оптическое устройство и способ определения параметров многофазного потока

Формула изобретения

1. Способ для измерения скорости многофазного флюида, текущего в трубе, причем многофазный флюид содержит жидкую фазу и газовую или твердую фазу, способ содержит этапы, на которых

а. направляют пару коллимированных пучков света от осветительного устройства через многофазный флюид посредством прозрачных участков трубы, причем пара коллимированных пучков разнесена в направлении потока многофазного флюида на предварительно определенное расстояние,

b. обнаруживают рассеянный, отклоненный и ослабленный свет с помощью пары фотодетекторов для создания пары сигналов, причем каждая пара фотодетекторов связана с одним из пары коллимированных пучков,

с. вычисляют взаимно корреляционную функцию для пары сигналов для определения задержки по времени между сигналами,

d. вычисляют среднюю скорость многофазного флюида как отношение предварительно определенного расстояния к задержке по времени, и

е. пропускают пару сигналов через совокупность полосовых фильтров для изоляции совокупности пар соответствующих частотных компонентов, причем каждая из совокупности пар соответствующих частотных компонентов соответствует одному из совокупности компонентов потока.

2. Способ по п.1, дополнительно содержащий для каждой из совокупности пар соответствующих частотных компонентов этапы, на которых

а. вычисляют взаимно корреляционную функцию между парой соответствующих частотных компонентов для определения задержки по времени между соответствующими частотными компонентами, и

b. вычисляют скорость соответствующего компонента потока как отношение предварительно определенного расстояния к задержке по времени между соответствующими частотными компонентами.

3. Способ по п.2, дополнительно содержащий этап, на котором определяют интенсивность каждой из пар частотных компонентов и вычисляют количество соответствующего одного из совокупности компонентов потока на основании интенсивности.

4. Способ по п.3, дополнительно содержащий этап, на котором определяют расход каждого из совокупности компонентов потока умножением скорости каждого компонента потока на интенсивность соответствующей пары частотных компонентов.

5. Способ по п.4, в котором паровая составляющая многофазного потока вычисляется как расход самого быстрого из совокупности компонентов потока.

6. Способ по п.5, дополнительно содержащий этап, на котором определяют суммарный расход многофазного потока суммированием расходов всех компонентов из совокупности компонентов потока.

7. Способ по п.6, дополнительно содержащий этап, на котором вычисляют качество многофазного потока как отношение паровой составляющей к суммарному расходу.

8. Устройство для измерения скорости многофазного флюида, текущего в трубе, причем многофазный флюид содержит жидкую фазу и газовую или твердую фазу, устройство содержит

а. осветительное устройство для формирования пары коллимированных пучков света и направления пучков через многофазный флюид посредством прозрачных участков трубы, причем пара коллимированных пучков разнесена в направлении потока многофазного флюида на предварительно определенное расстояние,

b. пару фотодетекторов, расположенных поперек трубы от осветительного устройства, причем каждый из пары фотодетекторов оптически связан с одним из пары коллимированных пучков для обнаружения рассеянного, отклоненного и ослабленного света соответствующего пучка и формирования сигнала, и

с. средство обработки сигнала для обработки сигналов от пары фотодетекторов и вычисления взаимно корреляционной функции между сигналами для определения задержки по времени и для вычисления скорости многофазного флюида как отношения предварительно определенного расстояния к задержке по времени, причем средство обработки сигнала содержит совокупность полосовых фильтров для изоляции совокупности частотных компонентов каждой из пары сигналов.

9. Устройство по п.8, в котором осветительное устройство содержит первое осветительное устройство для формирования первой пары коллимированных пучков, и в котором пара фотодетекторов содержит первую пару фотодетекторов, устройство дополнительно содержит

а. второе осветительное устройство для формирования второй пары коллимированных пучков света и направления второй пары пучков через многофазный флюид под углом к паре пучков, формируемых первым осветительным устройством, и

b. вторую пару фотодетекторов, размещенную поперек трубы от второго осветительного устройства, причем каждый из второй пары фотодетекторов оптически связан с одним из второй пары коллимированных пучков для обнаружения рассеянного, отклоненного и ослабленного света соответствующего пучка и формирования сигнала, в котором сигналы от второй пары фотодетекторов обрабатываются средством обработки сигнала.

10. Устройство по п.9, в котором угол является прямым.

11. Устройство по п.9, дополнительно содержащее, по меньшей мере, одну оптическую систему для фокусировки света пары коллимированных пучков, рассеянного под углом, близким к прямому, из, по меньшей мере, одной зоны измерения на, по меньшей мере, один фотодетектор.

12. Устройство по п.8, дополнительно содержащее многофокусную оптическую систему для фокусировки света пары коллимированных пучков, рассеянного под острым углом, из совокупности зон измерения на совокупность фотодетекторов.

13. Устройство по п.8, дополнительно содержащее многофокусную оптическую систему для фокусировки света пары коллимированных пучков, рассеянного под углом, близким к 180°, из совокупности зон измерения на совокупность фотодетекторов.

