СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ЖИДКОСТИ
METHOD OF FLUID FLOW RATE MEASUREMENT

Настоящее изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения расхода жидкостей, в том числе для оценки производительности погружных нефтяных насосов в процессе эксплуатации.
Хорошо известен способ измерения расхода однородной жидкости с помощью шарикового тахометрического расходомера (см, например, патент РФ №2278969 С1, МПК E21B 47/10, G01F 1/06, опубл. 27.06.2006), при котором формируют кольцевой канал для вращения чувствительного элемента, на уровне которого устанавливают датчик и фиксируют частоту вращения с последующей обработкой результатов, при этом в качестве чувствительного элемента используют шарик, изготовленный из материала с плотностью, близкой к плотности жидкости. Для последующей обработки результатов расходомер предварительно в лабораторных условиях калибруют на жидкости, расход которой будут замерять.
1
2
1
2
1
2
Способ определения расхода по частоте вращения шарика в любом тахометрическом расходомере довольно прост. Частота зависит от двух групп параметров: к первой группе относятся параметры, определяющие геометрию расходомера - это размеры проточных каналов, радиус шарика и его масса (или плотность материала шарика), размер канала, в котором вращается шарик, радиус орбиты шарика; ко второй группе относятся параметры, непосредственно характеризующие жидкость: ее объемный расход, вязкость и плотность. Зафиксировав параметры первой группы конкретным исполнением расходомера, можно получить зависимость частоты вращения шарика от объемного расхода жидкости с заданными свойствами (вязкостью и плотностью). Обычно в этом случае диапазон измеряемых расходов ограничен линейным участком зависимости расхода от частоты, т.е. имеет место простая функциональная связь между объемным расходом Q и частотой вращения шарика f:Q=af+A. Коэффициенты a и а определяют в стендовых условиях на стадии калибровки расходомера. По измеренной частоте вращения шарика и известным а и а и вычисляют объемный расход жидкости. Известный способ характеризуется максимальной простотой съема и обработки информационного электрического сигнала, пропорционального расходу.
Однако существенным недостатком способа является низкая достоверность результатов при измерении расхода жидкости с неизвестными или изменяющимися свойствами, которые не могут быть учтены при калибровке расходомера. Поэтому его использование в качестве универсального датчика, в частности при измерении расхода добываемой скважинной жидкости, невозможно.
Предлагаемый способ позволяет с высокой точностью в широком диапазоне измерять расход жидкостей с разными, в том числе, изменяющимися в известном интервале в процессе эксплуатации свойствами.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе измерения расхода жидкости, включающем измерение скорости вращения чувствительного элемента и последующую обработку результатов, согласно изобретению измеряют скорость вращения, по меньшей мере, двух чувствительных элементов, вращающихся на разных уровнях, причем чувствительные элементы используют с разным размером и/или массой.
При этом соотношение масс чувствительных элементов, вращающихся на разных уровнях, может находиться в интервале 1-4, а соотношение их характерных размеров - в интервале 1-1.5.
Такое соотношение массы и размеров чувствительных элементов дает возможность обеспечивать значимую разницу в частотах их вращения и снизить влияние погрешности определения самих частот на точность измерения расхода.
В том случае, когда плотность жидкости известна и остается неизменной или изменяется незначительно в процессе замеров, а расходомер откалиброван в лабораторных условиях на жидкостях с разной вязкостью, способ может быть реализован с помощью тахометрического расходомера, в котором используют два чувствительных элемента. Если же в процессе замеров меняется как вязкость, так и плотность жидкости, скорость вращения следует измерять с помощью трех чувствительных элементов, вращающихся на разных уровнях.
1
2
3
Функциональная зависимость частот вращения каждого из трех чувствительных элементов f, f и f от параметров задачи имеет следующий общий вид:
1
1
f1=F(Q, ν, ρ, gs, m, r)
2
2
f2=F(Q, ν, ρ, gs, m, r))
3
3
f3=F(Q, ν, ρ, gs, m, r))
1
2
3
1
2
3
где Q - объемный расход жидкости, ν - вязкость жидкости, ρ - плотность жидкости, геометрические параметры расходомера обозначены как gs, m, m, m - массы чувствительных элементов, r, r, r - характерные размеры чувствительных элементов (для шариков, например, это радиусы). В полученной системе трех уравнений неизвестными являются три величины: Q, gs, ν, ρ, поэтому данная система уравнений разрешима при проведении замеров на трех орбитах вращения чувствительных элементов.
