Устройство для измерения параметров жидких сред в трубопроводе
DEVICE FOR MEASURING PARAMETERS OF LIQUID MEDIA IN PIPELINE

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения ряда параметров жидких сред непосредственно в потоке трубопровода, используемого в нефтегазодобывающей, нефтеперерабатывающей и других областях промышленности.
1
2
Известен плотномер-расходомер жидких сред, содержащий измерительную колонку, датчики абсолютного давления и температуры измеряемой жидкости, гильзу. На вертикальной ветви измерительной колонки на расстоянии Н установлены отборники давления датчика разности давления, а на гильзе - отборник давления и датчик температуры «эталонной» жидкости, залитой в гильзу. Горизонтальная ветвь измерительной колонки изготовлена с переменным диаметром и имеет участок калиброванного трубопровода с меньшим диаметром D и участок калиброванного трубопровода с увеличенным диаметром D, на котором расположены два отборника давления. Импульсные трубки с «эталонной» жидкостью (например, кремнийорганической) соединяют отборники давления с соответствующими датчиками разности давления. Внутреннее покрытие вертикальной ветви снижает сопротивление потоку жидкости. Блок обработки информации по приведенным формулам рассчитывает плотность и массовый расход измеряемой жидкости (пат. РФ №2378638, приор. 24.09.2007 г., опубл. 10.01.2010 г., G01N 9/26, G01F 1/86, G01F 1/37).
Недостаток известного устройства заключается в том, что конструкция устройства при наличии только одного датчика разности давления на калиброванном участке не предусматривает учитывать потери на трение, что приводит к погрешности в измерении.
2
1
Известен плотномер-расходомер жидких или газовых сред, содержащий измерительную колонку, установленную на трубопроводе, два датчика разности давления, расположенные в нижней части измерительной колонки, датчик температуры рабочей среды, датчик абсолютного давления, импульсные трубки с «эталонной» жидкостью, воспринимающей давление рабочей среды непосредственно контактным методом, датчик температуры «эталонной» жидкости, залитой в импульсные трубки, расположенные на одном уровне в нижней части измерительной колонки два отборника давления и отборник давления, установленный на корпусе для термометра, а также регистрирующий блок. При этом измерительная колонка выполнена в виде двух коаксиальных, установленных с кольцевым зазором вертикальных труб - с внешней трубой и внутренней трубой, являющейся отводом колена трубопровода с измеряемой средой, верхняя часть которого снабжена сужающим устройством с насадкой, при этом площадь сечения внутренней трубы равна площади сечения кольцевого зазора, а длина насадки выбирается из условия: L=(3÷4)d, где L - длина насадки, мм, a d - диаметр насадки, мм, при этом измерительная колонка снабжена третьим датчиком разности давления в верхней части указанной колонки и датчиком давления, установленным на внешней стенке отвода трубопровода в нижней части указанной колонки, кроме того, два датчика давления установлены под прямым углом на стенке внешней трубы, при этом указанные датчики давления расположены на одном уровне в нижней части вертикальной колонки, от уровня которого на расстоянии Н размещен дополнительный датчик давления, связанный импульсной трубкой с «эталонной» жидкостью с датчиком давления на стенке внешней трубы, а на расстоянии H - другой дополнительный датчик давления, соединенный импульсной трубкой с датчиком давления на корпусе термометра. Два датчика давления, расположенные под прямым углом на стенке внешней трубы, соединены импульсными трубками с «эталонной» жидкостью с одним из указанных датчиков разности давления, а датчик давления, установленный на корпусе термометра, соединен импульсной трубкой с «эталонной» жидкостью с плюсовой камерой другого датчика разности давления, датчик давления, установленный на внешней стенке отвода трубопровода, аналогично связан с минусовой камерой этого же датчика разности давления. Внешняя труба измерительной колонки снабжена крышкой, в которой выполнено отверстие, для установки третьего датчика разности давления, плюсовая камера которого непосредственно контактирует с рабочей средой, а минусовая камера соединена с импульсной трубкой, воспринимающей давление рабочей среды.
Измерение плотности среды, объемного расхода газа и массового расхода потока жидкости осуществлятся по прилагаемым формулам.
Кроме того, в плотномере-расходомере датчик абсолютного давления, датчик температуры рабочей среды, датчик температуры «эталонной» жидкости и датчики разности давления соединены с регистрирующим блоком (пат. РФ на полезную модель №73072. «Плотномер-расходомер жидких или газовых сред». Приор. 09.01.2008, опубл. 10.05.2008).
