оптический расходомер для измерения расхода газов и жидкостей в трубопроводах

Формула изобретения

1. Устройство для измерения скорости частиц, переносимых флюидом, который течет внутри трубопровода, включающее:

(a) по крайней мере, один источник света, для подачи света в два светопровода, для создания двух отдельных лучей света;

(b) первое средство в стенке трубопровода для удерживания потока флюида внутри трубопровода и для возможности проникновения луча света во внутреннее пространство трубопровода;

(c) телецентрическую оптическую систему излучаемого света, которая имеет одну апертуру и одну оптическую ось, которая направляет указанные два луча света сквозь указанное первое средство в стенке трубопровода с тем, чтобы лучи формировали две фокальные точки во внутренней части трубопровода, расположенные в одном и том же месте относительно поперечного разреза трубопровода, но в разных точках вдоль оси трубопровода с известным расстоянием между ними;

(d) второе средство в стенке трубопровода, располагаемое на противоположной стороне стенки трубопровода относительно первого средства в стенке трубопровода для удерживания потока флюида внутри трубопровода и для возможности выхода луча света из внутреннего пространства трубопровода;

(e) по крайней мере, одно измерительное средство для детектирования света, чтобы детектировать свет, рассеиваемый частицами, переносимыми флюидом, и преобразования изменяющейся во времени амплитуды детектируемого света в соответствующий измерительный электронный сигнал;

(f) оптическую систему для сбора света, имеющую оптическую ось, которая является в основном коллинеарной с оптической осью указанной оптической системы излучаемого света, которая собирает свет, рассеиваемый частицами, переносимыми в потоке флюида, в пределах первого пространственного угла, формируемого от указанных фокальных точек, и фокусирует указанный рассеянный свет на указанное измерительное средство для детектирования света;

(g) непрозрачное затенение для поглощения нерассеянного света, располагаемое на оптической оси после указанных фокальных точек, причем указанное затенение формирует второй пространственный угол от указанных фокальных точек, который является меньшим, чем указанный первый пространственный угол, так что указанный рассеянный свет, который проходит через незатененный участок указанного первого пространственного угла, достигает детекторного средства для измерения света; и

(h) электронное средство для обработки данных, которое получает указанные измерительные электронные сигналы, детектируемые с помощью средства для детектирования света, которые обрабатывают для определения времени замедления прохождения частиц через две фокальные точки, и дополнительное средство для расчета скорости частиц или расхода флюида.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что телецентрическая оптическая система излучаемого света содержит фокусирующую линзу, имеющую фокальную длину, и обойму указанных двух светопроводов,

при этом обойма имеет две грани, две грани одинаково наклонены в сторону от оси системы излучаемого света для преломления указанных лучей света по направлению к оптической оси системы излучаемого света для пересечения оптической оси перед фокусирующей линзой на расстоянии, равном фокальной длине фокусирующей линзы.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что источник света состоит из одного или большего количества лазеров.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средство для детектирования света состоит из светопровода для подачи света на фотодетектор.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средство для детектирования света включает первую и вторую области для детектирования света, ориентированные таким образом, чтобы свет, рассеиваемый из первой из указанных двух фокальных точек, улавливался в первой области для детектирования света, а свет, рассеиваемый из второй из указанных двух фокальных точек, улавливался во второй области для детектирования света.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что средство для детектирования света содержит первый светопровод для сбора света, присоединенный к первому фотодетектору, и второй светопровод для сбора света, присоединенный ко второму фотодетектору.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оптические оси указанной оптической системы излучаемого света и указанной оптической системы для сбора света являются в основном перпендикулярными к направлению потока.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что главный луч каждого из указанных двух пучков света является в основном перпендикулярным оси указанного трубопровода так, что главные лучи не изменяют своего направления, если изменяется коэффициент преломления флюида.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первое и второе средство в стенке трубопровода включают первое и второе прозрачные оптические окна, имеющие, в основном, цилиндрические внутренние поверхности, в основном соответствующие поверхности внутренней стенки трубопровода.

10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оптическая система излучаемого света включает средство в виде цилиндрической оптической линзы для увеличения ширины фокальных точек в плоскости поперечного сечения трубопровода.

11. Устройство по п.9, отличающееся тем, что предусматривают средства для отсечения участка нерассеянного света, располагаемые впереди непрозрачного затенения, но позади второго оптического окна, и улавливания отсекаемого света, по крайней мере, на одном средстве для детектирования, и использования уровня детектируемого сигнала от отсекаемого света для регулирования усиления от измерения средств для детектирования света с тем, чтобы компенсировать изменения интенсивности падающего света.

12. Устройство по п.1, отличающееся тем, что предусмотрена вторая оптическая система для сбора света, со второй осью оптической системы для сбора света, которая располагается в той же самой плоскости, что и оптическая ось системы излучаемого света и первая ось системы для сбора света, и пересекает фокальные точки, при этом свет, рассеиваемый частицами в потоке флюида, улавливают во втором средстве для детектирования света для получения вторых сигналов детектируемого света, с целью анализа размера и/или формы частиц, перемещающихся в потоке флюида, путем сравнения отношения амплитуд первых сигналов детектируемого света к амплитудам вторых сигналов детектируемого света.

13. Устройство по п.12, отличающееся тем, что указанная ось указанной второй оптической системы для сбора света является в основном коллинеарной с указанной осью первой оптической системы для сбора света, и при этом указанная вторая оптическая система для сбора света имеет большую оптическую апертуру, чем указанная первая оптическая система для сбора света, что дает возможность собирать рассеянный свет, который рассеян под большими углами.

14. Устройство по п.1, отличающееся тем, что телецентрическая оптическая система излучаемого света включает средство в виде цилиндрической оптической линзы для увеличения ширины фокальных точек в плоскости поперечного сечения трубопровода и для генерирования вторичного линейного фокуса на плоскости указанного непрозрачного затенения, так что лучи образуют пару коллинеарных фокальных линейных сегментов, параллельных оси трубопровода и проходящих через центр оптической оси системы.

