Способ определения эффективной вязкости газожидкостного потока Советский патент 1986 года по МПК G01N11/16 

1

Изобретение относится к измерительной технике непрерывного действия определения эффективной вязкости потока, состоящего из смеси жидкости и газа, например газонасыщенной нефти, транспортируемой по трубопроводам, при осуществлении контроля за качеством ингибирования таких смесей с целью снижения потерь энергии при транспортировании,

Может быть также использован для измерения эффективной вязкости взаимно нерастворимых жидкостей, осуществления коррекции показаний расходомеров с телом обтекания, работающих на газожидкостных потоках, с целью исключения влияния на них показания измеряющейся эффективной вязкости смеси.

Целью изобретения является расширение диапазона измерений и области применений путем использования специальных режимов колебаний виброэлемента.

На фиг, 1 представлено устройство для реализации способа; на фиг, 2 - схема действия сил на виброэлемент; на фиг, 3 - эпюра тока в электромагнитном преобразователе при совместном действии на виброэлемент электромагнитного преобразователя и динамического напора измеряемой среды.

Устройство содержит (фиг, 1) электромагнитный преобразователь 1, содержащий упоры 2 и 3, индуктивные

и 3.

датчики 4 и 5 положения, электромагнит 6, полость 7 и плоский виброэлемент 8, Один конец плоского виброэлемента 8 размещен в полости 7 плоскостью под углом к направлению потока, протекающего через эту полость, а другой конец с закрепленным на нем симметрично его оси своими полюсами постоянным магнитом 9, размещенным у полюса электромагнита 6,

Индуктивные датчики 4 и 5 размещены порознь в крайних точках колебаний постоянного магнита 9 виброэлемента 8в . I

Обмотка электромагнита 6 подключена к выходу генератора 10, другой выход .которого соединен с вторичным прибором 11, Входы Старт и Финиш генератора 10 соединены соответственно с индуктивными датчиками 2 и 3 положения. Их обмотки включены так, что при удалении постоянного магнита 9 от упора 2 и при приближении

2427612

его к упору 3 на их выходах возбуждаются импульсы положительной полярности.

Электромагнит 6 питается от гене5 ратора 10, который совместно с ним при движущемся потоке формирует ток специальной формы (фиг. 3), обеспечивающий устойчивое автоколебание виброэлемента, а также В1)1рабатывает

О скачкообразно увеличивающийся ток в электромагните 6, тормозящий виброэлемент по истечении фиксированного времени с момента начала его движения по потоку под действием динами15 ческого напора.

Для обеспечения согласованной работы генератора 10 и электромагнита 6 с направлением силы динамического напора измеряемой среды в элект2Q ромагните 6 выбирают направление и амплитуду протекания тока, а также вход потока 7 такими, при которых зиброэлемент 8 устойчиво перемещается против потока в упор 2 (фиг. 1)

25 при макс -1мальном его расходе. Для этого плоскость виброэлемента уста- навлшзают вдоль потока, в электромагнит 6 подают постоянный ток, а в полости 7 создают максимальный расход среды, В результате взаимодействия магнитного поля магнита 6 с магнитньп 4 полем постоянного магнита 9 виброэлемент 8 установится в крайнее положение (например, в упор 2), Затем плоскость виброэлемента 8 ус30

35

40

45

50

55

танавливают в этом положении под углом 6. к i 30 к направлению потока (фиг, 2), а на выходе генератора 10 величину тока устанавливают такой, при которой виброэлемент 8 устойчиво удерживается в этом положении (т.е. в упоре 2).

Способ осуществляют следующим образом,

Макси1У1альной амплитудой тока .(фиг. 3), поступающего с выхода генератора 10 на электромагнитный преобразователь 1, устанавливают виброэлемент 8 против потока в крайнее положение его перемещения (т.е. в упор 2).

Затем непрерьшно и линейно уменьшают ток. Появление импульса на выходе первого датчика 4 положения свидетельствует об удалении от него постоянного магнита 9 виброэлемента 8, а следовательно, о начале его движения.

при макс -1мальном его расходе. Для этого плоскость виброэлемента уста- навлшзают вдоль потока, в электромагнит 6 подают постоянный ток, а в полости 7 создают максимальный расход среды, В результате взаимодействия магнитного поля магнита 6 с магнитньп 4 полем постоянного магнита 9 виброэлемент 8 установится в крайнее положение (например, в упор 2), Затем плоскость виброэлемента 8 ус

танавливают в этом положении под углом 6. к i 30 к направлению потока (фиг, 2), а на выходе генератора 10 величину тока устанавливают такой, при которой виброэлемент 8 устойчиво удерживается в этом положении (т.е. в упоре 2).

