ИЗМЕРИТЕЛЬ МАССЫ ЖИДКОСТИ, ТРАНСПОРТИРУЕМОЙ ПО НЕФТЕПРОВОДУ
METER OF FLUID MASS TRANSPORTED IN OIL PIPELINE

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерений массового расхода жидкостей, транспортируемой по нефтепроводу.
Известен способ [1] измерения расхода нефти и нефтепродуктов. В устройстве, реализующим этот способ, осуществляют встречную посылку по акустическому каналу непрерывных разночастотных колебаний, в одном направлении посылают колебания на двух симметричных составляющих основной частоты, а в другом направлении -колебания основной частоты, выделяют на выходе обоих направлений вторую гармонику основной частоты и определяют для них разность фаз, по которой судят о величине расхода, дополнительно посылают в другом направлении колебания вспомогательной частоты, выделяют на выходе обоих направлений вторую гармонику вспомогательной частоты и определяют для них разность фаз, по которой уточняют величину расхода.
Главным недостатком устройства, реализуемого по способу [1] является то, что здесь не учитываются два обстоятельства, снижающих точность измерения массы нефти: а) наличие одного измерительного акустического канала не позволяет получить информацию о средней скорости потока жидкости в поперечном сечении трубопровода (один канал дает информацию о средней скорости перемещения жидкости только вдоль линии прохождения зондирующего акустического сигнала), б) присутствие внешних воздействующих факторов, искажающих результаты измерения (флуктуации температуры, давления, плотности жидкости и др.).
Известно устройство для измерения массового расхода жидкости [2]. Здесь используют три акустических измерительных канала, размещаемых вдоль пути транспортировки нефти, вводятся поправки на флуктуации плотности и температуры жидкости. Основными недостатками устройства, снижающими точность измерения и область его применения, являются:
- для обеспечения возможности проведения измерительных процедур без контакта с транспортируемой жидкостью использован радиоактивный метод определения плотности жидкости, основанный на прохождении ионизирующего излучения через толщину трубопровода; при этом результат измерения помимо плотности жидкости содержит точно не определяемую часть плотности материала трубопровода;
- площадь поперечного сечения трубопровода определяют, используя внешний хомут и оперируя ультразвуковым толщиномером стенки трубопровода и штангенциркулем, температура которого как правило отличается от температуры транспортируемой жидкости. Это отличие температур, не учитываемое в [2], снижает точность измерения.
Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является устройство [3], УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ИМПУЛЬСНЫЙ РАСХОДОМЕР (патент РФ №2190191, МПК G01F 1/66, опубл. 2002.09.27), которое выбрано в качестве прототипа.
Известное устройство [3] содержит два акустических канала, состоящих из излучателя и приемника, направленных по потоку и против потока, импульсный генератор, соединенный с излучателем первого акустического канала, два усилителя, подключенных соответственно к приемникам, и нуль-орган, снабжено фазовым детектором, блоком перестройки частоты, элементом фазировки, ключом и измерительным блоком, причем излучатель второго акустического канала соединен с выходом импульсного генератора, к выходу второго усилителя последовательно подключены элемент фазировки, фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя, и блок перестройки частоты, выход которого связан со входом управления частотой импульсного генератора, к выходу фазового детектора последовательно подключены нуль-орган, ключ, второй вход которого соединен с выходом импульсного генератора, и измерительный блок
Прототип имеет недостатки, снижающие точность измерения расхода жидкости, состоящие в том, что при его разработке не учтено:
- присутствие внешних воздействующих факторов, искажающих результаты измерения (флуктуации давления, плотности и температуры жидкости, деформации - в том числе и неупругие - поперечного сечения трубопровода), не учитываемых при формировании электрического сигнала, соответствующего измеряемой массе нефти,
- при большой скорости транспортировки нефти фазовый сдвиг, который должен выделяться фазовым детектором, выходит в область нелинейной характеристики упомянутого фазового детектора, что обуславливает дополнительную погрешность измерения массы жидкости.
Технической задачей изобретения является повышение точности измерения массы жидкости, транспортируемой по трубопроводу.
Поставленная задача решается тем, что измеритель массы жидкости, транспортируемой по нефтепроводу, содержащий два комплекта из N обратимых электроакустических преобразователей (ЭАП), два комплекта из N таймеров, генератор и усилители высокочастотных электрических колебаний, с целью повышения точности измерения массы жидкости, транспортируемой по трубопроводу, снабжен пятью демультиплексорами, четыре из которых (первый, второй, третий и четвертый) - это дешифраторы «один из N», и пятый демультиплексор - это дешифратор «один из 2», четырьмя мультиплексорами, электронным ключом, дополнительным усилителем электрических высокочастотных колебаний, двумя микроЭВМ, измерителем плотности нефти, измерителем температуры нефти и измерителем давления нефти в трубопроводе.
