УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ МАЛОВЯЗКИХ И ВЯЗКИХ ТЕКУЧИХ СРЕД В ТРУБОПРОВОДЕ

Предполагаемая полезная модель относится к области измерения параметров маловязких и вязких текучих сред непосредственно в потоке и может найти применение в нефтегазодобывающей, нефтеперерабатывающей, нефтехимической и других отраслях промышленности.
Известен плотномер для жидких сред, содержащий петлеобразную трубу, состоящую из восходящей, горизонтальной и нисходящей ветвей, три преобразователя давления, установленные соответственно на восходящей, горизонтальной и нисходящей ветвях трубы, два дифференциальных манометра и регистрирующий прибор (Авт. свид. СССР №1325328, опубл. Бюл. №27, 23.07.1987 г.).
Недостатком плотномера является отсутствие автоматической коррекции плотности «эталонной» жидкости по температуре и давлению применительно к рабочим условиям измеряемой среды, что сказывается на точности измерения плотности жидкости.
Известен плотномер жидких или газообразных сред, в основу которого заложен метод сравнения плотности «эталонной» жидкости с плотностью рабочей среды, что на порядок повышает точность измерения (пат. РФ №67263, G01N 9/26, приор. 24.05.2007 г., опубл. 10.10.2007 г.).
Известный плотномер, содержит петлеобразную трубу, состоящую из восходящей, горизонтальной и нисходящей ветвей, три отборника давления, установленные соответственно на восходящей, горизонтальной и нисходящей ветвях петлеобразной трубы, два датчика разности давления, датчик абсолютного давления, датчик температуры рабочей среды, импульсные трубки с «эталонной» жидкостью, воспринимающей давление рабочей среды непосредственно контактным методом, и регистрирующий блок. Плотномер снабжен дополнительным датчиком температуры «эталонной» жидкости, залитой в импульсные трубки и дополнительным отборником давления, расположенным на корпусе для термометра. В качестве «эталонной» жидкости использована жидкость, контактирующая с рабочей средой, но не смешивающаяся с ней. Кроме того, отборники давления, установленные на восходящей, нисходящей ветвях петлеобразной трубы и отборник давления, расположенный на корпусе для термометра, находятся на одном уровне в нижней части петли, а плотность жидкости или газообразных сред определяется по прилагаемым формулам.
Кроме того, датчик абсолютного давления, два датчика разности давления, датчики температуры рабочей среды и температуры «эталонной» жидкости связаны с регистрирующим блоком.
Недостаток известного плотномера-расходомера заключается в следующем.
Конструкция устройства содержит два датчика разности давления, на основе показаний которых обеспечивается измерение параметров измеряемой среды. При этом для расчета скорости, массы и вязкости применяются разные формулы в зависимости от характера течения: ламинарного или турбулентного. При турбулентном потоке расход может измеряться только в индикаторном режиме, что сказывается на точности. Ламинарный поток характерен для вязких сред, что ограничивает область применения устройства для измерения параметров сред с другим течением.
Известен плотномер-расходомер жидких или газообразных сред для определения состава жидких двухкомпонентных сред, абсолютной влажности газа и измерения массового расхода жидкости или газа с переменной плотностью (пат. РФ 2359247, приор. 19. 11. 2007 г., опубл. 20. 06. 2009 г.).
Известный плотномер-расходомер содержит петлеобразную трубу равного сечения, состоящую из восходящей, горизонтальной и нисходящей ветвей, три отборника давления, установленные соответственно на восходящей, горизонтальной и нисходящей ветвях петлеобразной трубы, первый и второй датчики разности давления, датчик абсолютного давления, датчик температуры рабочей среды, датчик температуры «эталонной» жидкости, отборник давления, размещенный на корпусе термометра датчика температуры «эталонной» жидкости, импульсные трубки с «эталонной» жидкостью, воспринимающие давление рабочей среды непосредственно контактным методом, и регистрирующий блок, при этом отборники давления, установленные на восходящей, нисходящей ветвях петлеобразной трубы и отборник давления, размещенный на корпусе термометра датчика температуры «эталонной» жидкости, расположены на одном уровне в нижней части петли. Устройство снабжено расположенным на одном уровне с упомянутыми отборниками давления дополнительным отборником давления, установленным на нисходящей ветви петлеобразной трубы, второй датчик разности давления подключен импульсными трубками с «эталонной» жидкостью к дополнительному отборнику давления на нисходящей ветви и к отборнику давления на восходящей ветви, а первый датчик разности давления подключен к отборнику давления на нисходящей ветви и к отборнику давления, размещенному на корпусе термометра, соединенного с верхним отборником давления на горизонтальном участке петли, расположенным симметрично относительно плеч нисходящей и восходящей ветвей петлеобразной трубы, при этом плотность жидкости или газа определяется соответственно по прилагаемым формулам.
Недостаток известного средства заключается в невозможности измерения малых расходов маловязких и вязких жидкостей, что ограничивает функциональные возможности плотномера-расходомера.
Задача заявляемой полезной модели заключается в расширении функциональных возможностей средства измерения за счет обеспечения с повышенной точностью измерений параметров маловязких и вязких жидкостей (текучих сред) с малым расходом течения потока в трубопроводе.
Указанная задача решается тем, что устройство для измерения параметров маловязких и вязких текучих сред в трубопроводе, содержащее петлеобразную трубу равного сечения, состоящую из восходящей, горизонтальной и нисходящей ветвей, нижние отборники давления, установленные на одном уровне, соответственно, на восходящей и нисходящей ветвях петлеобразной трубы, дополнительный отборник давления, установленный на нисходящей ветви, первый и второй датчики разности давления, датчик абсолютного давления, датчик температуры «эталонной» жидкости, импульсные трубки с «эталонной» жидкостью, воспринимающей давление текучей среды непосредственно контактным методом, и регистрирующий блок, при этом первый датчик разности давления подключен импульсными трубками с «эталонной» жидкостью к дополнительному отборнику давления на нисходящей ветви и к отборнику давления на восходящей ветви, а второй датчик разности давления подключен к отборникам давления на нисходящей ветви,
0
0
0
в отличие от известного, в трубопроводе на входе восходящей петли размешены конфузор с калиброванным участком диаметром d и датчик гидростатического давления, установленный в крышке отвода трубопровода на входе восходящей петли, при этом в крышке выполнено отверстие для сообщения текучей среды с диафрагмой датчика гидростатического давления, выходное отверстие калиброванного участка диаметром d обращено в сторону мембраны датчика гидростатического давления и расположено от нее на расстоянии =d, дополнительный отборник давления на нисходящей ветви установлен в верхней ее части на высоте h от уровня расположения нижних отборников давления, импульсные трубки с «эталонной» жидкостью размещены вне петлеобразной трубы, кроме того, регистрирующий блок снабжен программой для измерения и расчета плотности, скоростного напора потока, массового и объемного расходов, вязкости, скорости потока и компонентного объема для смешивающихся двухкомпонентных маловязких и вязких текучих сред. В верхней части измерительных ветвей установлена емкость с «эталонной» жидкостью, поддерживающая уровень «эталонной» жидкости в импульсных трубках, на которой установлен датчик температуры «эталонной» жидкости.
На фигуре изображено заявляемое устройство.
Устройство для измерения параметров маловязких и вязких текучих сред, содержит петлеобразную трубу, состоящую из восходящей 1, горизонтальной 2 и нисходящей 3 ветвей, импульсные трубки 4, заполненные «эталонной» жидкостью, непосредственно контактирующей с текучей средой, но не смешивающейся с ней, например кремнеорганической, имеющей известные коэффициенты объемного расширения и сжатия, два отборника давления, расположенные на одном уровне 5 и 6 в нижней части петли, дополнительный отборник давления 7 расположен вверху на нисходящей ветви 3 на расстоянии h от уровня расположения нижних отборников давления. При этом отборник давления 6 установлен на восходящей ветви 1, отборники давления 5 и 7 - на нисходящей ветви 3.
