СПОСОБ ГРАДУИРОВКИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ДОПЛЕРОВСКИХ РАСХОДОМЕРОВ И СТЕНД ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
GRADUATION METHOD OF ULTRASONIC DOPPLER FLOWMETERS AND BENCH FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области нефтегазодобывающей промышленности и предназначено для осуществления градуировки (поверки) расходомеров, основанных на эффекте Доплера, используемых в процессе бурения и эксплуатации скважин для бесконтактного измерения скорости и расхода буровых, цементных растворов и сырой нефти, а также может быть использовано в других областях промышленности для обеспечения с применением доплеровской технологии высокоточных измерений расхода жидких радиоактивных отходов, химических материалов, кислот, щелочей, рассолов и др.
3
Известны способ градуировки (поверки) скважинных преобразователей расхода, основанный на измерении скорости самотоком перемещающейся порции исследуемой жидкости преобразователем расхода и корректировке измеренной величины по показанию образцового измерителя скорости, а также стенд (поверочная установка), включающий основание, несущее приемный бак с исследуемой жидкостью, насосы и фильтр-газоотделитель, обеспечивающие подачу жидкости в напорную емкость, связанную посредством сливного трубопровода с входом испытательной камеры, имеющей на выходе выпускной трубопровод с образцовым измерителем скорости потока жидкости (Молчанов А.А., Лукьянов Э.Е., Рапин В.А. Геофизические исследования горизонтальных нефтегазовых скважин; учебное пособие - С.-Петербург; Международная академия экологии, безопасности человека и природы, 2001, 298 с., с.241-242). Недостатком этого способа и стенда, реализующего этот способ, является невозможность изменения скорости потока исследуемой жидкости в широких пределах, что ограничивает возможности индивидуальной градуировки преобразователей расхода различных конструкций. Что же касается стенда, то, несмотря на существенную возможность градуировки, с его помощью ультразвуковых доплеровских расходомеров путем установки на сливном трубопроводе накладного датчика, то конструктивные особенности его элементной базы не позволяют в качестве исследуемых жидкостей использовать буровые и цементные растворы, сырую нефть и другие грубодисперсные и высоковязкие жидкости. Это исключает при измерениях возможность учета акустического сопротивления рабочей среды (разницы скоростей ультразвука) от изменения ее плотности, что приводит к недостоверным результатам градуировки доплеровских расходомеров. Помимо этого, такой стенд для приведения в рабочее состояние требует применения большой, обычно до 3000 л, порции исследуемой жидкости, а также имеет значительный вес и большие габаритные размеры, требующие для его размещения задалживание помещения объемом до 350-400 м. Это исключает возможность градуировки и поверки доплеровских расходомеров в полевых условиях.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению как для способа, так и устройства является расходомерный стенд, принципиальная схема которого описана в книге Г.С.Абдрахманова «Контроль технологических процессов в бурении». - М.: Недра, 1974, 376 с., с.305-307. Технологическая операция, связанная с использованием этого стенда для градуировки ультразвуковых доплеровских расходомеров, включает в себя измерение скорости перемещения порции исследуемой жидкости относительно приемоизлучающей поверхности накладного датчика расходомера и корректировку измеренной величины по показанию образцового измерителя скорости, а сам стенд включает в себя основание, несущее емкость с исследуемой порцией жидкости, устройство для перемещения жидкости относительно приемоизлучающей поверхности накладного датчика, содержащее электродвигатель и корпус с приводным валом, и образцовый измеритель скорости перемещения жидкости. При этом приводной вал связан с расположенным в корпусе роторным, например шиберным насосом, обеспечивающим подачу жидкости из емкости по расходомерному трубопроводу в приемный бак, а в качестве образцового измерителя скорости обычно используется турбинный расходомер. Обладая таким преимуществом как обеспечение возможности изменения скорости потока жидкости в расходомерном трубопроводе, используемом для крепления накладного датчика ультразвукового доплеровского расходомера, в основном такой стенд имеет те же недостатки, что и рассмотренная выше конструкция. Общим недостатком обоих устройств является невозможность исследования потоков жидкостей с твердыми включениями из-за абразивного износа и зашламовывания подвижных элементов конструкций, а также существенная зависимость показаний образцового расходомера от вязкости измеряемой среды, приводящая к ухудшению метрологических характеристик стендов и снижению срока их службы. Вместе с тем отсутствие специализированного стенда для индивидуальной градуировки ультразвуковых доплеровских расходомеров создает затруднения при их производстве и сдерживает их широкое внедрение во все сферы промышленной деятельности, где необходимо осуществлять высокоточные измерения скорости и расхода жидкостей без конструктивного вмешательства в нагнетательные магистрали.
