RU192265U1

RU192265U1 - Liquid flow meter in the pipeline

Info

Publication number: RU192265U1
Application number: RU2019119343U
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Анатольевич Михайлов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственная компания "Геоэлектроника сервис"
Priority date: 2019-06-20
Filing date: 2019-06-20
Publication date: 2019-09-11

Abstract

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована в газовой, нефтяной, химической промышленности. Измеритель расхода жидкости в трубопроводе включает ультразвуковой излучатель 4 и приемник 6, связанные с блоком электроники 12. Согласно полезной модели ультразвуковой излучатель 4 и приемник 6 установлены в углублениях 3 и 5 корпуса 1, которые выполнены с контактной стороны 2 корпуса 1 и расположены к ней под углом 30°. Вдоль корпуса 1 выполнен канал 7, который пересекает дно каждого углубления с образованием в них отверстий 10 и 11 для подвода проводов к ультразвуковому излучателю 4 и приемнику 6. Все пустоты корпуса 1 после установки в него ультразвукового излучателя 4 и приемника 6 заполнены компаундом с образованием неразъемного узла.Техническим результатом полезной модели является упрощение конструкции. 3 з. п. ф-лы, 3 ил.The utility model relates to measuring equipment and can be used in the gas, oil, and chemical industries. The liquid flow meter in the pipeline includes an ultrasonic emitter 4 and a receiver 6 connected to the electronics unit 12. According to a utility model, an ultrasonic emitter 4 and a receiver 6 are installed in recesses 3 and 5 of the housing 1, which are made on the contact side 2 of the housing 1 and are located under it angle of 30 °. A channel 7 is made along the housing 1, which crosses the bottom of each recess with the formation of holes 10 and 11 in them for supplying wires to the ultrasonic emitter 4 and receiver 6. All voids of the housing 1 after installing the ultrasonic emitter 4 and receiver 6 in it are filled with a compound with the formation of one-piece node. The technical result of the utility model is to simplify the design. 3 s P. f-ly, 3 ill.

Description

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована в газовой, нефтяной, химической промышленности и предназначена для непрерывного измерения объемного расхода жидкости в трубопроводе, объема прокачанной жидкости и преобразования измеренной величины в электрический цифровой сигнал для дистанционной передачи в системы сбора данных геолого-технологических исследований, системы контроля, регулирования и управления технологическими процессами.The utility model relates to measuring equipment and can be used in the gas, oil, and chemical industries and is intended for continuous measurement of the volumetric flow rate of a liquid in a pipeline, the volume of pumped liquid, and the conversion of the measured value into an electric digital signal for remote transmission to geological and technological research data acquisition systems , systems of control, regulation and control of technological processes.

Известен преобразователь ультразвуковых расходомеров-счетчиков, имеющих диаметр сечения проточной полости одного порядка с диаметром сечения ультразвукового луча (от 10 до 40 мм), содержащий корпус с входными и выходными патрубками, находящимися на одной оси, два пьезопреобразователя, оси ультразвуковых лучей которых перпендикулярны оси патрубков, два косых отражателя. Ось измерительного участка между косыми отражателями параллельна оси патрубков, смещена относительно этой оси более чем на один диаметр проточной полости патрубков оппозитно пьезопреобразователям (RU №66031, G01F 1/66, 2007 г.)A known transducer of ultrasonic flow meters-counters having a cross-sectional diameter of the flow cavity of the same order with an ultrasonic beam cross-sectional diameter (from 10 to 40 mm), comprising a housing with inlet and outlet nozzles located on the same axis, two piezoelectric transducers, the axes of the ultrasonic rays of which are perpendicular to the axis of the nozzles , two oblique reflectors. The axis of the measuring section between the oblique reflectors is parallel to the axis of the nozzles, offset from this axis by more than one diameter of the flow cavity of the nozzles opposite to piezoelectric transducers (RU No. 66031, G01F 1/66, 2007)

Однако из-за наличия наличие косых отражателей, вызывающих турбулентность измеряемого потока при их отекании и, как следствие, нелинейность и нестабильность характеристик расходомера, устройство имеет низкую чувствительность и точность измерений. Кроме того, устройство ограничено в применении из-за невозможности его использования при диаметрах трубопровода, превышающего 40 мм. Устройство сложно в изготовлении и при эксплуатации крайне затруднительно выполнять поверку/калибровку. However, due to the presence of oblique reflectors causing turbulence of the measured flow during their swelling and, as a result, non-linearity and instability of the flowmeter characteristics, the device has low sensitivity and measurement accuracy. In addition, the device is limited in use due to the impossibility of its use with pipe diameters exceeding 40 mm. The device is difficult to manufacture and during operation it is extremely difficult to perform verification / calibration.