Структурная схема предлагаемого устройства представлена на Фиг.1, его размещение на трубопроводе поясняется Фиг.2.
1
1
1
Устройство монтируется на участке трубопровода 1 и содержит два комплекта: 2 и 3 - каждый содержит N обратимых электроакустических преобразователей (ЭАП), пара 2 и 3 размещается на сечении трубопровода на угловом расстоянии ψ от
2
2
3
3
2
1
1
пары 2 и 3, пара 2 и 3 размещается на сечении трубопровода на угловом расстоянии ψ от пары 2 и 3 и т.д.; четыре демультиплексора (дешифраторы типа «один из N»): первый демультиплексор - это элемент 4 на Фиг.1, второй демультиплексор - это элемент 10 на Фиг.1, третий демультиплексор - это элемент 13 на Фиг.1, четвертый демультиплексор - это элемент 17 на Фиг.1; четыре мультиплексора (типа «N входов на 1 выход»): первый мультиплексор - это элемент 5 на Фиг.1, второй мультиплексор - это элемент 12 на Фиг.1, третий мультиплексор - это элемент 15 на Фиг.1, четвертый мультиплексор - это элемент 21 на Фиг.1; пятый демультиплексор 14 (дешифратор типа «один из 2»), первый 6 и второй 16 усилители высокочастотных (ВЧ) электрических колебаний, измеритель 7 плотности жидкости (например, изделие фирмы Mobrey модель «Солартрон» 78ХХ), измеритель 8 температуры жидкости (например, изделие фирмы «Fisher Rosemount»), измеритель 9 давления жидкости (например, изделие фирмы «Метран»); два комплекта 11 и 19, каждый из которых содержит N цифровых таймеров; электронный ключ 18, генератор 20 электрических ВЧ колебаний, две микроЭВМ 22 и 23.
Устройство работает следующим образом (см. также приведенные ниже алгоритмы работы микроЭВМ 22 и микроЭВМ 23).
1
1
1
1
1
1
0
1
1
1,1
1
1
1
1,1
1
1,1
1
1
1,1
1,1
При включении электрического питания управляющая микроЭВМ 23 обеспечивает подачу на вход ЭАП 2 ВЧ колебания от генератора 20. Зондирующие акустические волны, сформированные ЭАП 2, распространяются в транспортируемой жидкости в том числе и вдоль прямой линии OM, соединяющей ЭАП 2 и ЭАП 3. Виртуальная линия ОМ проведена под углом α к плоскости сечения трубопровода и имеет длину L. Напряжение ВЧ, приложенное к ЭАП 2 (первая положительная полуволна этого синусоидального напряжения), запускает таймер 11 (в комплекте 11), начинающий отсчитывать время t прохождения акустической волны вдоль OM. В это время ЭАП 3 находится в состоянии приема акустической волны; принятая акустическая волна преобразуется ЭАП 3 в электрический сигнал, который, проходя через устройства 5, 6 и 10, останавливает отсчет времени t таймером 11. Так формируется отрезок времени t, затрачиваемый акустической волной на прохождение расстояния от ЭАП 2 к ЭАП 3. С помощью мультиплексора 12 величина (электрический сигнал, соответствующий t) t направляется на вход «а» микроЭВМ 22 для размещения в соответствующей ячейке памяти этого устройства.
1,1
3
1
1
1,
1
2,1
Напряжение с выхода усилителя 6, подаваемое на вход «а» микроЭВМ 23, формирует с помощью 23 логическую единицу на выходе 9 микроЭВМ 23 в течение времени не более половины ожидаемого значения t. Логическая единица переводит ЭАП в режим передачи зондирующего акустического колебания. По окончании действия упомянутой логической единицы через интервал времени, необходимый для приема и обработки зондирующего акустического сигнала, с выхода 10 микроЭВМ 23 поступает логическая единица на управляющий вход ЭАП 2, переводящая это устройство в режим передачи зондирующего акустического сигнала. В это время ЭАП 3, переходит в режим приема акустического сигнала. Напряжение ВЧ, приложенное к ЭАП 3 первой положительной полуволной запускает таймер 19 (в комплекте 19), начинающий отсчитывать время t прохождения акустической волны против
1
1
2,1
1
2,1
1
1
2,1
линии ОМ. Принятая акустическая волна преобразуется ЭАП 2 в электрический сигнал, который, проходя через устройства 15, 16 и 17, останавливает отсчет времени t таймером 19. Так формируется отрезок времени t, затрачиваемый акустической волной на прохождение расстояния от ЭАП 3 к ЭАП 2. С помощью мультиплексора 21 величина t направляется на вход «е» микроЭВМ 22 для размещения в соответствующей ячейке памяти этого устройства.