Способ реализуется следующим образом.
Перед использованием расходомер калибруют в лабораторных условиях с целью получения зависимости расхода жидкости от частоты вращения каждого чувствительного элемента при различных вязкостях и плотностях испытуемой жидкости.
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
Далее выбирают математическую процедуру, позволяющую по двум частотам однозначно определить как расход, так и вязкость жидкости, либо по трем частотам - расход, вязкость и плотность жидкости. Эта процедура может быть реализована разными способами, например, с помощью построения прямых функциональных зависимостей Q=Q(f, f, f), ν=ν(f, f, f), ρ=ρ(f, f, f) по измеренным данным или с использованием технологии обучаемой нейросети с входными параметрами - f, f, f и выходными - Q, ν, ρ без построения явных зависимостей; возможны также любые другие численные алгоритмы пересчета частот вращения чувствительных элементов в расход жидкости.
В качестве примера покажем реализацию способа измерения расхода жидкости, плотность которой в процессе замеров не меняется, т.е. в случае, когда достаточно использовать два чувствительных элемента.
1
2
1
1
2
2
1
2
1
2
На стадии калибровки строим набор зависимостей расхода жидкости от частоты вращения каждого чувствительного элемента Q(f), Q(f) при различных вязкостях из предлагаемого диапазона. В качестве чувствительных элементов использованы феррорезиновые шарики радиусом r=3,25 мм с массой m=0,63 г и радиусом r=2,5 мм с массой m=0,23 г. На фиг.1 приведена часть линейных зависимостей Q=af+a, полученных при следующих значениях вязкости: 1-7 сСт; 2-48 сСт, 3-126 сСт, 4 -303 сСт, по которым определяют коэффициенты a и a для каждой экспериментально найденной линейной функции.
1
Необходимо отметить, что изменение размера и/или массы чувствительного элемента приводит к изменению наклона линейной функции Q(f), т.е. к изменению коэффициента a.
Значения коэффициентов вводят в контроллер устройства, обрабатывающего сигнал от расходомера, формируя таким образом исходное пространство возможных решений.
1
2
2,
2
1
1
1
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mn>1</mn><mo>*</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mrow><mn>1</mn><mtext> </mtext><mi>min</mi></mrow><mo>*</mo></msubsup></mrow>
После измерения частот вращения f и f двух чувствительных элементов для одной из измеренных частот вращения, например второго чувствительного элемента f определяют по полученным ранее зависимостям Q(f) набор расходов, каждый из которых соответствует своей вязкости (см. правую часть фиг.1). По данному набору расходов с использованием обратных линейных зависимостей для первого чуствительного элемента f(Q) находят соответствующий возможный набор частот вращения первого чувствительного элемента
для каждой измеренной вязкости (см. левую часть фиг.1). Из полученного набора частот выбирают частоту
, наиболее близкую по величине к реально измеренной f и по ней определяют ближайший расход Q'?? а также ближайшую вязкость, для которой получена зависимость Q(f). С учетом линейной связи между расходом и частотой, реальный расход жидкости Q вычисляют из уравнения
<mrow><mi>Q</mi><mo>=</mo><mi>Q</mi><mo>'</mo><mo>+</mo><mfrac><mrow><msub><mi>f</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msubsup><mi>f</mi><mrow><mn>1</mn><mtext> </mtext><mi>min</mi></mrow><mo>*</mo></msubsup></mrow><mrow><msubsup><mi>f</mi><mrow><mn>1</mn><mtext> </mtext><mi>min</mi></mrow><mo>*</mo></msubsup></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mi>Q</mi><mo>'</mo></mrow>
.
Таким образом, применение заявленного способа позволяет при определении объемного расхода жидкости по частотам вращения чувствительных элементов, отличающихся размером и/или массой, автоматически учитывать вязкость и плотность измеряемой жидкости.