СХЕМА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПО ФАЗАМ В МНОГОФАЗОВЫХ СРЕДАХ, СОДЕРЖАЩИХ, ПО МЕНЬШЕЙ МЕРЕ, ОДНУ ВЫСОКОПРОВОДИМУЮ ФАЗУ Российский патент 2017 года по МПК G01N27/22 

Техническая область.

[0001] Настоящее изобретение касается схемы для определения распределения по фазам в многофазовых средах, содержащих газообразные и жидкие компоненты при наличии высокопроводимой фазы. Под высокопроводимой фазой понимаются далее среды с высокой проводимостью, например соленая вода или жидкие металлы.

[0002] Областью применения заявленного изобретения является, например, определение распределения жидкости и уровня наполнения жидкости в емкостях, а также исследование многофазовых жидких и газовых потоков, в частности, в трубопроводах, например, при добыче нефти и ее обработке.

Уровень техники.

[0003] Для исследования двухфазовых потоков или распределения жидкости в трубопроводах и емкостях применяются часто решетчатые сенсорные датчики. В патентах US 4363 A, US 5210499 А и DE 19649011 С2 описываются схемы, с помощью которых может измеряться электрическая проводимость в пределах замеряемого сечения с помощью решетчатой электрической схемы и приданной электроники. В таких схемах проволочные электроды возбуждаемой электродной плоской решетки, которые находятся в электрическом контакте со средой, возбуждаются последовательно электрическим сигналом. На проволочные электроды приемной плоской электродной решетки, расположенной параллельно на небольшом расстоянии от них и закрученной под углом в плоскости, подается сигнал тока. Благодаря этому могут эти схемы определять проводимость между обеими плоскостями в точках проектируемых электродов (далее обозначаются как «точки пересечения») при очень высокой частоте измерений.

[0004] Для двухфазового потока с одной обязательно проводимой фазой, например, смесь воды и газа, может определяться распределение по фазам в поперечном сечении потока путем измерения распределения проводимости. Различие фаз для аналогично хорошо или плохо проводимых фаз или компонентов потока не может определяться непосредственно с помощью таких схем.

[0005] В патенте DE 102007019926 В4 описан решетчатый сенсорный датчик, который в результате комплексного измерения полной электрической проводимости измеряемой плоскости может также различать между собой непроводимые компоненты в измеряемой плоскости и определять их составные части.

[0006] В патенте DE 10136458 А1 предлагается использовать канал для измерения проводимости однородной жидкости. Применение для определения проводимости смешанных жидкостей не предусмотрено. Тем самым возможно использование только в установках Батша, когда различные не смешанные между собой жидкости протекают последовательно друг за другом.

[0007] В патенте DE 102006019178 А1 описывается решетчатый сенсорный датчик, в котором используются измерения непроводящих компонентов путем определения комплексных величин полной электрической проводимости.

[0008] В патенте DE 102005019739 В3 описывается решетчатый сенсорный датчик, который может применяться при переменных температурах и давлениях, в котором проволоки в плоскости электродов крепятся не неподвижно, но таким образом в теле сенсорного датчика, что они могут растягиваться при изменениях температуры и/или давления.

[0009] Известные до настоящего времени предложения по решению этой проблемы не могли применяться для сред с высокой проводимостью, так как в подобных случаях проводимость, по крайней мере, одного компонента потока находилась на уровне проводимости проволок сенсора. В результате этого замыкаются все смоченные средой проволоки и тем самым не могут считываться отдельные точки пересечения независимо друг от друга.

[0010] Альтернативой для определения полного распределения по фазам в одной плоскости измерения является рентгеновская томография. Многие различные рентгеновские цепи должны в этом случае реконструироваться с дополнительными затратами. Рентгеновская томография имеет то преимущество, что она подключается к процессу без труда, так как она может быть расположена за пределами протекания процесса, но требует больших затрат для защиты сотрудника от облучения и поэтому часто ее применение отклоняется в промышленности.

Описание изобретения.

Техническая задача.

[0011] Задача заявленного изобретения состоит в том, чтобы создать схему для быстрого определения распределения по фазам или компонентам в сечении потока, состоящего из смеси веществ как с непроводимыми компонентами, например нефть или газ, так и с высокопроводимыми компонентами, например соленая вода. Под быстрыми измерениями понимаются измерения с дискретным временем различения менее 1 мс, предпочтительно примерно 100 мкс или менее.

Решение технической задачи.

[0012] Поставленная задача решается с помощью схемы согласно п. 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты конструктивного исполнения описываются в зависимых пунктах формулы изобретения.

[0013] Измерение распределения по фазам происходит с использованием свойств, которые различают различные фазы. Поскольку многофазовые помехи не являются транспарентными, то использование света, как правило, невозможно, за исключением точечных замеров игольчатыми зондами, выполняемых для локальной идентификации пузырьков.

