АРЕОМЕТР ГИДРОСТАТИЧЕСКИЙ

Заявляемая полезная модель относится к устройствам для измерения плотности жидкости в промысловых условиях и может использоваться в нефтедобывающей промышленности как экспресс-технология.
Известен жидкостной манометр в виде U-образной трубки, с помощью которого измеряют давление в сосуде по разнице высот жидкости в коленах устройства (Элементарный учебник физики: Учеб. пособие / Под ред. Г.С. Ландсберга: Т. 1. - 11 изд. - М.: Наука, Физматлит, 1995. - С. 295-296). Данное устройство не приспособлено для измерения плотности технологической жидкости в промысловых условиях. В этом же источнике информации на странице 295 указывается то, что в сообщающихся сосудах высоты столбов жидкостей над уровнем раздела обратно пропорциональны плотностям жидкостей. В этом учебнике не предложено использовать известное положение для определения плотности неизвестной жидкости.
Известен ареометр для измерения плотности жидкой среды, состоящий из тела погружения в виде колокола с эталонной жидкостью и прозрачной трубкой в качестве отсчетного устройства (А.с. СССР №518689, опубл. 25.06.76, бюл. №23). Для практического применения ареометр такой конструкции имеет несколько недостатков:
1. Форма колокола имеет две цилиндрические составляющие, а это достаточно сложно в изготовлении и в обслуживании, например при смене эталонной жидкости.
2. В конструкции ареометра отсутствует удобное место для его крепления к переносному штативу с тем, чтобы добиться его абсолютной неподвижности при снятии показаний уровней измеряемой жидкости и эталонной.
3. На приведенном к описанию ареометра чертеже видно, что измерительная трубка 4 имеет закругленный, то есть запаянный конец. Если это действительно так, то вносится дополнительная неопределенность при проводимых измерениях, связанная с отсутствием информации о давлении над эталонной жидкостью в трубке.
Технической задачей по полезной модели является создание изделия, которое не будет иметь перечисленных недостатков, то есть измерительное изделие будет более простым в изготовлении и обслуживании, будет обеспечиваться его неподвижность при снятии показаний в уровнях жидкостей. Последний фактор будет обеспечивать более высокую точность измерений.
В предложенной полезной модели техническая задача выполняется тем, что ареометр гидростатический, содержащий погружную часть, измерительную часть и эталонную жидкость выполнен так, что цилиндрическая погружная часть герметично соединена с измерительной частью, выполненной в виде U образной трубки, содержащей в свою очередь эталонную жидкость, причем погружная часть превышает по диаметру U образную трубку, а в месте соединения погружной части с измерительной ареометр крепится к штативу. Для удобства снятий показаний уровней ареометр выполняется из прозрачного небьющегося материала, а погружная и измерительные части снабжены измерительными шкалами. В качестве эталонной жидкости используется пресная вода, плотность которой в зависимости от температуры известна и табулирована во многих технических справочниках.
Измерительное устройство приведено на чертеже, где 1 - погружная часть, как правило, цилиндрической формы, 2 - U образная измерительная часть, 3 - эталонная жидкость, 4 - соединительная часть элементов 1 и 2, 5 - штатив для крепления ареометра на необходимой высоте, 6 и 7 - измерительные шкалы (линейки), 8 - прозрачный сосуд для измеряемой жидкости, 9 - жидкость неизвестной плотности.
Погружная часть 1 имеет больший диаметр, чем измерительная часть 2 в связи с тем, что исследуемая жидкость может иметь значительную вязкость, поэтому должно быть обеспечено ее свободное поступление в погружную часть.
Ареометр гидростатический используется следующим образом.
1. В сосуд 8 (стакан) помещают технологическую или иную жидкость с неизвестной плотностью.
2. К штативу 5 закрепляют ареометр в месте соединения погружной и измерительной частей. Это место в ареометре является центром тяжести устройства и удобно для создания устойчивого положения ареометра при проведении измерения.
3. В измерительную часть 2 помещают эталонную жидкость 3 с известной плотностью, например пресную воду.