Известен накладной ультразвуковой многофазный расходомер (RU 2490598, кл. G01F1/66, 2013 г.), включающий угловой высокочастотный импульсный допплеровский преобразователь выполнен с возможностью подавать импульсный сигнал в жидкий слой под первым углом падения по отношению к прямой линии, которая перпендикулярна внутренней стенке трубы на разделе между трубой и жидкостью. Абсолютное значение угла падения в жидком слое обычно, от 10 до 80 градусов. Контактный преобразователь функционально соединен со стенкой трубы. Контактные приемопередающие преобразователи расположены в разных корпусах и расположены вокруг окружности трубы под разными углами, например, наверху трубы может формировать пару передатчик-приемник и контактным преобразователем - внизу трубы, и связаны с блоком электроники.Known consignment note is an ultrasonic multiphase flow meter (RU 2490598, class G01F1 / 66, 2013), including an angular high-frequency pulsed Doppler transducer configured to supply a pulsed signal to the liquid layer at a first angle of incidence with respect to a straight line that is perpendicular to the inner wall of the pipe on the section between the pipe and the liquid. The absolute value of the angle of incidence in the liquid layer is usually from 10 to 80 degrees. The contact converter is functionally connected to the pipe wall. Contact transceivers are located in different housings and are located around the circumference of the pipe at different angles, for example, a transmitter-receiver pair can form at the top of the pipe and a contact converter at the bottom of the pipe, and are connected to the electronics unit.

Расположение приемопередающих контактных преобразователей в разных корпусах усложняет конструкцию измерителя объемного расхода жидкости в трубопроводе и его эксплуатацию. Кроме того, данным устройством невозможно измерять расход бурового раствора из-за высокой степени поглощения ультразвука. The location of the transceiver contact transducers in different buildings complicates the design of the volumetric flow meter in the pipeline and its operation. In addition, it is impossible to measure the flow rate of the drilling fluid with this device due to the high degree of absorption of ultrasound.

Прототипом полезной модели является датчик расходомера, известный из Интернета http://geosensor.ru/products/sensor/flow/rud/se4. Известный датчик расходомера включает ультразвуковой излучатель и приемник, которые установлены в углублениях корпуса, расположенных с контактной стороны и связанные с блоком электроники.The prototype of the utility model is a flowmeter sensor, known from the Internet http://geosensor.ru/products/sensor/flow/rud/se4. The known sensor of the flow meter includes an ultrasonic emitter and a receiver, which are installed in the recesses of the housing located on the contact side and connected with the electronics.

Однако указанный датчик для бесконтактного измерения объемного расхода жидкой среды, предназначен только для измерения объемного расхода жидкости, имеющей газообразные или твердые включения и протекающей по закрытому, полностью заполненному трубопроводу. При этом концентрация включений должна быть не уровне типовой водопроводной воды. Поэтому данным датчиком затруднительно проводить измерение объемного расхода бурового раствора, имеющего высокое содержание твердых включений. Буровой раствор является сложной многокомпонентной дисперсной системой суспензионных, эмульсионных и аэрированных жидкостей, применяемых для промывки скважин в процессе бурения.However, the specified sensor for non-contact measurement of the volumetric flow rate of a liquid medium is intended only for measuring the volumetric flow rate of a liquid having gaseous or solid inclusions and flowing through a closed, completely filled pipeline. In this case, the concentration of inclusions should not be at the level of typical tap water. Therefore, it is difficult for this sensor to measure the volumetric flow rate of a drilling fluid having a high solids content. Drilling fluid is a complex multicomponent disperse system of suspension, emulsion and aerated fluids used for flushing wells during drilling.