14. Способ для измерения скорости многофазного флюида, текущего в трубе, причем многофазный флюид содержит жидкую фазу и газовую или твердую фазу, способ содержит этапы, на которых

(a) направляют пару плоских пучков света от осветительного устройства через многофазный флюид посредством прозрачных участков трубы, причем пара плоских пучков света ориентирована перпендикулярно к направлению потока многофазного флюида и разнесена в направлении потока на предварительно определенное расстояние,

(b) обнаруживают рассеянный и отклоненный свет с помощью пары фотодетекторов для создания пары сигналов, причем каждый из пары фотодетекторов связан с одним из пары плоских пучков света,

(c) вычисляют взаимно корреляционную функцию для пары сигналов для определения задержки по времени между сигналами,

(d) вычисляют среднюю скорость многофазного флюида как отношение предварительно определенного расстояния к задержке по времени, и

(e) вычисляют количество жидкостной составляющей в многофазном флюиде на основании дисперсии сигналов от фотодетекторов.

15. Способ по п.14, дополнительно содержащий этапы, на которых

(a) направляют, по меньшей мере, один коллимированный пучок в направлении, в общем случае, параллельном паре плоских пучков света,

(b) обнаруживают отклоненный и ослабленный свет коллимированного пучка с помощью опорного фотодетектора для формирования сигнала, связанного с коллимированным пучком, и

(c) вычисляют количество жидкостной составляющей в многофазном флюиде на основании дисперсии сигнала от опорного фотодетектора.

16. Способ по п.14, дополнительно содержащий этапы, на которых

(a) направляют, по меньшей мере, один коллимированный пучок в направлении, в общем случае, параллельном паре плоских пучков света, причем коллимированный пучок содержит свет первой длины волны, который сильно поглощается в жидкостной составляющей, и свет второй длины волны, который слабо поглощается в жидкостной составляющей,

(b) обнаруживают ослабленный свет с помощью опорных фотодетекторов для формирования первого сигнала, соответствующего свету первой длины волны, и второго сигнала, соответствующего свету второй длины волны, и

(c) вычисляют количество жидкостной составляющей в многофазном флюиде на основании отношения первого и второго сигналов.

17. Устройство для измерения скорости многофазного флюида, текущего в трубе, причем многофазный флюид содержит жидкую фазу и газовую или твердую фазу, устройство содержит

(a) осветительное устройство для формирования пары плоских пучков света и направления плоских пучков света через многофазный флюид посредством прозрачных участков трубы, причем пара плоских пучков света ориентирована перпендикулярно к направлению потока многофазного флюида и разнесена в направлении потока на предварительно определенное расстояние,

(b) пару фотодетекторов, расположенных поперек трубы от осветительного устройства, причем каждый из пары фотодетекторов оптически связан с одним из плоских пучков света для обнаружения рассеянного света соответствующего плоского пучка света и формирования сигнала, и

(с) средство обработки сигнала для обработки сигналов от пары фотодетекторов, вычисления взаимно корреляционной функции между сигналами для определения задержки по времени, вычисления скорости многофазного флюида как отношения предварительно определенного расстояния к задержке по времени, и для вычисления количества жидкостной составляющей в многофазном флюиде на основании дисперсии сигналов от фотодетекторов.

18. Устройство по п.17, дополнительно содержащее

(a) опорное осветительное устройство для формирования коллимированного пучка и направления коллимированного пучка через многофазный флюид посредством прозрачных участков трубы,

(b) опорный фотодетектор, размещенный поперек трубы от опорного осветительного устройства и оптически связанный с коллимированным пучком для обнаружения ослабленного света коллимированного пучка и формирования сигнала, и

(c) опорное средство обработки сигнала для обработки сигнала от опорного фотодетектора и вычисления количества жидкостной составляющей в многофазном флюиде на основании дисперсии сигнала.

19. Устройство по п.17, дополнительно содержащее

(a) опорное осветительное устройство для формирования коллимированного пучка и направления коллимированного пучка через многофазный флюид посредством прозрачных участков трубы, причем коллимированный пучок содержит свет первой длины волны, который сильно поглощается в жидкостной составляющей, и свет второй длины волны, который слабо поглощается в жидкостной составляющей,

(b) опорные фотодетекторы, размещенные поперек трубы от осветительного устройства и оптически связанные с коллимированным пучком для обнаружения ослабленного света коллимированного пучка и формирования первого сигнала, соответствующего свету первой длины волны, и второго сигнала, соответствующего свету второй длины волны, и

(с) опорное средство обработки сигнала для обработки первого и второго сигналов и вычисления количества жидкостной составляющей многофазного флюида на основании отношения первого и второго сигналов.

Описание изобретения к патенту

Область применения изобретения

Настоящее изобретение относится к оптическим расходомерам для определения скорости флюидов, включая смеси газообразных и жидкостных составляющих, например пара, движущегося в трубе.

Предпосылки изобретения

Необходимость в измерении скорости и расхода, например, пара является известной проблемой в промышленном контроле, поскольку пар широко используется в качестве энергоносителя во многих процессах и поскольку измерение потока пара является сложной задачей. Главной причиной этой сложности является наличие в потоке двух составляющих, газовой или паровой, фазы, которая смешана с жидкой фазой (водой). Жидкая фаза движется в трубе в виде водяных капель разных размеров, флуктуирующих водяных конгломератов и водяного конденсата, который собирается на дне трубы в случае низкого качества пара. Разные компоненты движутся с разными скоростями. Соотношение между этими компонентами изменяется со временем, водяные конгломераты могут объединяться вместе, и водяной конденсат может внезапно подниматься и ускоряться потоком, создавая «эффект молота». Кроме того, качество пара изменяется вдоль трубы в зависимости от температуры вне трубы, изоляции трубы, изгиба трубы и т.д. Все эти факторы усложняют измерение потока пара.

