УСТРОЙСТВО ПОВЕРКИ РАСХОДОМЕРОВ ЖИДКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ

Полезная модель относится к средствам поверки расходомеров жидких углеводородов.
Из уровня техники известно решение на устройство и способ для точного измерения расхода текучей среды через цилиндрический компонент, такой как проточная труба, с помощью которого измеряется малый объем пробы (WO2013043523, опубл.: 28.03.2013). Цилиндр и поршень можно устанавливают с расположением клапана так, чтобы позволить жидкость пройти через кольцевой канал, когда поршень перемещается от одного положения к противоположному положению. Используют акселерометр на поршне для непрерывного обнаружения скорости перемещения поршня в трубе. Объемный расход потока автоматически высчитывают путем умножения скорости по отношению к зоне движения поршня.
Также известно устройство для поверки расходомеров жидких углеводородов по патенту US8950235 (опубл.: 10.02.2015). В нем поршень сконфигурирован с клапанным устройством, расположенным внутри цилиндрического объекта, чтобы позволить жидкости проходить через кольцевой канал, когда поршень перемещается из положения ниже по потоку в положение выше по потоку. Входное и выходное отверстия могут быть расположены в нижней части цилиндра. Выходное отверстие может быть сварено в нижней части отверстия цилиндра, чтобы посторонний материал мог вытекать непосредственно через выходное отверстие.
Известно устройство для поверки расходомеров жидких углеводородов компании https://www.flowmd.com/. Отличительные особенности этого устройства состоят в использовании ремня, а не цепи для движения поршня. Специально разработанный встроенный оптический сенсор положения поршня, имеется встроенный хронометр времени перемещения поршня.
Известно устройство компании Daniel Компакт-прувер [https://danmeter.nt-rt.ru/images/showcase/catalog_prover.pdf] для поверки расходомеров жидких углеводородов.
Компакт-прувер используется для быстрой и точной поверки и калибровки приборов измерения расхода самых разных принципов действия. Диапазон применения простирается от наливных эстакад, нефтепроводов транспортировки сырой нефти и нефтепродуктов до морских терминалов и плавучих нефтедобывающих платформ. Компакт-прувер Daniel может использоваться в любых применениях, где имеется безусловная необходимость поверки и калибровки расходомеров с целью минимизации погрешности при измерении расхода.
Упрощение измерений в полевых условиях Компакт-прувер Daniel основан на принципе вытеснения объема жидкости. По терминологии API “Все типы пруверов с вытеснением жидкости основаны на принципе последовательного прохождения известного объема жидкости через калиброванную часть мерного цилиндра между двух датчиков”. В компакт-прувере используется поршень, проходящий через калиброванную секцию, содержащую известный объем жидкости. Одновременно, установленный последовательно расходомер измеряет объем проходящей жидкости.
За счет использования алгоритма импульсной интерполяции выполнение процедуры поверки расходомера может быть выполнено менее чем за 10 000 импульсов на проход. Это позволяет получить надежные результаты с меньшим объемом калиброванной секции.
Конструкция компакт-прувера позволяет создать быструю автоматическую систему для поверки расходомеров турбинного типа, вихревых, камерного типа, электромагнитных, кориолисовых, а также ультразвуковых жидкостных расходомеров.
Данный компакт-прувер дает существенные преимущества при выполнении операций, связанных с поверкой расходомеров в части меньшей неопределенности калибруемого объема по сравнению с обычными шаровыми пруверами.
Прувер состоит из мерной трубы, внутри которой находится плавающий поршень с расположенным соосно тарельчатым клапаном. Тарельчатый клапан находится внутри поршня прувера и соединяется через вал привода с узлом привода поршня. На поршень действует усилие гидравлической системы, и давление, задаваемое пневматической пружиной.
При выполнении цикла измерения тарельчатый клапан закрывается, и протекающий поток перемещает поршень на величину калиброванного объема. В случае пульсирующего потока или изменяющегося обратного давления важно обеспечить закрытое состояние тарельчатого клапана в течение цикла измерения. В компакт-прувере для обеспечения закрытия тарельчатого клапана используется пневматическая пружинная система, заполненная азотом. Данная система гарантированно функционирует в условиях присутствия значительных пульсаций.
