RU2406976C1 - Device for measuring gas flow rate - Google Patents

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: device includes a cylindrical microwave resonator (1) connected to a generator and a detector, and a rotametre (7, 8). The resonator is filled with dielectric (2) with low loss at operating frequency. A conical cavity for the rotametre is made in the dielectric. Rotametre floats (8), made from low-loss dielectric material are placed in the cavity. In the top part of the microwave resonator there is a circular dielectric plate (3) made from material whose dielectric permittivity is considerably higher than that of the dielectric (2). TE₀₁₁ oscillations are generated in the resonator.

EFFECT: invention increases measurement accuracy at high operation pressure in a wide range of gas flow rates, enables continuous and automatic measurement.

3 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к измерению расхода природного газа, в частности, добываемого на газоконденсатных месторождениях и содержащего жидкую углеводородную фазу в капельном или парообразном состоянии. Оно также может быть использовано в энергетике, авиационной технике, химических и криогенных технологиях, экологии и других областях промышленности, имеющих дело с газами, содержащими аэрозоли в капельно-жидком и твердом виде (например, дым заводских труб).The invention relates to the field of measuring technology, namely to measuring the flow rate of natural gas, in particular, produced in gas condensate fields and containing a liquid hydrocarbon phase in a droplet or vapor state. It can also be used in energy, aviation, chemical and cryogenic technologies, ecology and other industries dealing with gases containing aerosols in drip-liquid and solid form (for example, smoke from factory pipes).

Известно устройство измерения расхода, состоящее из измерительного трубопровода, в котором установлено стандартное сужающее устройство, представляющее собой диафрагму или сопло, блока измерения перепада давления на входе и выходе сужающего устройства (СУ) и блока обработки результатов измерений [1], [2].A known device for measuring flow, consisting of a measuring pipe in which a standard constriction device is installed, which is a diaphragm or nozzle, a unit for measuring the differential pressure at the inlet and outlet of the constricting device (SU) and a unit for processing measurement results [1], [2].

Недостатком устройства является необходимость смены диафрагм с разными диаметрами для обеспечения полного диапазона измерений расхода газа. Кроме того, СУ предназначены для измерения сухого и чистого газа, и если перед диафрагмой начинает скапливаться жидкость, это влечет за собой изменение формы потока над диафрагмой, что приводит к появлению неконтролируемой погрешности [2].The disadvantage of this device is the need to change diaphragms with different diameters to ensure the full range of gas flow measurements. In addition, SUs are designed to measure dry and clean gas, and if liquid begins to accumulate in front of the diaphragm, this entails a change in the shape of the flow above the diaphragm, which leads to the appearance of an uncontrolled error [2].

Известны также устройства для измерения расхода газа с помощью вихревых расходомеров. Общим недостатком этих расходомеров (как и расходомеров на основе СУ) является их низкая точность при измерении малых расходов, приводящая к ограничению их применения в случае работы с газами, текущими с небольшими скоростями (например, газы, подаваемые на факел). Недостатком вихревых расходомеров является также необходимость их поверки [1].Devices are also known for measuring gas flow using vortex flowmeters. A common drawback of these flow meters (as well as SU-based flow meters) is their low accuracy when measuring low flows, which leads to a limitation of their use in the case of gases flowing at low speeds (for example, gases supplied to the flare). The disadvantage of vortex flow meters is also the need for their verification [1].

Известно устройство измерения расхода газа, основанное на взаимодействии потока со специально введенным в поток телом возмущения (обтекания). При движении газа на тело возмущения действует сила скоростного напораA device for measuring gas flow is known, based on the interaction of the flow with a disturbance (flow) body specially introduced into the flow. When the gas moves, the force of the pressure head acts on the disturbance body

где ρ - плотность потока в рабочих условиях;where ρ is the flux density under operating conditions;

ν - скорость потока;ν is the flow rate;

S - поперечное сечение тела возмущения;S is the cross section of the perturbation body;

С - коэффициент лобового сопротивления, зависящий от формы тела возмущения.C is the drag coefficient, depending on the shape of the perturbation body.

При увеличении скорости потока эта сила возрастает, что приводит к смещению положения тела возмущения, которое в первом приближении пропорционально расходу газа.With an increase in the flow velocity, this force increases, which leads to a displacement of the position of the perturbation body, which in a first approximation is proportional to the gas flow rate.

