Способ измерения массового расхода вещества и устройство для его реализации
METHOD OF MEASURING MASS FLOW RATE OF SUBSTANCE AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Настоящее изобретение относится к измерению массы одного из компонентов двухкомпонентного вещества, поступающего по трубопроводу за время Т, и может использоваться для контроля продукта, извлекаемого из нефтяной скважины в нефтедобывающей промышленности.
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.
Известен способ измерения массового расхода многофазного потока (патент РФ №2428662), содержащий блок измерения скорости потока, блок измерения плотности данного потока.
Недостаток данного способа заключается в дополнительном извлечении смешанной жидкости для анализа каждого компонента. Следствием этого является большое число механических операций и большие габариты устройства.
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 способа является зависимость точности измерений от структуры потока и, в частности, от вида и степени присутствия газового компонента.
Другим недостатком устройства является применение в качестве плотномера радиационного датчика плотности с источником ионизирующего излучения, что требует постоянного задействования химической лаборатории. Кроме того, такое устройство сложное и стоимость его очень высока, что не позволяет устанавливать такие приборы на каждой скважине.
Задачей настоящего изобретения является создание простого устройства для измерения массы одного из компонентов двухкомпонентного вещества, транспортируемого по трубопроводу.
На фигуре представлено предлагаемое устройство, где:
1. Трубопровод с потоком контролируемого вещества.
2. Датчик скорости потока.
3. Элемент сопротивления потоку.
4. Пъезодатчик.
5. Вычислительное устройство.
6. Индикатор.
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 пъезодатчиком 4. Под действием потока элемент сопротивления потоку 3 заставляет деформироваться пъезодатчик 4, сигнал с которого поступает на второй вход вычислительного устройства 5.
Таким образом, из-за действия силы F на элемент сопротивления 3, а в конечном счете и на пъезодатчик 4, с последнего будет поступать сигнал F=к ма=kmU/Δt,
где к - коэффициент, который определяется конструктивными параметрами элемента сопротивления 3 и пъезодатчика 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 К - градуировочный коэффициент устройства, который определяется при его аттестации на расходомерном стенде.
х
y
Для случая, когда измеряется двухкомпонентное вещество с плотностями ρ и ρ компонентов «х» и «у», запишем массу этого вещества в виде:
х
x
y
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
а масса компонента « х », поступившая по трубопроводу за время Т, выразится в виде
х
у
Таким образом, зная плотности компонентов (ρ и ρ) двухкомпонентного вещества, значение градуировочного коэффициента К и величину поперечного сечения трубопровода S, по сигналам отдатчика скорости (U) потока в трубопроводе и от пъезодатчика (F), вычислительное устройство 5 по формуле (2) определяет массу вещества компонента «х», поступившую по трубопроводу за время Т. Значение этой массы вещества поступает на индикатор 6.
Таким образом, предлагаемое изобретение по формуле 2 позволяет определять:
- массу одного из компонентов двухкомпонентного вещества, поступившую по трубопроводу за время Т, если известны плотности каждого из компонентов.
Предлагаемое изобретение может найти широкое применение в самых различных отраслях промышленности, где необходимо контролировать массу или объем одного из компонентов двухкомпонентных веществ, плотности которых известны, не измеряемых или трудно измеряемых продуктов существующими средствами. Например, продукт, извлекаемый из нефтяной скважины, в общем случае состоит из газа, воды и нефти. В связи с тем, что плотность газа на три порядка меньше плотности жидкости, то данный продукт с точки зрения его массы можно рассматривать как двухкомпонентное вещество, состоящее из воды и нефти. Зная плотности воды и нефти в скважинной жидкости, можно оперативно контролировать добычу нефти из данной скважины, а это значит оперативно контролировать эффективность работы скважины, что в настоящее время является проблемой в нефтедобыче.
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 множество других двухкомпонентных веществ, таких как смесь «газ + жидкость», «газ + твердое вещество», используемых в промышленности, где необходимо контролировать расход одного из компонентов двухкомпонентных веществ.