Меню

Ультразвуковые методы измерения объема



Ультразвуковой метод измерения расхода

Автор:Кремлевский П.П
Источник: Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества веществ: Справочник: Кн. 2 .- СПб .: Политехника, 2004. — 412 с.

Ультразвуковые расходомеры

Основой акустического метода измерения расхода являетсязависит от нее того или иного эффекта, возникающего при проходе акустических колебаний через поток жидкости. Почти все применяемые на практике акустические расходомеры работают в ультразвуковом диапазоне частот и поэтому называются ультразвуковыми.

Ультразвуковые расходомеры реализуют различные способы измерения. Наиболее часто на практике используют два способа измерения, отличаются взаимным пространственным расположением направлений вектора скорости жидкости и вектора распространения звуковой волны.

Первый способ основан на определении износа движущейся средой ультразвукового луча, направленного под прямым углом к вектору движения потока. По сути, измеряется уменьшение количества акустической энергии, попадающей на приемник с ростом скорости потока.

Недостатком данного способа является низкая чувствительность, поэтому чаще применяется разновидность этого способа, который заключается в том, что луч направляют под небольшим углом относительно диаметра трубы и принимают после многократного отражения от стенок трубы, как показано на рис. 1.4, а). Таким образом, достигается увеличение расстояния, которое проходит луч. Чувствительность такой конструкции выше, чем у основного вида способа, однако следует отметить, что показания существенно зависят от степени коррозии и загрязнения внутренних поверхностей трубы, отражающих луч. Кроме того, скорость звука в среде зависит от температуры жидкости, ее кинематической вязкости и степени загрязнения жидкости. Эта зависимость приводит к росту погрешности при изменении физико-химических свойств измеряемой жидкости.

Рис. 1.4 Конструкции преобразователей ультразвуковых расходомеров

Для исключения влияния зависимости скорости звука от различных факторов используют другой способ, в котором расход жидкости определяют по разнице скорости распространения звука в направлении потока и против него. Ультразвуковой луч при этом направляют под углом к направлению движения потока. На рис. 1.4, б) показана одноканальная, а на рис. 1.4, в), г) – двухканальные конструкции преобразователей расходомеров, которые реализуют указанный метод формирования и приема акустических колебаний

Если плоскости излучающих и принимающих акустических преобразователей расположены под некоторым углом θ к оси трубы, то звуковой луч проходит в измеряемой жидкости путь длиной L под углом α, равный α = 90° — θ. Обозначим через νL скорость потока, усредненную по длине L. Проекция скорости νL на направление L будет равняться νL cosα. Если акустические колебания направлены в сторону движения потока, то время τ1 прохождения ими расстояния L определяется выражением:

где с — скорость распространения акустических колебаний в неподвижной жидкости.

При обратном направлении акустических колебаний время τ2 прохождения ими той же расстоянии определится выражением:

Источник

Ультразвуковые методы измерения объема

2.5. Ультразвуковые методы определения объема щитовидной железы и их оценка

Определение объема щитовидной железы, максимально близкое к реальному, необходимо для клинической оценки ее размеров и контроля эффективности лечения. Эхография является наиболее точным и быстрым методом, позволяющим объективно установить объем органа [43, 91, 120]. При выполнении измерений опытным специалистом, погрешность составляет 8 – 20 %, что значительно выше возможностей физикального исследования [40, 82, 101].

Для определения объема щитовидной железы разработаны различные методы [102, 147, 190]; в мировой практике наиболее широко применяется предложенный в 1981 г. Brunn J . метод [40], основанный на стандартной геометрической формуле для вычисления объема вращающегося эллипсоида : ? /6 x A x B x C , где A , B , и C – три взаимноперпендикулярных размера (рис. 60).

Рис. 60. Геометрическая формула вычисления объема вращающегося эллипсоида ( ? /6 = 0.523).