Недостаток известного устройства обусловлен его конструкцией, в которой возникает неравенство потерь на трение в кольцевом пространстве и во внутренней трубе, из-за чего невозможно достичь высокой точности измерения плотности измеряемой жидкости.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности измерения плотности измеряемой жидкости и расширение функциональной возможности за счет обеспечения измерения дополнительного параметра жидкости - вязкости.
Указанная задача решается тем, что в устройстве для измерения параметров жидких сред в трубопроводе, содержащем измерительную колонку, выполненную в виде двух коаксиальных, установленных с кольцевым зазором вертикальных труб - с внешней трубой и внутренней трубой, являющейся отводом колена трубопровода с измеряемой жидкостью, датчик разности давления, установленный в верхней части измерительной колонки, два датчика разности давления, установленные в нижней части измерительной колонки, датчик давления и датчик температуры измеряемой жидкости, импульсные трубки с «эталонной» жидкостью, а также регистрирующий блок, в отличие от известного измерительная колонка снабжена дополнительным датчиком разности давления, точки отбора давления которого разнесены между собой по высоте L и размещены в отверстиях в стенке внутренней калиброванной трубы, его импульсные трубки с «эталонной» жидкостью расположены в кольцевом зазоре между вертикальными трубами измерительной колонки, а точки отбора давления датчиков разности давления, установленных в нижней части измерительной колонки, разнесены между собой по высоте ΔН, при этом импульсные трубки, соединенные с датчиками разности давления, установленными в нижней части измерительной колонки, снабжены размещенным в верхней части измерительной колонки сосудом с «эталонной» жидкостью, поддерживающей постоянный уровень в импульсных трубках. Датчики разности давления, датчик давления и температуры измеряемой жидкости размещены на внешней вертикальной трубе измерительной колонки и соединены с регистрирующим блоком, который снабжен программой для расчета параметров, таких как плотность, скорость, расход, давление и вязкость измеряемой жидкости согласно формулам:
,
где
ж
3
ρ - плотность измеряемой жидкости, кг/м;
t
3
ρэт - плотность «эталонной жидкости», приведенная к рабочим условиям по температуре и давлению, кг/м;
1
2
ΔP-ΔP - разность перепадов давления между «эталонной» и измеряемой жидкостями, Па;
2
g - ускорение свободного падения, м/с;
ΔН - высота разноса точек отбора давления датчиков разности давления, установленных в нижней части измерительной колонки, м.
Скорость потока жидкости рассчитывается по формуле:
,
где
d - диаметр внутренней калиброванной вертикальной трубы измерительной колонки, м;
V - скорость потока измеряемой жидкости, м/с;
м
D - диаметр рабочей площади мембраны датчика разности давления, установленного в верхней части измерительной колонки, м;
ж
3
ρ - плотность измеряемой жидкости, кг/м;
3
ΔР - перепад давления на датчике разности давления, установленном в верхней части измерительной колонки, Па.
Объемный или массовый расход измеряемой жидкости рассчитывается по формуле:
или ,
где
3
Q - объемный расход, м/с;
M - массовый расход, т/с;
d - диаметр внутренней калиброванной вертикальной трубы измерительной колонки, м;
V - скорость потока измеряемой жидкости, м/с;
м
D - диаметр рабочей площади мембраны датчика разности давления, установленного в верхней части измерительной колонки, м;
ж
3
ρ - плотность измеряемой жидкости, кг/м;
α - поправочный коэффициент, устанавливаемый при градуировке измерительного устройства.
Вязкость измеряемой жидкости рассчитывается по формуле:
,
где
υ - вязкость измеряемой жидкости, сСт;
d - диаметр внутренней калиброванной вертикальной трубы измерительной колонки, м;
V - скорость потока измеряемой жидкости, м/с;
ж
3
ρ - плотность измеряемой жидкости, кг/м;
L - расстояние между точками отбора давления дополнительного датчика разности давления, устанавливаемого на внутренней калиброванной трубе, м;
4
ΔР - перепад давления на дополнительном датчике разности давления, Па.
На фиг. 1 представлена конструктивная схема заявляемого устройства.