[0014] Заявленная схема (Фиг. 1) включает решетчатый сенсорный датчик (1) с, по крайней мере, тремя расположенными на небольшом расстоянии друг от друга электродными плоскостями и приданной измерительной электроникой (2). Решетчатый сенсорный датчик имеет три плоскости проволочных электродов, которые обозначены как электроды излучения (3а), электроды-приемники (3b), а также электроды заземления (3c) и которые располагаются внутри каждой плоскости на небольшом расстоянии друг от друга и параллельно. Каждая плоскость выполняет тем самым точно одну задачу.

[0015] Электроды различных плоскостей ориентированы таким образом относительно друг друга, что они развернуты под углом относительно друг друга, так что образуются точки пересечения между плоскостями электродов излучения и электродами-приемниками. Преимущественно этот разворот является прямоугольным. Измеряется электрическая емкость (или электрическая проницаемость) среды между электродами излучения (3а) и электродами-приемниками (3b) в одной единственной точке пересечения (4) электродной решетки. При этом (Фиг. 2) электроды излучения (3а) и электроды-приемники (3b) покрываются электрически изоляционным слоем (5), который позволяет получить гальваническое разделение среды, в то время как заземляющие проволоки (3c) остаются чистыми, чтобы замкнуть всю жидкость на массу.

[0016] Для измерения электрической емкости (или проницаемости) (Фиг. 2) среды в единственном пункте пересечения (4) возбуждается соответствующий электрод излучения (3а) с помощью частотного генератора (6) током переменного напряжения, в то время как другие электроды излучения включаются на массу. Одновременно на всех электродах-приемниках (3b) принимается параллельно функция моментального ответа, протекающего в точке пересечения (4) исследуемой среды емкостного тока смещения с помощью преобразователя напряжения тока, подсоединенного к электродам-приемникам, и преобразуется в эквивалентный сигнал напряжения. В качестве переменного тока используются преимущественно прямоугольные и трапецеидальные переменные напряжения, потому что тем самым могут наилучшим образом оцениваться результаты измерения.

[0017] Моментальный ответ (Фиг. 3) системы на фронте сигнала возбуждения зависит от усиления широкополосного продукта преобразователя напряжения тока (7), сопротивления обратной связи, а также электрической проницаемости среды в точке пересечения (4). При соблюдении постоянными условий усиления и геометрии может тем самым моментальный ответ на проницаемость появляться в точке пересечения. Для этого оцифровывается во время одного или нескольких определенных моментов времени t_samp после проследования фронта аналого-цифрового преобразователя (8) выходное напряжение преобразователя напряжения тока (7) и принимается электроникой. Для синхронизации по времени импульса возбуждения и аналого-цифрового преобразователя предназначается блок управления (9), например микроконтроллер.

Преимущества изобретения.

[0018] Новым в заявленном изобретении является возможность быстрого двухмерного измерения распределения непроводимых, проводимых и/или высокопроводимых компонентов в поперечном сечении многофазового потока, что позволяет выполнить измерение частей фаз и распределения по фазам в соленой воде, в смеси газа и нефти.

Область применения изобретения.

[0019] В промышленных установках существуют часто потоки, состоящие из более чем одной фазы, как, например, в нефтяной промышленности, где могут появляться потоки из нефти, газа, воды и песка, в установках химической промышленности, где выполняются процессы смешения и разделения, или в сталелитейной промышленности (жидкая сталь/шлаки/воздух). Для того чтобы иметь возможность изучить или проверить смешивание или же разделение различных фаз, эти фазы должны быть замерены и определены.

[0020] Относительная проницаемость отличается, как правило, между различными средами и тем самым между фазами смешанного потока. Принцип измерения решетчатых сенсорных датчиков использует эти физические свойства, чтобы генерировать двухмерные изображения распределения фаз в плоскости измерения с высокой пространственной и временной разрешимостью. Этот метод использовался сначала для квази DC-возбуждения при измерении газов в проводимых средах. Для непроводимых сред может определяться диэлектрическая константа путем АС-возбуждения и измерения распределения по фазам и затухания амплитуды.

[0021] В средах с очень низким сопротивлением, то есть с высокой проводимостью, проводимость которых находится в области электродов в сенсорной решетке (как, например, соленая вода), измерения искажаются в результате квази короткого замыкания всех проволок, находящихся в контакте с высокопроводимой средой, если не используются какие-либо средства заземления. Решетчатый сенсор со средством заземления решает эту проблему путем полного заземления поперечного сечения жидкости и изоляции проволок излучения и проволок-приемников.