Гидравлическая система открывает тарельчатый клапан, возвращает поршень в начальное положение и удерживает клапан открытым, в начальном положении. Нормальный поток жидкости проходит через открытый клапан.
Калиброванный объем цилиндра определяется съемными оптическими датчиками, воспроизводимость измерения которых равна ±0,0003 дюйма (0,0076 мм). Такое крайне высокое разрешение достигается за счет использования прецизионных компонентов и специальных материалов. Используются три датчика: один для определения начального положения поршня и два для определения вытесняемого объема в системе. Данные сигналы используются для управления таймерами в электронном блоке прувера.
Кроме того, компакт-прувер является единственным прувером на рынке, который минимизирует влияние температуры окружающей среды на объем в результате использования стержней из инвара. Инвар представляет собой материал, имеющий крайне низкий коэффициент теплового расширения (0,0000008 дюйма/дюйм/°F, 0,000001 мм/мм/°С). Два таких стержня используются для поддержания расстояния между датчиками объема, минимизируя, таким образом, воздействие температуры на оптическую систему.
Когда поршень расположен в начальном положении с открытым тарельчатым клапаном, прувер находится в ждущем режиме. Ждущий режим создается и поддерживается путем подачи гидравлического давления к верхней стороне поршня привода.
В конце цикла измерения срабатывает последний датчик, сигнализирующий о завершении цикла, и гидравлическая система втягивает поршень. В процессе втягивания тарельчатый клапан открыт, позволяя потоку проходить через прувер. Когда поршень полностью втянут, он остается в начальном положении, активизируется ждущий режим и система готова к следующему циклу измерения.
Инициализация начала поверки вызывает уменьшение гидравлического давления в систему привода, а избыточное пневматическое давление пружины превышает силу трения уплотнения в подшипнике, позволяя закрыться тарельчатому клапану.
Закрытый узел поршня будет синхронно перемещаться с непрерывным потоком через прувер. Система с избыточным давлением азота обеспечивает закрытое состояние тарельчатого клапана в процессе цикла поверки. Как только узел поршня начнет перемещаться, срабатывает первый датчик объема, сигнализируя о начале цикла измерения и отсчета импульсов поверяемым расходомером.
В ходе двойного хронометрирования с использованием импульсной интерполяции используется высокочастотный генератор, который обеспечивает временные приращения величиной 0,000001 секунды. Данный генератор управляет двумя счетчиками - А и В. Счетчик А запускается, когда флажок активизирует второй датчик.
Счетчик В запускается по переднему фронту первого импульса расходомера после запуска счетчика А. Счетчик А останавливается, когда флажок активизирует последний – третий датчик. Счетчик В останавливается по переднему фронту первого импульса расходомера после останова счетчика А. Соотношение числа импульсов, подсчитанных счетчиками А и В, позволяет оценить количество импульсов, подсчитанных расходомером.
Обычно в компакт-прувере используются три датчика – один для определения начального положения (или режим “готовности к измерению”) небольшого участка перед вторым датчиком, который сигнализирует о начале перемещения калиброванного объема, а третий датчик сигнализирует о завершении вытеснения калиброванного объема. Фирма Daniel может поставлять компактный прувер с четырьмя оптическими датчиками, что позволяет использовать два калиброванных объема. Данная опция позволяет осуществлять более быстрые поверки расходомеров небольшого диаметра (например, 24-дюймовый компактный прувер может идеально подойти для поверки и 10-дюймового, и 3-дюймового расходомера турбинного типа.
Время, требуемое для поверки 3-дюймового расходомера, может быть значительно сокращено за счет использования прувера в конфигурации с двойным объемом.
Наиболее близким аналогом является устройство для поверки расходомеров жидких углеводородов по патенту US8826717 (опубл.: 09.09.2014.). Прибор включает цилиндр и поршень, установленный с расположением клапана для того чтобы позволить жидкость пройти через кольцевой канал, когда поршень перемещается от одного положения к противоположному положению. Датчик положения и пару оптически детекторов шлица можно интегрировать в ассоциации с поршнем для непрерывного слежения за точным положением и ходом поршня. Датчик положения проверяет оптически детекторы шлица на каждом этапе цикла. Датчик положения также проверяет правильное возвращение поршня после хода подачи. Решение по прототипу используют для поверки расходомеров жидких углеводородов.