4. Погружную часть 1 ареометра с помощью штатива плавно опускают в сосуд с исследуемой жидкостью 9, наблюдая при этом за поведением эталонной воды в измерительной U образной части с тем, чтобы эталонная жидкость не достигла открытого верха и не переливалась за ее пределы.
1
Измеряемая жидкость войдет в погружную часть и благодаря гидрозатвору эталонной жидкости 3 в U образной измерительной части между жидкостью в погружной части 1 и эталонной жидкостью образуется сжатый воздух с избыточным давлением P. С одной стороны, это давление определяется разностью уровней h измеряемой жидкости в сосуде 8 и в погружной части 1:
2
С другой стороны, давление Ρ можно найти и по разнице высот h эталонной жидкости 3 в разных коленах U образной измерительной части 2:
Из равенства выражений 1 и 2 имеем:
1
2
5. С помощью измерительных шкал 6 и 7 определяют величины h и h и по формуле 3 находят плотность жидкости в сосуде 8.
эт.ж
3
Рассмотрим точность измерений данного ареометра на примере измерения плотности пресной воды. В качестве эталонной жидкости используется также пресная вода, плотность которой известна и табулирована для разных температур и может быть дополнительно проверена с помощью стандартного поплавкового ареометра. Итак для температуры измерений, равной 20°C, плотность эталонной жидкости в измерительной части ареометра равна ρ=998 кг/м. В ходе измерений получены следующие данные:
1
h=152 мм (разница высот воды в сосуде 8 и измерительной части ареометра);
2
h=152 мм (разница высот воды в измерительной части ареометра).
По формуле 3 находим плотность измеряемой воды:
ж
эт.ж
2
1
3
ρ=ρ·h/h=998·152/152=998 кг/м.
1
2
Относительная погрешность измерений определяется точностью производимых линейных измерений разницей высот h и h. Исходя из опыта работы с заявляемым ареометром и общепринятых нормативов эта точность определяется ценой деления стандартной линейки, а именно в Δx=1,0 мм. В приведенном примере относительная погрешность измерений равна:
1
2
ξ=100%·2·Δx/(h+h)=100%·2·1 мм/(152 мм+152 мм)=0,66%.
Такая точность измерений является удовлетворительной для промысловых условий эксплуатации и ремонтных работах в нефтедобывающих скважинах, трубопроводах и емкостях. Дополнительным преимуществом предложенного ареометра является то, что с его помощью можно измерить плотности малой величины. Например, в нефтегазодобывающих предприятиях часто используют нефтяной растворитель марки Нефрас C2 80/120, плотность которой при 20°C регламентируется производителем по ТУ 38.401-67-108-92 следующим образом:
3
- не более 700 кг/м - для высшего сорта;
3
- не более 730 кг/м - для первого сорта.
3
Стандартный ряд поплавкового ареометра начинается с 750 кг/м, а определение плотности такой легкой жидкости весовым методом с помощью пикнометра возможно только в лабораторных условиях.
При применение ареометра гидростатического для определения плотности Нефрас C2 80/120 при 20°C и пресной воды в качестве эталонной жидкости получены следующие данные:
Таблица -
определение плотности Нефрас C2 80/120 при 20°C с помощью гидростатического ареометра
Параметр
Порядковый номер измерения
Среднее значение
1
2
3
Плотность эталонной жидкости, кг/м<sup>3</sup>
998
998
998
-
h<sub>1</sub>, мм (растворитель)
105,0
94,0
120,0
-
h<sub>2</sub>, мм (эталонная жидкость)
74,0
66,0
84,5
-
Плотность Нефрас C2 80/120
703,4
700,7
702,8
702,5
Измеренная в промысловых условиях плотность растворителя в оперативном порядке используется для проведения технологических расчетов, в частности - для оценки остаточной растворяющей способности реагента после отмыва определенной доли асфальтосмолопарафиновых отложений с нефтепромыслового оборудования.
В устройстве решается поставленная техническая задача - в промысловых условиях оценивается плотности жидкостей в широком диапазоне с приемлемой погрешностью.