[0022] Многие случаи использования многофазовых потоков содержат высокопроводимые жидкости. При транспортировке нефти в ней часто находится соль (соленая вода) вместе с нефтью, которые транспортируются вместе. Распределение по фазам в трубопроводе с нефтью и соленой водой не может вследствие этого определяться с помощью известного решетчатого сенсорного датчика, измеряющего проводимость или же емкость. Заявленная схема, напротив, позволяет осуществлять измерение распределения по фазам в таких случаях.

Примеры выполнения.

[0023] Примеры выполнения изобретения описываются со ссылкой на чертежи.

[0024] Чертежи Фиг. 1, Фиг. 2 показывают схематически в качестве примера конструктивного выполнения схемы решетчатых сенсорных датчиков с 4 электродами излучения, 4 электродами-приемниками и 4 электродами заземления и одной круглой геометрической фигурой. Решетчатые сенсорные датчики могут также быть построены в виде других геометрических фигур, например прямоугольного поперечного сечения. Далее количество электродов теоретически может быть также любым.

[0025] Фиг. 1 изображает схематически решетчатый сенсорный датчик (1) с тремя плоскостями электродов и приданную им измерительную электронику (2). Решетчатый сенсор имеет по четыре металлических проволоки на каждую плоскость (3а - электроды излучения, 3b - электроды-приемники, 3c - электроды заземления), которые изолированы друг от друга электрически и получают напряжение через поперечное сечение сенсорного датчика. Крепление проводов на корпусе сенсорного датчика выполняется таким образом, что каждый электрод излучения и электрод-приемник полностью изолированы электрически от других электродов, а также от корпуса.

[0026] Измерительная электроника (Фиг. 2) состоит со стороны входа из прямоугольного генератора (6), мультиплексора (10) и одного блока управления (9). Отдельные электроды излучения (3а) в плоскости излучения сенсорного датчика имеют электрический контакт с выходами мультиплексора (10). Со стороны приема соединяется каждый из электродов приемников (3b) в плоскости приемника с преобразователем электрического напряжения (7). К преобразователю электрического напряжения (7) подсоединяются аналого-цифровые преобразователи (8) для обозначения моментального ответа, которые с помощью блока управления (9) принимают синхронно в определенный момент времени t_samp после успешного фронтального возбуждения актуальную величину изменения напряжения на преобразователе электрического напряжения (7).

[0027] Схема измерения изображенного схематически на Фиг. 1 и Фиг. 2 сенсорного датчика работает следующим образом.

Через блок управления или микропроцессор (9), предназначенный для управления схемой, подается прямоугольный или трапецеидальный сигнал напряжения генератора частоты (6) последовательно на отдельные электроды излучения (3а) по мультиплексору (10). Мультиплексор (10) выполнен таким образом, что прямоугольное или трапецеидальное напряжение получает только один электрод излучения (3a), в то время как другие электроды излучения имеют нулевой потенциал. По соответственно активированному электроду излучения протекает в виртуальных точках пересечения (4) проволочных электродов емкостный ток смещения к электродам-приемникам (3b), соединенным с виртуальной массой. Появление потока тока DC на электродах излучения (3а) и электродах-приемниках (3b) исключается благодаря изоляционному покрытию (5) (например, изоляционный лак или изоляционная оболочка). После появления скачкообразного напряжения на электроде излучения (3a) ток протекает по электроду-приемнику (3b) в качестве емкостного тока смещения к электроду излучения (3а) как ток возбуждения по экспотенциальной функции

I(t)=-U₀/R_v⋅e^t/τ

при

τ=R_v⋅C

[0028] при этом U₀ означает амплитуду напряжения возбуждения, R_v означает сопротивление (сумма сопротивления проводов и сопротивления проволоки) и С означает емкость в точке пересечения. Емкость С зависит со своей стороны от электрической проницаемости в точке пересечения , так как геометрия вертикальной точки пересечения может приниматься как постоянная.

[0029] Тем самым действительным является уравнение:

[0030] Поскольку электрический ток, проходящий через преобразователь напряжения тока (7), преобразуется линейно в эквивалентное напряжение, может замеренное напряжение рассматриваться как косвенно пропорциональное к диэлектрической константе среды в точке пересечения. Преимущество экспоненциальной зависимости состоит в том, что даже небольшие изменения, например воздуха и нефти , должны хорошо различаться между собой, даже в присутствии воды без перехода в динамическую зону. Предлагаемая схема оказывается также в состоянии определять относительную проницаемость . Для специалиста очевидно, что требуется калибровка с известной средой, как вода или воздух. По результатам калибровки определяется геометрический фактор. Следовательно, может тем самым по результатам измерений определяться относительная проницаемость .

Перечень ссылочных номеров.