Изобретением решается задача повышения точности градуировки (поверки) ультразвуковых доплеровских расходомеров, упрощения, удешевления и оперативности осуществления метрологических операций, в том числе и в полевых условиях при минимальном расходе исследуемых жидкостей.
Для достижения названного технического результата в предлагаемом способе градуировки ультразвуковых доплеровских расходомеров, включающем измерение скорости перемещения порции исследуемой жидкости относительно приемоизлучающей поверхности накладного датчика расходомера и корректировку измеренной величины по показанию образцового измерителя скорости, перемещение жидкости осуществляют по замкнутой траектории, например, окружности в герметичном акустически прозрачном контейнере, форму и размеры которого выбирают исходя из длительности и надежности сохранения акустического контакта с приемоизлучающей поверхностью датчика, а показание образцового измерителя скорости получают путем регистрации скорости перемещения контейнера.
Для осуществления предлагаемого способа в стенде, включающем основание, несущее емкость с исследуемой порцией жидкости, устройство для перемещения жидкости относительно приемоизлучающей поверхности накладного датчика расходомера, содержащее электродвигатель и корпус с приводным валом и образцовый измеритель скорости перемещения жидкости, емкость выполнена в виде герметичного акустически прозрачного контейнера, состоящего из диска с периферической кольцевой канавкой для размещения жидкости, имеющей жесткую поперечную перегородку, и смонтированной над ним крышкой, центры которых посредством разъемного соединения фиксировано связаны с выходящим из корпуса верхним концом вертикально установленного приводного вала, отверстие под который выполнено в корпусе двухступенчатым, при этом верхний участок корпуса с отверстием меньшего диаметра снабжен опорной плитой, несущей на одной стороне прижимной сканирующий механизм, обеспечивающий взаимодействие приемоизлучающей поверхности датчика с жидкостью через днище кольцевой канавки, а на другой - образцовый измеритель скорости, выполненный в виде тахометра, взаимодействующего через передаточный механизм с нижним концом приводного вала, кинематически связанного с электродвигателем, установленным в имеющем больший диаметр отверстии нижней части корпуса, выполненного с боковым окном для размещения передаточного механизма.
Причем диск и крышка снабжены центральными соосными отверстиями, через которые пропущен верхний конец приводного вала, имеющий резьбовую нарезку и кольцевой упор, контактирующий с одной стороны с торцевой поверхностью корпуса, а с другой - с диском, установленным с помощью компенсирующей муфты, выполненной, например, на основе штифтового соединения, при этом крышка снабжена прижимной гайкой, взаимодействующей с резьбовой нарезкой.
При этом канавка диска выполнена с кольцевыми уплотняющими буртиками, а крышка снабжена кольцевой прокладкой из упруго-пластичного материала, при этом прокладка по ширине выполнена с перекрытием радиального расстояния между буртиками.
Кроме того, корпус выполнен в виде стойки, образующей в поперечном сечении круговое кольцо, а в продольном - по внешнему контуру в основном повторяющий контур отверстия.
Причем стойка выполнена из двух жестко состыкованных между собой частей, нижняя из которых смонтирована на основании и имеет форму перевернутого стакана с горловиной на внешней стороне его днища, охватывающей нижний конец верхней части до кольцевого упора, выполненного с ним как одно целое.