Оценка точности этого метода проводилась автором на трупном материале путем сравнения ультразвукового и прямого определения объема щитовидной железы. В результате этого исследования Brunn J . был вычислен поправочный коэффициент, наиболее точно соответствовавший реальному объему щитовидной железы — 0.479 (вместо 0.523). По автору, объем каждой доли вычисляется по формуле : V = 0.479 x A x B x C , где A – ширина доли, B – длина и C – глубина доли (мм). Суммарный объем железы сладывается из объема правой и левой долей : V сум. = V пр. + V лев .

По данным Brunn , максимальная погрешность метода составляет примерно 16%.

Источник

Ультразвуковые методы измерения параметров многофазных нефтегазовых потоков

УДК 681.121.89.082.4:681.5.08

Р. И. СОЛОМИЧЕВ – к.т.н., ООО НПО «Турбулентность-ДОН», sktb_solomichev@turbo-don.ru
А. Н. СЛОНЬКО – ООО НПО «Турбулентность-ДОН», sktb_std2@turbo-don.ru

В статье рассмотрены и описаны существующие ультразвуковые методы измерения расхода и свойств потока, применительно к многофазным потокам (время-разностный, кросс-корреляционный, эхо-импульсный) и методы, основанные на эффекте Доплера. Описаны и классифицированы наиболее распространенные методы обработки измеренной информации в многофазных расходомерах: методы спектрального анализа сигналов (с использованием преобразований Фурье и вейвлет преобразований); методы оценки во временной области (корреляционные вычисления); методы на основе нейронных сетей; смешанные методы, применяемые в гибридных расходомерах. Предложена и обоснована идея комбинации ультразвуковых методов измерения многофазных потоков с последующей обработкой полученных данных в одном расходомере, имеющая ряд преимуществ: возможность определения скорости потока, концентрацию компонентов многофазной среды, скорость звука в каждой из двух фаз, и, следовательно, оценить плотность веществ. Применение на практике описанных в работе методов обработки измеренной информации в многофазных расходомерах дает возможность распознавать и контролировать режимы истечения многофазной среды в трубопроводе.

Ключевые слова: ультразвуковой расходомер, многофазный поток, нефтепродукты, природный газ, концентрация компонентов, цифровая фильтрация.

Читайте также:  Кто впервые измерил атмосферное давление фамилия ученого

Постановка проблемы

В последние годы наблюдается все большее распространение ультразвуковых измерителей потока в нефтяной и газовой промышленности, что было продемонстрировано на недавней международной конференции FLOMEKO-2019 (семинар по измерению расхода энергоресурсов в Северном море). На данной конференции практически половина докладов была связана с применением ультразвуковой технологии измерения скорости потока и ее метрологическим обеспечением.

Ультразвуковые (УЗ) методы имеют значительные преимущества по сравнению с механическими методами измерения расхода: более высокую надежность, большой динамический диапазон, меньшие затраты на техническое обслуживание, требования и возможность оперативного обслуживания, – это достигается за счет того, что сам принцип предполагает отсутствие механических движущихся частей в составе расходомера. Данные преимущества ультразвуковой технологии побудили многих исследователей и разработчиков проводить дальнейшие теоретические и экспериментальные исследования для реализации методик измерения многофазных нефтегазовых потоков.

Все чаще на конференциях подобного рода затрагивается тема измерения многофазных потоков в контексте применения ультразвуковых расходомеров и это не случайно. Традиционно для измерения каждой составляющей многофазной смеси прибегают к ее сепарированию, далее измеряют отдельные компоненты привычными расходомерами для воды, нефти и газа. Способ разделения многофазной смеси может занимать не малое количество времени, быть дорогостоящим и требует большого пространства для размещения громоздкого оборудования.

Способ сепарирования в некоторых случаях делает экономически нецелесообразным разведку глубоководных запасов нефти при значительном удалении от суши, особенно когда две различные добычные компании используют общий трубопровод и до смешивания им требуется знать расход и состав нефтепродуктов.

Таким образом, возникает потребность в многофазном расходомере, предназначенном для динамического измерения расхода многофазного потока и его отдельных компонентов без предварительной сепарации. Проблематика измерения многофазного потока, поступающего из скважины, связана с тем, что он может иметь любую структуру, изменяющуюся случайным образом, но при этом необходимо своевременно определить расходы каждого из компонентов: нефти, воды и газа, что оказывает определяющее влияние на их метрологические характеристики [1].