Был предложен ряд решений для измерения потока пара. Некоторые базируются на мониторинге электрических свойств пара и воды посредством измерения емкости текучей среды в нескольких точках вдоль трубы или путем мониторинга изменения плотности флюида с помощью ультразвука. Главным недостатком этих способов является высокая несогласованность с рабочей температурой. Мощные промышленные бойлеры работают при температурах свыше 350°C, которые находятся за пределами емкостных и ультразвуковых методов. Другие решения, основанные на методах гамма-облучения, применимы для измерения пара; однако гамма-облучения являются дорогостоящими и создают опасность для персонала.

Из уровня техники известны способы взаимной корреляции для бесконтактного измерения потока флюида с использованием оптических средств. Оптические способы обычно не испытывают негативного влияния высоких температур, поскольку источники света и фотодетекторы могут располагаться на удалении от горячих зон измерения. В патенте США № 6611319 (Wang) описан оптический расходомер, работа которого основана на регистрации света, мерцающего (вспыхивающего) вследствие малых изменений показателя преломления при изменениях температуры. Движущийся флюид просвечивается единичным источником света, и прямой свет измеряется двумя фотодетекторами, разнесенными вдоль направления потока. Вычисляется взаимно корреляционная функция между сигналами от этих фотодетекторов и определяется положение ее максимума. Это положение обеспечивает среднее время, необходимое потоку для перемещения от одного фотодетектора к другому. Поэтому отношение расстояния между фотодетекторами к задержке по времени дает оценку средней скорости потока.

Аналогичный метод корреляции описан в заявке WO 02/077578 A1 (Hyde) для измерения потока газа в длинных трубах с использованием ослабления света газовым потоком. Разные составляющие движущегося газа могут иметь разное поглощение в инфракрасном диапазоне, что приводит к модуляции света, проходящего через трубу.

Однако метод сцинтилляции Ванга и метод инфракрасного поглощения Хайда требуют протяженных оптических путей для накопления достаточных аномалий в потоке. Эти методы требуют, чтобы минимальный диаметр трубы составлял около метра для осуществления надежных измерений расхода. Такие диаметры слишком велики для паропроводов, максимальный диаметр которых составляет 12 дюймов (30 см), а обычно размеры трубы составляют от 2 дюймов (5 см) до 6 дюймов (15 см). Кроме того, сильно расходящийся световой пучок от единичного источника света, используемый в методе сцинтилляции Ванга, увеличивает разброс задержки по времени, поскольку разные участки флуктуированного потока пересекает пучок в разных местах, что уменьшает точность измерения. Коллимированные пучки, используемые в способе инфракрасного поглощения Хайда, не подвержены этому эффекту, но пар не может поглощать много света. В частности, высококачественный пар хорошо пропускает свет в широком диапазоне длин волн. Поэтому нерассеянный свет имеет очень малую глубину модуляции вследствие высокой интенсивности прямого света от источника света. Кроме того, ни один из вышеописанных оптических способов не применялся для определения качества пара, которое столь же важно, как измерение скорости или расхода.

Поэтому существует необходимость в устройстве и способе для определения скорости потока смесей газа и жидкости, который имеет место, например, при движении пара в малых трубах.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является обеспечение оптического устройства и способа для определения параметров потока пара в промышленных трубах.

Другой задачей настоящего изобретения является обеспечение оптического устройства и способа, пригодных для пара переменного качества.

Еще одной задачей изобретения является обеспечение оптического устройства и способа, позволяющих одновременно определять качество пара.

Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения два или более узких коллимированных пучков света направляют на текучую среду, текущую в трубе, через прозрачные окна в стенках трубы. Пучки разнесены вдоль направления потока. Капли жидкости и другие компоненты потока, движущиеся по трубе, пересекают пучки и рассеивают, и отклоняют свет. Рассеянный и отклоненный свет проходит через прозрачные окна с противоположной стороны трубы и фокусируется собирающей оптической системой в фотодетекторы. Нерассеянный свет может собираться другой оптической системой в целях мониторинга и для измерения поглощения в случае низкого качества пара.

Согласно одному варианту осуществления сигналы от фотодетекторов цифруются и разделяются на разные группы путем фильтрации с помощью цифровых полосовых фильтров. Группы связываются с различными компонентами пара, например, малыми, средними и большими каплями и водяными конгломератами. Различение базируется на частотных диапазонах: более низкие частоты соответствуют более крупным каплям, и более высокие частоты соответствуют более мелким каплям. Для каждой группы вычисляются взаимно корреляционные функции и определяются задержки по времени между сигналами от разнесенных пучков. Средняя скорость каждого компонента пара вычисляется как отношение расстояния разнесения между пучками к задержке по времени. Локальная скорость каждого компонента пара определяется путем освещения потока двумя пучками с разных направлений и сбора отклоненного и рассеянного света из разных зон измерения по трубе. Согласно другому варианту осуществления изобретения дополнительные вертикальные пучки доставляются через горизонтально расположенную трубу, таким образом, уровень жидкого конденсата измеряется путем определения поглощения света. Интенсивность течения каждого компонента потока определяется путем вычисления дисперсии фильтрованных сигналов. Суммарный расход потока вычисляется как сумма всех компонентов потока, измеренных во всех зонах измерения поперек трубы. Газовая или паровая составляющая определяется как наиболее быстрая составляющая потока, движущаяся в трубе.