Кроме того, кинематическая связь приводного вала с электродвигателем выполнена в виде пазово-хвостового соединения с плавающей муфтой.
Кроме того, прижимной сканирующий механизм выполнен в виде U-образной скобы, смонтированной на опорной плите с помощью подпружиненных штоков и несущей самоустанавливающийся столик для быстросъемного фиксированного размещения на нем держателя датчика, выполненного в виде охватывающих его по длине двух П-образных скоб, соединенных между собой стяжными винтами, причем нижняя из этих скоб снабжена фиксирующими штырями для взаимодействия с ответными отверстиями, предусмотренными в теле столика, а верхняя выполнена в виде прижимной колодки, имеющей полированную рабочую поверхность, взаимодействующую с аналогичной по чистоте обработки контактной дорожкой, образованной на внешней поверхности днища канавки.
Причем средство самоустановки столика выполнено в виде карданного подвеса.
Кроме того, прижимной сканирующий механизм снабжен узлом подачи контактной жидкости на поверхность контактной дорожки, выполненным в виде жестко связанного с U-образной скобой, бачка с этой жидкостью и частично погруженным в нее подпружиненным в сторону контактной дорожки обкаточным роликом с покрышкой, выполненной из упруго-пластичного материала.
Отличительными признаками предлагаемого способа градуировки ультразвуковых доплеровских расходомеров и стенда для его осуществления от указанного выше наиболее близкого к ним технического решения являются следующие признаки: осуществление перемещения жидкости по замкнутой траектории, например окружности в герметичном акустически прозрачном контейнере, форму и размеры которого выбирают исходя из длительности и надежности сохранения акустического контакта с приемоизлучающей поверхностью датчика, а показание образцового измерителя скорости получают путем регистрации скорости перемещения контейнера, а также выполнение емкости в виде герметичного акустически прозрачного контейнера, состоящего из диска с периферической кольцевой канавкой для размещения жидкости, имеющей жесткую поперечную перегородку, и смонтированной над ним круглой крышкой, центры которых посредством разъемного соединения фиксировано связаны с выходящим из корпуса верхним концом вертикально установленного приводного вала, отверстие под который выполнено в корпусе двухступенчатым, при этом верхний участок корпуса с отверстием меньшего диаметра снабжен опорной плитой, несущей на одной стороне прижимной сканирующий механизм, обеспечивающий взаимодействие приемоизлучающей поверхности датчика с жидкостью через днище кольцевой канавки, а на другой - образцовый измеритель скорости, выполненный в виде тахометра, взаимодействующего через передаточный механизм с нижним концом приводного вала, кинематически связанного с электродвигателем, установленным в имеющем общий диаметр отверстии нижней части корпуса, выполненного с боковым окном для размещения передаточного механизма, причем диск и крышка снабжены центральными соосными отверстиями, через которые пропущен верхний конец приводного вала, имеющий резьбовую нарезку и кольцевой упор, контактирующий с одной стороны с торцевой поверхностью корпуса, а с другой - с диском, установленным с помощью компенсирующей муфты, выполненной, например, на основе штифтового соединения, при этом крышка снабжена прижимной гайкой, взаимодействующей с резьбовой нарезкой, при этом канавка диска выполнена с кольцевыми уплотняющими буртиками, а крышка снабжена кольцевой прокладкой из упруго-пластичного материала, при этом прокладка по ширине выполнена с перекрытием радиального расстояния между буртиками. Другим отличительным признаком является выполнение корпуса в виде стойки, образующей в поперечном сечении круговое кольцо, а в продольном - по внешнему контуру в основном повторяющей контур отверстия, причем стойка выполнена из двух жестко состыкованных между собой частей, нижняя из которых смонтирована на основании и имеет форму перевернутого стакана с горловиной на внешней стороне его днища, охватывающего нижний конец верхней части до кольцевого упора, выполненного с ним как одно целое. Другим отличительным признаком является выполнение кинематической связи между приводным валом и электродвигателем в виде пазово-хвостового соединения с плавающей муфтой. Еще одним отличительным признаком является выполнение прижимного сканирующего механизма в виде U-образной скобы, смонтированной на опорной плите с помощью подпружиненных штоков и несущей самоустанавливающийся столик для быстросъемного фиксированного размещения на нем держателя датчика, выполненного в виде охватывающих его по длине двух П-образных скоб, соединенных между собой стяжными винтами, причем нижняя из этих скоб снабжена фиксирующими штырями для взаимодействия с ответными отверстиями, предусмотренными в теле столика, а верхняя выполнена в виде прижимной колодки, имеющей полированную рабочую поверхность, взаимодействующую с аналогичной по чистоте обработки контактной дорожкой, образованной на внешней поверхности днища канавки, причем средство самоустановки столика выполнено в виде карданного подвеса, кроме того, прижимной сканирующий механизм снабжен узлом подачи контактной жидкости на поверхность контактной дорожки, выполненным в виде связанного с U-образной скобой бачка с этой жидкостью и частично погруженным в нее подпружиненным в сторону контактной дорожки обкаточным роликом с покрышкой, выполненной из упруго-пластичного материала.