15. Устройство по п.14, отличающееся тем, что источник света состоит из одного или большего количества лазеров.

16. Устройство по п.14, отличающееся тем, что средство для детектирования света состоит из светопровода, соединяемого с фотодетектором.

17. Устройство по п.14, отличающееся тем, что средство для детектирования света включает первую и вторую области для детектирования света, ориентированные таким образом, чтобы свет, рассеиваемый из первой из указанных двух фокальных точек, улавливался в первой области для детектирования света, а свет, рассеиваемый из второй из указанных двух фокальных точек, улавливался во второй области для детектирования света.

18. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средство для детектирования света включает первый светопровод для сбора света, присоединяемый к первому фотодетектору, и второй светопровод для сбора света, присоединяемый ко второму фотодетектору.

19. Устройство по п.14, отличающееся тем, что оптические оси указанной оптической системы излучаемого света и указанной оптической системы для сбора света являются в основном перпендикулярными к направлению потока.

20. Устройство по п.15, отличающееся тем, что главный луч каждого из указанных двух пучков света является в основном перпендикулярным оси указанного трубопровода так, что главные лучи не изменяют своего направления, если изменяется коэффициент преломления флюида.

21. Устройство по п.14, отличающееся тем, что первое и второе средство в стенке трубопровода включают первое и второе прозрачные оптические окна, имеющие в основном цилиндрические внутренние поверхности, в основном соответствующие поверхности внутренней стенки трубопровода.

22. Устройство по п.21, отличающееся тем, что предусматривают средства для отсечения участка нерассеянного света, располагаемые впереди непрозрачного затенения, но позади второго оптического окна, и улавливания отсекаемого света, по крайней мере, на одном контрольном детектирующем средстве, и использования уровня детектируемого сигнала от отсекаемого света для регулирования усиления от измерения средств для детектирования света с тем, чтобы компенсировать изменения интенсивности падающего света.

23. Устройство по п.14, отличающееся тем, что предусмотрена вторая оптическая система для сбора света со второй осью оптической системы для сбора света, которая располагается в той же самой плоскости, как оптическая ось системы излучаемого света и первая ось системы для сбора света, и пересекает фокальные точки, при этом свет, рассеиваемый частицами в потоке флюида, улавливают во втором средстве для детектирования света для получения вторых сигналов детектируемого света с целью анализа размеров и/или формы частиц, перемещающихся в потоке флюида путем сравнения отношения амплитуд первых сигналов детектируемого света к амплитудам вторых сигналов детектируемого света.

24. Устройство по п.23, отличающееся тем, что указанная ось указанной второй оптической системы для сбора света является в основном коллинеарной с указанной осью первой оптической системы для сбора света, и при этом указанная вторая оптическая система для сбора света имеет большую оптическую апертуру, чем указанная первая оптическая система для сбора света, что дает возможность собирать рассеянный свет, который рассеян под большими углами.

25. Устройство для измерения скорости частиц, переносимых флюидом, который течет внутри трубопровода, включающее:

(a) по крайней мере, один источник света для подачи света в два светопровода, для создания двух отдельных лучей света;

(b) корпус с центральным отверстием, в основном соответствующим по размеру и форме поперечному разрезу трубопровода, установленный в трубопровод и совмещенный вдоль всех секций трубопровода таким образом, чтобы формировать непрерывный и герметичный канал для прохождения сквозь него флюида, указанный корпус включает первое средство в стенке канала для удерживания потока флюида в канале и обеспечения лучам света входа во внутреннее пространство канала и второе средство в стенке канала, расположенное на противоположной стороне стенки трубопровода от первого средства в стенке канала, для удерживания потока флюида в канале и обеспечения выхода света из внутреннего пространства канала;

(c) телецентрическую оптическую систему излучаемого света, которая имеет одну апертуру и одну оптическую ось, которая направляет указанные два луча света сквозь указанное первое средство в стенке канала с тем, чтобы лучи формировали две фокальные точки во внутренней части канала, расположенные в одном и том же месте относительно поперечного разреза канала, но в разных точках вдоль оси канала с известным расстоянием между ними;

(d) по крайней мере, одно измерительное средство для детектирования света, чтобы детектировать свет, рассеиваемый частицами, переносимыми флюидом, и преобразования изменяющейся во времени амплитуды детектируемого света в соответствующий измерительный электронный сигнал;

(e) оптическую систему для сбора света, имеющую оптическую ось, которая является в основном коллинеарной с оптической осью указанной оптической системы излучаемого света, которая собирает свет, рассеиваемый частицами, переносимыми в потоке флюида, в пределах первого пространственного угла, формируемого от указанных фокальных точек, и фокусирует указанный рассеянный свет на указанное измерительное средство для детектирования света;

(f) непрозрачное затенение для поглощения нерассеянного света, располагаемое на оптической оси после указанных фокальных точек, причем указанное затенение формирует второй пространственный угол от указанных фокальных точек, который является меньшим, чем указанный первый пространственный угол, так, что указанный рассеянный свет, который проходит через незатененный участок указанного первого пространственного угла, достигает детекторного средства для измерения света; и

(g) электронное средство для обработки данных, которое получает указанные измерительные электронные сигналы, детектируемые с помощью средства для детектирования света, которые обрабатывают для определения времени замедления прохождения частиц через две фокальные точки, и дополнительное средство для расчета скорости частиц или расхода флюида.

26. Устройство по п.25, отличающееся тем, что телецентрическая оптическая система излучаемого света включает средство в виде цилиндрической оптической линзы для увеличения ширины фокальных точек в плоскости поперечного сечения трубопровода и для генерирования вторичного линейного фокуса на плоскости указанного непрозрачного затенения так, что лучи образуют пару коллинеарных фокальных линейных сегментов, параллельных оси трубопровода и проходящих через центр оптической оси системы.

