СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА МНОГОФАЗНОГО ПОТОКА Российский патент 1997 года по МПК G01F1/68 

Изобретение относится к области измерения расходов с помощью тепловых расходомеров и предназначено для контроля многофазных потоков, преимущественно в нефтяной промышленности.

Известен способ измерения расхода с помощью теплового расходомера, заключающийся в измерении разности температур терморезисторами в двух сечениях измерительного участка, между которыми подводят фиксированное количество тепла [1]
Недостатком известного способа является низкая точность при измерении расхода многофазных потоков.

Техническим результатом от использования изобретения является повышение точности при измерении расхода потока, состоящего из веществ различной плотности и теплопроводности. Это достигается тем, что дополнительно в течение фиксированного промежутка времени измеряют перегрев терморезисторов при работе в режиме термоанемометра, время, в течение которого каждый из теморезисторов имеет значение перегрева в пределах диапазона, характерного для каждого вещества, входящего в поток, и отношение этого времени ко всему фиксированному промежутку времени учитывают при определении расхода.

На фиг. 1 показано устройство, реализующее способ; на фиг. 2 изменение температуры перегрева терморезистора в многофазном потоке от времени; на фиг. 3 зависимость температуры перегрева от скорости потока.

Расходомер содержит измерительный участок, терморезисторы T₁ и T₂ и нагреватель Н между ними (фиг. 1).

Сущность изобретения состоит в следующем. Как известно, расход в калориметрическом расходомере, который рассматривается в данном случае пределяют по формуле

где М массовый расход; N подводимое тепло от нагревателя; Δt = t₂-t₁ - разность температур между терморезисторами T₂ и T₂; С - теплоемкость контролируемого вещества; K₀ поправочный коэффициент, учитывающий неравномерность распределения температур.

При контроле многофазного потока теплоемкость в зависимости от состава можно определять по формуле

где С_i массовая теплоемкость отдельного вещества; X_i - массовая доля; m число веществ, входящих в состав потока.

Таким образом задача сводится к определению X_i, т.е. состава потока. Состав потока определяют следующим образом. Через терморезистор T₂ пропускают ток больше той величины, которая была в режиме термометра, т.е. переводят в режим термоанемометра, и измеряют его перегрев относительно первого резистора, работающего в режиме термометра. Величина перегрева зависит от того, какое вещество омывает в данный момент времени резистор, и его скорости (фиг. 2). Чем больше теплопроводность вещества, тем меньше его перегрев при одинаковой скорости. На фиг. 2 это показано на примере смеси вода, нефть, газ, где теплопроводность воды наибольшая, нефти меньше, а газа еще меньше.

Для более точной оценки используем критериальное уравнение теплообмена
N_u= ARke

Per (3)
где число Нуссельта; число Рейнольдса; число Прандтля; a коэффициент теплопередачи; d диаметр корпуса терморезистора; l,ν
соответственно коэффициенты теплопроводности и вязкости жидкости; С - теплоемкость жидкости (т.е. вещества, омывающего резистор); r плотность жидкости.

Уравнение теплопередачи
q = α(t_п-t_o) (4)
где q плотность теплового потока, выделяемого на терморезисторе; t_n температура перегрева; t₀ температура потока.

Уравнение неразрывности
Q=V•S (5)
где Q объемный расход; V средняя скорость потока.

Из уравнений (4), (3) следует зависимость перегрева от основных параметров

Так как в уравнении (3) в зависимости от режима потока и формы обтекаемого тела K ≈ 0,5 0,8; e ≈ 0,35 0,45; то видно, что перегрев (t_n t₀) зависит в основном от плотности теплового потока, теплопроводности и плотности жидкости, а также ее скорости.

На фиг. 3 показан общий вид этой зависимости от скорости для разных веществ. Видно, что при достаточно малой скорости можно сделать величину перегрева однозначно связанной с конкретным веществом. Однако при большой скорости эта зависимость становится неоднозначной. Чтобы обеспечить эту скорость, надо, исходя из максимального расхода, сделать измерительный участок расходомера такой площади, чтобы, согласно уравнению (5), выполнялось условие

где V_max максимальная скорость, определяемая из графика на фиг.3.

Рационально разместить измерительный участок горизонтально, т.к. при этом происходит расслоение веществ, входящих в поток, и сделать терморезисторы T₁ и T₂ состоящими из дискретно расположенных и независимо досоединенных участков T₁₁ T_1n и T₂₁ T_2n, что позволяет увеличить время нахождения каждого из терморезисторов в определенном веществе. Это увеличивает точность определения состава, т.к. сокращается время переходных процессов терморезисторов при смене их различных веществ потока (см. фиг. 2).

В результате долю каждого вещества можно определять по отношению времени нахождения данного участка терморезистора в данном веществе ко всему промежутку времени измерения и по количестве этих участков терморезистора, находящихся в данном веществе.

После этого определяют среднюю теплоемкость по формуле (2) и затем расход по формуле (1).

Использование: для измерения расхода многофазных потоков с помощью тепловых расходомеров. Сущность изобретения: измеряют разность температур в двух сечениях измерительного участка, между которыми подводят фиксированное количество тепла, дополнительно измеряют в течение фиксированного промежутка времени перегрев терморезисторов при работе в режиме термоанемометра, время, в течение которого каждый из терморезисторов имеет значение перегрева в пределах диапазона, характерного для каждого вещества, входящего в поток, и отношение этого времени к всему фиксированному промежутку времени учитывают при определении расхода. 3 ил.

Способ измерения расхода многофазного потока, заключающийся в измерении разности температур терморезисторами в двух сечениях измерительного участка, между которыми подводят фиксированное количество тепла, отличающийся тем, что дополнительно измеряют в течение фиксированного промежутка времени перегрев терморезисторов при работе в режиме термоанемометра, время, в течение которого каждый из терморезисторов имеет значение перегрева в пределах диапазона, характерного для каждого вещества, входящего в поток, и отношение этого времени ко всему фиксированному промежутку времени учитывают при определении расхода.