Согласно другому варианту осуществления изобретения, предусмотрен способ для измерения скорости многофазного флюида, текущего в трубе. Способ содержит этапы, на которых: направляют пару коллимированных пучков света от осветительного устройства через многофазный флюид посредством прозрачных участков трубы, причем пара коллимированных пучков разнесена в направлении потока многофазного флюида на предварительно определенное расстояние; обнаруживают рассеянный, отклоненный и ослабленный свет с помощью пары фотодетекторов для создания пары сигналов, причем каждая пара фотодетекторов связана с одним из пары коллимированных пучков; вычисляют взаимнокорреляционную функцию для пары сигналов для определения задержки по времени между сигналами; и вычисляют среднюю скорость многофазного флюида как отношение предварительно определенного расстояния к задержке по времени.

Согласно еще одному варианту осуществления изобретения коллимированные пучки фокусируются в одном направлении вдоль направления потока для создания двух плоских пучков света, ориентированных перпендикулярно потоку. Плоские пучки света можно фокусировать с помощью цилиндрической линзы. Фотодетекторы связаны с плоскими пучками света и регистрируют свет, рассеянный каплями жидкости. Скорость флюида определяется методом взаимной корреляции, тогда как величина жидкостной составляющей определяется из дисперсии сигналов фотодетекторов.

Согласно еще одному варианту осуществления изобретения коллимированные пучки освещают флюид помимо двух плоских пучков света, которые используются для измерения скорости флюида. Коллимированный пучок используется для вычисления жидкостной составляющей флюида путем измерения дисперсии сигнала от опорного фотодетектора, связанного с коллимированным пучком. Альтернативно жидкостную составляющую можно вычислять на основании отношения сигналов, зарегистрированных опорным фотодетектором при освещении флюида на двух разных длинах волны.

Описанные оптическое устройство и способ пригодны для измерения многофазного потока, например, пара в малой трубе и обеспечения количественного анализа движущихся сред, например качества пара. Способ обеспечивает высокую чувствительность, поскольку позволяет обнаруживать микроскопические водяные капли в высококачественном паре, а также крупные водяные капли и водяные конгломераты в низкокачественном паре.

В этом описании изобретения речь идет об измерениях воды и пара, но изобретение в равной степени применимо ко всем прозрачным жидкостям и их соответствующим газам. Изобретение применимо к смесям воды и углеводородов, например природному газу, движущемуся по трубе. Определение параметров обеспечивается посредством вычисления взаимной корреляции между сигналами от нескольких фотодетекторов, размещенных вдоль трубы, которые регистрируют свет, рассеянный газовой составляющей и отклоненный, и поглощенный жидкостной составляющей.

Настоящее изобретение, а также его многочисленные преимущества будут более понятны из нижеследующего неограничительного описания возможных вариантов осуществления, приведенного со ссылками на прилагаемые чертежи.

Краткое описание чертежей

В чертежах, иллюстрирующих неограничительные варианты осуществления изобретения:

фиг.1 - схема устройства для определения параметров многофазного потока согласно одному варианту осуществления изобретения;

фиг.2 - схема части оптической системы, пригодной для использования с устройством, показанным на фиг.1;

фиг.3А - пример сигнала, регистрируемого фотодетектором, указывающего наличие водяных капель малого и большого размера;

фиг.3В - пример сигнала, регистрируемого фотодетектором, указывающего наличие водяных капель среднего размера и водяных конгломератов;

фиг.4А - схематическое представление сигналов от двух фотодетекторов, указывающих временной сдвиг, вызванный перемещением световых пучков вдоль потока;

фиг.4В - иллюстрация взаимнокорреляционной функции между двумя сигналами, показанными на фиг.4А;

фиг.5 - пример четырех взаимнокорреляционных функций, соответствующих четырем разным компонентам потока пара;

фиг.6 - схема устройства для определения параметров многофазного потока с использованием вертикального двухлучевого канала для измерения водяного конденсата согласно другому варианту осуществления изобретения;

фиг.7 - схема устройства для определения параметров многофазного потока с дополнительной зоной измерения поперек трубы согласно еще одному варианту осуществления изобретения;

фиг.8 - схема множественных зон измерения поперек трубы согласно еще одному варианту осуществления изобретения с использованием множественных оптических собирающих систем;

фиг.9 - схема многофокусной коаксиальной собирающей оптической системы, которая собирает свет из множественных зон измерения, показанных на фиг.8;

фиг.10 - схема многофокусной коаксиальной собирающей оптической системы, которая собирает свет из множественных зон измерения, показанных на фиг.8, работая в режиме обратного рассеяния;

фиг.11 - блок-схема, иллюстрирующая пример обработки сигнала в одном канале с двумя фотодетекторами и множественными полосовыми фильтрами;

фиг.12 - блок-схема, иллюстрирующая пример вычисления расходов жидкости и газа на основании m каналов измерения и n компонентов потока;