Цель и задачи исследования

Цель данного исследования – рассмотреть и проанализировать существующие ультразвуковые методы измерения расхода компонентов многофазных потоков в нефтегазовой промышленности.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

  • рассмотреть существующие ультразвуковые методы измерения;
  • провести анализ, выбор и обоснование методов цифровой обработки измеренных сигналов, что позволит интерпретировать полученный массив данных в функциональную зависимость расходов компонентов многофазной смеси.

Решение задач и результаты исследования

Существующие на сегодняшний момент ультразвуковые расходомеры газа или жидкости производятся для широкого ряда диаметров трубопроводов, имеют различные исполнения (накладные и врезные датчики) и методы измерения акустических эффектов, возникающих при движении вещества, расход которого необходимо измерить. Среди наиболее распространенных можно выделить методы, основанные на перемещении акустических колебаний движущейся средой (время-разностный, кросс-корреляционный, эхо-импульсный) и методы, основанные на эффекте Доплера. Рассмотрим перечисленные методы более детально, применительно к измерению компонентов многофазных потоков.

Ультразвуковой метод времени прохождения движущейся среды основан на определении времен прохождения ультразвуковой волны между двумя датчиками (расположенными под углом к трубопроводу, рис. 1) попутно (tAB) и встречно (tBA) потоку. Зная величины времен задержек распространения звуковой волны tAB и tBA, среднюю скорость потока VП можно определить по формуле:

где:
Δt = tBA – tAB;
L – длина пробега УЗ волны;
M – осевое смещение УЗ волны вдоль трубы.

Рис. 1. Принцип измерения разности времен прохождения УЗ волны

Данный метод измерения получил наибольшее распространение в ультразвуковых расходомерах, измеряющих потоки однородных сред. Для получения информации о количестве взвешенных частиц в измеряемом объеме применяют модификацию метода времени прохождения: анализируют коэффициент затухания УЗ волны в среде, который пропорционален объемному содержанию включений от 4% до 6% [2]. При обильном содержании взвешенных частиц или пузырьков газа в жидкости или водяного пара в газе используется метод измерения доплеровского сдвига.

Читайте также:  Как измерить мач аккумулятора

Ультразвуковой корреляционный метод измерения скорости потока основывается на определении времени прохождения группы «рассеивателей» УЗ волны между двумя точками измерения при установлении максимального значения функции взаимной корреляции в измеренных отсчетах (рис. 2).

В момент времени t = t1 излучается УЗ пучок, далее высокочастотное эхо этого сигнала E1 подвергается аналого-цифровому преобразованию и регистрируется. Группа рассеивателей длиною N-точек проходит расстояние r до второй точки замера. Второй УЗ пучок излучается в момент времени t = t2, к этому времени группа рассеивателей сместится на неизвестную дистанцию Δd. УЗ это также сместится на новую позицию в цифровой записи это сигнала Е2. Дистанция (выраженное через время), на которую сместились рассеиватели может быть определена через корреляцию начального эхо-отклика в Е1 с различными участками отклика Е2 равной длины.

Математически, эта процедура заключается в сдвиге временного окна отклика Е1 на величину s и дальнейшем варьировании этой величины до нахождения совпадающего отклика в Е2. Коэффициент корреляции R(s) рассчитывается для каждого значения s и значение аргумента, при котором достигается максимум R(s) соответствует моменту времени s = τ – новому положению рассеивателей.

Рис. 2. Схематическое изображение корреляционного УЗ расходомера с поясняющими временными диаграммами

После того, как значение величины τ было определено, дистанция, на которую сместились рассеиватели вдоль направления распространения пучка, выражается как:

Отсюда может быть найдена осевая проекция скорости перемещения рассеивателей:

где:
Т – период повторения импульсов,
Va – осевая компонента скорости.

Для измерения касательной компоненты необходима некоторая априорная информация об угле, под которым производится облучение рассеивателей.