27. Устройство для измерения скорости частиц, переносимых флюидом, который течет внутри трубопровода, включающее:

(a) по крайней мере, один источник света для подачи света в два светопровода, для создания двух отдельных лучей света;

(b) отрезок прозрачной трубки с внутренним диаметром, соответствующим внутреннему диаметру трубопровода, с тем, чтобы удерживать флюид внутри трубопровода и обеспечивать прохождение света в поток в трубопроводе и из потока в трубопроводе;

(c) телецентрическую оптическую систему излучаемого света, которая имеет одну апертуру и одну оптическую ось, которая направляет указанные два луча света в указанный отрезок прозрачной трубки с тем, чтобы лучи формировали две фокальные точки во внутренней части трубопровода, расположенные в одном и том же месте относительно поперечного разреза трубопровода, но в разных точках вдоль оси трубопровода с известным расстоянием между ними;

(d) по крайней мере, одно измерительное средство для детектирования света, чтобы детектировать свет, рассеиваемый частицами, переносимыми флюидом, и преобразования изменяющейся во времени амплитуды детектируемого света в соответствующий измерительный электронный сигнал;

(e) оптическую систему для сбора света, имеющую оптическую ось, которая является в основном коллинеарной с оптической осью указанной оптической системы излучаемого света, которая собирает свет, рассеиваемый частицами, переносимыми в потоке флюида, в пределах первого пространственного угла, формируемого от указанных фокальных точек, и фокусирует указанный рассеянный свет на указанное измерительное средство для детектирования света;

(f) непрозрачное затенение для поглощения нерассеянного света, располагаемое на оптической оси после указанных фокальных точек, причем указанное затенение формирует второй пространственный угол от указанных фокальных точек, который является меньшим, чем указанный первый пространственный угол, так, что указанный рассеянный свет, который проходит через незатененный участок указанного первого пространственного угла, достигает детекторного средства для измерения света; и

(g) электронное средство для обработки данных, которое получает указанные измерительные электронные сигналы, детектируемые с помощью средства для детектирования света, которые обрабатывают для определения времени замедления прохождения частиц через две фокальные точки, и дополнительное средство для расчета скорости частиц или расхода флюида.

28. Устройство по п.27, отличающееся тем, что телецентрическая оптическая система излучаемого света включает средство в виде цилиндрической оптической линзы для увеличения ширины фокальных точек в плоскости поперечного сечения трубопровода и для генерирования вторичного линейного фокуса на плоскости указанного непрозрачного затенения так, что лучи образуют пару коллинеарных фокальных линейных сегментов, параллельных оси трубопровода и проходящих через центр оптической оси системы.

Описание изобретения к патенту

Предпосылки создания изобретения

Настоящее изобретение относится, главным образом, к измерительным устройствам для измерения скорости движения флюида в трубопроводе, и его обычно используют для определения объемной скорости потока (расхода) в промышленных применениях, таких как транспортировка природного газа. Более конкретно, изобретение относится к оптической системе, которая фокусирует два световых луча в трубопроводе сквозь прозрачное окно в стенке трубопровода и фиксирует время задержки прохождения света, рассеиваемого малыми частицами, которые переносятся флюидом, в то время когда частицы перемещаются от одной фокальной точки до другой.

При работе трубопроводов и в ходе других промышленных процессов расходомеры используют для измерения расхода газов или флюидов, перемещающихся внутри трубопровода. Существует множество механических способов для определения расхода в трубопроводах, включающих измерительные диафрагмы, трубки Пито, расходомеры Вентури, вихревые расходомеры, расходомеры на основе эффекта Кориолиса, расходомеры с изменяемой площадью сечения и турбинные расходомеры, но для них обычно требуется, чтобы внутрь трубопровода была введена тормозящая конструкция, которая нежелательна во многих применениях, потому что она нарушает поток флюида и приводит к падению давления. Кроме того, для многих измерительных устройств на механической основе требуется, чтобы для создания измеряемого эффекта поддерживались значительные величины давления газа или скорости потока. Это является проблематичным для некоторых применений, где давление в залежи является очень низким, например при добыче метана из угольного пласта или когда флюид выпускают в атмосферу или в большой резервуар для хранения.

Известны также расходомеры на основе ультразвука, с помощью которых измеряют доплеровский сдвиг частоты акустической скорости ультразвуковых лучей, которые направляют диагонально или вдоль оси трубопровода. Для многих ультразвуковых расходомеров требуются ниши в стенках трубопроводов для установки ультразвуковых датчиков, что является нежелательным, потому что загрязняющие вещества имеют тенденцию накапливаться в полостях. Для обеспечения траекторий ультразвуковых лучей требуются длинные секции в трубопроводе, что может быть затруднительным и дорогим, особенно при больших диаметрах труб.

В других вариантах ультразвуковых расходомеров, ультразвуковые волны пропускают через стенку трубопровода, используя зажим на датчиках, но точное функционирование становится затруднительным при низких рабочих давлениях и низких расходах.

Также хорошо известны оптические методы для измерения расхода флюидов в трубопроводах, которые делятся, в основном, на две категории. В лазерных доплеровских анемометрах используют единичный когерентный лазерный источник, излучение из которого разделяют на два луча, направляемые таким образом, что они пересекаются в точке измерения. Пересечение лучей лазера создает картину интерференции света в виде чередования светлых и темных полос вдоль оси потока флюида. Частицы, проходящие через зону измерения, рассеивают свет, что создает периодический изменяющийся оптический сигнал, частота модуляции которого пропорциональна скорости частиц. Этот метод является полезным при измерении сложных потоков, когда присутствует множество больших частиц, рассеивающих свет, но ввиду того что свет распространяется в пределах большого количества максимальных значений интенсивности, эффективность детектирования является низкой, а частицы малого размера не рассеивают в достаточной степени свет, чтобы можно было проводить эффективное измерение.