Устройство для измерения параметров жидких сред в трубопроводе содержит измерительную колонку, выполненную в виде двух коаксиальных, установленных с кольцевым зазором вертикальных труб - с внешней трубой 1 и внутренней калиброванной трубой 2, являющейся отводом колена трубопровода 3 с измеряемой жидкостью, датчик разности давления 4, установленный в верхней части измерительной колонки, в крышке которой выполнено отверстие 5 для его установки, два датчика разности давления 6 и 7, установленные в нижней части измерительной колонки, датчик давления 8 и датчик температуры 9 измеряемой жидкости. Измерительная колонка снабжена дополнительным датчиком разности давления 10, точки отбора давления которого разнесены между собой по высоте L и размещены в отверстиях в стенке внутренней калиброванной трубы 2, его импульсные трубки с «эталонной» жидкостью расположены в кольцевом зазоре 13 между вертикальными трубами 1 и 2 измерительной колонки.
Точки отбора давления датчиков разности давления 6 и 7, установленных в нижней части измерительной колонки, разнесены между собой по высоте ΔН. При этом импульсные трубки 11 и 12, соединенные с датчиками разности давления 6 и 7, установленными в нижней части измерительной колонки, размещены в кольцевом зазоре 13 между вертикальными трубами 1 и 2 измерительной колонки. В верхней части измерительной колонки расположен сосуд 14 с «эталонной» жидкостью, поддерживающий уровень в импульсных трубках 11 и 12.
В качестве «эталонной» жидкости используется жидкость, непосредственно контактирующая с измеряемой жидкостью, но не смешивающаяся с ней, например кремнеорганическая, имеющая известные коэффициенты объемного расширения и сжатия.
Датчики разности давления 4, 6, 7, и 10, датчик давления 8 и датчик температуры 9 измеряемой жидкости размещены на внешней вертикальной трубе измерительной колонки и соединены с регистрирующим блоком 15, который снабжен программой для расчета параметров измеряемой жидкости. Поз. 16 - выходной патрубок трубопровода с измеряемой жидкостью.
Вентиль 17, служащий для отбора давления из кольцевого зазора 13 вертикальных труб 1 и 2, посредством импульсных трубок 12 с «эталонной» жидкостью и через вентиль 18 передает давление в «плюсовую» камеру дополнительного датчика разности давлений 6.
Вентиль 19, служащий для отбора давления из кольцевого зазора 13 вертикальных труб 1 и 2, посредством импульсных трубок 11 с «эталонной» жидкостью и через вентиль 20 передает давление в «плюсовую» камеру датчика разности давлений 7.
Посредством точки отбора давления 21 отбирается давление из верхней части измерительной колонки и посредством импульсной трубки 22 передается в «минусовую» камеру датчика разности давлений 4, «плюсовая» камера которого соединена через отверстие 5 с измеряемой средой в измерительной колонке.
Посредством точки отбора давления 23 отбирается давление из внутренней калиброванной вертикальной трубы 2 и посредством импульсной трубки 24 передается в «плюсовую» камеру дополнительного датчика разности давлений 10.
Посредством точки отбора давления 25 отбирается давление из внутренней калиброванной вертикальной трубы 2 и посредством импульсной трубки 26 передается в «минусовую» камеру дополнительного датчика разности давлений 10.
Точки отбора давления 23 и 25 дополнительного датчика разности давления 10 разнесены между собой по высоте L и размещены в отверстиях в стенке внутренней калиброванной трубы 2, его импульсные трубки с «эталонной» жидкостью 24 и 26 расположены в кольцевом зазоре 13 между вертикальными трубами 1 и 2 измерительной колонки.
Вентиль 27, служащий для отбора давления из кольцевого зазора 13 вертикальных труб 1 и 2, посредством импульсных трубок 28 с «эталонной» жидкостью передает давление в «минусовую» камеру датчика разности давлений 7.
Вентиль 29, служащий для отбора давления из кольцевого зазора 13 вертикальных труб 1 и 2, посредством импульсных трубок 30 с «эталонной» жидкостью передает давление в «плюсовую» камеру датчика разности давлений 6.
Посредством точки отбора давления 31 отбирается давление из кольцевого зазора 13 вертикальных труб 1 и 2, посредством импульсной трубки 32 и через вентиль 33 передается в датчик давления 8 измеряемой жидкости.
Вентили 34, 35, 36 и 37 соединяют импульсные трубки с «эталонной» жидкостью с сосудом 14 с «эталонной» жидкостью для поддержания уровня в импульсных трубках.
1
h - высота столба «эталонной» жидкости в трубке 11.
2
h - высота столба «эталонной» жидкости в трубке 12.