Два датчика разности давления 8 (первый) и 9 (второй) связаны с восходящей ветвью 1 и нисходящей ветвью 3 следующим образом: «минусовая» камера датчика разности давления 8 посредством импульсной трубки с «эталонной» жидкостью и вентиля 10 и соединена с отборником давления 6 на восходящей ветви 1, а «плюсовая» камера указанного датчика посредством импульсной трубки с «эталонной» жидкостью и вентилей 11, 12 и 13 соединена с дополнительным отборником давления 7 на нисходящей ветви 3. «Минусовая» камера датчика разности давления 9 соединена импульсной трубкой с вентилем 14 с отборником давления 5 на нисходящей ветви, а «плюсовая» камера указанного датчика посредством вентиля 12 соединена с отборником давления 7 на нисходящей 3 В месте контакта «эталонной» жидкости и текучей средой в отборниках давления выполнены мини-камеры для передачи давления.
м
0
м
0
Устройство снабжено датчиком гидростатического давления 15, установленным в крышке 16 отвода трубопровода на входе восходящей петли 1, в которой выполнено отверстие d для сообщения текучей среды Q с мембраной 17 датчика 15 гидростатического давления, а в верхней части измерительных ветвей установлена емкость 18 с «эталонной» жидкостью, поддерживающая уровень «эталонной» жидкости в импульсных трубках, на которой установлен датчик температуры 19 «эталонной» жидкости, при этом в трубопроводе на входе восходящей петли 1 установлен конфузор 20 с калиброванным участком, выходное отверстие 21 которого диаметром d, обращено в сторону мембраны 17 диаметром d датчика гидростатического давления 15 и расположено от нее на расстоянии =d, выбранном экспериментальным путем, а импульсные трубки с «эталонной» жидкостью отборников давления 5, 6 и 7 размещены вне петлеобразной трубы. Датчик абсолютного давления 22 текучей среды с вентилем 23 установлен на прямом участке в начале восходящей ветви 1.
Два датчика разности давления 8 и 9, датчик гидростатического давления 15, датчик температуры 19 «эталонной» жидкости, датчик абсолютного давления 22 соединены с регистрирующим блоком 24 (БОИ - блок обработки информации), который по заложенной в нем программе рассчитывает плотность, скоростной напор потока, массовый и объемный расходы, вязкость, скорость потока и компонентный объем для смешивающихся двухкомпонентных маловязких и вязких текучих сред по формулам:
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
Где:
ж
м
кг
3
ρ - плотность жидкости, / ,
tэm
м
кг
3
ρ - плотность «эталонной» жидкости, при 20 град Цельсия, / ,
1
1
ΔР - перепад давления между «плюсовой» и «минусовой» камерами датчика раности давления P, Па,
mp
1
2
ΔР - потери давления на трение между точками отбора давления «минусовых» камер датчиков разности давления P и Р, Па,
м
2
с
g - ускорение свободного падения, / ,
l,
h - расстояние между точками отбора давления «минусовой» и «плюсовой» камерами датчика разности давления P м,
ж
V - скорость потока жидкости в петлеобразной трубе равного сечения d, м/с
3
3
ΔР - разность давлений между «минусовой» и «плюсовой» камерами гидростатического датчика Р разности давлений, установленного на входе восходящей ветви, Па,
м
3
d - диаметр мембраны гидростатического датчика Р разности давлений, м,
d - диаметр петлеобразной трубы, м,
0
d - диаметр калиброванного участка конфузора 20, м,
0
0
V - скорость потока жидкости в калиброванном участке, d,
ж
3
- объемный расход, м/сут,
ж
М - массовый расход, т/сут,
- вязкость потока измеряемой жидкости, сСт,
cp
1
2
L - средняя суммарная длина восходящей, горизонтальной и нисходящей петель между точками отбора давления «минусовых» камер датчиков разности давлений P иР, м,
2
3
- компонентный объем второй составляющей двухкомпонентной смеси жидкости, м,
1
3
- компонентный объем первой составляющей двухкомпонентной смеси жидкости, м,
вж
3
- объемный расход вязких текучих жидкостей, м/сут,
вж
М - массовый расход вязких текучих жидкостей, т/сут.