Скорость флюидов можно измерять также, используя метод, обычно называемый методом двухфокусного лазера (Laser-Two-Focus method). Эта система включает оптическую систему излучения, которая направляет свет от одного или двух лазерных лучей для формирования двух фокусных точек в трубопроводе, которые отделены друг от друга на известное расстояние вдоль оси трубопровода. Частицы в потоке флюида, которые проходят через две фокусные точки, рассеивают свет, который направляют на фотодетектор с помощью оптической системы сбора света. Результирующий сигнал состоит из коротких импульсов, и путем измерения времени задержки между соседними импульсами можно определять скорость частицы. По причине того что интенсивность излучаемого света концентрируется лишь в двух точках, чувствительность метода двухфокусного лазера является более предпочтительной по сравнению с системой лазерного доплеровского анемометра. Это является важным в случае определенных флюидов, таких как природный газ, которые содержат лишь очень малые по размеру частицы, которые часто меньше в диаметре, чем 1 микрон.

Количество света, рассеиваемого частицей под данным углом, зависит от многих переменных факторов, включающих размер, форму, качество поверхности, прозрачность/непрозрачность, показатель преломления и электропроводность частиц. Комбинация этих показателей является очень сложной, и общие теории, такие как теория рассеяния, вызванного неоднородностью атмосферы, и теория рэлеевского рассеяния, не могут безошибочно предсказать результаты в реальном мире, поэтому для характеристики конкретных систем наиболее часто используют эмпирические исследования. Теория рассеяния, вызванного неоднородностью атмосферы, полезна, однако, для роста основополагающего понимания основных тенденций в процессе рассеяния. Например, она предсказывает, что количество света, рассеиваемого частицами очень малого размера (достигающими длины волны отраженного света или меньше), ограничивается, в основном, светом с очень малым углом прямого рассеяния. На Фиг.1 показано, что более чем 90% света, рассеиваемого сферической прозрачной капелькой с диаметром, равным 6 длинам волн падающего света, оказывается в пределах пика с углом прямого рассеяния, равным 10 градусам.

Способность лазерной двухточечной оптической системы (Laser Two Spot optical system) различать свет, рассеиваемый частицами, зависит не только от количества света, собираемого детектирующими оптическими устройствами, но также от того, насколько предотвращается достижение детектора нерассеянным светом. Например, любой свет, который рассеивается под углом меньшим, чем конус расходимости падающего света, невозможно эффективно детектировать, потому что детектор будет затемнен нерассеянным светом. Контрастность или способность детектирования рассеянного света ограничивается фундаментально степенью контрастности детектируемого рассеянного света по отношению к детектируемому нерассеянному свету.

Предыдущие лазерные двухточечные оптические расходомеры, такие как описанные в патенте США 6,128,072, выданном Kiel и соавт., оптимизируют контрастность детектируемого сигнала рассеяния света путем сдвига оптической оси оптических устройств для сбора света от оси падающего света. Это сводит к минимуму смещение сигнала, вызванное нерассеянным светом, но лишь незначительное количество рассеянного света улавливается в апертуре для сбора. В некоторых случаях, например в случае природного газа, там, где размер естественно возникающих рассеивающих частиц очень мал, это может служить ограничивающим фактором, и сигнал по отношению к коэффициенту шума будет снижаться до сигнала, соответствующего незначительным уровням детектируемого рассеянного света.

Известно также, что лазерные двухточечные анемометры определяют характер потока относительно больших частиц (больших, чем 10 длин волн падающего света), таких как частицы сыпучей пыли или аэрозолей. В патенте США 5,561,515, выданном Hairston и соавт., описана система для измерения размера и скорости движения частиц аэрозолей, выбрасываемых форсункой, используя метод двухточечного лазера с апертурой для сбора света, коллинеарной с осью пучка падающего света. Нерассеянный свет блокируют с помощью центрального затенения, располагаемого на противоположной стороне зоны измерения, и свет, рассеиваемый под большими углами, который проходит в апертуру для сбора света, фокусируют на фотодетекторе. Ввиду того что частицы в этом применении являются относительно большими, амплитуда детектируемого света не представляет большого интереса, поэтому можно использовать большое центральное затенение, не жертвуя чувствительностью.

Все оптические системы, описанные Kiel и соавт., представляют собой телецентрические или параллельные оптические системы, которые генерируют испускаемые световые лучи, направляемые перпендикулярно по отношению к направлению потока. Это является важным в некоторых применениях, особенно, когда флюид представляет собой газ, находящийся под высоким давлением. Большинство газов при низком давлении имеют коэффициент преломления, который изменяется в пределах величин, близких к единице, но при высоком давлении в залежи большая плотность газа приводит к значительному увеличению коэффициента преломления, что может изменять оптический угол преломления любого пучка света при прохождении в среде. Это может вызывать сдвиг параллактического типа в промежутке между фокусными точками, если оптическая ось не является перпендикулярной по отношению к оси потока, приводя к ошибке в измерениях.

В некоторых окружающих условиях, где производится измерение расхода, таких как скважины с природным газом, значительное количество воды, жидких углеводородов, частиц и других загрязняющих веществ может осаждаться на оптические окна и снижать, со временем, эффективность проходящего света. На эту проблему не было обращено достаточного внимания в известном уровне техники для тех применений, где устройство для оптических измерений предназначено находиться на месте в течение длительных периодов времени. Оптические окна используют во многих других применениях на трубопроводах, особенно смотровые стекла, и существует ряд средств, которые разработаны, для того чтобы сделать возможной очистку окон время от времени. Является желательным, однако, чтобы была разработана оптическая система, которая препятствует загрязнению и является при этом толерантной по отношению к изменениям оптической эффективности пропускания света.

Также, для многих промышленных применений является крайне желательной информация, касающаяся размера и формы частиц, которые перемещаются в трубопроводе, для того чтобы определять и контролировать качество флюида в ходе технологического процесса. На основе этих данных контролируют, например, качество фильтрующих средств, используемых на установке по переработке природного газа, состояние насосов и степень коррозии труб. Известны специализированные лазерные устройства для измерения размера частиц, но их использование было в значительной степени ограничено до контролируемых лабораторных условий и их не рассматривали в качестве пригодных устройств для внутрипромысловых применений из-за их чувствительности к вибрации и несоосности.

Краткое описание изобретения

Таким образом, целью изобретения является представление устройства для определения скорости потока флюида в трубопроводе путем измерения времени замедления прохождения света, рассеиваемого частицами малого размера, которые переносятся флюидом, от двух сфокусированных лучей света, ориентированных вдоль оси трубопровода, с известным расстоянием между ними.

Другой целью изобретения является представление устройства для измерения расхода флюида, которое можно устанавливать в узком зазоре в трубе и которое имеет ровные стенки, подогнанные к внутреннему диаметру соединяющих секций трубопровода таким образом, чтобы не нарушать поток флюида внутри трубопровода.

Также, целью изобретения является доведение до максимума чувствительности детектирования оптической системы. Более конкретно, целью изобретения является доведение до максимума эффективности излучения детектируемого рассеянного света и доведения до минимума детектирования нерассеянного падающего света.

Также, целью изобретения является представление оптической системы, которая может компенсировать засорение оптических окон в стенках трубопровода, вызванное накоплением загрязняющих веществ, транспортируемых в потоке флюида, путем контролирования прозрачности окон и регулирования повышения эффективности оптических детекторов.

Также, целью изобретения является представление оптической системы, которая является нечувствительной к изменениям коэффициента преломления транспортируемых газов, которые подвергаются сжатию при высоких рабочих давлениях.

Еще одной целью изобретения является представление оптической системы, которая может определять размер и форму рассеивающих частиц, которые переносятся в потоке флюида, путем измерения количества света, рассеиваемого под большими углами по отношению к количеству света, собираемого в пределах малых углов прямого рассеяния.

Для достижения этих и других целей представлено устройство для измерения скорости малых частиц, переносимых флюидом, который течет внутри трубопровода. Измерение скорости используют наиболее часто для определения расхода флюида внутри трубопровода. Устройство включает, по крайней мере, один источник света и первую оптическую систему линз для генерирования двух лучей света и направления лучей сквозь первое окно в стенке трубопровода для формирования пары фокусных точек во внутренней части трубопровода, расположенных в одном и том же месте относительно поперечного разреза трубопровода, но отстоящих друг от друга вдоль оси, параллельной направлению потока. Малые частицы, переносимые в потоке флюида, который перемещается по траектории совпадающей с двумя фокальным точками, рассеивают свет непрерывно, и время замедления между возникновением рассеяния является обратно пропорциональным скорости частицы.

В стенке трубопровода предусматривают также второе окно, располагаемое приблизительно напротив первого окна, обеспечивая тем самым средства для сбора части рассеянного света, которая проходит сквозь апертуру второго окна, и направления рассеянного света с помощью второй оптической системы линз на средство для детектирования света. Чтобы повысить достоверность детектирования сигнала, в фокальной плоскости второй оптической системы можно использовать два детекторных средства для света, каждое из которых ориентируют для приема света, рассеиваемого соответствующей фокусной точкой.

Предусматривают также средства для блокирования нерассеянного света, используя непрозрачное затенение, располагаемое таким образом, чтобы создавать препятствие лучам на входе или позади второго окна, предотвращая достижение нерассеянным светом детектора. Затенению придают размер, чтобы оно блокировало большую часть или весь нерассеянный свет, но оно является меньшим по размеру, чем апертура второго окна, для того чтобы довести до максимума контрастность детектируемого рассеянного света.

Первую оптическую систему, первое окно, второе окно, непрозрачное затенение и вторую оптическую систему приблизительно центрируют на общей оптической оси, которая является приблизительно перпендикулярной направлению потока в трубопроводе. Два луча света направляют вдоль той же самой общей оптической оси, но фокусные точки отделены друг от друга горизонтально на фокальных плоскостях на приблизительно равное расстояние от центральной оси. Устройство характеризуется дополнительно как имеющее ось, соответствующую оси трубопровода, которая параллельна направлению потока, и поперечную ось, которая перпендикулярна как к оптической оси, так и к оси трубопровода. Предусматривают также средства для уменьшения схождения лучей света, входящего в трубопровод, в поперечной оси, с тем чтобы расширить фокальные точки и создать большее рассеивающее поперечное сечение для частиц, перемещающихся в потоке флюида.

Предусматривают дополнительные средства для превращения детектируемого света в электрические сигналы, которые приблизительно пропорциональны интенсивности падающего света. Так как рассеивающая частица проходит через каждую фокальную точку, импульс света рассеивается и воспринимается соответствующим детектором, и при этом генерируется электрический импульс. Предусматривают средства, чтобы электрическими методами определять время замедления между электрическими импульсами, а скорость частиц можно рассчитать, если расстояние между фокальными точками является известным. Предусматривают дополнительные средства для определения величины расхода, которая приблизительно пропорциональна скорости частиц.

Краткое описание чертежей

Для дальнейшего понимания вышеописанных и других особенностей и преимуществ изобретения делается ссылка не следующее подробное описание и чертежи.

Фиг.1 представляет собой диаграмму, на которой показана эффективность рассеяния света в качестве функции угла прямого рассеяния капельки нефти размером 3 микрона, при использовании длины волны света, равной 650 нм.

Фиг.2 представляет собой диаграмму системы, представляющей предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения, с отдельными оптико-механической головкой, электрооптическим устройством, соединяемыми волоконно-оптическим кабельным удлинителем.