1 - решетчатый сенсорный датчик

2 - измерительная электроника

3a - электроды излучения - обозначены пунктирной линией на Фиг. 1 или Фиг. 2

3b - электроды-приемники - обозначены штриховой линией на Фиг. 1 или Фиг. 2

3c - электроды заземления

4 - точка пересечения

5 - изоляционный слой

6 - генератор частоты

7 - преобразователь напряжения тока

8 - аналого-цифровой преобразователь

9 - блок управления

10 - мультиплексор

Использование: для определения распределения по фазам в многофазных средах. Сущность изобретения заключается в том, что схема включает три расположенные друг над другом плоскости из проволочных электродов, которые натянуты в корпусе сенсора, при этом электроды расположены в каждой плоскости на небольшом расстоянии друг от друга; две из плоскостей электродов изолированы от исследуемой среды с помощью изоляционного слоя и одна из этих двух плоскостей электродов функционирует как плоскость излучения, и другая плоскость функционирует как плоскость-приемник, и обе эти плоскости повернуты относительно друг друга под углом и расположены параллельно; третья плоскость электродов напротив не изолирована и имеет заземление и тем самым находящиеся с ней в контакте высокопроводимые части фазы аналогично заземлены, и при этом схема соединена с электронным измерительным устройством, чтобы измерять электрическую емкость или проницаемость среды в отдельных пунктах пересечения, которые образуются электродами излучения и электродами-приемниками, при этом электронное измерительное устройство загружает последовательно соответствующие электроды излучения переменным напряжением, в то время как другие электроды излучения включаются на массу и электронное измерительное устройство одновременно параллельно на всех электродах-приемниках осуществляет функцию моментального ответа сигнала тока. Технический результат: обеспечение возможности быстрого определения распределения по фазам или компонентам в сечении потока. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Схема для определения распределения по фазам в многофазовой среде с, по крайней мере, одной высокопроводимой фазой при наличии других непроводимых и/или проводимых компонентов, включающая три расположенные друг над другом плоскости из проволочных электродов, которые натянуты в корпусе сенсора,

а) при этом электроды расположены в каждой плоскости на небольшом расстоянии друг от друга;

б) при этом две из плоскостей электродов изолированы от исследуемой среды с помощью изоляционного слоя (5) и одна из этих двух плоскостей электродов функционирует как плоскость излучения (3а), и другая плоскость функционирует как плоскость-приемник (3b), и обе эти плоскости повернуты относительно друг друга под углом и расположены параллельно;

в) отличающаяся тем, что третья плоскость электродов (3с) напротив не изолирована, и имеет заземление, и тем самым находящиеся с ней в контакте высокопроводимые части фазы аналогично заземлены и

г) при этом схема соединена с электронным измерительным устройством, чтобы измерять электрическую емкость или проницаемость среды в отдельных пунктах пересечения (4), которые образуются электродами излучения (3а) и электродами-приемниками (3b), при этом электронное измерительное устройство загружает последовательно соответствующие электроды излучения (3а) переменным напряжением, в то время как другие электроды излучения (3а) включаются на массу и электронное измерительное устройство одновременно параллельно на всех электродах-приемниках (3b) осуществляет функцию моментального ответа сигнала тока.

2. Схема по п. 1, отличающаяся тем, что плоскость излучения (3а) и плоскость-приемник (3b) ориентированы относительно друг друга под прямым углом.

3. Схема по п. 1, отличающаяся тем, что изолированные электроды плоскости излучения и/или плоскости-приемника покрывают для изоляции лаком или искусственным материалом или изолируют с помощью изоляционного шланга или изоляционной трубочки.

4. Схема по п. 1, отличающаяся тем, что измерительное устройство имеет генератор частоты.

5. Схема по п. 1, отличающаяся тем, что измерительное устройство имеет мультиплексор, который реализует последовательное включение сигнала возбуждения.

6. Схема по п. 1, отличающаяся тем, что измерительное устройство имеет блок управления (9), который синхронизирует по времени импульс возбуждения и аналого-цифровое преобразование.

7. Схема по п. 1, отличающаяся тем, что измерительное устройство имеет преобразователь электрического напряжения, который подсоединен к электродам-приемникам, чтобы измерять моментальный ответ сигнала тока и преобразовывать его в замеряемый сигнал напряжения.

8. Схема по п. 7, отличающаяся тем, что сигнал напряжения может оцифровываться с помощью аналого-цифрового преобразователя.

9. Способ определения распределения по фазам в многофазовой среде со схемой согласно одному из вышеуказанных пунктов, отличающийся тем, что электрическая емкость или проницаемость среды измеряются последовательно в точках пересечения (4) и при этом возбуждаются соответствующие электроды излучения (3а) переменным напряжением, в то время как все другие электроды излучения (3а) включаются на массу и одновременно на всех электродах-приемниках (3b) измеряется параллельно функция моментального ответа сигнала тока.

10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что применяемое переменное напряжение имеет форму прямоугольного или трапецеидального переменного напряжения.