УДК 681.12/.18

ПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ВОЛНОВЫХ СИСТЕМ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ МНОГОФАЗНЫХ НЕФТЯНЫХ ПОТОКОВ

Коптева Александра Владимировна
Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»
кандидат технических наук, ассистент кафедры электротехники, электроэнергетики, электромеханики

Аннотация
Данная работа посвящена вопросу о повышении эффективности измерений жидких многокомпонентных потоков бесконтактными методами. Для достижения поставленной задачи проводятся исследования применительно к приборам волнового контроля, т.к. измерить процессы в потоке, не разрушив его структуру, возможно на сегодня только волновыми методами.

Ключевые слова: виброакустическая эмиссия, генератор, информативный параметр, коллиматор, модуляция, пилообразное напряжение, энергоинформационная теория


WAYS OF IMPROVING WAVE SYSTEMS FOR MEASURING MULTIPHASE OIL FLOW

Kopteva Alexandra Vladimirovna
National University of mineral resources "Mountain"
Ph.D., assistant professor of electrical engineering, power engineering, еlectromechanics

Abstract
The article is devoted to the issue of improving the efficiency measurements of liquid multicomponent flows by contactless methods. Research related to the field of noncontact measurement by wave control, because measure processes in the oil flow without destroying possibly only by the wave methods.

Keywords: collimator, energy information theory, modulation, parameter information, sawtooth, vibro-acoustic emission


Библиографическая ссылка на статью:
Коптева А.В. Пути совершенствования волновых систем для измерений многофазных нефтяных потоков // Современная техника и технологии. 2014. № 5 [Электронный ресурс]. URL: http://technology.snauka.ru/2014/05/3689 (дата обращения: 03.10.2017).

Потоки полезных ископаемых – одни из сложнейших объектов измерения, т.к.:
1. При анализе и синтезе сложных систем используются частотно-модулированные (ЧМ), амплитудно-модулированные (АМ); Синтез ЧМ и АМ и Импульсно-модулированные системы. Модуляция ЧМ, АМ, АМ+ЧМ, ИМ происходит случайным информативным параметром (изменение производительности, плотности, изменение количества и качества включений в поток, причем эти количества могут быть на пороге информационной чувствительности первичных преобразователей (ПП)).
2. Доступ к объекту измерения всегда либо чрезвычайно затруднен, либо должен быть организован таким образом, чтобы не влиять ни на структуру, ни на вещественный состав потока, а также не изменять физико-химических свойств вещества потока.
3. Энергетическое воздействие в процессе измерения потока должно быть либо безопасно, либо находиться в пределах нормы при взаимодействии системы «Человек – Измерительная система».
4. Конструирование ПП и электронных блоков измерительной системы (ИС) должно удовлетворять цели, которые бы обеспечивали точность, быстродействие, воспроизводимость, малое энергопотребление, низкую стоимость, безопасность эксплуатации, надежность, низкую стоимость и т.п. 
Согласно энергоинформационной теории Бриллюэна [1], практическую пользу, которую для приборостроителей трудно переоценить – точность, воспроизводимость, быстродействие и энергосбережение, можно оценить одной формулой:

(1)

справедливость, которой доказана теорией и практикой любых измерительных систем: для получения определенного количества информации q нужно затратить определенное количество энергии P.
Отсюда основной закон любого измерения может быть сформулирован: передача информации от одного объекта к другому, например, от объекта измерения измерительному устройству, может происходить только путем энергетического взаимодействия. При отсутствии обмена энергией между объектом и измерительным устройством, передача информации, а, следовательно, измерение – невозможно. Увеличение энергетического обмена дает возможность получения большего количества информации; при заданной величине энергии получение информации ограниченно. Для волновых методов это означает, что для большей точности результатов измерений многофазных потоков, нужно применять волновую энергию большей мощности. Так до сих пор и поступали, увеличивая мощности измерительных генераторов (в СВЧ, УВЧ, УЗ). Но мощные генераторы – это и дополнительные искажения и дополнительная стоимость, и неоправданная сложность аппаратуры. Обычные, применяемые в промышленности волновые приборы, имеют мощности генераторных систем около 300 Вт, а это мало. Суть предложения для повышения мощности измерений находится на стыке измерений и радиолокации. 
Для получения направленного луча при волновых методах (кроме жесткого электромагнитного излучения в радиоизотопном методе, где направленность обеспечивается коллиматором для γ-квантов) предлагается в ПП импульсного действия, не изменяя их конструкции, подавать напряжение питания на генератор в виде импульсов (также возможен вариант подключения излучающей антенны с коротким промежутком времени). Электрические колебания имеют вид, представленный на рис. 1 и состоят из коротких цугов колебаний, разделенных паузой.