фиг.13 - схема устройства для определения параметров многофазного потока с использованием двух плоских пучков света, создаваемых в трубе, согласно еще одному варианту осуществления изобретения;

фиг.14А - пример сигнала, измеренного одним из фотодетекторов, показанных на фиг.13, при измерении высококачественного пара;

фиг.14В - пример сигнала, измеренного одним из фотодетекторов, показанных на фиг.13, при измерении низкокачественного пара;

фиг.15 - схема устройства для определения параметров многофазного потока с использованием двух плоских пучков света, создаваемых для измерения скорости флюида, и дополнительного коллимированного пучка для измерения содержания жидкости согласно еще одному варианту осуществления изобретения; и

фиг.16 - пример отношений сигналов, зарегистрированных опорным фотодетектором, показанным на фиг.15, на двух разных длинах волны.

Описание

На протяжении нижеследующего описания, конкретные детали изложены для обеспечения более полного понимания изобретения. Однако изобретение можно осуществлять на практике и без этих частностей. В других случаях общеизвестные элементы не показаны и не описаны подробно во избежание ненужной перегрузки сущности изобретения. Соответственно описание изобретения и чертежи следует рассматривать в иллюстративном, а не ограничительном смысле.

На фиг.1 показан первый вариант осуществления оптического устройства для определения параметров многофазного потока. Осветительное устройство 10 формирует два узких коллимированных пучка света 12 и 14, каждый из которых проникает в трубу 16, несущую флюид, через осветительное окно 18. Пучки 12 и 14 могут содержать инфракрасный, ультрафиолетовый или видимый свет. Пучки 12 и 14 располагаются на расстоянии d друг от друга в направлении потока флюида. Пучки 12 и 14 рассеиваются, отклоняются и поглощаются флюидом, движущимся по трубе 16. Рассеянный и отклоненный свет проходит через собирающее окно 19 на противоположной стенке трубы. Свет, проходящий через собирающее окно 19, собирается оптической системой (не показана) и фокусируется на матрицу 20 фотодетекторов. Матрица 20 фотодетекторов предпочтительно содержит фотодетекторы 20a и 20b, размещенные для приема рассеянного и отклоненного света, собранного оптической системой под разными углами, поэтому фотодетекторы 20a и 20b могут измерять свет, рассеянный и отклоненный под разными углами от оптической оси пучков 12 и 14 соответственно. Матрица 20 фотодетекторов предпочтительно содержит фотодетекторы 20c и 20d, размещенные для приема прямого (нерассеянного) света, собранного оптической системой, поэтому фотодетекторы 20c и 20d могут измерять поглощение света из пучков 12 и 14 соответственно потоком.

На фиг.2 схематически изображена часть оптической системы 22, пригодной для использования согласно варианту осуществления, представленному на фиг.1. Показанная часть оптической системы 22 содержит оптические коллекторы 24 и 26. Капля 21 жидкости, движущаяся в трубе, пересекает пучок 12. Капля 21 рассеивает и отклоняет часть света в пучке 12 в зависимости от отношения ее размера к длине волны света и ее показателю преломления. Более мелкие капли, размеры которых сопоставимы с длиной волны света, в основном рассеивают свет под большими тупыми углами, а более крупные капли по большей части отклоняют свет под острыми углами. Рассеянный и отклоненный свет 23 распределяется внутри трубы, и часть его проходит через окно 19 и фокусируется оптическим коллектором 24 на фотодетектор 20a. Прямой (не рассеянный, но ослабленный) свет 27 проходит через окно 19 и фокусируется оптическим коллектором 26 на фотодетектор 20c. Регистрация прямого света обеспечивает мониторинг мощности осветительного устройства 10 и указывает ослабление света вследствие поглощения очень большими водяными каплями.

Сигналы, генерируемые фотодетекторами согласно изобретению, обычно состоят из совокупности компонентов разных частот. На фиг.3A и 3B показаны примеры типичных сигналов от фотодетектора, например фотодетектора 20a или 20b, регистрирующего рассеяние света под острым углом относительно оптической оси. На графиках 3A и 3B показаны сигналы фотодетектора (в милливольтах) в зависимости от времени (в секундах × 10^-4). Иллюстративные сигналы можно разделить на высокочастотный компонент 32, среднечастотный компонент 34 и низкочастотный компонент 36, а также ультрамедленные компоненты 38 и 39 (сплошная линия), которые все создаются разными компонентами потока текучей среды. Компоненты 32, 34 и 36 создаются соответственно малыми (размером менее 1 микрона), средними (размером около микрона) и большими (размером свыше 2 микрон) водяными каплями, и компоненты 38 и 39 создаются водяными конгломератами, флуктуирующими в трубе.

Двухлучевая конфигурация, показанная на фиг.1, приводит ко временному сдвигу сигналов. Когда элементы флюида проходят по трубе 16, они проходят через пучок 12 раньше, чем через пучок 14, в результате чего флуктуации сигнала от фотодетектора 20a происходят раньше, чем флуктуации сигнала от фотодетектора 20b. Сдвиг схематически показан на фиг.4А для двух фотодетекторов, PD1 и PD2. Фотодетекторы PD1 и PD2 могут содержать любую пару фотодетекторов, которые регистрируют свет из двух пучков света, разнесенных на расстояние d по направлению потока текучей среды. Взаимно корреляционная функция между двумя сигналами от PD1 и PD2 будет иметь максимум по истечении времени (задержка по времени), как показано на фиг.4В, определенного как

=d/V,

где d - это расстояние между пучками и V - средняя скорость потока.

Сигналы от фотодетекторов 20a и 20b можно фильтровать с помощью полосовых фильтров, как описано ниже, чтобы изолировать компоненты сигналов на разных частотах, которые генерируются разными компонентами потока. Задержка по времени различна для разных компонентов потока. Мелкие водяные капли движутся со скоростью водяного пара, тогда как водяные конгломераты движутся с гораздо меньшей скоростью, вызывая эффект пробки. Иллюстративные взаимно корреляционные функции, соответствующие вышеописанным компонентам 32, 34, 36 и 38/39 потока, показаны на фиг.5. В примере, показанном на фиг.5, промежуток времени для мелких, средних и крупных капель и водяных конгломератов равен 20, 30, 46 и 70 мкс соответственно. Эти задержки по времени соответствуют средним скоростям V 50, 33, 22 и 14 м/с для компонентов потока 32, 34, 36 и 38/39 соответственно, при разнесении d=1,0 мм.

На фиг.6 показан другой вариант осуществления изобретения, в котором дополнительная пара пучков 62 и 64, генерируемых другим осветительным устройством 66, доставляется через окно 68 в трубу 16 в вертикальном направлении. Пучки 62 и 64 собираются второй собирающей оптической системой (не показана), расположенной под трубой, таким же образом, как пучки 12 и 14 на фиг.1. Помимо рассеянного и отклоненного света вторая собирающая оптическая система фокусирует пучки 62 и 64 напрямую на пару фотодетекторов, таким образом обеспечивая определение ослабления пучков в водяном конденсате 69 на дне трубы 16. Ослабление связано с глубиной h водяного конденсата 69 законом Бира:

I=I ₀exp(-ah),

где I₀ - это интенсивность пучка в отсутствие водяного конденсата, I - измеренная интенсивность пучка и а - коэффициент ослабления. Площадь поперечного сечения А водяного конденсата в трубе 16 связана с глубиной h формулой:

A=R²arccos(1-h/R)-(R-h)(2Rh-h² )^1/2,

где R - радиус трубы.

Расход водяного конденсата F_cond можно рассчитать, умножив эту площадь на скорость водяного конденсата:

F_cond=AV_cond.

Собирание отклоненного и рассеянного света из острого угла вдоль пучка, охватывающего трубу 16, приводит к интегрированию сигнала, поскольку скорость потока изменяется в сечении трубы 16. Поэтому согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения, показанному на фиг.7, помимо интегральной оценки профиля средней скорости, поток анализируется в локальной зоне 70 измерения. Световые пучки 72 и 74, рассеянные водяными каплями примерно под прямым углом, собираются оптической системой 76 в блок 78 фотодетекторов, содержащий пару фотодетекторов. Зона 70 измерения может располагаться в разных местах поперек трубы 16. На фиг.8 показан пример четырех зон измерения вдоль диаметра трубы 16. Зоны могут располагаться на разных расстояниях от центра трубы. Одним из предпочтительных расстояний является a=3/4R. Локальная скорость потока, измеренная в этом месте, наиболее близка к средней скорости в трубе 16, и практически не зависит от профиля потока.

Многоточечное измерение расхода можно упростить, если вмонтировать в трубу 16 прозрачную секцию 89. Эта секция может представлять собой отрезок стеклянной трубы, имеющей такой же внутренний диаметр, как у трубы 16. Многоточечное измерение можно получить с использованием многофокусной оптической системы, например, показанной на фиг.9. Оптическая система 110 состоит из нескольких оптических компонентов различных апертур, поэтому оптическая мощность системы меняется с количеством компонентов. В примере, показанном на фиг.9, четыре зоны 112, 114, 116 и 118 измерения оптически связаны с четырьмя фотодетекторами 122, 124, 126 и 128 соответственно, которые измеряют рассеянный и отклоненный свет из зон измерения.

Рассеянный и отклоненный свет также можно собирать в режиме обратного рассеяния, как показано на фиг.10. Фотодетекторы 132, 134, 136 и 138 измеряют рассеянный и отклоненный свет из зон измерения 118, 116, 114 и 112 соответственно посредством многофокусной оптической системы 130. Преимущество режима обратного рассеяния в том, что меньшее количество фонового шума поступает от света, рассеянного на стенках трубы, поскольку регистрируемый свет был рассеян под большими углами.

На фиг.11 схематически изображено средство обработки сигнала согласно одному варианту осуществления изобретения. Электрические сигналы от фотодетекторов 140 и 142, в качестве которых может выступать любая пара фотодетекторов, разнесенная в направлении потока, усиливаются (усилители не показаны) и цифруются посредством аналого-цифровых преобразователей 144 и 146. Предпочтительно цифровые сигналы обрабатываются цифровым сигнальным процессором (ЦСП). Сигналы фильтруются цифровыми полосовыми фильтрами 150, 152, 154, 160, 162 и 164. Количество цифровых фильтров может варьироваться в зависимости от количества компонентов текучей среды, подлежащих различению, которое, в свою очередь, определяется желаемой точностью. Полоса частот фильтра определяется количеством полос, подлежащих выделению, и максимальной скоростью текучей среды. Например, для различения четырех компонентов потока пара с максимальной скоростью 50 м/с предпочтительные полосы будут: f₁=0 до 10 Гц; f₂=10 до 100 Гц; f₃=100 Гц до 1 кГц; и f₄=1 до 100 кГц.