Фигуры 3а и 3b представляют собой изображения в поперечном разрезе, соответственно перпендикулярно оси трубопровода и вдоль оптической оси, используемой в известном уровне техники, где показана ось оптической системы для сбора света, пересекающая под углом ось оптической системы излучения света;

Фигуры 4а и 4b представляют собой изображения в поперечном разрезе, соответственно вдоль и перпендикулярно к оси трубопровода, на которых показана оптическая система для сбора света предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения, увеличенная в размере по отношению к поперечному разрезу трубопровода для большей ясности.

Фигуры 5а и 5b представляют собой изображения в поперечном разрезе, соответственно вдоль и перпендикулярно к оси трубопровода, на которых показана оптическая система для сбора света предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения, увеличенная в размере по отношению к поперечному разрезу трубопровода для большей ясности.

Фиг.6 представляет собой иллюстрацию формы непрозрачного затенения, которое можно использовать с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, состоящее из комбинации тонкой прямоугольной полоски и круглого центрального пятна.

Фигуры 7а и 7b представляют собой два изображения оптического устройства для сбора входящего света, состоящего из центрального рефлектора и двух светопроводов для сбора входящего света, располагаемых впереди непрозрачного затенения, соответствующего предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.8 представляет собой диаграмму системы настоящего изобретения, состоящей из отдельных оптико-механической головки, электрооптического устройства и кабельного удлинителя, на которой показана блок-диаграмма электронных схем для обработки данных и потока сигналов, используемых для компенсации потерь эффективности оптической системы.

Фигуры 9а и 9b представляют собой изображения в поперечном разрезе, соответственно вдоль и перпендикулярно к оси трубопровода, на которых показан альтернативный вариант осуществления настоящего изобретения, состоящий из модифицированной обоймы со скошенными гранями, отшлифованными под углом по отношению к оси оптической системы, и единичной улавливающей линзы, предусматриваемой для фокусирования излучаемых лучей и сохранения главных лучей, параллельных оптической оси, проходящей через секцию трубопровода;

Фигуры 10а и 10b представляют собой изображения в поперечном разрезе, соответственно перпендикулярно к оси трубопровода и вдоль оптической оси, на которых показан альтернативный вариант осуществления настоящего изобретения, предусматривающий вторую оптическую систему для сбора света, чтобы детектировать свет, рассеиваемый под большими углами, так что амплитуду сигнала детектируемого света использовали для определения размера рассеивающей частицы;

Фиг.11 представляет собой альтернативный вариант оптической системы для сбора света, показанной на Фигурах 10а и 10b, где вторая оптическая система для сбора света является коллинеарной с осью первой оптической системы для сбора света.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

изобретения

На Фиг.2 показан оптический расходомер, сконструированный в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения для определения расхода флюида в трубопроводе путем измерения скорости малых частиц, переносимых потоком флюида. Расходомерное устройство состоит из оптико-механической головки 10, устанавливаемой между смежными фланцами 11 в трубопроводе 12, электрооптического устройства 13, которое содержит два лазерных источника 14 света, два фотодетектора 54 и 55 сигналов рассеянного света и электронную аппаратуру 15 для обработки данных, и изоляционной трубки 16 для волоконно-оптического кабельного удлинителя, которая присоединяет электрооптическое устройство 13 к оптико-механической головке 10. В этой конфигурации, электрооптическое устройство 13 можно располагать на некотором удалении, с тем чтобы никакой электрический потенциал не присутствовал на оптико-механической головке 10, что является желательным, когда флюид, например природный газ, проходящий сквозь трубопровод, может воспламеняться за счет искр или коротких замыканий. Кроме того, волоконно-оптические контакты на оптико-механической головке 10 являются компактными, надежными и стабильными в отношении размеров, потому что они избавлены от тепловой нагрузки, возникающей от электроники и источников света.

Оптико-механическая головка 10, согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, показанная во всех деталях на Фиг.3а и 3b, состоит из жесткого пластинчатого корпуса 17, который можно фиксировать между фланцами в трубопроводе, причем центральное отверстие 18 имеет диаметр, приблизительно соответствующий внутреннему диаметру трубопровода и, таким образом, образует смежный герметизированный проход для флюида, который будет протекать без какого-либо нарушения. Центральное отверстие 18 содержит два окна 19 и 20: окно 19 для излучения света дает возможность лучам 21 и 22 испускаемого света входить в центральное отверстие 18, а окно 20 для сбора света на противоположной стороне центрального отверстия 18 дает возможность как лучам 23 и 24 нерассеянного света, так и лучам 25 и 26 рассеянного света проходить в апертуру 27 для сбора света. В предпочтительном варианте осуществления изобретения, обеим окнам 19 и 20 придают такую форму, чтобы она соответствовала цилиндрической кривизне центрального отверстия 18 для формирования гладкой непрерывной поверхности для сведения к минимуму нарушения потока флюида и уменьшения отложения загрязняющих веществ, которые могут присутствовать в потоке флюида. В следующем варианте осуществления изобретения, в центральное отверстие 18 пластинчатого корпуса 17 можно вводить отрезок оптически прозрачной трубы с внутренним диаметром, приблизительно соответствующим внутреннему диаметру стенки трубопровода, для герметизации потока жидкости и для того, чтобы сделать возможным прохождение света в поток в трубопроводе и из потока в трубопроводе.