Проблемой полезной модели является разработка измерителя объемного расхода бурового раствора в трубопроводе. The problem of the utility model is the development of a meter for the volumetric flow rate of the drilling fluid in the pipeline.

Техническим результатом полезной модели является повышение точности измерения объемного расхода бурового раствора.The technical result of the utility model is to increase the accuracy of measuring the volumetric flow rate of the drilling fluid.

Поставленная проблема и указанный технический результат достигаются тем, что измеритель расхода жидкости в трубопроводе включает ультразвуковой излучатель и приемник, установленные в углублениях корпуса, расположенных с контактной стороны и связанные с блоком электроники. Согласно полезной модели углубления корпуса для установки в них ультразвуковых излучателя и приемника выполнены под углом 30° к контактной стороне, а все пустоты корпуса заполнены компаундом. The stated problem and the indicated technical result are achieved by the fact that the liquid flow meter in the pipeline includes an ultrasonic emitter and a receiver mounted in recesses of the housing located on the contact side and connected to the electronics unit. According to a useful model, the body recesses for installing the ultrasonic emitter and receiver in them are made at an angle of 30 ° to the contact side, and all the voids of the body are filled with a compound.

Контактная сторона корпуса покрыта электропроводным гелем. The contact side of the housing is coated with an electrically conductive gel.

В качестве ультразвукового излучателя и приемника используются элементы пьезокерамические ДЖГК.757681.008-238 (Ф23х3,1). Piezoceramic elements DZHGK.757681.008-238 (Ф23х3.1) are used as an ultrasonic emitter and receiver.

Измеритель расхода жидкости выполнен во взрывозащищенном и искрозащищенном исполнении.The liquid flow meter is made in explosion-proof and spark-proof execution.

Выполнение углублений для установки в них ультразвукового излучателя и приемника под углом 30° дают строгое направление ультразвукового излучения и его прием под тем же углом, который определен экспериментальным путем для измерения объемного расхода бурового раствора в трубопроводе, при этом уменьшение или увеличение угла значительно повлияет на качество приема сигнала, тем самым снизит точность определения. Выполнение углублений с контактной стороны позволяет ультразвуковому сигналу беспрепятственно через стенку трубопровода проникать внутрь для беспрепятственного измерения объема и расхода бурового раствора. The implementation of the recesses for installing the ultrasonic emitter and receiver in them at an angle of 30 ° gives a strict direction of ultrasonic radiation and its reception at the same angle as determined experimentally to measure the volumetric flow rate of the drilling fluid in the pipeline, while reducing or increasing the angle will significantly affect the quality signal reception, thereby reducing the accuracy of determination. The implementation of the recesses on the contact side allows the ultrasonic signal to freely penetrate through the wall of the pipe in order to freely measure the volume and flow rate of the drilling fluid.

Заливка компаундом углублений в корпусе формирует акустический канал, распространяющий продольную волну от излучателя до границы среза корпуса – стенка трубы под нужным углом (в нашем случае – 30°). Кроме того заливка компаундом выполняет согласование акустических импедансов пьезоизлучателя и системы жидкость – стенка трубопровода. При этом лицевая сторона пьезоизлучателя компаундом не заливается для формирования в нем со стороны выхода излучения необходимой нагрузки для пьезоэлемента. Filling with a compound of the recesses in the body forms an acoustic channel propagating a longitudinal wave from the emitter to the cut edge of the body - the pipe wall at the desired angle (in our case - 30 °). In addition, compound casting matches the acoustic impedances of the piezoelectric emitter and the liquid-wall pipeline system. In this case, the front side of the piezoelectric radiator is not filled with a compound to form the necessary load for the piezoelectric element from the output side of the radiation.

Обработка контактной стороны корпуса звукопроводным гелем улучшает прилегание корпуса к стенке трубопровода.Processing the contact side of the casing with sound conductive gel improves the fit of the casing to the pipe wall.

Использование в качестве ультразвукового излучателя и приемника пьезокерамических элементов ДЖГК.757681.008-238 (Ф23х3,1), имеющих частоту основного резонанса 640 кГц, обеспечивает лучшее проникновение в жидкость из-за сравнительно большой длины волны, а также получать больший доплеровский сдвиг, влияющий на достоверность измерения расхода жидкости. The use of DZHGK.757681.008-238 (Ф23х3.1) piezoceramic elements as an ultrasonic emitter and receiver, having a main resonance frequency of 640 kHz, provides better penetration into the liquid due to the relatively long wavelength, and also to obtain a larger Doppler shift, which affects the reliability fluid flow measurement.

Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен корпус излучателя в разрезе; на фиг. 2 разрез А-А; на фиг. 3 – общий вид измерителя.The utility model is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows a section of a radiator body; in FIG. 2 section aa; in FIG. 3 - general view of the meter.

Измеритель объемного расхода жидкости выполнен во взрывозащищенном и искрозащищенном исполнении и включает корпус 1, в котором с контактной стороны 2 выполнено углубление 3 под углом 30°, для установки в нем ультразвукового излучателя 4 в виде пьезокерамического элемента (ДЖГК.757681.008-238 (Ф23х3,1) и углубление 5 под углом 30°, для установки в нем приемника 6 в виде пьезокерамического элемента (ДЖГК.757681.008-238 (Ф23х3,1). Вдоль корпуса 1 образован канал 7, проходящий вдоль корпуса, пересекая дно 8 углубления 3 и дно 9 углубления 5 с образованием в них отверстий 10 для подвода электропровода к ультразвуковому излучателю 4 и отверстие 11 для подвода электропровода к приемнику 6, для их соединения с блоком электроники 12. Все каналы корпуса 1 после установки в него ультразвукового излучателя 4 и приемника 6 заполнены компаундом (на фиг. не показано). Контактная сторона 2 корпуса 1 покрыта звукопроводным гелем 13.The liquid volumetric flow meter is made in explosion-proof and spark-proof execution and includes a housing 1, in which a recess 3 is made at the angle of 30 ° from the contact side 2, for installing an ultrasonic emitter 4 in it in the form of a piezoceramic element (DZHGK.757681.008-238 (Ф23х3,1 ) and a recess 5 at an angle of 30 °, for mounting a receiver 6 in the form of a piezoceramic element (DZHGK.757681.008-238 (Ф23х3,1) in it. A channel 7 is formed along the body 1, passing along the body, crossing the bottom 8 of the recess 3 and the bottom 9 recesses 5 with the formation of holes 1 in them 0 for supplying the electric wire to the ultrasonic emitter 4 and a hole 11 for supplying the electric wire to the receiver 6, for connecting them to the electronics unit 12. All channels of the housing 1 after installing the ultrasonic emitter 4 and the receiver 6 in it are filled with a compound (not shown in Fig.). The contact side 2 of the housing 1 is covered with sound conductive gel 13.

Измеритель представляет собой неразборный узел, содержащий пьезоэлектрические преобразователи (излучатель 4 и приемник 6), заключенные в металлический корпус 1, залит полимерным компаундом и соединенный кабелем 14 с блоком электроники 12. Блок электроники 12 изготовлен на печатной плате и размещается в пластиковом корпусе. На боковых поверхностях корпуса расположен разъем для кабеля связи с внешними устройствами.The meter is a non-separable assembly containing piezoelectric transducers (emitter 4 and receiver 6) enclosed in a metal housing 1, filled with a polymer compound and connected by a cable 14 to the electronics unit 12. The electronics unit 12 is made on a printed circuit board and placed in a plastic case. On the side surfaces of the housing is a connector for a cable for communication with external devices.

Измерение объемного расхода бурового раствора с использованием измерителя расхода жидкости производится следующим образом.Measurement of the volumetric flow rate of the drilling fluid using a fluid flow meter is as follows.

Измеритель расхода жидкости предназначен для бесконтактного измерения объемного расхода жидкой среды (бурового раствора), имеющей газообразные и твердые включения, протекающей по закрытому, полностью заполненному трубопроводу. Корпус 1 контактной стороной 2 с звукопроводным гелем 13 прикрепляют к трубе заполненной буровым раствором, при этом минимальная длина прямолинейного участка трубы до измерителя должна составлять не менее 10 D, где D – диаметр трубы, а после измерителя - не менее 5D для минимизации влияния неравномерности потока по профилю на результат измерения.The liquid flow meter is designed for non-contact measurement of the volumetric flow rate of a fluid (drilling fluid), which has gaseous and solid inclusions, flowing through a closed, completely filled pipeline. The housing 1 with the contact side 2 with sound guide gel 13 is attached to the pipe filled with drilling fluid, while the minimum length of the straight section of the pipe to the meter should be at least 10 D, where D is the pipe diameter, and after the meter at least 5D to minimize the effect of uneven flow according to the profile for the measurement result.