Взаимно корреляционные функции вычисляются для каждой пары сигналов, отфильтрованных в одной и той же полосе, с использованием процедур 170, 172, 174 взаимной корреляции (СС). Задержка по времени _i для каждой функции СС определяется как позиция максимума СС. Локальные скорости вычисляются для каждого компонента потока с использованием отношения:

V_i =d/ _i.

Согласно описанному выше самые быстрые измеренные компоненты потока - это мелкие водяные капли, которые движутся в трубе 16 со скоростью паровой составляющей.

Помимо скоростей можно вычислить количество каждого компонента потока на основании интенсивностей отфильтрованных частотных компонентов сигналов. Например, флуктуации низкой интенсивности, зарегистрированные в полосе f₃=100 до 1,000 Гц указывают, что количество капель среднего размера (размера около микрона для насыщенного пара) мало. Интенсивность сигнала в каждой полосе I_i выражает количество жидкостной составляющей каждого компонента потока. Соотношение между I_i и количеством соответствующих компонентов потока предпочтительно устанавливается путем калибровки в условиях регулируемого потока. Интенсивности предпочтительно находить как дисперсии сигнала

где U_f - спектральная плотность сигнала, которая выражает распределение дисперсии сигнала в частотной области. Спектральную плотность можно измерять с использованием преобразований Фурье или любыми другими известными средствами.

После вычисления скоростей компонентов потока и интенсивностей соответствующих сигналов (которые указывают количество соответствующего компонента потока) для каждой зоны или «канала» измерения, окончательные расходы жидкости (воды) и газа (пара) определяются, как показано на фиг.12. Количество каналов зависит от количества пар пучков, облучающих поток текучей среды, и количества зон измерения для каждой пары пучков. Задержка по времени и интенсивность измеряется для каждого из n компонентов для каждого из m каналов и поступает на калькулятор 200 расхода. На входы калькулятора 200 расхода также поступают данные давления и температуры и уровень конденсата 69 на дне трубы, который вычисляется из данных поглощения согласно описанному выше.

Паровая составляющая вычисляется из наиболее быстрых компонентов n-компонентного потока, которые являются n-ми компонентами, когда f_n является наивысшей полосой частот, по всем m каналам следующим образом:

Сумма жидкостных и паровых составляющих вычисляется как сумма по всем компонентам потока:

Качество пара можно определить согласно отношению:

Вышеприведенные уравнения корректируются факторами давления и температуры. Жидкий конденсат может учитываться путем расчета поперечного сечения трубы, заполненного жидкостью на уровне (глубине) h на основании измерения поглощения, описанного выше со ссылкой на фиг.6.

Согласно еще одному варианту осуществления изобретения коллимированные пучки 12 и 14 (фиг.1) фокусируются в направлении потока с использованием цилиндрических линз, таким образом, создается два узких плоских пучка 202 и 204 света, как показано на фиг.13. Плоские пучки ориентированы перпендикулярно направлению потока и разнесены в направлении потока аналогично коллимированным пучкам, показанным на фиг.1. Прямой свет, показанный стрелками 206 и 208, заграждается непрозрачной маской 210. Оптическая система 212 собирает только свет, рассеянный водяными каплями в трубе 16. Свет собирается на фотодетекторах 214, 216. Каждый фотодетектор связан с одним плоским пучком света. Область 218 наблюдения фотодетектора 214 определяется размером чувствительной области фотодетектора и собирающей апертурой и фокусным расстоянием оптической системы 212. Область 220 наблюдения фотодетектора 216 определяется таким же образом. Поскольку пар связан с высокой температурой, фотодетекторы 214 и 216 можно заменить оптическими волокнами, соединенными с фотодетекторами вне устройства. Этот вариант осуществления имеет двойное преимущество: во-первых, свет лучше сконцентрирован, чем в коллимированных пучках; и, во-вторых, система работает в темном поле, без сильного прямого света, который может насыщать фотодетекторы. Это повышает чувствительность устройства и позволяет использовать чувствительные лавинные фотодиоды (ЛФД) в качестве фотодетекторов 214, 216, если качество пара приближается к 100% или пар перегрет.

Плоские пучки 202, 204 света можно обеспечивать в разных местах трубы 16. Плоские пучки могут располагаться в центре трубы, когда скорость в центре измеряется методом взаимной корреляции. Скорость в центре можно преобразовать в среднюю скорость для вычисления полного расхода текучей среды. Это преобразование можно осуществлять путем вычисления числа Рейнольдса на основании известных температуры и давления флюида. Альтернативно, плоские пучки могут располагаться на расстоянии ¼ радиуса от стенки трубы. Это размещение исключает необходимость в преобразовании скорости, поскольку скорость, измеренная в этой точке выражает интегральную скорость вдоль трубы 16.

