ИЗМЕРИТЕЛЬ МОМЕНТАЛЬНОГО РАСХОДА
MOMENTARY DISCHARGE MEASURING DEVICE

Изобретение относится к устройствам для измерения моментального расхода жидкости и может быть использовано, в том числе, в нефтяной промышленности, например, для контроля режима обработки скважин при подземном и капитальном ремонте, для замера дебита добывающей скважины или приемистости нагнетательной скважины, при транспортировании продукции скважин и т.д.
Прототипом заявляемого устройства является поплавково-пружинный расходомер с горизонтальным ходом поплавка [1], в котором подвижная система, состоящая из диафрагмы и магнитной втулки вместе с охватывающей их обоймой, перемещается горизонтально и при этом сжимает пружину. Подвижная система движется внутри немагнитной трубки, снаружи которой находится индуктивная катушка.
Недостатком устройства-прототипа является недостаточная эффективность, обусловленная наличием порога чувствительности, определяемого диаметром отверстия в диафрагме, и нелинейным характером зависимости снимаемых показаний от расхода. Устройство недостаточно точное не только из-за наличия порога чувствительности, но также из-за имеющего место размывания отверстия диафрагмы технологическими жидкостями. Кроме того, при увеличении расхода имеет место прогрессирующая потеря давления на диафрагме, что обуславливает потери давления в устройстве и способствует более интенсивному износу диафрагмы за счет необходимого увеличения давления перекачки. Устройство недостаточно технологично в эксплуатации, так как требует применения набора диафрагм с различными отверстиями для разных диапазонов расходов и для жидкостей с различающимися вязкостями; при этом для замены диафрагмы требуется полный демонтаж устройства.
Существенным недостатком устройства-прототипа является обязательная тарировка пружины и наличие специального стенда для тарировки устройства в целом, причем для каждого данного типа жидкости и при конкретной температуре. Необходимость тарировки пружины обусловлена тем, что изменение ее характеристики ведет к искажению результата. В заявляемом устройстве изменение характеристики пружины не сказывается на достоверности результата измерения, поскольку линейная характеристика устройства дает возможность оперативно оцифровать шкалу путем получения одной точки замера расхода для данного типа жидкости при данной температуре, вторая точка - нулевая, соответствующая первоначальному положению поршня при нулевом расходе. Операция оцифровки шкалы производится непосредственно перед технологическим процессом, и пружина остается пригодной и не ухудшает достоверность измерений до тех пор, пока возвращает поршень в исходное положение.
Решаемая задача и ожидаемый технический результат заключаются в создании высокоэффективного и высокоточного измерителя моментального расхода, практически не имеющего порога чувствительности и обладающего линейным характером зависимости снимаемых показаний от расхода. Практически отсутствуют потери давления, так как по мере увеличения расхода перемещением поршня открывается дополнительная площадь проходного сечения для перекачиваемой среды. Изменение характеристики пружины не сказывается на достоверности результата измерения. Затраты на обслуживание и ремонт минимальны.
Поставленная задача решается тем, что измеритель моментального расхода, включающий рабочий цилиндр с перемещающимся внутри него элементом, воздействующим на пружину, узел регистрации положения перемещающегося внутри цилиндра элемента, отличается тем, что перемещающийся внутри цилиндра элемент представляет собой поршень, а рабочий цилиндр имеет по своей образующей щели, измеритель моментального расхода имеет корпус, являющийся участком трубопровода, причем пружина расположена в корпусе или выведена за него. При выведении пружины за корпус поршень оснащен сквозным относительно корпуса штоком.
Опытным путем установлено, что заявляемая совокупность признаков устройства обеспечивает линейный характер зависимости положения поршня от расхода перекачиваемой жидкости, и при этом обязательной точкой всегда является нулевая, соответствующая первоначальному положению поршня при нулевом расходе, независимо ни от вязкости перекачиваемой жидкости, ни от характеристики пружины. Заявляемое устройство, таким образом, практически не имеет порога чувствительности: при любом, даже минимальном расходе жидкости, смещение поршня регистрируется.
Заявляемое устройство представлено на фиг.1 и 2. Здесь:
1 - рабочий цилиндр
2 - щели рабочего цилиндра
3 - поршень
4 - пружина
5 - корпус
6 - сквозной относительно корпуса шток
7 - узел регистрации положения перемещающегося поршня.
Стрелками на фиг.1 и 2 обозначено направление движения перекачиваемой жидкости.
На фиг.1 узлом регистрации положения перемещающегося поршня являются стрелка, жестко закрепленная на сквозном штоке, и линейная шкала.
В качестве узла регистрации положения поршня могут быть также использованы, например, пара магнитов, один из которых жестко связан с поршнем, взаимодействующих через немагнитный корпус устройства и перемещаемых вдоль линейной шкалы; или жестко связанная с поршнем метка, видимая через смотровое окно со шкалой в корпусе.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
При движении жидкости по трубопроводу ее поток воздействует на поршень и перемещает его по сквозному рабочему цилиндру. При этом вскрывается часть проходного сечения щелей рабочего цилиндра соответственно расходу жидкости, в результате чего поршень занимает устойчивое положение при противодействии ему пружины. Устойчивое положение поршня обусловлено наличием обратной связи давления жидкости на входе в рабочий цилиндр с давлением жидкости на выходе из рабочего цилиндра через поршень. Разность создаваемых указанными давлениями усилий на поршень уравновешивает пружина. Жестко связанный с поршнем узел регистрации его положения на линейной шкале показывает точку, соответствующую установившемуся расходу жидкости.