Система 28 линз для излучаемого света располагается в отверстии 29 для линз излучаемого света, изготавливаемом в оптико-механическом пластинчатом корпусе 17, протягиваясь радиально от апертуры 30 окна для излучаемого света до наружного периметра. Систему 28 линз для излучаемого света помещают обычно в трубчатый механический корпус 31 и они совместно формируют оптическую ось 32 для системы. Система 28 линз для излучаемого света показана на Фиг.5а и 5b в увеличенном виде относительно поперечного разреза трубы для большей ясности. Два светопровода 33 и 34 излучаемого света заделывают в двойную обойму 35 отверстия и помещают на одинаковом расстоянии, на противоположных сторонах от оптической оси 32. Обойму 35 поворачивают вокруг оптической оси 32, с тем чтобы контакты обоих светопроводов 33 и 34 установились на одной линии с осью 36 трубопровода. Испускаемые лучи 21 и 22 света отклоняются от светопроводов 33 и 34 излучаемого света и являются приблизительно параллельными оптической оси 32. Испускаемые лучи 21 и 22 света коллимируются собирающей линзой 37 светопровода и затем фокусируются линзой 38 объектива излучаемого света через окно 19 излучаемого света с формированием двух основных фокальных точек 39 и 40 внутри центрального отверстия 18, разъединенных друг от друга вдоль оси 36 трубопровода. Расстояние, разделяющее основные фокальные точки 39 и 40, определяют путем выбора фокальных длин собирающей линзы 37 для излучаемого света и линзы 38 объектива согласно следующей формуле:

D=d_d*f _do/f_dc,

где D - расстояние по оси между фокальными точками в трубопроводе; d_d - расстояние по оси между светопроводами 33 и 34; f_do - фокальная длина линзы 38 объектива для излучаемого света; a f_dc - фокальная длина собирающей линзы 37 для излучаемого света.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения, протяженность оптического пути между собирающей линзой 37 для излучаемого света и линзой 38 объектива выбирают равными сумме их фокальных длин. Это формирует то, что в данной области техники называют телецентрической оптической системой, которая предполагает, что главный луч на фокальной плоскости остается параллельным оптической оси. Испускаемые лучи 21 и 22 света распространяются вдоль осей, параллельных оси 32 оптической системы и перпендикулярных оси 36 трубопровода, а также поверхности окна 19 для излучаемого света, как показано на Фиг.4а. Это является важным в применениях, где коэффициент преломления газа, способного сжиматься, такого как природный газ, изменяется в зависимости от внутреннего. давления. В случае нетелецентрической системы, расстояние между фокальными точками может изменяться, благодаря параллаксу, создаваемому изменением коэффициента преломления флюида, способного сжиматься, приводя к ошибке при измерении скорости.

Обратимся к Фиг.4а, где цилиндрическую линзу 41 помещают внутри оптической системы 28 для излучаемого света, чтобы сместить фокус луча в сторону от основных фокальных точек 39 и 40 для формирования двух вторичных линейных фокусов 42 и 43 вдоль оси 32 оптической системы. Это создает эффект расширения ширины пучка на основных фокальных точках 39 и 40 в две полосы света и увеличения, таким образом, площади поперечного сечения, которая пересекает поток флюида в зоне измерения скорости. В предпочтительном варианте, фокальную длину цилиндрической линзы 41 выбирают таким образом, чтобы два луча формировали два коллинеарных линейных фокуса 42 и 43 на общей точке на оси 32 оптической системы, расположенной на или позади поверхности окна 20 для сбора света.

На вторичных фокусах 42 и 43 площадь поперечного сечения падающих нерассеянных лучей 23 и 24 испускаемого света является минимальной. Оптически непрозрачное затенение 44, приближающееся к тонкой прямоугольной форме, имеющее размер немного больший, чем профиль нерассеянного луча на вторичной фокальной плоскости, располагают так, чтобы оно пересекало большую часть или полностью нерассеянные лучи 23 и 24 испускаемого света. Это делает возможным, чтобы максимальное количество рассеянного света входило в незатененную апертуру 27 для сбора света, с тем чтобы оптимизировать чувствительность детектирования оптического сигнала. Более конкретно, минимальная протяженность профиля луча, определяемая узким размером прямоугольного непрозрачного затенения 44, делает возможным вхождение лучей 25 и 26 света с наиболее малыми углами рассеяния в апертуру 27 для сбора света, без какого-либо смещения за счет нерассеянных лучей 23 и 24.

Обратимся вновь к Фиг.3а и 3b, где систему 45 собирающих линз предпочтительного варианта осуществления изобретения помещают в отверстии 46 для собирающих линз, напротив и приблизительно коллинеарно по отношению к отверстию 29 для линз излучаемого света, и она протягивается радиально от апертуры 27 окна для сбора света до наружного периметра оптико-механического пластинчатого корпуса 17.

Обратимся к Фигурам 5а и 5b, где система 45 собирающих линз, показанная в увеличенном виде относительно поперечного разреза трубопровода для большей ясности, состоит из линзы 47 объектива и собирающей линзы 48 для улавливания света в светопроводе. Лучи 25 и 26 рассеянного света, входящие в апертуру 27 для сбора света, фокусируют в два соответствующие светопровода 49 и 50 для сбора рассеянного света, располагаемые в фокальной точке и соответствующие каждой из основных фокальных точек 39 и 40 в центральном отверстии 18. Диаметры ядер светопроводов 49 и 50 для сбора рассеянного света имеют размеры для приема значительной части лучей 25 и 26 рассеянного света, генерируемых из точек, расположенных поперек ширины полосы света в зоне для измерения скорости частиц, которые определяются следующей формулой:

W=w_c*f_co /f_cc,

где W - ширина области приема рассеянного света на основных фокальных точках 39 и 40; w _c - диаметр ядра светопроводов 49 и 50 для сбора рассеянного света; f_co - фокальная длина собирающей линзы 47 объектива; f_cc - фокальная длина собирающей линзы 48 для улавливания света.

На глубину резкости оптической системы, которая определяет длину зоны измерения скорости вдоль оси 32 оптической системы, влияет как длина сужения пучка лучей 21 и 22 излучаемого света, так и глубина резкости системы 45 собирающих линз. Оба параметра можно регулировать путем подбора линз в соответствии с ограничениями, предусмотренными выше, однако существуют ограничения, устанавливаемые физическим размером компонентов и размерами корпуса. На глубину резкости, обеспечиваемую оптической системой, влияют также размер и форма непрозрачного затенения 44. В некоторых случаях является желательным уменьшить глубину резкости системы 45 собирающих линз для дополнительного ограничения протяженности зоны измерения рассеянного света вдоль оптической оси 32. Этого можно достигнуть путем увеличения размера непрозрачного затенения 44 в центре оптической оси 32, что будет приводить к форме, состоящей из прямоугольного участка в виде полосы, перекрываемого круглым центральным пятном, как показано на Фиг.6.