Блок электроники 12 измерителя формирует непрерывный электрический сигнал частотой 640 кГц и напряжением 9В. Этот сигнал по кабелю поступает в ультразвуковой преобразователь – излучатель 4 и возбуждает в нем механические колебания. Колебания создают ультразвуковые волны, которые через стенку трубопровода проникают в жидкость под заданным углом 30°. Волны, отражаясь от частиц неоднородностей жидкости, возвращаются к преобразователю – ультразвуковому приемнику 6 и возбуждают в нем вторичные механические колебания, которые создают на его выходе электрический сигнал. Угол вхождения ультразвукового луча в жидкость определяется соотношением скоростей звука в жидкости и корпусе 1 и углом установки излучателя 4, по закону Снеллиуса. Сигнал по кабелю 14 поступает в блок электроники 12, детектируется, усиливается и преобразуется в цифровой код. Микропроцессор обрабатывает принятый сигнал, производит необходимые расчеты и поддерживает связь по цифровому каналу.The electronics unit 12 of the meter generates a continuous electrical signal with a frequency of 640 kHz and a voltage of 9V. This signal through the cable enters the ultrasonic transducer - emitter 4 and excites mechanical vibrations in it. The oscillations create ultrasonic waves that penetrate through the pipe wall into the liquid at a given angle of 30 °. The waves, reflected from particles of inhomogeneities of the liquid, return to the transducer - ultrasonic receiver 6 and excite secondary mechanical vibrations in it, which create an electrical signal at its output. The angle of entry of the ultrasound beam into the liquid is determined by the ratio of the speeds of sound in the liquid and the housing 1 and the angle of installation of the emitter 4, according to Snell's law. The signal via cable 14 enters the electronics unit 12, is detected, amplified and converted into a digital code. The microprocessor processes the received signal, performs the necessary calculations and supports communication via a digital channel.

Измеритель позволяет производить измерения без нарушения стенок трубопровода. Принцип действия измерителя расхода жидкости основан на излучении в контролируемую жидкость непрерывного ультразвукового сигнала постоянной частоты, приеме отраженного от включений в жидкость ультразвукового сигнала и определении среднего отклонения частоты принятого сигнала от частоты излученного сигнала. Разница частот излученного и принятого сигналов прямопропорциональна средней скорости потока жидкости и расходу жидкости в трубопроводе. The meter allows you to make measurements without violating the walls of the pipeline. The principle of operation of the liquid flow meter is based on the emission of a continuous ultrasonic signal of a constant frequency into the controlled liquid, receiving the ultrasonic signal reflected from the inclusions in the liquid and determining the average deviation of the frequency of the received signal from the frequency of the emitted signal. The frequency difference between the emitted and received signals is directly proportional to the average fluid flow rate and the fluid flow rate in the pipeline.

Точность измерения обусловлена в первую очередь тем, что оба преобразователя установленные в одном корпусе под строго определенным углом 30°. The measurement accuracy is primarily due to the fact that both transducers are installed in one housing at a strictly defined angle of 30 °.

В настоящее время измеритель расхода жидкости находится на стадии испытаний.The liquid flow meter is currently in the testing phase.

Claims

1. A liquid flow meter in the pipeline, including an ultrasonic emitter and a receiver installed in the recesses of the housing located on the contact side and connected to the electronics unit, characterized in that the grooves for installing the ultrasonic emitter and receiver in them are made at an angle of 30 ° to the contact side, and all the voids of the body are filled with a compound.

2. The meter according to claim 1, characterized in that the contact side of the housing is coated with an electrically conductive gel.

3. The meter according to claim 1, characterized in that the piezoelectric elements DZHGK.757681.008-238 (Ф23х3.1) are used as an ultrasonic emitter and a receiver.

4. The meter according to claim 1, characterized in that it is made in explosion-proof and spark-proof performance.