1
Н - высота столба измеряемой жидкости для расчета разности давления на датчике разности давления 7.
2
Н - высота столба измеряемой жидкости для расчета разности давления на датчике разности давления 6.
d - диаметр внутренней калиброванной вертикальной трубы измерительной колонки.
Устройство работает следующим образом.
При заливке «эталонной» жидкости в сосуд 14 все вентили открыты.
После заливки «эталонной» жидкости в импульсные трубки и камеры датчиков разности давления 6 и 7 вентили 27, 29, 19 и 17 закрываются. Вентили 18, 20, 34, 35, 36 и 37 открыты для поддержания уровней столбов «эталонной» жидкости в импульсных трубках при транспортировке и при изменении температуры окружающей среды.
При пуске в работу вентили 34, 35, 36 и 37 закрыты, а вентили 17, 19, 29 и 27 открыты.
Измеряемая среда (жидкость «Q») поступает на вход трубопровода 3, проходит по вертикальной колонке 2 трубы с диаметром d, на выходе из нее поток ударяет в мембрану датчика разности давления 4, установленного в верхней части измерительной колонки, затем разворачивается и попадает в кольцевое пространство 13 между вертикальными трубами 1 и 2 измерительной колонки. При этом вентиль 17, служащий для отбора давления из кольцевого зазора 13 вертикальных труб 1 и 2, посредством импульсных трубок 12 с «эталонной» жидкостью и через вентиль 18 передает давление в «плюсовую» камеру дополнительного датчика разности давлений 6.
Вентиль 29, служащий для отбора давления из кольцевого зазора 13 вертикальных труб 1 и 2, посредством импульсных трубок 30 с «эталонной» жидкостью передает давление в «минусовую» камеру датчика разности давлений 6.
1
Измеренный перепад давлений ΔР передается на регистрирующий блок 15.
Вентиль 19, служащий для отбора давления из кольцевого зазора 13 вертикальных труб 1 и 2, посредством импульсных трубок 11 с «эталонной» жидкостью и через вентиль 20 передает давление в «плюсовую» камеру датчика разности давлений 7.
Вентиль 27, служащий для отбора давления из кольцевого зазора 13 вертикальных труб 1 и 2, посредством импульсной трубки 28 с «эталонной» жидкостью передает давление в «минусовую» камеру датчика разности давлений 7.
2
Измеренный перепад давлений ΔР передается на регистрирующий блок 15.
Посредством точки отбора давления 21 давление передается из верхней части измерительной колонки и посредством импульсной трубки 22 передается в «минусовую» камеру датчика разности давлений 4.
Посредством точки отбора давления 23 отбирается давление из внутренней вертикальной трубы 2 и посредством импульсной трубки 24 передается в «плюсовую» камеру дополнительного датчика разности давлений 10.
Посредством точки отбора давления 25 отбирается давление из внутренней вертикальной трубы 2 и посредством импульсной трубки 26 передается в «минусовую» камеру дополнительного датчика разности давлений 10.
Датчик давления 8 и датчик температуры 9 измеряют давление и температуру измеряемой жидкости.
В процессе измерения используется метод сравнения статических показателей «эталонной» жидкости с изменяющимися параметрами измеряемой жидкости.
Сущность измерения раскрывается в нижеприведенном примере расчета параметров измеряемой жидкости.
При расчете применялись начальные формулы из источника информации: А.Д. Альтшуль, Л.С. Животовский, Л.П. Иванов. Гидравлика и аэродинамика. - М.: Стройиздат, 1985 г.
1
2
Исследуемый поток измеряемой жидкости Q проходит вертикальный отвод трубопровода 2, где датчиком разности давлений 6 и 7 измеряются перепады давления ΔР и ΔР, которые складываются из давлений «эталонной» жидкости и давлений измеряемой жидкости, плюс потери на трение:
,
,
Из формулы 6 вычитаем формулу 7, получаем:
далее:
, или:
,
,
экв
По выбранной конструкции: ΔН=Δh, при этом ΔН=(0,5-1,0)Д,
экв
где Д - эквивалентный диаметр в кольцевом зазоре вертикальных труб 1 и 2, м.
Заданное число Рейнольдса в кольцевом зазоре не должно превышать: .