В следующем предпочтительном варианте осуществления изобретения вторую пару светопроводов 51 и 52 для сбора входящего света располагают непосредственно впереди непрозрачного затенения 44 и предусматривают средства для улавливания света от лучей 23 и 24 нерассеянного света, как показано на Фиг.7а и 7b. Центральный рефлектор 53 располагают в центре затенения 44, которое направляет часть каждого луча 23 или 24 падающего нерассеянного света в соответствующий светопровод 51 или 52 входящего света, которые последовательно протягиваются позади продольной конструкции непрозрачного затенения 44, имеющего форму прямоугольной полоски, и за пределы периметрического проема отверстия 46 для собирающей линзы. Уровень сигнала, генерируемый лучами 23 и 24 нерассеянного света, улавливаемого в светопроводах 51 и 52 входящего света, можно использовать для контролирования общей интенсивности падающего света, которая может снижаться с течением времени из-за накопления загрязняющих веществ, которые засоряют оптические окна 19 (не показано) и 20, или из-за изменений интенсивности источника света.

Обратимся к Фиг.8, где светопроводы 49 и 50 для сбора рассеянного света и светопроводы 51 и 52 для сбора входящего света объединяют со светопроводами 33 и 34 для излучения света и заключают в общую изоляционную трубку 16 кабельного удлинителя, присоединяемую к оптико-электронному устройству 11, которое можно помещать на некотором расстоянии от оптико-механической головки 10. Светопроводы 49 и 50, а также 51 и 52 для сбора света соединяют с соответствующими фотодетекторами 54 и 55 сигналов рассеянного света и фотодетекторами 56 и 57 сигналов входящего света. Свет, улавливаемый в светопроводах 49 и 50 для сбора рассеянного света и передаваемый в детекторы 54 и 55 сигналов рассеянного света, генерирует электрические импульсы, когда частицы проходят через зону для измерения скорости, и предусматривается электронная аппаратура 15 для обработки данных, чтобы определять время замедления прохождения частиц путем корреляции электрических сигналов от двух детекторов 54 и 55 сигналов рассеянного света. Сигналы входящего света, генерируемые детекторами 56 и 57 сигналов входящего света, можно использовать для регулирования усиления детекторной схемы 60 сигналов рассеянного света, чтобы компенсировать снижение интенсивности оптических сигналов из-за засорения оптических окон 19 и 20.

В альтернативном варианте осуществления изобретения, показанном на Фиг.9а и 9b, телецентрическая система 28 линз для излучаемого света предусматривает линзу 61 для улавливания излучаемого света (может быть составной линзой) и модифицированную обойму 62 с двумя скошенными гранями 63 и 64, отшлифованными на лицевой поверхности обоймы 62 и одинаково наклоненными в сторону от оси 32 оптической системы. Результирующие лучи 21 и 22 излучаемого света преломляются под углом, когда они выходят из светопроводов 33 и 34 излучаемого света, и пересекают оптическую ось 32 на некотором расстоянии перед линзой 61 для улавливания излучаемого света, которое равно ее фокальной длине, генерируя таким образом одинаковое телецентрическое выравнивание с более компактной оптической конфигурацией.

Обратимся также к Фиг.9а и 9b, где цилиндрическую линзу 65 для улавливания излучаемого света можно добавить также к системе 28 линз для излучаемого света, помещаемой после обоймы 62 светопровода, для того чтобы коллимировать лучи 21 и 22 излучаемого света в поперечной оси. Это делает возможным независимый контроль ширины полосы света в основных фокусных точках 39 и 40 путем подбора фокальной длины цилиндрической линзы 65 для излучаемого света. Фокальную длину цилиндрической линзы 41 объектива также следует уменьшить (рассеивающая линза), чтобы компенсировать фокальное смещение, создаваемое цилиндрической линзой 65 для излучаемого света, с тем чтобы вторичные фокусы 42 и 43 оставались совпадающими с плоскостью 44 непрозрачного затенения.

В другом варианте осуществления изобретения, показанном на Фиг.10а и 10b, вторичную систему 66 собирающих линз помещают позади третьего оптического окна 67 в третье отверстие 68 в оптико-механическом пластинчатом корпусе 17, показываемом под углом, перпендикулярным по отношению к оси 32 оптических систем, состоящих из системы 28 линз для излучаемого света и основной системы 45 собирающих линз. Во вторичной системе 66 собирающих линз не используют никаких затенений или светопроводов для входящего света, но в других отношениях она может быть идентичной основной системе 45 собирающих линз. Вторичную пару светопроводов 69 и 70 для сбора света размещают для приема рассеянного света, улавливаемого во вторичной апертуре 71 для сбора света, присоединяемой ко второй паре измерительных фотодетекторов (не показаны). Количество света, рассеиваемого под большими углами, вне оси 32 оптической системы, строго зависит от размера рассеивающих частиц, поэтому путем измерения отношения интенсивностей сигналов света можно получить информацию относительно размера рассеивающих частиц, переносимых потоком флюида.

Еще в одном варианте осуществления изобретения, показанном на Фиг.11, представлена вторая система 72 собирающих линз, имеющая апертуру 73, большую чем апертура первой системы 27 собирающих линз, и при этом обе системы располагаются коллинеарно. Вторая система 72 собирающих линз собирает свет, который рассеивается под большими углами в пределах пространственного угла, определяемого разностью между апертурами 73 и 27 обеих систем. Сравнение количества света, собираемого каждой системой, дает информацию относительно размера и формы частиц.