Предлагаемый способ градуировки ультразвуковых доплеровских расходомеров и стенд для его осуществления поясняются чертежами, представленными на фиг.1-3.
На фиг.1 представлен общий вид стенда с частичным продольным разрезом.
На фиг.2 - разрез А-А на фиг.1.
На фиг.3 - вид Б на фиг.2.
Сущность способа градуировки ультразвуковых доплеровских расходомеров заключается в имитации перемещения большого количества исследуемой жидкости относительно приемоизлучающей поверхности накладного датчика расходомера путем замены ее на малый объем жидкости, заключенной в акустически прозрачный герметичный контейнер, имеющий возможность перемещения по заданной траектории в широком диапазоне скоростей, определяемых образцовым прибором. При этом с технологической точки зрения наиболее приемлемой для перемещения контейнера является замкнутая траектория, а с конструктивной - окружность, обеспечивающая при определенным образом выбранных размерах и форме контейнера возможность сохранения метрологически необходимой длительности (непрерывности) процесса и надежности акустического контакта, т.е. контакта без срывов в требуемом временном интервале градуировки (поверки) расходомера. Другие действия, связанные с градуировкой или периодической поверкой расходомеров, ничем не отличаются от известных общепринятых метрологических операций.
3
Стенд для осуществления способа градуировки ультразвуковых доплеровских расходомеров включает в себя основание 1 (фиг.1), несущее емкость с порцией исследуемой жидкости 2, выполненную в виде герметичного акустически прозрачного контейнера, состоящего из диска 3 с периферической кольцевой канавкой 4 для размещения жидкости 2 и круглой крышки 5. При этом для обеспечения надежной герметизации контейнера канавка 4 выполнена с кольцевыми уплотняющими буртиками, а крышка 5 снабжена кольцевой прокладкой 6 из упруго-пластичного материала, например резины, выполненной по ширине с перекрытием радиального расстояния между буртиками. В качестве акустически прозрачного материала для изготовления контейнера и прежде всего диска 3 с кольцевой канавкой 4 наиболее предпочтительным является нержавеющая сталь. Для устранения инерционного отставания угловой скорости жидкости 2 от угловой скорости диска 3 при его вращении кольцевая канавка 4 имеет жесткую поперечную перегородку 7, выполненную, например, в виде пластины. Диск 3 и крышка 5 посредством разъемного соединения фиксировано связаны с выходящим из корпуса верхним концом вертикально установленного приводного вала 8, отверстие под который выполнено двухступенчатым. При этом корпус выполнен в виде стойки, составленной из двух жестко связанных между собой частей 9 и 10 и образующей в поперечном сечении круговое кольцо, а в продольном - по внешнему контуру в основном повторяющей контур отверстия. При этом нижняя часть 10 стойки с помощью винтов 11 закреплена на основании 1 и имеет форму перевернутого стакана с горловиной 12 на внешней стороне его днища, фиксировано с помощью винтов 13 охватывающей нижний конец верхней части 9 стойки до кольцевого упора 14, выполненного с ним как одно целое. Для обеспечения разъемного соединения диска 3 и крышки 5 с фиксацией на приводном валу 8 его верхний конец имеет резьбовую нарезку 15 и кольцевой упор 16, контактирующий с одной стороны с торцовой поверхностью верхней части 9 стойки, а с другой - со ступицей 17 диска 3. При этом диск 3 установлен на приводном валу 8 с помощью компенсирующей муфты, выполненной, например, как это показано на чертеже, на основе штифтового соединения, включающего в себя жестко закрепленный в теле приводного