного распределения скоростей будет сводиться к выполнению известными методами [7,8] обратного преобразования Радона

Пример расчета с использованием преобразования Радона. Пусть распределение скоростей в сечении трубопровода будет постоянным где η(•) - функция Хевисайда. Тогда ν_z(ξ) = ν₀η(R-|ξ|) и Воспользуемся методом ро-фильтрации нахождения обратного преобразования Радона. Суммарное изображение

определится как

где K(•) и E(•) - полные нормальные эллиптические интегралы в форме Лежандра первого и второго родов соответственно. Так как

то восстановленное распределение профиля скорости будет равно

где - прямое и обратное двумерное преобразование Фурье, соответственно, а ρ - полярный радиус в двумерном фурье-пространстве.

Графические изображения
На фиг. 1 показана схема ультразвуковых времяпролетных измерений с отражательной площадкой (а) и без отражательной площадки (б): А₁ВА₂ - основная измерительная плоскость, А₁, А₂ - датчики, В - отражательная площадка.

На фиг. 2 показана схема ультразвуковых времяпролетных измерений в диаметральной основной измерительной плоскости А₁ВА₂ (A₁, А₂ - датчики, В - отражательная площадка).

На фиг. 3 показана схема мпогоплоскостных ультразвуковых времяпролетных измерений (показаны только две измерительные плоскости - диаметральная и измерительная плоскость А_1nВ_nА_2n, А_1n, А_2n - датчики, В_n - отражательная площадка).

На фиг. 4 приведены примеры моделирования профиля скорости для различных типов возмущающих воздействий в канале [5]: профили Р10 и Р18 соответствуют условиям процессов циркулярного обмена; профиль Р12 подобен профилю скорости течения после изгиба канала транспортировки.

На фиг. 5 показана схема многоплоскостных ультразвуковых времяпролетных измерений в сечении модуля (Р_1,. Р_2,. Р_3,. Р_4,. P₅ - измерительные плоскости).

На фиг. 6 показана схема томографических ультразвуковых времяпролетных измерений в сечении измерительного модуля для различных углов поворота измерительного модуля: а) θ₁ = 45^°; б) θ₂ = 90^°; в) θ₃ = 135^°; г) θ₄ = 180^°.
На фиг. 7 показана схема томографических ультразвуковых времяпролетных измерений (1 - трубопровод; 2 - измерительный модуль; 3 - система вращения модуля; 4 - система управления вращением модуля; 5 - система регистрации и обработки измерений).

Предлагаемый способ реализуется с помощью встраиваемого в трубопровод измерительного модуля, содержащего несколько пар вмонтированных в стенки измерительного модуля приемно-излучательных элементов (в отражательном режиме вместе с отражательными площадками), формирующих измерительные плоскости, и снабженного системой вращения модуля вокруг его продольной оси, а также системой управления вращением и системой регистрации и обработки измеренных данных. Каждая пара приемно-излучательных элементов генерирует и регистрирует два ультразвуковых импульса в прямом и обратном направлениях. По совокупности разностей времен распространения при одном угловом положении модуля формируются проекция p(ξ_i,θ₁), i = 1,2,..,n, соответствующая одному значению угла поворота модуля θ₁ (n - количество измерительных плоскостей). Затем система вращения модуля поворачивает модуль, и формируется проекция p(ξ_i,θ₂), i = 1,2,..,n, соответствующая другому значению угла поворота модуля θ₂ . Такие повороты продолжаются до полного набора необходимых проекций. После этого вычисляется обратное преобразование Радона или используется другой известный алгоритм томографической реконструкции, результатом которого является реальное двумерное распределение скоростей в сечении модуля.

Данное изобретение может найти применение в промышленных условиях, так как позволяет реконструировать произвольное двумерное распределение скоростей в сечении модуля.

Источники информации
1. Рычагов М.Н. Ультразвуковые измерения потоков в многоплоскостных измерительных модулях // Акустический журнал. 1998. - Т. 44, N 6.- С. 829-836.

2. Lynnworth L.С. Ultrasonic measurements for process control: Theory, techniques, applications. New York, Academic, 1995.

3. Rychagov M. , Tereshchenko S. Multipath flowrate measurements of symmetric and asymmetric flows // Inverse Problems, 2000, vol. 16, p.495-504.

4. Salami L.A. Application of a computer to asymmetric flow measurements in circular pipes/ Trans Inst MC, 1984, vol.6, N 4, p. 197-206.

5. Патент РФ 2142642, MПК: G 01 P 5/00, G 01 F 1/66 - прототип для способа.

6. Патент США 4646575, MПК: G 01 F 1/66, НПК: 073.861.31 - прототип для устройства.

7. Хермен Г. Восстановление изображений по проекциям: Основы реконструктивной томографии/ Пер. с англ. М.: Мир, 1983, 352 с.

8. Наттерер Ф. Математические аспекты компьютерной томографии/ Пер. с англ.: М.: Мир, 1990. - 288 с.

Изобретение может найти применение как в нефтяной и газовой промышленности, так и в любых установках, содержащих каналы транспортирования жидкостей или газов. Способ реализуется с помощью встраиваемого в трубопровод измерительного модуля, содержащего несколько пар вмонтированных в стенки измерительного модуля приемно-излучательных элементов, формирующих измерительные плоскости, и снабженного системой вращения модуля вокруг его продольной оси, а также системой управления вращением и системой регистрации и обработки измерительных данных. По совокупности разностей времен распространения при одном угловом положении модуля формируется проекция, соответствующая одному значению угла поворота модуля. Затем система вращения модуля поворачивает модуль, и формируется проекция, соответствующая другому значению угла поворота модуля. Такие повороты продолжаются до полного набора необходимых проекций. После этого вычисляется обратное преобразование Радона или используется другой известный алгоритм томографической реконструкции. Обеспечивается получение достаточного количества исходной информации для томографической реконструкции произвольного двумерного распределения скоростей. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ томографического определения двумерного профиля скорости жидкости (газа) в сечении канала транспортировки, включающий измерение времени пролета ультразвуковых импульсов в измерительных плоскостях, отличающийся тем, что измерения выполняются последовательно для сформированных в измерительном модуле наборов измерительных плоскостей, параллельных оси модуля и друг другу, при этом изменяют угловую ориентацию наборов измерительных плоскостей относительно потока жидкости (газа) и производят реконструкцию и визуализацию двумерного распределения профиля скорости транспортируемых жидкости (газа) путем применения томографического алгоритма реконструкции. 2. Способ томографического определения двумерного профиля скорости жидкости (газа) в сечении канала транспортировки по п.1, отличающийся тем, что измерительные плоскости в каждом наборе расположены эквидистантно, а поворот наборов измерительных плоскостей относительно потока жидкости (газа) производят последовательно на равные углы. 3. Способ томографического определения двумерного профиля скорости жидкости (газа) в сечении канала транспортировки по п.2, отличающийся тем, что реконструкция производится путем вычисления обратного преобразования Радона. 4. Измерительный модуль томографического определения двумерного профиля скорости жидкости (газа) в сечении канала транспортировки, содержащий встраиваемый в канал транспортировки корпус с вмонтированными в его стенки несколькими парами ультразвуковых приемно-излучательных элементов, формирующими измерительные плоскости, отличающийся тем, что модуль снабжен системой вращения модуля вокруг его продольной оси и системами управления вращением, регистрации и обработки измеренных данных.