Помимо определения скорости потока путем вычисления взаимной корреляции средство обработки сигнала для этого варианта осуществления можно использовать для вычисления дисперсии сигналов от фотодетекторов 214, 216. На фиг.14А и фиг.14В показан сигнал от одного из фотодетекторов при мониторинге пара, движущегося со скоростью 20 м/с и имеющего качество 94% и 56% соответственно. Более высокое содержание воды или более низкое качество пара в этом примере приводит к увеличению дисперсии сигнала с 0,52 до 0,97.

Согласно еще одному варианту осуществления коллимированный пучок 230 добавляется к двум плоским пучкам света, как показано на фиг.15. Два плоских пучка света используются для определения скорости потока вышеописанным способом. Свет коллимированного пучка 230 ослабляется флюидом, протекающим в трубе 16, и собирается оптической системой 232 в опорный фотодетектор 234. Помимо измерения скорости с использованием метода взаимной корреляции средство обработки сигнала для этого варианта осуществления можно использовать для вычисления дисперсии сигнала от опорного фотодетектора 234. Альтернативно коллимированный пучок 230 согласно варианту осуществления, показанному на фиг.15, может создаваться осветительным устройством, имеющим совокупность источников света, из которых, по меньшей мере, один источник света генерирует свет первой длины волны, который сильно поглощается в текучей среде в трубе 16, и, по меньшей мере, еще один источник света генерирует свет второй длины волны, который слабее поглощается в текучей среде в трубе 16. Источники света можно переключать с использованием мультиплексирования по времени или можно использовать несколько опорных фотодетекторов, каждый из которых связан с узкополосным оптическим фильтром для выделения нужного источника света. Источники света могут содержать светодиоды (СИД) или лазеры, излучающие в видимом диапазоне, для которого вода прозрачна, например, красные СИД или лазеры с длиной волны около 660 нм. Ослабление в воде увеличивается в ближнем ИК-диапазоне, поэтому другой спектральный диапазон для определения содержания воды может иметь длину волны около 1360 нм или более. На фиг.16 показаны иллюстративные отношения сигналов (660 нм к 1300 нм), зарегистрированные для пара различного качества, движущегося в 2-дюймовой трубе со скоростью V=34 м/с. Отношение сигналов в этом примере возрастает с качеством пара.

Вышеописанные варианты осуществления можно реализовать разными путями. Предпочтительно светодиоды (СИД) используются в осветительных устройствах в качестве источников света. В частности, зеленые, красные и ближние инфракрасные СИД пригодны для этого применения, поскольку они хорошо согласуются с легкодоступными и чувствительными кремниевыми фотодиодами, которые можно использовать в качестве фотодетекторов. УФ и синие СИД обеспечивают более высокую эффективность рассеяния вследствие более короткой длины волны, однако это может привести к сильному фоновому свету, рассеянному внутри трубы 16 и, в частности, на оптических окнах 18 и 19. Может быть желательно использовать оптоволоконные компоненты в осветительной и собирающей оптике для паропроводов, поскольку рабочая температура для паропроводов слишком высока для прямого контакта с источниками света и фотодетекторами. Для волоконной оптики более подходят полупроводниковые лазеры, поскольку они обеспечивают более высокую эффективность подключения к тонким волокнам. Интенсивные лазерные пучки (мощность в пределах от 1 до 10 мВт) можно доставлять через окна на большие расстояния с использованием недорогих видимых и ближне-инфракрасных лазеров. Жидкостные составляющие потока эффективно рассеивают и отклоняют распространяющийся свет, который может собираться на фотодетекторах. Интенсивность света, собираемого оптической системой, например темнопольной системой, показанной на фиг.9, может достигать 1 Вт в 2-дюймовом паропроводе. При такой интенсивности света отношение сигнал-шум в PIN фотодиодах или лавинных фотодиодах превышает 104. Это позволяет с высокой точностью измерять задержки по времени. Устройства и способы, описанные выше, обеспечивают хорошее усреднение скорости потока поперек трубы 16. Это снижает ошибку, обусловленную неопределенностью профиля потока и асимметрией профиля потока, которая может быть главным источником неточности ультразвуковых расходомеров. Описанные способы не подвержены ударам или вибрациям, поскольку они не основаны на интерференции. Настоящее изобретение обеспечивает устойчивые и надежные устройства и способы, которым не мешает турбулентность. В отличие от других подходов к невозмущающему измерению расхода, например ультразвуковых методов, турбулентность потока используется в настоящем изобретении для модуляции рассеянного и отклоненного света. Глубина модуляции возрастает с уровнем турбулентности.

На основании вышеприведенного раскрытия специалисты в данной области могут предложить многочисленные альтернативы и модификации, которые можно использовать при практическом осуществлении данного изобретения, не выходя за рамки его сущности и объема. Например, хотя вышеописанный вариант осуществления, показанный на фиг.1, предусматривает только два пучка и четыре фотодетектора, понятно, что можно использовать более двух пучков и четырех фотодетекторов, и взаимно корреляционные функции можно применять к любым двум из пучков. Кроме того, сигналы можно измерять с помощью любого количества фотодетекторов, имея, по меньшей мере, один фотодетектор для каждого пучка. Соответственно объем изобретения следует рассматривать в соответствии с содержанием нижеследующей формулы изобретения.