2
2
1,2
2,2
Q
Q
1,1
2,1
С помощью микроЭВМ 23 ВЧ электрическое напряжение от генератора 20 направляется к паре ЭАП 2 и ЭАП 3 для измерения отрезков времени t и t и размещения их в памяти микроЭВМ 22, для этой цели логическая единица с выхода 2 микроЭВМ подается на управляющий вход ключа 18. МикроЭВМ 23 обеспечивает последовательное возбуждение всех пар ЭАП 2 и ЭАП 3, где Q=1, 2, …, N, и размещения результатов измерений t и t, i=1, 2, …, N в памяти микроЭВМ 22.
Далее вычисляются средние значения времени распространения акустической волны по и против направления транспортировки жидкости
1,cp
2,ср
1
Если t=t, тогда скорость V транспортировки жидкости = 0.
1,cp
2,cp
Если t<t, тогда жидкость транспортируется в направлении ОМ (см. Фиг.1). Информация по этому поводу может быть получена пользователем при выведении соответствующего сигнала на выход микроЭВМ 22.
1,ср
2,ср
Если t>t, тогда жидкость транспортируется в направлении МО и для дальнейшего изложения принципа работы заявляемого устройства проведем операции:
1,ср
A:=t
2,ср
B:=t
2,ср
t:=A
1,ср
t:=B.
1,ср
2,ср
Для t и t запишем очевидные соотношения
2
где V - скорость распространения акустической волны в жидкости,
0
1
L - длина отрезка OM.
1
2
Решая (1) и (2) относительно V и V, получаем
T
Значения плотности γ жидкости поставляет устройство 7, поэтому масса S жидкости (нефти), транспортируемой по трубопроводу в течение времени Т, составит
где L - диаметр кругового поперечного сечения трубопровода.
В формулу (5) вводится поправка в соответствии с температурой τ жидкости (измеряется устройством 8) и давлением Р в трубопроводе (измеряется устройством 9). Как известно, в соответствии с законом физики об упругих деформациях можно записать
P=k·ΔL,
где k - постоянная Гука для материала трубопровода,
ΔL - изменение длины окружности трубопровода под действием давления Р.
P
Поэтому поправка для L (соответствующее значение обозначим L), обусловленная действием только фактора Р, составит
H
где L - диаметр сечения трубопровода при Р=103 кПа и номинальной температуре (например, τ=293К).
При линейном представлении коэффициента λ термического расширения материала трубопровода его величина составит
λ=А+В·τ,
где А и В - константы для данного материала трубопровода.
Теперь (6) с учетом термической поправки
1P
(соответствующее значение обозначим L) запишем в виде
0
01
Поправка для L (соответствующее значение обозначим L) составит
1,Q
2,Q
T
Измеренные значения t или t, Q=1, 2, …, N обеспечивают также уточнение площади S, если периметр сечения:
- отличается от идеального круга,
- претерпевает изменения по причине деформаций (в том числе и неупругих) трубопровода, возникших в процессе его эксплуатации.
2,Q
2,Q+1
2,Q
2,Q+1
Если t<t, то характер деформации сечения трубопровода в месте размещения Q-той пары ЭАП имеет вид вмятины, иначе, при t>t - это выпуклая деформация. При линейной зависимости средней длины пробега акустической волны от ее среднего времени распространения в жидкой среде запишем
Q
1P Q
1P Q+1
где ΔL=L-L.
Q
1P Q
В соответствии с (9) вычислим ΔL затем получим L в виде
Q
2,Q
1P Q
Здесь отметим, что µ получаем по результатам измерений t. Выборку L, Q=1, 2, …, N, представляем непрерывной функцией L(ψ), где ψ иллюстрируется Фиг.2:
Q
здесь: коэффициенты A, Q=1, 2, …, N, вычисляют, решая систему линейных уравнений:
ТО
Зная L(ψ), вычислим уточненное значение (обозначим его как М) площади поперечного сечения трубопровода
TO
Теперь уточненное значение массы (обозначим эту величину как S) жидкости (нефти), транспортируемой по трубопроводу в течение времени Т, составит в соответствии с (5) и 12):
Теперь рассмотрим алгоритмы работы микроЭВМ 22 и 23.
Алгоритм работы микроЭВМ 22.