Устройство измерения расхода газожидкостного потока, выбранное за прототип, получило название ротаметр [3]. Устройство представляет собой установленную вертикально трубу с небольшой конусностью (слегка расширяющейся кверху).The device for measuring the flow of gas-liquid flow, selected for the prototype, was called the rotameter [3]. The device is a vertically mounted pipe with a slight taper (slightly expanding upwards).

Входное отверстие расположено внизу и в отсутствие потока закрыто телом возмущения («поплавком»), выполненным, как правило, в виде шара. Выходное отверстие располагается вверху. При прохождении газа поплавок смещается вверх; высота подъема поплавка h в первом приближении пропорциональна объемному расходу:Q_об=kh, где k - коэффициент пропорциональности.The inlet is located below and in the absence of flow is closed by a disturbance body (“float”), made, as a rule, in the form of a ball. The outlet is located at the top. With the passage of gas, the float moves up; the height of the float h in the first approximation is proportional to the volumetric flow: Q _about = kh, where k is the coefficient of proportionality.

Недостатком устройства являются: необходимость иметь прозрачный (стеклянный, кварцевый, плексигласовый) корпус ротаметра, что не позволяет работать при больших рабочих давлениях газа; трудность автоматизации процесса измерения, т.к. определение смещения поплавка производится визуально.The disadvantage of this device is: the need to have a transparent (glass, quartz, plexiglass) rotameter housing, which does not allow working at high gas operating pressures; the difficulty of automating the measurement process, because the displacement of the float is determined visually.

Техническим результатом предложенного изобретения является возможность измерения расхода газа с большей точностью при больших рабочих давлениях газа; возможность непрерывного и автоматического проведения процесса измерения.The technical result of the proposed invention is the ability to measure gas flow with greater accuracy at high working gas pressures; the possibility of continuous and automatic measurement process.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения расхода газа, включающем в себя цилиндрический СВЧ-резонатор и ротаметр, резонатор заполнен диэлектриком с малыми потерями на рабочей частоте, а ротаметр выполнен в виде конической полости в этом диэлектрике, расположенной вдоль оси резонатора. В верхней части резонатора расположена кольцевая диэлектрическая пластина из материала с диэлектрической проницаемостью, существенно более высокой, чем диэлектрическая проницаемость диэлектрика, заполняющего резонатор. В резонаторе используются TE₀₁₁ типы колебаний.The technical result is achieved by the fact that in the device for measuring gas flow, which includes a cylindrical microwave resonator and rotameter, the resonator is filled with an insulator with low losses at the operating frequency, and the rotameter is made in the form of a conical cavity in this dielectric located along the axis of the resonator. In the upper part of the resonator there is an annular dielectric plate made of a material with a dielectric constant much higher than the dielectric constant of the dielectric filling the resonator. The resonator uses TE ₀₁₁ vibration modes.

На фиг.1 изображена конструкция предлагаемого устройства. На ней показаны: 1 - металлический силовой корпус цилиндрического СВЧ-резонатора, способный выдерживать рабочие давления газа в трубопроводе, 2 - твердый диэлектрик с диэлектрической проницаемостью ε₁ и малыми потерями (tgδ₁≤10^-3), 3 - кольцевая диэлектрическая пластина из материала с диэлектрической проницаемостью ε₂ (ε₂>>ε₁) и малыми потерями (tgδ₂≤10^-3), 4 - элемент связи резонатора с генератором, 5 - элемент связи резонатора с детектором, 6 - проходные изоляторы, 7 - коническая стенка отверстия в диэлектрике 2, образующая полость ротаметра (коническая стенка ротаметра), 8 - «поплавок» ротаметра (поз. «0» при отсутствии потока, поз «1» при его наличии), 9 - рабочий трубопровод, 10, 11 - переходники от резонатора к рабочему трубопроводу, 12 - присоединительные фланцы, 13 - уплотнения.Figure 1 shows the design of the proposed device. It shows: 1 - a metal power housing of a cylindrical microwave resonator capable of withstanding the working gas pressure in the pipeline, 2 - a solid dielectric with a dielectric constant ε ₁ and low losses (tgδ ₁ ≤10 ^-3 ), 3 - an annular dielectric plate made of material with dielectric constant ε ₂ (ε ₂ >> ε ₁ ) and low losses (tgδ ₂ ≤10 ^-3 ), 4 - coupling element of the resonator with the generator, 5 - coupling element of the resonator with the detector, 6 - bushing insulators, 7 - conical wall holes in the dielectric 2, forming the cavity of the rotameter (horses ical wall of the rotameter), 8 - “float” of the rotameter (pos. “0” in the absence of flow, pos. “1” if it is present), 9 - working pipeline, 10, 11 - adapters from the resonator to the working pipeline, 12 - connecting flanges , 13 - seals.