Вентиль 25 - сливной, а вентиль 26 - отводной. Вентили 27 и 28 служат для соединения с импульсной трубкой 4 и с емкостью 18, поддерживающей уровень «эталонной» жидкости в импульсных трубках.
Устройство работает следующим образом.
При транспортировке устройства вентили 13, 14, 23, 25, 26, закрыты, а вентили 10, 11, 12, 27 и 28 открыты.
В рабочем состоянии вентили 13, 14, 23, 10, 11, 12, 27 и 28 открыты, а вентили 25, 26 закрыты.
а
3
Поток среды «Q» поступает на вход восходящей ветви 1, где датчиком абсолютного давления 22 измеряется давление рабочей среды Р, Выходя из конфузора 20, поток ударяет в мембрану 17 гидростатического датчика давления 15, с которого снимается ΔР - разность давлений между его «минусовой» и «плюсовой» камерами и передается в БОИ 24.
Далее поток поднимается по восходящей ветви 1, при этом отборник давления 6 передает давление на датчик разности давления 8 в его «минусовую» камеру, и поступает через горизонтальную линию 2 в нисходящую линию 3, где через отборник давления 7 давление передается в «плюсовую» камеру датчика разности давления 9, показание которого поступает в БОИ 24. Далее рабочая среда опускается по нисходящей ветви 3 и ее давление через отборник давления 5 передается в «минусовую» камеру датчика разности давления 9, показания которого поступают на БОИ 24, а давление этой же рабочей среды посредством импульсных трубок поступает в «плюсовую» камеру датчика разности давления 8. Температура «эталонной» жидкости измеряется термометром 19 и передается в БОИ 24.
В процессе измерения используется метод сравнения статических показателей «эталонной» жидкости с изменяющимися параметрами рабочей среды.
Сущность измерения раскрывается в нижеприведенном примере расчета параметров рабочей среды.
3
Во время измерения рабочая среда Q жидкости поступает на вход вертикальной ветви, в которой установлен конфузор 20 и гидростатический датчик давления 15, который измеряет перепад давления ΔР - разность давлений между его «минусовой» и «плюсовой» камерами, зная которую, можно определить скорость потока жидкости в калиброванном участке трубы по формуле:
,
где:
0
V - скорость потока жидкости в калиброванном участке трубы, м/с,
3
3
ΔР - разность давлений между «минусовой» и «плюсовой» камерами гидростатического датчика 15 Р разности давлений, установленного на входе восходящей ветви, Па,
м
3
d - диаметр мембраны 17 гидростатического датчика 15 Р разности давлений, м,
0
d - диаметр выходного отверстия 21 (калиброванного участка) конфузора 20, м.
1
mp
эт
а
mp
Далее поток Q, проходя через горизонтальную ветвь и нисходящую ветвь, поступает на выход. При этом осуществляется измерение перепадов давления ΔP на нисходящей ветви и потери давления на трение ΔРмежду точками отбора 7 и 5, 6 давления на нисходящей и восходящей ветвях трубы при движении жидкости, а также температуры t«эталонной» жидкости и абсолютного давления Р в трубопроводе. Так как плотность жидкости измеряется только на нисходящей ветви, то в формулы введены значения 0,5 ΔР, тогда плотность жидкости определяется по следующей формуле, взятой из источника (3):
,
где:
ж
м
кг
3
ρ - плотность жидкости,/ ,
tэm
м
кг
3
ρ - плотность «эталонной» жидкости, при 20 град Цельсия, / , величина известная,
1
1
ΔP - перепад давления между «плюсовой» и «минусовой» камерами датчика разности давления P, Па, измеряемый датчиком разности давления 9 и регистрируемый БОИ 24,
mp
1
2
ΔР - потери давления на трение между точками отбора давления «минусовых» камер датчиков разности давления Р и P, Па, регистрируемый БОИ 24,
м
2
с
g - ускорение свободного падения, / ,
1
h - расстояние между точками отбора давления «минусовой» и «плюсовой» камерами датчика 9 разности давления Р, м.