3
Оперативная тарировка устройства перед началом обслуживаемого технологического процесса проводится следующим образом. Фиксированный объем жидкости, например, 1 м, при любой постоянной подаче прокачивают через устройство и замеряют при этом время прокачки. Полученную точку расхода на линейной шкале отмечают; вторая точка - нулевая, соответствующая первоначальному положению поршня при нулевом расходе. Таким образом, оперативно получают оцифрованную в размерности моментального расхода линейную шкалу на данный момент для данного типа жидкости при данной температуре. Операция оцифровки шкалы производится непосредственно перед технологическим процессом, и пружина остается пригодной и не ухудшает достоверность измерений до тех пор, пока возвращает поршень в исходное положение. Замена пружины потребуется лишь тогда, когда при очередной оцифровке при нулевом расходе узел регистрации положения поршня не покажет нулевую отметку.
Заявляемое техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень», так как ни одно из устройств, содержащих отличительные признаки заявляемого, не обеспечивает технического результата, достигаемого заявляемым.
Авторам известны поршневые расходомеры [2], в которых использован поршень, установленный в рабочем цилиндре, по образующей которого выполнены одно или более окон (щелей). Однако в данных устройствах, в отличие от заявляемого, транспортируемая среда воздействует на поршень лишь снизу, а над поршнем присутствует сжатый газ, давление которого на выходе из сопла является мерой расхода. На состояние сжатого газа оказывает существенное влияние температурный фактор. Для измерения различных расходов данными устройствами требуется замена массы грузов, соответственно, устройства работоспособны лишь в вертикальном положении. В целом устройства неудобны в обслуживании.
Известен авторам также поршневой расходомер [3], в котором протекающая через расходомер жидкость поступает под поршень, установленный перпендикулярно вектору течения жидкости, и поднимает его; при этом открывается в большей или меньшей степени отверстие диафрагмы; жидкость, протекающая через диафрагму, одновременно заполняет также пространство над поршнем. Поршень с помощью штока соединен с сердечником передающего преобразователя для регистрации положения перемещающегося поршня. Груз над поршнем, тем не менее, присутствует, как и в устройстве [2]. Зона жидкости (перекачиваемой среды) над поршнем является застойной зоной, что ведет к выпадению в ней в осадок мехпримесей перекачиваемой среды и увеличению массы поршня; последнее обуславливает непредсказуемость характера отклонений снимаемых показателей от реальных расходов. Кроме того, устройство работоспособно только при плюсовых температурах, так как жидкость в застойной зоне при минусовых температурах загустевает или замерзает, что выводит устройство из строя. Заявляемое устройство полностью проточное для перекачиваемой жидкости и не имеет застойных зон.
Несмотря на линейный характер зависимости перемещения поршня от расхода жидкости, положение поршня в [3] регистрируется по косвенным параметрам (по нелинейному изменению индуктивности) и, следовательно, недостаточно корректно. Тарировка устройства сложна. В заявляемом устройстве при том, что положение поршня регистрируется прямым способом (визуально), проста и тарировка устройства, ее несложно осуществлять перед каждым технологическим процессом: достаточно получение одной точки значения расхода и положения поршня соответственно, вторая точка - нулевая, соответствующая первоначальному положению поршня при нулевом расходе.
В устройствах [2 и 3] отклонение положения цилиндра с поршнем от вертикального приводит к искажению показаний расходов. В заявляемом устройстве отклонение положения поршня от вертикального значения не имеет.
Все три проанализированных устройства [1-3] нуждаются в специальной тарировке для каждой жидкости, отличающейся по вязкости, в то время как заявляемое устройство требует определения лишь одной точки положения поршня, соответствующей одному значению расхода для построения рабочей линейной характеристики, так как вторая точка - нулевая, соответствующая первоначальному положению поршня при нулевом расходе.
Исследование модели заявляемого устройства.
Поршень в цилиндре диаметром 40 мм; цилиндр имеет четыре щели шириной 1 мм; пружина свободно возвращает поршень в исходное положение (длина рабочего хода 40 мм).
Испытание модели заявляемого устройства со сквозным штоком проведено на воде, перекачиваемой через модель в мерную емкость. Один и тот же объем воды 200 л перекачивался через модель в мерную емкость за различные промежутки времени, т.е. с разным расходом. Фиксировались время прокачки заданного объема воды и отклонение стрелки (от нулевой отметки) на штоке, соответствующее данному расходу.
На фиг.3 представлена полученная линейная характеристика модели заявляемого устройства.
Источники информации
1. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. Изд. 3. - Л.: Машиностроение, 1975, стр.317, рис.162.
2. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. Изд. 3. - Л.: Машиностроение, 1975, стр.313-314.
3. http://works.tarefer.ru/71/100150/index.html