На фиг.2 изображено распределение основного компонента электрического поля Е_φ по высоте резонатора при возбуждении колебания ТЕ₀₁₁. Кривая 14 показывает зависимость E_φ(h) для случая, когда диэлектрическая пластина 3 отсутствует (d=0). Кривая 15 относится к случаю, когда специальным образом подобранная пластина с проницаемостью ε₂ и толщиной d размещена на верхнем торце резонатора.Figure 2 shows the distribution of the main component of the electric field E _φ along the height of the resonator upon excitation of the oscillation TE ₀₁₁ . Curve 14 shows the dependence E _φ (h) for the case when the dielectric plate 3 is absent (d = 0). Curve 15 refers to the case when a specially selected plate with permeability ε ₂ and thickness d is placed on the upper end of the resonator.

На фиг.3 показаны амплитудно-частотные характеристики резонатора - сплошная линия 16 относится к случаю, когда поплавок занимает нижнее положение "0" (скорость газа равна 0), пунктирная линия 17 - когда поплавок занимает положение "1" (идет некоторый поток, расход газа Q₁).Figure 3 shows the amplitude-frequency characteristics of the resonator - the solid line 16 refers to the case when the float occupies the lower position "0" (gas velocity is 0), dashed line 17 - when the float occupies the position "1" (there is some flow, flow gas Q ₁ ).

На фиг.4 показано смещение частоты резонатора в зависимости от положения поплавка, играющего роль тела возмущения в резонаторе: ω=ω(h). За точку отсчета h=0 принят нижний торец резонатора.Figure 4 shows the frequency shift of the resonator depending on the position of the float, which plays the role of a disturbance body in the resonator: ω = ω (h). For the reference point h = 0 adopted the lower end of the resonator.

На фиг.5 показана выходная характеристика СВЧ-ротаметра - зависимость регистрируемого объемного расхода Q (при определенной плотности потока) от частотного смещения резонатораFigure 5 shows the output characteristic of the microwave rotameter - the dependence of the recorded volumetric flow Q (at a certain flux density) on the frequency displacement of the resonator

,

,

определяемого местоположением поплавка по координате h.determined by the location of the float at the coordinate h.

Работа устройства происходит следующим образом.The operation of the device is as follows.

Радиочастотные колебания СВЧ-диапазона от генератора (на фиг.1 не показан) поступают на элемент связи 4 и возбуждают в резонаторе 1, тип колебания ТЕ₀₁₁. Распределение основного компонента электрического поля Е_φ по высоте резонатора приведено на фиг.2. В отсутствие потока (поплавок 8 на фиг.1 в положении "0") резонансная частота резонатора равна ω. При появлении потока на поплавок 8 будет действовать скоростной напор. При этом поплавок поднимается до некоторой высоты h₁ (положение "1", фиг.1), такой, чтобы пропустить поток в кольцевой зазор между поплавком и конически расходящейся стенкой ротаметра 7. Сумма сил, действующая на поплавок в положении 1, становится равной нулю: вес поплавка mg уравновешивается силой скоростного напора F, вычисляемой по (1):The microwave frequency oscillations from the generator (not shown in FIG. 1) are supplied to the communication element 4 and excited in the resonator 1, the type of oscillation TE ₀₁₁ . The distribution of the main component of the electric field E _φ along the height of the resonator is shown in Fig.2. In the absence of flow (float 8 in figure 1 in position "0"), the resonant frequency of the resonator is equal to ω. When a flow appears on the float 8, a pressure head will act. In this case, the float rises to a certain height h ₁ (position "1", Fig. 1), such as to let flow into the annular gap between the float and the conically diverging wall of the rotameter 7. The sum of the forces acting on the float in position 1 becomes zero : the weight of the float mg is balanced by the force of the pressure head F calculated by (1):

Высота h, на которую поднялся поплавок, и величина объемного расхода Q связаны зависимостьюThe height h to which the float rose and the volume flow rate Q are related by

где k коэффициент, устанавливаемый при калибровке.where k is the coefficient set during calibration.

Поясним смысл установки в резонатор пластины 3. В отсутствие пластины 3 поле в резонаторе имеет вид полуволны синусоиды (фиг.2, кривая 14). При этом при попадании поплавка в области, симметрично стоящие от экваториальной плоскости резонатора, реакция резонатора будет одинаковой, т.к. в этих областях поле имеет одну и ту же напряженность. Это приводит к неоднозначности показаний и к сокращению динамического диапазона величин регистрируемых расходов. При введении пластины 3 в резонатор она искажает поле так, как это показано на фиг.2 (кривая 15), и диапазон регистрируемых расходов возрастает почти вдвое. Одновременно устраняется неоднозначность регистрируемых показаний.Let us explain the meaning of installing plate 3 in the resonator. In the absence of plate 3, the field in the resonator has the form of a half wave of a sine wave (Fig. 2, curve 14). In this case, when the float enters the regions symmetrically standing from the equatorial plane of the resonator, the resonator reaction will be the same, because in these areas the field has the same intensity. This leads to an ambiguity in the readings and to a reduction in the dynamic range of recorded costs. When the plate 3 is inserted into the resonator, it distorts the field as shown in Fig. 2 (curve 15), and the range of recorded flow rates almost doubles. At the same time, the ambiguity of the recorded readings is eliminated.

Введение в объем резонатора 1 поплавка возмущает резонатор, это выражается в смещении его собственной частоты ω₀ (ω₀→ω₁) и изменении добротности. Поскольку поплавок выполнен из диэлектрического материала с малыми потерями, то добротность резонатора не изменяется, и возмущение сводится только к изменению собственной частоты. На фиг.3 показана амплитудно-частотная характеристика резонатора А(ω) в случаях, когда поток отсутствует (поплавок находится в положении "0") и при наличии потока (поплавок находится в положении "1"). Амплитудно-частотная характеристика может быть получена [4] путем регистрации частотно-модулированного сигнала СВЧ генератора при пилообразной форме модулирующего напряжения (на фиг.1 не показаны).The introduction of a float into the resonator 1 volume perturbes the resonator, this is expressed in a shift of its natural frequency ω ₀ (ω ₀ → ω ₁ ) and a change in the quality factor. Since the float is made of dielectric material with low losses, the quality factor of the resonator does not change, and the perturbation reduces only to a change in the natural frequency. Figure 3 shows the amplitude-frequency characteristic of the resonator A (ω) in cases where there is no flow (float is in position "0") and in the presence of flow (float is in position "1"). The amplitude-frequency characteristic can be obtained [4] by recording the frequency-modulated signal of the microwave generator with a sawtooth shape of the modulating voltage (not shown in figure 1).

Сдвиг частоты резонатора при введении тела возмущения может быть найден из теории малых возмущений [5]: он определяется размером поплавка, его диэлектрической проницаемостью (ε₃) и величиной электрического поля резонатора в месте размещения поплавка. При заданных размерах поплавка при работе на типе колебания ТЕ₀₁₁ сдвиг частоты качественно повторяет вид функции Е² _φ(h). На фиг.4 показана функция ω(h), по которой можно определить сдвиг частоты Δω₁=ω₁-ω₀ при перемещении поплавка из положения "0" в какое-либо положение "1" (см. фиг.1).The shift of the resonator frequency upon introducing the perturbation body can be found from the theory of small perturbations [5]: it is determined by the size of the float, its dielectric constant (ε ₃ ) and the electric field of the resonator at the location of the float. Given the dimensions of the float when operating on the type of oscillation TE _{011, the} frequency shift qualitatively repeats the form of the function E ² _φ (h). Figure 4 shows the function ω (h), by which it is possible to determine the frequency shift Δω ₁ = ω ₁ -ω ₀ when moving the float from position "0" to any position "1" (see figure 1).

Таким образом, относительный сдвиг частоты резонатора

однозначно связан с положением поплавка в объеме резонатора - с его координатой h₁, которая в свою очередь связана с расходом Q (фиг.5).Thus, the relative frequency shift of the resonator

is uniquely associated with the position of the float in the cavity volume - with its coordinate h ₁ , which in turn is associated with the flow rate Q (Fig. 5).

Отсюда, по изменению величины частотного смещения

однозначно определяют объемный (при неизменной плотности потока ρ) расход:Hence, by changing the frequency offset

uniquely determine the volumetric (at a constant flow density ρ) flow rate:

Множитель G определяется в результате предварительной калибровки СВЧ-ротаметра по какому-либо эталонному средству поверки. Он может являться функцией смещения h (G=G(h)) т.е. зависимость Q₀(h) будет нелинейной (фиг.5). Однако при необходимости подбором профиля трубки ротаметра, толщины корректирующей пластины 3 и ее диэлектрической постоянной ε₂, а также формы поплавка можно сделать шкалу ротаметра линейной или близкой к ней.The factor G is determined as a result of preliminary calibration of the microwave rotameter according to some standard means of verification. It can be a bias function h (G = G (h)) i.e. the dependence of Q ₀ (h) will be non-linear (figure 5). However, if necessary, by selecting the profile of the rotameter tube, the thickness of the correction plate 3 and its dielectric constant ε ₂ , as well as the shape of the float, the rotameter scale can be made linear or close to it.