Способ осуществляют следующим образом,

Макси1У1альной амплитудой тока .(фиг. 3), поступающего с выхода генератора 10 на электромагнитный преобразователь 1, устанавливают виброэлемент 8 против потока в крайнее положение его перемещения (т.е. в упор 2).

Затем непрерьшно и линейно уменьшают ток. Появление импульса на выходе первого датчика 4 положения свидетельствует об удалении от него постоянного магнита 9 виброэлемента 8, а следовательно, о начале его движения.

в этот момент 1.1 (фиг. З) опрр- деляют величину , затем отсчитывают Ликсировар ный интервал времени i D (фиг, З), а также продолжают непрерывное и равномерное уменьшени тока.

По окончании Ликсированного интевала времени дГ (л о меньше времени полного перемещения виброэлемента Т от упора 2 до упора 3) ток в электромагнитном преобразователе 1 скачкообразно увеличивают до ранее определенной его величины в момент начала движения виброэлемента по потоку, и сохраняют это значение амплитуды до окончания фиксированного интервала времени колебания виброэлемента 8, а также определяют .время сГр с момента этого скачкообразного увеличения тока до появления импульса на выходе второго датчика положения 3.

Это время пропорционально эффективной вязкости газожидкостного потока.

Зависимость этого интервала времени от эффективной вязкости газожидкостного потока происходит по следующим причинам.

Известно, что если пластина, установленная под углом к направлещпо движения потока, совершает установившееся движение в среде и в некоторый момент времени это движение попытаться скачкообразно нарушить . (например, затормозить ее движение) то переход к новому установившемуся движению, соответствующему новому воздействию (заторможенному), произойдет через некоторое конечное время. Это происходит в результате реконструкции обтекания, которое связано с вязкими процессами в пограничном слое, образованном на по- верхности пластины при обтекании ее средой, в частности с изменением его толщины (толщина пограничного слоя, при импульсном на него воздействии изменяется пропорционально t j где Ч - кинематическая вязкость среды.

Таким образом, плавное воздействи на пластину, при котором успевает происходить реконструкция обтека1шя, не вызьшает проявления вязких процессов в пограничном слое на характер55 ческогр напора описывается следующим изменения состояния пластины (т,в, уравнением двилсения состояние изменяется синхронно с,с16з

внешним воздействием). В противном dt

Мд,- f, - м,

случае преия реконструкции ot: rcKaii .; в процессе перехода плаотчтны из одного установившегося движения п другое при внешнем воздействии играет

5 определенное значение. Максимальгюе влияние времени реконструкции обте- . кания проявляется при импульсных внешних воздействиях.

Это явление используется по пред0 лагаемому споособу, а именно при непрерывном равномерном уменьшении тока в электромагнитном преобразователе после начала движения виброэлемента влияние процесса реконструкции

15 обтекания незначительно. Его проявление не сказывается на характере изменения установившегося движения виброэлемента,

При скачкообразном увеличении то0 ка в электромагнитном преобразователе процесс реконструкции обтекания не успевает следовать за скачкообразно изменившимся внешним воздействием. При этом происходит запаздыва5 ние перехода пластины из одного установившегося движения в другое, так как на это затрачивается определенное конечное время, пропорцнонэоть- ное вязкости среды. Это дополш тель- ное время затрачивается на отрезке пути, начало которого соответствует моменту скачкообразного уветгичения тока электромаг тпггным преобразователем.

Непрерывное и линейное у гепыпеиие тока в электромагнитном преобразователе па участке пути перемеп1,енпя виб розлемента, , начало которого соответствует стартовой точке (упор 2), а конец - скачкообразному увеличению тока по истечении фиксировантюго про- - межутка времени йТГ ДО a vrлитyды, при которой виброэлемент начал свое движение из упора 2 не вызовет существенного влияния на характер изменения установившегося движения виброэлемента,

Проходимый при этом виброэлементом путь при перемещении для пшроко- . го диапазона изменегаш динамического напора всегда постоянньш,

Это объясняется следующим образом. Перемещение виброэлемента из упора 2 в упор 3 под действием динами0

5

0

5

напора описывается сл ем двилсения

Мд,- f, - м,

51

riu i - момент инерции виброзлемр.нта, включающий в себя момент инерции присоединенной массы;

М - движущий момент, зависяпшй Ле

при конкретной конструкции

пластины виброэлемента от динамического напора потока; момент реакции, удерживающий виброэлемент и завися- 1ЦИЙ от амплитуды тока, про- такающего через электромагнит;

М,,- момент сопротивления сил вязкого трения, зависящий от вязкостных характеристик среды потока;

момент сопротивления сил трения в подшипниках, завися- Еций от конструкции опо р, в которых виброэлемент колеб- лется.