вала 8 цилиндрический штифт 18, входящий в две предусмотренные в ступице 17 боковые прорези. При этом крышка 5 снабжена взаимодействующей с резьбовой нарезкой 15 прижимной гайкой 19, оснащенной рукояткой 20. Нижний конец приводного вала 8, расположенный в нижней части 10 стойки, кинематически связан посредством пазово-хвостового соединения 21 и плавающей муфты 22 с электродвигателем 23, фланец 24 которого с помощью винтов 25 присоединен к основанию 1, которое для установки приводного вала 8 в строго вертикальное положение снабжено ножками 26, регулируемыми по высоте с помощью резьбовых соединений. На верхней части 9 стойки фиксировано с помощью винтов 27 установлена контактирующая с кольцевым упором 14 опорная плита 28, выполненная в виде кругового сектора и несущая на верхней стороне прижимной сканирующий механизм, обеспечивающий взаимодействие приемоизлучающей поверхности датчика 29 с жидкостью 2 через днище кольцевой канавки 4, а на нижней - образцовый измеритель скорости, выполненный в виде тахометра 30, взаимодействующего через передаточный механизм с нижним концом приводного вала 8. Тахометр 30 может иметь различную конструкцию, обеспечивающую, например, в электронно-механическом исполнении измерение угловой скорости с погрешностью до 0,001%. Это позволяет считать его наиболее совершенным образцовым измерителем скорости, к тому же, легко поверяемым при необходимости с помощью широко используемых в промышленности электронных частотомеров. Для размещения передаточного механизма в нижней части 10 стойки предусмотрено боковое окно, а сам передаточный механизм выполнен, например, как это показано на чертеже, в виде зубчатой передачи, одно 31 из зубчатых колес которого жестко связано с ведомым валом 32 тахометра 30, а другое 33 - с помощью установочного винта 34 закреплено на нижнем конце приводного вала 8. Прижимной сканирующий механизм содержит U-образную скобу 35, смонтированную на опорной плите 28 с помощью подпружиненных посредством пружин сжатия 36 двух штоков 37 (на чертеже показан один из них) с концевыми гайками 38. На верхних концах U-образной скобы 35 смонтирован самоустанавливающийся с помощью карданного подвеса столик 39 для быстросъемного фиксированного размещения на нем держателя датчика 29, выполненного в виде охватывающего его по длине двух П-образных скоб 40 и 41, соединенных между собой стяжными винтами 42. Для осуществления быстросъемного фиксированного размещения на столике 39 держателя датчика 29 его нижняя П-образная скоба 41 оснащена двумя жестко присоединенными к ней штырями 43, входящими в ответные отверстия, предусмотренные в теле столика 39. Верхняя П-образная скоба 40 выполнена в виде прижимной колодки из нержавеющей стали, имеющей полированную рабочую поверхность, взаимодействующую с аналогичной по чистоте обработки контактной дорожкой, образованной на внешней поверхности днища кольцевой канавки 4. При этом карданный подвес, служащий для обеспечения полного прилегания рабочей (внешней) поверхности верхней П-образной скобы 40 к упомянутой контактной дорожке, включает в себя карданное кольцо 44 (фиг.2), несущее с помощью двух опор вращения 45 столик 39 и установленное в свою очередь на концах U-образной скобы с помощью двух других опор вращения 46, ортогонально расположенных по отношению к первым. Для обеспечения акустического контакта при ультразвуковых измерениях между приемоизлучающей поверхностью датчика 29 и встречной внутренней поверхностью верхней П-образной скобы 40 помещена контактная паста (гель), а на поверхность контактной дорожки на днище кольцевой канавки 4 наносится