Техническими проблемами известных решений двунаправленного или однонаправленного прувера, где за один прогон шара можно отобрать только один калиброванный объем (или два, если используются парные детекторы положения шара в начале и в конце прогона).
У применяемых на трубопоршневых поверочных установках разрешающая способность и повторяемость датчиков положения поршня низкая, что обеспечивает не достаточно точные показания.
Задачей полезной модели является устранение вышеуказанных технических проблем.
Техническим результатом является возможность повысить точность поверки расходомера и ускорить процесс поверки.
Указанный технический результат достигается за счет того, что заявлено устройство для поверки расходомеров жидких углеводородов, содержащее цилиндрическую емкость с входным и выходным патрубком, внутри которого размещен поршень со свободным ходом, выполненный с возможностью перемещения от одного положения к противоположному с возможностью фиксации указанных положений датчиками, отличающийся тем, что внутри калиброванного объема цилиндрической емкости размещен вал с оптическими сенсорами, причем поршень установлен на валу с возможностью свободного движения вдоль него, а внутри поршня установлен оптический сенсор.
Предпочтительно, перемещение поршня вдоль вала выполнено в пределах между ограничителями, на которых закреплен вал.
Предпочтительно, цилиндрическая емкость своим входом и выходом соединена с ответвлениями в серединной части закольцованного канала, который в нижней и верхней точках имеет ответвления потоков, причем вход одного ответвления канала и выход другого ответвления соединены с общим каналом трубопровода или расходомера.
Краткое описание чертежей.
На фиг.1 показана блок-схема устройства в нерабочем состоянии на начальном этапе поверки (все вентили закрыты).
На фиг.2 показан стартовый этап заполнения жидкостью.
На фиг.3-6 показаны различные этапы работы устройства в цикле.
На фиг.7 показан пример выполнения цилиндрической камеры с крестовыми ограничителями хода поршня.
На фиг.8 показан пример выполнения цилиндрической камеры с кольцевыми ограничителями хода поршня.
На чертежах: 1 - цилиндрическая камера, 2 - поршень, 3 - сенсорная шина, 4 - ограничители, 5 - вход в цилиндрическую камеру, 6 - выход в цилиндрическую камеру, 7 - вход в систему каналов, 8 - выход из системы каналов, 9, 10, 11, 12, 13, 14 - задвижки, 15, 16, 17, 18 - участки каналов системы, 19 - крестовины ограничителя, 20 - оптические сенсоры шины, 21 - оптический сенсор внутри поршня, 22 - кольцевой ограничитель, 23 - спицы-распорки.
Осуществление полезной модели
Указанный технический результат достигается за счет того, что:
удается набрать множественное количество пар соответствий положения поршня (калиброванного объема) и показателя сигнала расходомера (поверяемого объема), за каждый проход поршня по оптической шине - то есть возможность за один проход генерировать множество объемов;
разрешающая способность оптических датчиков в данном изобретении выше, чем датчиков положения поршня в известных решениях;
удается обеспечить возможность синхронизации сигналов от поршня прувера и поверяемого преобразователя расхода по времени.
В целом, из общего калиброванного объема можно «нарезать» множественное количество «под-объёмов», которым будет соответствовать множественное количество «под-выборок» сигналов поверяемого преобразователя расхода. Кроме того, размер устройства поверки расходомеров жидких углеводородов (далее - прувера) и время поверки, количество прогонов, гораздо меньше, чем при стандартных методах.
Таким образом, все эти отличительные особенности заявленного изобретения позволяют в целом повысить точность поверки расходомера и ускорить сам процесс поверки.