Во всех случаях изменения параметров среды потока (вязкости, скорости, плотности) при одной и той же конструкции виброэлемента состо- - яние его (движение) определяется, соотношением сил, входящи х слагаемы- ми в правую часть уравнения (1). Из него , что перемеп;ение виброэлемента из упора 2 начинается при условии, если соблюдается неравен- с: ТВ о

Мде,, М,+ М

(2)

Для этого необходимо для каждого конкретного по качеству среды потока найти условие выполнения неравенства ( 2),

Поиск этого условия осуществляют непрерывным линейным уменьшением тока в электромагнитном преобразова- теле с фиксированной максимальной амплитудой до нуля,

На виброэлемент, установленный в стартовой точке фиксированной ма

ксимальной амплитудой тока, действует

удерживающая сила F Р„ „,0 противоположно ей - движущая сила

Совместно с силой Б., в этом же

гЛ

направлении действуют тормозящая

сила вязкости F . являющаяся проек/

цией вектора вязкой силы Rj( (сопротивления) на это направление, а также другие внешние тормозяп1 1е силы, как например, силы трения F в опо pax колебания.

При этом создается условие

А8

- F. 4. F,

(3)

Пррг уменьшении силы тока п электромагнитном преобразователе, за счет уменьшения в этой связи силы происходит уменьшение суммы сил, входящих в правую часть неравенства 3). Минуя при снижении тока условие, когда

5

0

5 о

5

Q

5

Q

,

FJ

+ F + F,

А)

ле - х - J тр на пластине возникает беско нечно

малое превьш1ение ( и Fдg ) движушей силы F,g над суммой сил, входящих в npaB iTO часть равенства. При этом создается условие, когда

FAB F + 5 + FTP. (5)

В результате появления бесконечно малого превьппения uF. движущей силы над сил, удержива- в ибр о элем ей т в исходной, точке (в упоре 2), виброэлемент начинает п€;ремещаться.

По мере дальнейшего уменьшения удерживающей СИ.ПЫ F, (снижения то- Kci) величина uFig растет. Это увеличивает скорость перемещения виброэлемента.

Таким образом, приращение скорости перемещения виброэлемента в процессе снижения тока в злектромагйит- ном преобразователе происходит за счет увед;ичения бесконечно малого превьш1ения AF., вызываемого уменьшением удерживающей силы F.

При этом величина эффективной вязкости среды потока на характер прираш.ения скорости на этом участке перемещения виброэлемента практически не влияет.

Это объясняется двумя факторами. Плавное внешнее воздействие на виб- розлемент (пластину), находящийся в одном установившемся движении, не нызьшает влияние процесса реконструкции обтекания на характер перехода виброэлемента (пластины) в другое установивгаееся движение (отсутствует запаздьшание изменения положения виброэлемента от скорости изменений внешнего воздействия).

Далее постоянно уменьшающаяся удерживающая сила Fд, в каждом периоде измерения всегда вызьшает появление бесконечно малого превьшгения движущей силы над суммой тормозяшJIx виброэлемент сил, т.е. величина движущей силъ1, при которой виброэлемент начинает движение из состояния покоя, стремится в пределе к величине удерживающей силы F. При этом можтто принять, что F, т.е. Д да const. Из этог о следует, что

характер приращения скорости перемещения виброзле.мента определяется характером изменения удерживающей силы F на участке плавного характера ее изменения. Это означает, что величина скорости перемещения виброэлемента из состояния покоя преимущественно определяется скоростью уменьшения удерживающей силы F (скоростью уменьшения тока в электромагнитном преобразователе).

Принимая скорость уменьшения тока в электромагнитном преобразователе постоянной, можно принять, что .величина пути, пройденного виброэлементом за фиксированный отрезок време-ни й-сГ для широкого диапазорш значения параметров среды потока (скорости, вязкости,плотности), постоянна. Вследствие этого оставшийся путь перемещения виброэлемента также постоянный.