Рисунок 1 – а) импульсы колебаний; б) модулирующая функция

Длительность τ составляет порядка микросекунд (10-6 с) и следуют друг за другом с периодом порядка 10-3 с. Следовательно, модулирующая функция этих колебаний имеет вид прямоугольных импульсов (рис. 1. б). Для получения такой модуляции на генератор подают напряжение, изображенное кривой на рисунке 1.б.
Физическая суть: вследствие большой «скважности»  средняя мощность генератора оказывается совсем небольшой, т.к. при τ=10-6с, Т=10-3 с и мощность в импульсе равна 300 кВт. Средняя мощность равна, соответственно,  Волновой прибор такой мощности на микросхемотехнике легко умещается в кармане.
Еще одно преимущество: для излучения и приема радиоволны, например, в УЗ-измерителях применяется одна и та же антенна (как в локаторах). Прием радиоволн, рассеянных потоком в трубопроводе, производится за время пауз работы передатчика. 
Чтобы мощные импульсы не вывели из строя чувствительный приемник, последний защищается специальным устройством, основной частью которого является газоразрядная трубка (устройство, подавляющее броски напряжения, которое «урезает» броски напряжения до заданного уровня [2, с. 64]). При попадании импульса передатчика в тракт приемника, в первые же моменты в трубке зажигается интенсивный газовый разряд, экранирующий приемник от попадания радиоволны. После окончания импульса передатчика разряд гаснет, и приемник оказывается соединенным с антенной.
Для определения направления по сечению трубопровода, антенна имеет соответствующее юстировочное устройство, и когда излучение попадает на какое-либо включение в потоке, отраженные и рассеянные радиоволны доходят обратно до антенны и регистрируются приемником.
Ясно, что для регистрации этих радиоволн нужно, чтобы к необходимому моменту времени передатчик уже закончил свою работу и именно поэтому предлагается очень короткие рабочие импульсы (импульсы для «накачки» энергии и для обнаружения и выделения информативного параметра). Для обнаружения местоположения «постороннего включения» в потоке подобно радиолокатору, определяют время, затраченное электромагнитной волной при движении до объекта и обратно. Для этого выход приемника присоединяют к таймеру или к вертикальным пластинам электронного осциллоскопа, а к горизонтальным его пластинам – пилообразное напряжение. Эту временную развертку синхронизируют с передатчиком.
Когда в приемник попадает импульс, возвратившийся от объекта, включается таймер или появляется импульс на осциллоскопе. Кроме того, в таймер, в приемник и на экране попадает еще слабый импульс от передатчика, который после демодуляции дает второй пик на экране вблизи погона развертки. Но на экране расстояние между двумя пиками l, скорость горизонтального движения луча v, то время, затраченное волной . С другой стороны, это же время , где R – расстояние до «включения», а с – скорость распространения электромагнитного импульса, совпадающего в газовой трубе с фазовой скоростью распространения радиоволны, поэтому , откуда измерив таймером расстояние между пиками, определяется расстояние до объекта (включения) R, то же – измеряя промежуток между пиками – по осциллоскопу.
Такой принцип модификации УЗ измерителя потока позволяет использовать его не только как измеритель физических параметров потока, но и как прибор для диагностики целостности самого трубопровода. Возможным стало это потому, что колебательный импульс огромной мощности возбуждает колебания стенок трубопровода, а место, где трубопровод имеет истончение коррозией, трещину или иной механический дефект, отвечает на эти вынужденные колебания своим частотным спектром (т.н. виброакустическая эмиссия). Мощные точки колебательных импульсов позволяют проконтролировать целостность трубопровода на несколько километров, что при прежней технике сделать было невозможно.
Информационный КПД измерений определяется отношением количества полученной информации к её предельному значению соответственно: .
Потеря информации при измерении: , где D – относительный диапазон измерения; γш – приведенная погрешность прибора; х2 – результат измерения.


Библиографический список
  1. Новицкий П.В. Основы информационной теории измерительных устройств. Л., 1968.
  2. Торокин А. А. Основы   инженерно-технической защиты информации. 1997.


Все статьи автора «Коптева Александра Владимировна»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: