Способ измерения массы одного из компонентов двухкомпонентного вещества с коррекцией по температуре и устройство для его реализации
METHOD FOR MEASURING MASS OF ONE OF COMPONENTS OF A TWO-COMPONENT SUBSTANCE WITH TEMPERATURE CORRECTION AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Настоящее изобретение относится к измерению массы одного вещества в составе с другим веществом.
Данное техническое решение может быть использовано в различных отраслях промышленности, где необходимо измерять массу одного из компонентов двухкомпонентного технологического продукта.
В частности данное изобретение может быть использовано в оперативном контроле добычи нефти непосредственно на нефтяной скважине по результатам контроля скважинной жидкости с помощью данного устройства, что позволит оперативно оценивать эффективность работы данной скважины в реальном масштабе времени.
Известны многофазные массовые расходомеры (патенты РФ №2406977, №2460973 и №2339007), использующие силы Кориолиса в колеблющихся трубках, в которых проходит поток контролируемой многофазной среды.
Недостатком указанных устройств является ограничение по содержанию газа в контролируемой многофазной среде.
Наиболее близким, принятым за прототип, является устройство измерения массового расхода газожидкостной среды (патент РФ №2178871), содержащий датчик объемного расхода газожидкостной среды, датчик плотности смеси, вычислительные устройства (умножители, делители, вычитающие устройства, блок задания константы, ПЗУ) и индикатор.
Недостатком указанного прототипа является зависимость точности измерений от структуры потока и, в частности, от вида и степени присутствия газового компонента.
Кроме того, такое устройство сложное из-за применения радиационного датчика плотности с источником ионизирующего излучения и стоимость его очень высока.
Задачей настоящего изобретения является повышение точности измерения массы одного компонента в двухкомпонентном веществе, транспортируемом по трубопроводу.
На фигуре представлено предлагаемое устройство, где:
1. Трубопровод с потоком контролируемого вещества.
2. Датчик скорости потока.
3. Элемент сопротивления потоку.
4. Пьезодатчик.
5. Вычислительное устройство.
6. Индикатор.
7. Датчик температуры.
Предлагаемый способ и устройство для измерения массы вещества работает следующим образом.
Поток контролируемого вещества в трубопроводе 1 воздействует на датчик скорости потока 2, например, турбинный расходомер. Выходной сигнал с датчика скорости потока 2, пропорциональный скорости потока U, поступает на первый вход вычислительного устройства 5. Далее поток по трубопроводу воздействует на элемент сопротивления потоку 3, который жестко связан с пьезодатчиком 4. Под действием потока элемент сопротивления потоку 3 заставляет деформироваться пьезодатчик 4, сигнал с которого поступает на второй вход вычислительного устройства 5. Сигнал с датчика температуры 7, отражающий текущую температуру контролируемого вещества, поступает на третий вход вычислительного устройства.
Таким образом, из-за действия силы F на элемент сопротивления 3, а в конечном счете и на пьезодатчик 4, с последнего будет поступать сигнал F=κма=κмU/Δt,
где κ - коэффициент, который определяется конструктивными параметрами элемента сопротивления 3 и пьезодатчика 4;
м - часть массы вещества потока, которая воздействует на элемент сопротивления 3 за промежуток времени Δt;
а - ускорение;
U - скорость потока.
Пользуясь последней формулой, определим общую массу М вещества, проходящего по всему поперечному сечению S трубопровода за время Т:
где K - градуировочный коэффициент устройства, который определяется при его аттестации на расходомерном стенде.
х
у
Для случая, когда измеряется двухкомпонентное вещество с плотностями ρи ρ компонентов «х» и «у», запишем массу этого вещества в виде:
х
x
у
y
М=ρV+ρV,
x
y
x
y
x
здесь V и V - объемы компонентов «х» и «у» в общем объеме V=V+V. Для определения, например, V с учетом последнего выражения запишем
x
x
y
x
y
М=ρV-ρV+ρV,
x
х
у
у
х
у
откуда V=М/(ρ-ρ)-ρV/(ρ-ρ),
учитывая, что V=USΔt и М=(KF/U)Δt, объем компонента «х», поступивший по трубопроводу за время Т определится как
x
x
у
T
y
V=1/(ρ-ρ)∫(КF/U-ρSU)dt,
а масса компонента «х», поступившая по трубопроводу за время Т, выразится в виде
х
у
x
y
В предлагаемом техническом решении в формуле (2) вместо постоянных значений плотностей ρ и ρ вводятся функции зависимости этих плотностей от текущей температуры контролируемого вещества ρ(t°) и ρ(t°).
х
x
x
y
T
y
М=ρ(t°)/(ρ(t°)-ρ(t°))∫(КF/U-ρ(t°)SU)dt.
Эти зависимости определяются либо по известным физическим данным компонентов контролируемого вещества, либо по результатам лабораторных замеров плотностей компонентов при различных реально возможных температурах конкретных технологических процессов и вводятся в вычислительное устройство, например в виде таблиц, представляющих значения р при различных температурах.
x
y
Что касается измерения массы нефти, поступающей из нефтяной скважины, то периодически из каждой скважины берут пробы скважинной жидкости для анализа ее в лаборатории. Учитывая, что параметры скважинной жидкости на каждой скважине практически изменяются не так часто, представляется возможным периодически контролировать функции ρ(t°) и ρ(t°) в лаборатории и тем самым вести оперативный учет добычи нефти непосредственно на скважине, т.е. постоянно контролировать эффективность работы каждой скважины, чего в настоящее время нет.
Другие примеры применения предлагаемого технического решения - это различные водные примеси с твердыми веществами, такие как смесь воды и извести (известковое молоко), цементные водные растворы, глиняные водные смеси, а также такие смеси, как «газ + жидкость» или «газ + твердое вещество» и множество других двухкомпонентных веществ, используемых в промышленности, где необходимо контролировать расход одного из компонентов двухкомпонентных веществ.
Предлагаемые способ и устройство измерения массы вещества в трубопроводе фактически аналогичен измерению массы вещества с помощью тензодатчика в статике, нашедшему в настоящее время широкое применение в повседневной практике. В предлагаемом решении измерение массы вещества производится также с помощью тензодатчика, но в динамике, т.е. непосредственно в потоке вещества в трубопроводе. Для этого дополнительно вводится измерение скорости потока.
Помимо этого, данное предложение позволяет измерять массу одного из компонентов контролируемого двухкомпонентного вещества непосредственно в динамике в действующем трубопроводе.
Предлагаемое изобретение может найти широкое применение в самых различных отраслях промышленности, где необходимо контролировать массу или объем одного из компонентов двухкомпонентных вещества, не измеряемых или трудно измеряемых существующими средствами.