Теперь формула (11) запишется в следующем виде:
,
3
величиной  можно пренебречь ввиду ее малости, тогда формула (12) примет вид: , кг/м (1)
t
20эт
t
3
при этом ρэт=ρ[1-β(t-20)+Кр⋅P], кг/м
где
1
2
ΔP и ΔР - перепады давления, снятые с датчиков, установленных в нижней части измерительной колонки (6 и 7), Па;
ж
3
ρ - плотность измеряемой жидкости, кг/м;
t
3
ρэт - плотность «эталонной жидкости», приведенная к температуре и давлению измеряемой жидкости, кг/м;
1
2
ΔР-ΔР - разность перепадов давления между «эталонной» и измеряемой жидкостями, Па;
2
g - ускорение свободного падения, м/с;
ΔН - высота разноса точек отбора давления датчиков разности давления, установленных в нижней части измерительной колонки, м;
t
β - коэффициент объемного расширения «эталонной» жидкости, 1/град. С;
р
К - коэффициент объемного сжатия «эталонной» жидкости, 1/мПа.
t
р
Коэффициенты β и К берутся из государственной системы стандартных данных.
20эт
3
ρ - плотность «эталонной» жидкости при 20 °С, кг/м;
a
Р - давление, снятое с датчика давления измеряемой жидкости (8), Па;
t - температура измеряемой жидкости, снятая с датчика температуры (9), °С;
V - скорость потока во внутренней калиброванной трубе измерительной колонки, м/с;
d - диаметр внутренней калиброванной трубы, м;
υ - вязкость измеряемой жидкости, сСт.
Скорость потока измеряемой жидкости рассчитывается по формуле:
,
где
d - диаметр внутренней калиброванной вертикальной трубы измерительной колонки, м;
V - скорость потока измеряемой жидкости, м/с;
м
D - диаметр рабочей площади мембраны датчика разности давления, установленного в верхней части измерительной колонки, м;
ж
3
ρ - плотность измеряемой жидкости, кг/м;
3
ΔР - перепад давления на датчике разности давления, установленном в верхней части измерительной колонки, Па.
Объемный или массовый расход измеряемой жидкости рассчитывается по формуле:
или ,
где
3
Q - объемный расход, м/с;
М - массовый расход, т/с;
d - диаметр внутренней калиброванной вертикальной трубы измерительной колонки, м;
V - скорость потока измеряемой жидкости, м/с;
м
D - диаметр рабочей площади мембраны датчика разности давления, установленного в верхней части измерительной колонки, м;
ж
3
ρ - плотность измеряемой жидкости, кг/м;
α - поправочный коэффициент, устанавливаемый при градуировке измерительного устройства.
Вязкость измеряемой жидкости определяется, исходя из двух уравнений:
,
и ,
из уравнения (13) находим величину λ и подставляем в уравнение (14): , тогда , обе части уравнения возводим в четвертую степень, тогда .
Из уравнения (15) находим вязкость измеряемой жидкости:
где
4
ΔР - перепад давления, измеренный дополнительным датчиком разности давления (10), Па;
λ - коэффициент гидравлического сопротивления в калиброванной трубе,
υ - вязкость измеряемой жидкости, сСт;
d - диаметр внутренней калиброванной вертикальной трубы измерительной колонки, м;
V - скорость потока измеряемой жидкости, м/с;
ж
3
ρ - плотность измеряемой жидкости, кг/м;
L - расстояние между точками отбора давления дополнительного датчика разности давления, м;
4
ΔР - перепад давления на дополнительном датчике разности давления, Па.
1
2
Особенностью заявляемой конструкции является то, что исследуемый поток измеряемой жидкости Q проходит вертикальный отвод трубопровода 2, где датчиком разности давлений 6 и 7 измеряются перепады давления ΔР и ΔР, которые складываются из давлений «эталонной» жидкости и давлений измеряемой жидкости, плюс потери на трение, которыми из-за малости можно пренебречь, так как указанные датчики разности давления установлены между собой на малом расстоянии Δh, что в итоге повышает точность измерения.
Источники информации
1. Пат. РФ №2378638. «Плотномер-расходомер жидких сред». Приор. 24.09.2007 г., опубл. 10.01.2010 г., G01N 9/26, G01F 1/86, G01F 1/37.
2. Пат. РФ на полезную модель №73072. «Плотномер-расходомер жидких или газовых сред». Приор. 09.01.2008, опубл. 10.05.2008.
3. А.Д. Альтшуль, Л.С. Животовский, Л.П. Иванов. Гидравлика и аэродинамика. - М.: Стройиздат, 1985 г.
4. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. - Л.: Машиностроение. 1998 г.