контактная нетоксичная и взрывобезопасная жидкость, обладающая хорошими смазывающими свойствами, а также выдерживающая контакт с металлами и резиной разных марок. Для осуществления последней операции прижимной сканирующий механизм снабжен узлом подачи контактной жидкости на поверхность контактной дорожки. Этот узел (фиг.3) включает в себя жестко связанную с U-образной скобой 35 фигурную пластину 47, несущую бачок 48, не доверху заполненный упомянутой контактной жидкостью 49 с частично погруженным в нее подпружиненным в сторону контактной дорожки обкаточным роликом 50 с покрышкой, выполненной из упруго-пластичного материала, например резины. Причем обкаточный ролик 50 установлен с возможностью вращения на концах Y-образного рычага 51, шарнирно закрепленного на стенках бачка 48 и связанного с пластиной 47 пружиной растяжения 52. В завершение описания конструкции стенда следует отметить, что одна из продольных осей приемоизлучающей поверхности датчика 29, преимущественно ось его симметрии, расположена по касательной при виде сверху (см. фиг.2) к окружности, имеющей средний диаметр  канавки 4. Причем, исходя из конструктивных особенностей датчика 29, упомянутый диаметр может быть принят равным  Это, например, при  позволяет стенду иметь габаритные размеры, не превышающие 480×440×520 мм, при объеме используемой для исследования жидкости, равном 0,0015-0,0020 м. Если же учесть, что рассмотренный стенд позволяет осуществлять его быструю и легкую сборку и разборку с обеспечением возможности укладки составных частей в чемодан с габаритными размерами, не превышающими 900×500×200 мм, то это позволяет говорить о создании компактной и высокомобильной конструкции для решения малозатратных метрологических задач не только в стационарных условиях, но и на отдаленных от метрологического центра промышленных объектах.
Принцип действия стенда заключается в следующем.
Перед проведением градуировки (поверки) ультразвукового доплеровского расходомера стенд с помощью ножек 26 (см. фиг.1) устанавливают на поверхности рабочего стола таким образом, чтобы приводной вал 8 занял вертикальное положение. Эта операция легко осуществляется при снятой крышке по уровню воды, залитой до краев в кольцевую канавку 4. После этого диск 3 снимают с приводного вала 8 и освобождают кольцевую канавку от воды. Затем между П-образных скоб 40 и 41 зажимают датчик 29 расходомера, предварительно смазав контактной пастой его приемоизлучающую поверхность. С помощью штырей 43 датчик 29 устанавливают на столике 39 прижимного сканирующего механизма, заливают необходимое количество контактной жидкости 49 в бачок 48 и устанавливают диск 3 на приводном валу. После чего кольцевую канавку 4 до краев заполняют исследуемой жидкостью 2 и с помощью крышки 5 с прижимной гайкой 19, воздействуя вручную на рукоятку 20, осуществляют герметизацию образованного таким образом контейнера. Далее включают электродвигатель 23 и осуществляют вращение этого контейнера. После установившейся заданной скорости вращения приводного вала 8 и стабилизации показаний тахометра 30 осуществляют по ним корректировку установившихся показаний расходомера по одной точке шкалы. На этом операция по градуировке или поверке ультразвукового доплеровского расходомера считается завершенной. Диск 3 совместно с крышкой 5, прижатой через прокладку 6 к буртикам кольцевой канавки 4, снимают с приводного вала 8 и переносят к месту слива отработанной (исследованной) жидкости. Освобождают датчик 29 от установочной арматуры, подготавливая стенд для проведения метрологической операции с очередным расходомером.