Однако виброэлемент этот отрезок

пути проходит за разное время, так как скачкообразное воздействие (в данном случае торможение) на установившееся движение (разгон) на начальном участке пути вызывает после скачкообразного электромагнитного

торможения проявление переходного, про.цесса в пограничном слое i рекой- струкцию обтекания). Процесс реконструкции обтекания при этом влечет за собой затрату дополнительного времени. Это время пропорционально эффективной вязкости газожидкостного потока.

Предлагаемьй способ, в.отличии ОТ известного позволяет использовать без снижения чувствительности особенность движения газожидкостного потока для расширения диапазона измере- ния, которая заключается в том, что, например, при снижении средней плотности потока из-за увеличен1-1я газосодержания увеличивается скорость его движения. А так как динамический напор, используемый для перемещения виброэлемента, является величиной, пропорциональной квадрату скорости ( о V|.p ), то снижение средней плотности в этой зависимости значительно компенсируется увеличившейся скоростью движения смеси,

ТТозтому размещение плоскости плоского виброэлемента под углом к потоку, в отличие от известного спос оба, по427618

зволяет, используя более узкий дина- м rчecкий диапазон измерения параметра потока (динамического напора), определять эффективнуто вязкость его 5 среды с равномерной чувствительностью в широких пределах.

Таким образом, возбуждение колебаний плоского виброэлемента 8 в поперечной плоскости дв гжущегося потоfO ка совместим действием электромагнитного преобразователя , подключенного к генератору 10, и динамического напора измеряемой средь, созданного за счет установки плоскости

(5 виброэлемента 8 под углом ftS к направлению потока, исключает неустойчивое его колебание при появлении в жидкости свободного газа, а при увеличении объема свободного газа,

2Q создающего pasin ie формы движения смеси жидкости с газом, исключает колебаний.

Кроме того, поперечное колебание виброэлемергта обеспечивает усредне25 ние значения эффективной вязкости- смеси по сечению трубопровода, так как из-за присутствия свободного га . за в зкндкости в этом сечении образуется неравномерная плотность смеси.

достигается расширенне /диапазона измерений и области применений ВВ5ЗДУ возможности использования способа для определения эфч|)ективной вязкости неоднородных потоков.

ф о р м у л а и 3 о б р е е н и. я

Способ определения эффективной вязкости газожидкостного потока, основат-йш на электрических измерениях при электромагнитном способе возбуждения с постоянными амплитудой и периодом колебаний виброэлемента, преимущественно пластига, поперек потока однополярными импульса-

ми тока, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона -измерений и области применения, плоскость виброэлемента располагают в потоке под углом к направлению его

движения, выбирают фиксированную величину и направление протекания тока, обеспечивающие перемещение виброэлемента против потока при максимальном расходе тока, затем линейно уменьшают ток, в момент начала вижения виброэлемента фиксгфуют веичину тока и через заданный интерал времени скачкообразно увеличивают ток до фиксированной величины, после чего измеряют интервал времени, в течение которого виброэлемент достигает заданной конечной точки

перемещения, а по величине этого интервала времени судят о величине эффективной вязкости газожидкостного потока.

Изобретение относится к способам определения эффективной вязкости газожидкостного потока, основанным на электрических измерениях при электромагнитном способе возбуждения с постоянной амплитудой и периодом колебаний виброэлемента поперек потока однополярными импульсами тока. Цель изобретения - расширение диапазона измерения и области применения. Согласно способу плоскость в.иброэлемента располагают в потоке под углом к направлению его движения. Выбирают фиксированную амплитуду и направление протекания тока, обеспечивающие перемещение виброэлемента против потока при максимальном расходе тока, затем линейно уменьшают ток. При этам наблюдают за подвижностью виброэлемента. В момент начала его движения определяют амплитуду тока и начинают отсчитывать фиксированный интервал времени, по окончании которого скачкообразно увеличивают ток до ранее определенной амплитуды. С этого момента измеряют интервал времени, за который виброэлемент достигает в этом направлении конечной точки перемещения. По величине этого интервала времени судят о величине эффективной вязкости газожидкостного потока. Благодаря выбранному режиму колебаний виброэлемент чувствителен к эффективной вязкости неоднородного газожидкостного потока, что расширяет диапазон измерений и области использования. 3 ил. . С tg ю -4

У,

фиг. 2

Заказ 3691/38

Тираж 778 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4