Q
H
1. В постоянную память вводятся константы: N, k, А, В; ψ, Q=1, 2, …, N; L, α. Подключены ко входам «в», «с», «d» выходы измерителей плотности, температуры и давления в трубопроводе.
2. В оперативную память вводится требующаяся величина Т.
1,Q
2,Q
3. Под управлением микроЭВМ 23 в оперативную память вводятся измеренные значения t и t, Q=1, 2, …, N.
1,ср
2,ср
4. По формулам (*) вычисляются t и t.
1P
01
1
5. По формуле (7) вычисляется L, затем по формуле (8) уточняется L и по (3) вычисляется V.
Q
6. По формуле (9) вычисляются µ, Q=1, 2, …, N.
ТО
7. С учетом (10) и (11) по (12) вычисляется М.
TO
8. По формуле (13) вычисляется масса S нефти, транспортируемой по трубопроводу за отрезок времени Т.
TO
9. После учета S пользователь обнуляет содержимое оперативной памяти.
10. На выход 2 подается логическая единица.
11. Переход на шаг 2.
Алгоритм работы микроЭВМ 23
1. Выполняется операция
Q:=1
2. В соответствии со значением Q ЭВМ 23 формирует сигналы, управляющие состоянием элементов 5, 10, 13, 14, 18:
- с выхода 2 сигнал включает ключ 18,
- с выхода 6 направляется сигнал, приводящий демультиплексор 14 в положение: выход ключа 18 соединен со входом демультиплексора 13,
- с выхода 3 сигнал, соответствующий адресу «Q», поступает на управляющие входы мультиплексора 5, демультиплексоров 10 и 13.
Q
Q
Q
Q
Q
Q
При этом разрешается подача высокочастотного (ВЧ) электрического напряжения от генератора 20 на обратимый электроакустический преобразователь (ЭАП) 2 (в комплекте 2 из N ЭАП). Напряжение, поступившее на вход ЭАП 2, включает таймер 11 (в комплекте из N таймеров). Мультиплексор 5 обеспечивает электрическое соединение выхода ЭАП 3 (в комплекте 3 из N ЭАП) со входом усилителя 6. Демультиплексор 10 обеспечивает подачу ВЧ сигнала, воспринимаемого ЭАП 3, на вход таймера 11 для прекращения отсчета времени.
3. ВЧ напряжение с выхода усилителя 6 поступает на первый («а») вход микроЭВМ 23 при этом формируется управляющий сигнал для выполнения:
Q
- с выхода 5 микроЭВМ 23 сигнал, соответствующий адресу «Q», поступает на управляющий вход мультиплексора 12 и результат работы таймера 11 поступает на первый («а») вход микроЭВМ 22 для размещения его в соответствующей ячейке оперативной памяти,
- разрешения подключить:
Q
Q
Q
- вход ЭАП 3 к генератору 20 через устройства 18, 14 и 4; при этом сигнал со входа ЭАП 3 запускает отсчет времени таймером 19,
Q
- выход 2 ко входу усилителя 16 с помощью мультиплексора 15 (для этой цели с выхода 8 микроЭВМ 23 сигнал, соответствующий адресу «Q», поступает на управляющий вход мультиплексора 15),
Q
- выход усилителя 16 с помощью демультиплексора 17 на вход таймера 19 для завершения отсчета времени.
Q
4. С выхода 1 микроЭВМ 23 сигнал, соответствующий адресу «Q», поступает на управляющий вход мультиплексора 21 и результат работы таймера 19 поступает на пятый («е») вход микроЭВМ 22 для размещения его в соответствующей ячейке оперативной памяти.
5. Сигнал, поступающий на вход «е» микроЭВМ 22, воздействует на вход «d» микроЭВМ 23 для обеспечения выполнения операции
Q:=Q+1
Если Q≤N, тогда перейти к шагу 2.
6. На выход 2 выводится сигнал, отключающий ключ 18.
7. По завершении расчетных процедур, выполняемых микроЭВМ 22 (см. алгоритм работы микроЭВМ 22), на выходе 2 этой ЭВМ появляется сигнал = 1 (логическая единица). Этот сигнал обнуляет счетчики 11 и 19, а также вследствие соединения выхода 2 (микроЭВМ 22) и входа «d» микроЭВМ 23 обуславливает переход к шагу 1.
Источники информации
1. Патент №2190834 РФ, МПК G01F 1/66, опубл. 2002.10.10.
2. Патент №2157976 РФ, МПК G01F 1/76, опубл. 2000.10.20.
3. Патент №2190191 РФ, МПК G01F 1/66, опубл. 2002.09.27.