СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ВЕЩЕСТВА В.Е. И Е.Н.ТИТАЕВЫХ Российский патент 1997 года по МПК G01F1/84 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении массового расхода потоков веществ, транспортируемых по трубам большого диаметра, например, в магистральных нефтепроводах и газопроводах.

Изобретение направлено на решение задачи, заключающейся в обеспечении повышения надежности и точности измерений.

Известны способы измерения расхода вещества, использующие для этой цели различные измерения динамических характеристик потока вещества [1]
Недостатком аналога является то, что для реализации указанных методов чувствительные элементы приходится размещать в потоке вещества, что, с одной стороны, создает дополнительное сопротивление движению вещества и приводит к необходимости введения дополнительной мощности для обеспечения транспортировки вещества, а с другой стороны, поток вещества, воздействуя на чувствительные элементы, изменяет свои характеристики.

Известны также способы, не использующие чувствительные элементы, помещаемые в поток, так например, используют Кориолисово ускорение, создаваемое в потоке с помощью вибрационного преобразователя [2]
В этом способе поток вещества, расход которого измеряют, направляют по трубе, совершающей колебания. Вследствие указанной причины возникает Кориолисово ускорение, воздействующее на стенки трубы со стороны вещества. Измеряя величину силы, создаваемую Кориолисовым ускорением, вычисляют массовый расход.

Недостатком этого аналога можно считать необходимость создания дополнительного движения трубы, что делает этот способ неприменимым к использованию на магистральных трубопроводах, где измерительный участок трубопровода (вибратор) будет иметь массу в десятки тонн.

Наиболее близким к изобретению является способ измерения расхода вещества, включающий пропускание измеряемого потока через измерительный участок трубопровода и измерение его динамического параметра, по которому судят о расходе, причем измерительный участок трубопровода располагают на поверхности Земли горизонтально вдоль меридиана, а в качестве динамического параметра измеряют разность давлений в двух диаметрально противоположных точках сечения трубопровода [3] Сущность способа заключается в измерении влияния на поток вещества, движущегося по трубопроводу с определенной относительной скоростью, Кориолисова ускорения, возникающего под действием скорости вращения Земли.

Недостатками прототипа является низкая надежность и точность измерений.

Указанные недостатки обусловлены тем, что в качестве динамического параметра измеряют разность давлений, что, с одной стороны, уменьшает конструктивную надежность трубопровода, так как требуется врезка в измерительный участок трубопровода подсоединительных трубок дифманометра, а с другой стороны, измеряемая разность движений не позволяет достаточно точно определять расход в магистральных трубопроводах, ввиду того, что перекачка веществ в них осуществляется под большим давлением (например, для магистральных газопроводов это давление равно 55 атм) и измерение разности давлений происходит на фоне сравнимых с ней флуктуаций давления, используемого для перекачки.

Кроме того, в прототипе измерительный участок трубопровода располагают вдоль меридиана, что не всегда возможно в реальных условиях эксплуатации, иная же ориентация измерительного участка трубопровода относительно меридиана приводит к дополнительному уменьшению точности измерений.

Техническим результатом от использования изобретения является определение надежности и точности измерения расхода вещества. Это достигается тем, что измеряемый поток получают быстрыми нейтронами от источника быстрых нейтронов, расположенного на внешней поверхности измерительного участка трубопровода, в качестве динамического параметра измеряют разность счета медленных нейтронов в двух точках на внешней поверхности трубопровода, равноотстающих от источника быстрых нейтронов, а измерительный участок трубопровода располагают по отношению к меридиану под углом, отличным от 90^o.

Для облучения быстрыми нейтронами можно использовать наиболее широко распространенные плутоний-бериллевые источники быстрых нейтронов, обладающие широким диапазоном излучаемого потока быстрых нейтронов. Для измерения счета медленных нейтронов можно использовать широко распространенные счетчики медленных нейтронов СНМ-17. Выбор граничных значений параметров (измерительный участок трубопровода располагают по отношению к меридиану под углом, отличным от 90^o) обусловлен тем, что, если угол между измерительным участком трубопровода и меридианом будет равен 90^o, то Кориолисово ускорение будет равно нулю, а следовательно, сила Кориолиса станет также равной нулю, и таким образом исчезнет эффект перераспределения измеряемого потока по сечению трубопровода. Математическое обоснование указанного положения приводится ниже (при описании работы варианта реализации предлагаемого способа).

На фиг. 1 показан общий вид варианта реализации способа; на фиг. 2 - разрез по А-А.

Способ может быть реализован с помощью следующего устройства: измерительный участок 1 трубы магистрального трубопровода, источник 2 быстрых нейтронов, счетчики 3 и 4 медленных нейтронов, электронный блок 5, регистрирующее устройство 6.