Корреляционные приборы перспективны для измерения расхода двухфазных веществ [3]. Метод обладает рядом преимуществ: он нечувствителен к частотным искажениям [4], обладает большим быстродействием и точностью.

Ультразвуковой доплеровский метод измерения скорости потока основан на эффекте Доплера, суть которого состоит в изменении частоты УЗ волн при рассеянии на движущимся относительно приемника объектах:

где:
fR, fE – частоты принятого и излученного сигналов соответственно.

Разность частот Δf положительна, если объект приближается к источнику излучения и отрицательна в противном случае. Величина Δf называется доплеровским сдвигом частоты, который пропорционален осевой компоненте скорости перемещения объекта. Если угол между осью УЗ пучка и направлением движения объекта равен Θ (рис. 3а), то доплеровский сдвиг определяется соотношением:

Рис. 3. Доплеровское измерение скорости потока

Доплеровские измерительные системы подразделяются на два основных вида в зависимости от режима их функционирования: непрерывно-волнового или импульсного. Прием и излучение ультразвука для первого из них разнесены в пространстве, для второго – во времени. Таким образом, первый состоит из двух активных элементов, расположенных вплотную и под некоторым углом друг к другу, а второй имеет в своем составе только один преобразователь, поочередно работающий то на прием, то на передачу (рис. 3б).

Расходомеры, работающие в непрерывно-волновом режиме, представляют собой относительно простые приборы, одним из недостатков которых является, так называемое, уширение доплеровского спектра, наблюдаемое при увеличении скорости движения рассеивателей и обусловленное влиянием остаточных поперечных компонент векторов их скоростей. Ширина сперктра Bd определяется соотношением [5]:

где:
величина К является константой, определяемой отношением апертуры преобразователя D к его фокусному расстоянию F.

Этот эффект приводит к увеличению погрешности измерения до 2–4% при повышении скорости потока. Также на погрешность измерения оказывает уменьшение угла установки преобразователей менее 75° относительно направления потока. Большая часть исследований и разработок, связанных с многофазными расходомерами основывается на моделях с применением эффекта Доплера [6, 7].

Ультразвуковой эхо-импульсный (радарный) метод основывается на явлении отражения УЗ волны от границы раздела двух сред (рис. 4), используется для измерения толщины слоя веществ в различных фазовых состояниях. В многофазных расходомерах определение границы раздела газ-жидкость является одним из фундаментальных аспектов при измерении как скорости потока жидкости, так и доли пустот в потоке [8].

В данном методе используется явление различия между характеристическими импедансами ультразвука на границе раздела двух сред. Значение амплитуды, отраженной УЗ волны определяется выражением:

Рис. 4. Эхо-импульсный принцип измерения толщины слоя двухфазного потока

Проведенные исследования [9] показывают, что на характеристики отраженной волны в значительной мере влияют форма и размер границы раздела относительно длины УЗ волны, а также режимы движения многофазного потока. Так, для ламинарных расслоенных потоков без образования существенных волн на поверхности обнаружение границы раздела двух сред (жидкость-газ) не вызывает труда, – почти 99,9% падающей волны отражается обратно. При возникновении слоистых волнообразных потоков, излученная УЗ волна зачастую рассеивается и обратно на преобразователь попадает ее меньшая часть. Данную проблему решают с помощью многократных периодических замеров и цифровых фильтров, предполагающих, в том числе и статистическую обработку сигналов, что также позволяет идентифицировать режим течения многофазного потока.

Читайте также:  Часы для измерения давления пульса кислорода

Среди наиболее распространенных методов обработки измеренной информации в многофазных

  • расходомерах выделяют следующие:
  • методы спектрального анализа сигналов (с использованием преобразований Фурье и вейвлет преобразований);
  • методы оценки во временной области (корреляционные вычисления);
  • методы на основе нейронных сетей;
  • смешанные методы, применяемые в гибридных расходомерах.