Сущность поверки основана на том, что внутри калиброванного объема цилиндрической камеры 1 (см. Фиг.1) прувера располагается шина 3 с оптическими сенсорами. Поршень 2 движется вдоль оптической шины 3, вследствие чего его положение в каждый момент времени, а, следовательно, и объем калиброванного участка 1 от ограничителей 4, расположенных на краях прувера, изменяется непрерывно. Этот объем может быть определен по положению ответной части оптического сенсора 21, расположенного внутри поршня 2 на поверхности, являющейся ответной к датчикам 20, расположенным на оптической шине 3. Этот объем  соответствует объему жидкости, проходящей через калибруемый (поверяемый) преобразователь расхода в ту же единицу времени. Синхронизируется по времени сигнал от сенсора 20 положения на оптической шине 3 с показателями сенсора расходомера. За счет этого, меняя промежуток времени (увеличивая его либо уменьшая) можно набрать  множественное количество пар соответствий положения поршня 2, т.е. калиброванного объема, и показателя сигнала расходомера, т.е. поверяемого объема, за каждый проход поршня 2 по оптической шине 3: один проход генерирует множество объемов. Это принципиально отличается от двунаправленного или однонаправленного прувера, где за один прогон шара можно отобрать только один калиброванный объем (или два, если используются парные детекторы положения шара в начале и в конце прогона).
У применяемых на трубопоршневых поверочных установках разрешающая способность и повторяемость сенсоров 20 на оптической шине 3 для фиксации положения поршня 2 значительно ниже, чем у оптических в данной полезной модели.
Обеспечение вышеописанного способа работы прувера удается достичь, например, путем применения закольцованной системы каналов, внутри которой размещают, цилиндрическую емкость ее входом 5 и выходом 6. Эти вход 5 и выход 6 соединяют с ответвлениями в серединной части закольцованного канала между участками 16, 18 и 15, 17, соответственно. Система каналов в нижней и верхней точках имеет ответвления потоков 7 и 8, соответственно, причем вход 7 одного ответвления канала и выход 8 другого ответвления должны быть соединены с общим каналом трубопровода или расходомера.
Движение поршня 2 обеспечивают подачей продукта на вход канала 7 и поочередным перекрытием и открытием участков 15, 16, 17, 18 канала так, чтобы поток продукта свободно шел сначала в одну часть канала, расположенную по одну сторону от входа в канал, и далее через цилиндрическую емкость 1 проходил через ту часть канала, что расположена по другую сторону от соединения канала с цилиндрической емкостью 1, и идущая на выход из канала. Затем, после смещения положения поршня 2 меняют потоки симметрично так, чтобы продукт толкал поршень 2 в противоположном направлении, после чего цикл повторяют.
Процесс поверки заключается в следующем.
Этап 1. Начало поверки (см. фиг.1). Все краны закрыты. Емкость прувера пустая. Поршень 2 в свободном положении. Поршень 2 может свободно перемещаться по горизонтальному направляющему валу - оптической шине 3 влево и вправо, но не допуская протечки жидкости между кромкой поршня 2 и стенками емкости прувера. Вал (оптическая шина 3) зафиксирован внутри емкости (зеленые вертикальные) неподвижными ограничителями 4, в качестве которых могут быть использованы, например, крестовины (см. фиг.7) 19 или кольцевые фиксаторы 22 с центральным ободом и спицами-распорками 23 (см. фиг.8).
Этап 2.
Стартовая юстировка (см. фиг.2). Все задвижки 9, 10, 11, 13, 14 открыты, закрыта только задвижка 12. Прувер заполняется жидкостью. После полного заполнения системы положение поршня 2 фиксируется датчиками положения 21, расположенными в центре поршня 2, которые являются ответными сенсорами 20, расположенным по длине оптической шины 3, отмечая границу между левым и правым объемом.
Этап 3.
Процесс поверки (см. фиг.3). Задвижки 9, 10, 11, 14 открыты, задвижки 12, 13 закрываются. Под действием напора жидкости по направлению 7 - 15, объем жидкости в левом объеме увеличивается, толкая поршень 2 вправо, жидкость из правого объема вытесняется и выходит из системы по маршруту 18 - 8.
Этап 4
Поршень 2 (см. фиг.4) достиг крайнего правого положения. После чего задвижки 11, 14 закрывают, а задвижки 12, 13 – открывают, как показано на фиг.5. Направление жидкости внутри объема изменяется на противоположное, двигая поршень 2 влево и вытесняя жидкость из левого объема через давление вдоль канала по направлению 7 - 15.
Этап 5.
Под действием напора жидкости по направлению 7 - 16 поршень 2 (см. фиг.6) достигает крайнего левого положения. Цикл закончен.
Начинается новый цикл, путем повторения с этапа 3.
Циклы повторяются столько раз, сколько требуется для поверки расходомера.