Обозначение: относительная скорость потока вещества; вектор скорости вращательного движения Земли; угловая скорость Земли на широте нахождения измерительного участка трубопровода; N₃ количество медленных нейтронов в заданном направлении; N_в количество медленных нейтронов в восточном направлении.

Способ осуществляется следующим образом.

Пропускают измерительный поток через измерительный участок 1 трубопровода, расположенный на поверхности Земли горизонтально и ориентированный по отношению к меридиану под углом, отличным от 90^o (на фиг.1 этот угол равен 0^o), облучают измеряемый поток быстрыми нейтронами от источника 2 быстрых нейтронов, расположенного на внешней поверхности измерительного участка трубопровода, измеряют счетчиками 3 и 4 разность счета медленных нейтронов в двух точках на внешней поверхности трубопровода, равноостоящих от источника 2 быстрых нейтронов, по измеренной разности счета медленных нейтронов определяют величину расхода.

Быстрые нейтроны, испускаемые источником 2, обладают способностью проникать через поверхность трубопровода, причем потеря энергии нейтронов при этом будет незначительна. В результате взаимодействия быстрых нейтронов с веществом, протекающим через трубопровод, образуются медленные нейтроны. Распределение медленных нейтронов по сечению трубопровода носит равномерный характер, и, если вещество неподвижно, т.е. расход вещества равен нулю, то счетчики 3 и 4 медленных нейтронов зафиксируют одинаковое количество нейтронов, а их разность будет равна нулю.

При движении вещества в результате взаимодействия потока вещества, движущегося по трубопроводу с определенной относительно скоростью и вращения Земли (со скоростью ) возникает Кориолисово ускорение, а следовательно, и сила Кориолиса F_k, действующая на вещество и на образовавшиеся медленные нейтроны.

Величина этой силы равна:
F_к= m_в•a_к = m_в•2W_пер•V_отн•sinα,
где m_в масса вещества;
a_к Кориолисово ускорение;
α угол между относительной скоростью потока вещества и вектором угловой скорости вращения Земли на широте нахождения измерительного участка трубопровода.

Сила Кориолиса F_к, воздействуя на медленные нейтроны, вызывает их перераспределение по сечению трубопровода, при этом счетчики 3 и 4 фиксируют соответственно количество нейтронов N₃ и N₆, а их разность будет пропорциональна воздействующей силе F_к:
F_к = K₁(N_з- N_в) = K₁•ΔN,
где N₃ и N₆ соответственно количество зафиксированных нейтронов в западном и восточном направлениях;
K₁ коэффициент пропорциональности, величина которого определяется используемыми конкретными счетчиками, источником и геометрией измерения.

Исходя из этого:

Как показали результаты расчетов, при использовании заявляемого способа обеспечивается достижение следующих показателей: повышение надежности и точности измерений расхода вещества, при этом обеспечивается повышение точности непрерывного измерения расхода вещества до 0,25%
Согласно данным проведенных исследований, изобретение может быть использовано в народном хозяйстве и в сравнении с прототипом обладает следующими преимуществами:
повышение точности измерения расхода в 2 раза, повышение надежности (в прототипе надежность понижена в связи с необходимостью врезки в трубопровод);
улучшение эксплуатационных характеристик за счет возможности выбора в качестве измерительного любого удобства для этой цели участка трубопровода, расположенного по отношению к меридиану под углом, отличным от 90^o (в прототипе измерительный участок должен быть расположен строго вдоль меридиана), без уменьшения точности измерений.

Использование: в измерительной технике, в частности при измерении массового расхода потоков веществ, транспортируемых по трубам большого диаметра, например в магистральных нефтепроводах и газопроводах. Сущность изобретения: измеряемый поток пропускают через измерительный участок трубопровода, расположенный на поверхности Земли горизонтально и ориентированный по отношению к меридиану под углом, отличным от 90^o, облучают измеряемый поток быстрыми нейтронами от источника быстрых нейтронов, расположенного на внешней поверхности измерительного участка трубопровода, и измеряют разность счета медленных нейтронов в двух точках на внешней поверхности трубопровода, равноотстоящих от источника быстрых нейтронов. За счет сил Кориолисова ускорения, вызванного вращением Земли, появляется разность счета медленных нейтронов, пропорциональная измеряемому расходу. 2 ил.

Способ измерения расхода вещества, включающий пропускание измеряемого потока через измерительный участок трубопровода, расположенный на поверхности Земли горизонтально, и измерение его динамического параметра, по которому судят о расходе, отличающийся тем, что измеряемый поток облучают быстрыми нейтронами от источника быстрых нейтронов, расположенного на внешней поверхности измерительного участка трубопровода, в качестве динамического параметра измеряют разность счета медленных нейтронов в двух точках на внешней поверхности трубопровода, равноотстоящих от источника быстрых нейтронов, а измерительный участок трубопровода располагают по отношению к меридиану под углом, отличным от 90^o.