Основной целью обработки измеренных данных с помощью методов спектрального анализа является определение формы и скорости потока. При интерпретации измеренных сигналов в доплеровском расходомере зачастую сложно разделить поток на режимы, используя только значения стандартных индексов формы сигнала, поскольку в полученных отсчетах наблюдаются заметные совпадения. Наиболее часто для оценки спектра мощности сигнала в частотной области применяют быстрое преобразование Фурье (БПФ), за счет которого появляется возможность визуализировать весь спектр в реальном времени. Недостатком БПФ является то, что оно дает информацию только про частоту, присутствующую в сигнале, но не дает информации в каком именно промежутке времени.

Оконное преобразование Фурье, в отличие от БПФ, является функцией от времени, частоты и амплитуды и позволяет получать характеристику распределения частоты сигнала с амплитудой во времени. При увеличении ширины окна (уменьшении его разрешающей способности) увеличивается точность относительно частоты и уменьшается точность относительно времени. Для оптимального соотношения точностей при подборе ширины окна используют вейвлет преобразование, по сути, являющимся инструментом, который решает проблему неопределенности Гейзенберга для построения частотно-временных характеристик сигнала. Применительно к доплеровскому расходомеру, оконное преобразование Фурье в чистом виде не совсем подходит для анализа УЗ сигналов, так как они являются весьма нестационарными.

Корреляционная обработка сигналов во временной области является основным методом оценки распределения и смещения рассеивателей в измерительном участке трубопровода в процессе измерения многофазного расхода. Данный метод применяют в двух случаях: для анализа временных задержек (цель – определение скорости потока), либо для анализа временных рядов, что является ценным инструментом для идентификации структуры и режимов истечения потока. Основные принципы корреляционного анализа и фильтрации [10], позволяющие обрабатывать самые зашумленные измерительные сигналы, уже применяются в уникальном алгоритме программного обеспечения расходомеров Turbo Flow UFG (расходомер газа, рис. 5) и Turbo Flow UFL (расходомер жидкости, рис. 6) производства ООО НПО «Турбулентность-ДОН».

Рис. 5. Расходомер газа Turbo Flow UFG производства ООО НПО «Турбулентность-Дон»

Рис. 6. Расходомер жидкости Turbo Flow UFL производства ООО НПО «Турбулентность-Дон»

Принципы исследований на основе нейронных сетей (НС) все чаше находят применение в различных областях науки и техники, и многофазные расходомеры не являются исключением. В [11] автор применил многослойную модель персептрона для оценки погрешности измерения массового расхода в кориолисовых расходомерах при течении двухфазного потока. Преимущество использования НС обусловлено способностью моделировать нелинейные отношения между входными переменными и требуемыми выходными сигналами с помощью методов приближения функций, а также определять сложные отношения с использованием алгоритмов распознавания образов.

При измерении многофазного потока распознавание образов используется для идентификации (классификации) режима потока, при котором входные переменные классифицируются как элемент предопределенного режима потока. Чтобы получить объективную идентификацию режимов потока, НС часто предпочитают статистическим методам из-за их быстрого отклика и упрощения, эффективности и доступности алгоритмов обучения.

На сегодняшний день универсального метода измерения расхода фаз не существует, что обусловлено сложностью измерения многофазного потока, который сложно понять, предсказать и тем более моделировать. Поэтому многофазный расходомер является гибридным прибором, объединяющий в себе сразу несколько методов измерения, что позволяет получить больше информации о среде измерения, тем самым повысить точность измерений посредством вычисления расхода каждого из компонентов согласно полученной информации.

Идея комбинации приведенных выше ультразвуковых метод в одном расходомере многофазного потока имеет ряд преимуществ. При использовании совместно времяимпульсного и доплеровского способов и двух комплектов первичных преобразователей для жидкой и газовой фазы соответственно, появляется возможность определить не только скорость потока многофазной среды, но и концентрацию газа в жидкости или жидкости в газе, скорость звука в каждой из двух фаз, и, следовательно, оценить плотность веществ. Комбинация способов также дает информацию о процентном соотношении и уровнях жидкой и газообразной фазы в сечении трубопровода.

Применение на практике перечисленных методов обработки измеренной информации в многофазных расходомерах дает возможность распознавать и контролировать режимы истечения многофазной среды в трубопроводе.

Источник