При проведении калибровки необходимо знание плотности газа (при условиях калибровки) - ρ_к. Если при тех же условиях проводятся измерения с газом другой плотности (ρ_i), цена деления шкалы изменится.During the calibration, knowledge of the gas density is necessary (under the calibration conditions) - ρ _k . If, under the same conditions, measurements are taken with a gas of a different density (ρ _i ), the scale division price will change.

Так как при одном и том же делении шкалы (при постоянном h) должно выполняться условиеSince for the same division of the scale (at constant h), the condition

имеем

we have

Поскольку объемный поток определяется скоростью газа Q=ν·S, то

Since the volume flow is determined by the gas velocity Q = ν · S, then

откуда

where from

Таким образом, при непрерывном измерении величины объемного расхода неизвестного потока необходимо проводить постоянное измерение его плотности.Thus, when continuously measuring the volumetric flow rate of an unknown stream, it is necessary to continuously measure its density.

СВЧ-устройство для определения расхода газа было проверено в лабораторных условиях как на чистых, так и на запыленных газах и газах, содержащих капельно-жидкий аэрозоль, и показало высокие метрологические характеристики.The microwave device for determining gas flow was tested in laboratory conditions on both clean and dusty gases and gases containing drip-liquid aerosol, and showed high metrological characteristics.

ЛитератураLiterature

[1] - Плотников В.М., Подрешетников В.А., Тетеревятников Л.Н. Приборы и средства учета природного газа и конденсата. Л.: Недра, 1989, 238 с.[1] - Plotnikov V.M., Podreshetnikov V.A., Teterevyatnikov L.N. Instruments and means of accounting for natural gas and condensate. L .: Nedra, 1989, 238 pp.

[2] - Правила измерения расхода газов и жидкостей стандартными сужающими устройствами РД-50-213-80. М.: Изд. Стандартов, 1982, 320 с.[2] - Rules for measuring the flow of gases and liquids with standard narrowing devices RD-50-213-80. M .: Publishing. Standards, 1982, 320 pp.

[3] - Кремлевский П.П. Измерение расхода многофазных потоков. Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1982, 105 с.[3] - Kremlin P.P. Multiphase flow measurement. L .: Engineering, Leningrad Branch, 1982, 105 pp.

[4] - Москалев И.Н. Стефановский A.M. Диагностика плазмы с помощью открытых цилиндрических резонаторов, М.: Энергоатомиздат, 1985, 145 с.[4] - Moskalev I.N. Stefanovsky A.M. Diagnostics of plasma using open cylindrical resonators, M .: Energoatomizdat, 1985, 145 p.

[5] - Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. М.: ГИФМЛ, 1963, 404 с.[5] - Brandt A.A. The study of dielectrics at microwave frequencies. M .: GIFFL, 1963, 404 p.

Claims (3)

1. Устройство для измерения расхода газа, включающее в себя цилиндрический СВЧ-резонатор и ротаметр, отличающееся тем, что резонатор заполнен диэлектриком с малыми потерями на рабочей частоте, а ротаметр выполнен в виде конической полости в этом диэлектрике, расположенной вдоль оси резонатора.1. A device for measuring gas flow, which includes a cylindrical microwave resonator and a rotameter, characterized in that the resonator is filled with a dielectric with low losses at the operating frequency, and the rotameter is made in the form of a conical cavity in this dielectric located along the axis of the resonator. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в верхней части резонатора расположена кольцевая диэлектрическая пластина из материала с диэлектрической проницаемостью, существенно более высокой, чем диэлектрическая проницаемость диэлектрика, заполняющего резонатор.2. The device according to claim 1, characterized in that in the upper part of the resonator there is an annular dielectric plate made of a material with a dielectric constant much higher than the dielectric constant of the dielectric filling the resonator. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в резонаторе используются ТЕ₀₁₁ типы колебаний. 3. The device according to claim 1, characterized in that the resonator uses TE ₀₁₁ types of oscillations.

Images