3
Объемный и массовый расход определяются, исходя из известного значения ΔP по формулам, взятым из источника (3):
,
,
где:
ж
3
- объемный расход жидкости, м/сут,
ж
М - массовый расход жидкости, т/сут.
cp
Для определения коэффициента гидравлического сопротивления λ по длине петли L определяем потери на трения по длине этой петли:
, отсюда находим
,
где:
λ - коэффициент гидравлического сопротивления, безразмерная величина.
Известна формула определения коэффициента гидравлического сопротивления λ (А.Д. Альтшуль, Л.С. Животовский, Л.П. Иванов. Гидравлика и аэродинамика. М., Стройиздат, 1985 г.):
.
В формулу 12 подставляем значение λ из формулы 11 и находим вязкость  потока жидкости:
, после преобразования получаем:
,
где:
- вязкость, сСт.
э
К - коэффициент шероховатости, мм.
Отношением  из-за малой величины пренебрегаем, так как внутреннюю поверхность труб измерительных ветвей выполняют гладкими.
ж
ж
1
2
2
Зная объемный расход жидкости  и плотность жидкости ρ, а также плотности отдельных жидкостей, входящих в состав смеси, (например, вода - ρ, спирт - ρ), можно определить  - компонентный объем второй составляющей двухкомпонентной смеси жидкости (источник известности-5),
,
тогда:
1
- компонентный объем первой составляющей двухкомпонентной смеси жидкости находим из выражения:
.
вж
вж
Для определения объемного и массового расхода вязких текучих жидкостей , М используем следующие формулы, взятые из источника (4):
,
.
ж
ж
ж
Особенностью конструкции является то, что для измерения параметров маловязких жикостей (до 80 Сст) используют датчики разности давления 8, 9 и 15, которые предназаначены для измерения плотности ρ, расхода , М.
вж
вж
При измерении параметров вязких сред (>80-100 Сст, например, «тяжелая» нефть) используют датчики разности давления 8 и 9 для измерения параметров: , М.
Таким образом, расширяется функциональная возможность устройства за счет способности с достаточной точностью измерять параметры текучих сред с различной вязкостью и состава с малым расходом течения потока.
Кроме того, устройство снабжено емкостью с «эталонной» жидкостью, которая поддерживает уровень жидкости в импульсных трубках в случае испарения или протечек, что повышает точность измерения за счет стабильности этого уровня, при этом импульсные трубки установлены снаружи измерительных ветвей и не перекрывают проходное сечение, в результате поток вязкой жидкости беспрепятственно проходит по измерительной петле, что также влияет на результаты измерений.
Источники информации:
1. Плотномер для жидких сред. Авт. свид. СССР №1325328, опубл. Бюл. №27, 23.07.1987 г.
2. Плотномер жидких или газообразных сред. Пат. РФ №67263, G01N 9/26, приор. 24.05.2007 г., опубл. 10.10.2007 г., Бюл. №28.
3. Плотномер-расходомер жидких или газообразных сред. Пат. РФ 2359247, G01N 9/26, приор. 19.11.2007 г., опубл. 20.06.2009 г.
4. Альтшуль А.Д., Животовский Л.С., Иванов Л.П. Гидравлика и аэродинамика. М., Стройиздат, 1985 г.
5. Анализаторы газов и жидкостей. Пер. с чешского под редакцией Арутюнова О.С. «Энергия», М., 1970 г.
6. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. Справочник. Л., «Машиностроение», 1979 г.