ПЛОТНОМЕР ЖИДКИХ ИЛИ ГАЗООБРАЗНЫХ СРЕД Российский патент 2009 года по МПК G01N9/26 

Предлагаемое изобретение относится к области измерения параметров жидкости или газа непосредственно в потоке и может найти применение в нефтегазодобывающей, нефтеперерабатывающей, нефтехимической и других отраслях промышленности.

Известен плотномер для жидких сред, содержащий вертикальную измерительную колонку, выполненную в виде двух параллельных труб одинакового диаметра, импульсные трубки с «эталонной» жидкостью, отборники давления, расположенные на внешних изгибах верхних и нижних участков восходящей и нисходящей ветвях труб на равных уровнях (полезная модель № 15787, бюл. № 31, 2000 г.)

Недостатком конструкции является расположение импульсных трубок с «эталонной» жидкостью внутри измерительных колонок, поэтому при больших скоростях потока жидкости происходит вихреобразование, что вносит погрешность в величину отбора давления, а следовательно, и в результаты измерения величин плотности жидкости.

Известен плотномер для жидких сред, содержащий -образную трубу, состоящую из восходящей, горизонтальной и нисходящей ветвей, три преобразователя давления, установленных соответственно на восходящей, горизонтальной и нисходящей ветвях трубы, два дифференциальных манометра и регистрирующий прибор (Авт. свид. СССР № 1325328, опубл. Бюл. № 27, 23.07.1987 г.).

Недостатком плотномера является отсутствие автоматической коррекции плотности «эталонной» жидкости по температуре и давлению применительно к рабочим условиям измеряемой среды, что сказывается на точности измерения плотности жидкости.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности измерения плотности жидких или газообразных сред.

Для решения указанной задачи предложен плотномер жидких или газообразных сред, в основу которого заложен метод сравнения плотности «эталонной» жидкости с плотностью рабочей среды, что на порядок повышает точность измерения.

Плотномер жидких или газообразных сред, содержащий петлеобразную трубу равного сечения, состоящую из восходящей, горизонтальной и нисходящей ветвей, три отборника давления, установленных соответственно на восходящей, горизонтальной и нисходящей ветвях петлеобразной трубы, два датчика разности давлений, датчик абсолютного давления рабочей среды, датчик температуры рабочей среды, импульсные трубки с «эталонной» жидкостью, воспринимающие давление рабочей среды непосредственно контактным методом, и регистрирующий блок, снабжен датчиком температуры «эталонной» жидкости и дополнительным отборником давления, размещенным на корпусе термометра датчика температуры «эталонной» жидкости, при этом отборники давления, установленные на восходящей, нисходящей ветвях петлеобразной трубы, и отборник давления, размещенный на корпусе термометра датчика температуры «эталонной» жидкости, расположены на одном уровне в нижней части петли, причем отборник давления, установленный на восходящей ветви, передает давление на датчик разности давлений в его минусовую камеру, отборник давления, расположенный на горизонтальной ветви, передает давление в плюсовые камеры датчиков разности давлений, отборник давления, установленный на нисходящей ветви, передает давление в минусовую камеру другого датчика разности давлений, при этом датчики разности давлений, термометр датчика температуры «эталонной» жидкости, датчик абсолютного давления рабочей среды и датчик температуры рабочей среды связаны с регистрирующим блоком, а плотность жидкости или газа определяется соответственно по формулам:

где ρ_ж, ρ_г - плотности соответственно жидкости и газа, кг/м³,

- плотность эталонной жидкости, приведенная к рабочим условиям, кг/м³,

ΔP₁ - разность давлений, отобранных посредством отборников давлений, установленных на восходящей и горизонтальной ветвях петлеобразной трубы, Па,

ΔР₂ - разность давлений, отобранных посредством отборников давлений, установленных на нисходящей и горизонтальной ветвях петлеобразной трубы, Па,

g - ускорение свободного падения, м/с²,

h - расстояние между верхней и нижней точками отбора давления, м,

h_к - высота столба эталонной жидкости, м.

На чертеже изображено заявляемое устройство.

Плотномер жидких или газообразных сред содержит петлеобразную трубу, состоящую из восходящей 1, горизонтальной 2 и нисходящей 3 ветвей, импульсные трубки 4, заполненные «эталонной» жидкостью, непосредственно контактирующей с рабочей средой, но не смешивающейся с ней, например кремнеорганической, имеющей известные коэффициенты объемного расширения и сжатия, четыре отборника давления, три из которых 5,6 и 7 находятся на одном уровне, а отборник давления 8 расположен на горизонтальной ветви на расстоянии h от уровня расположения отборников давления 5, 6 и 7. При этом отборник давления 5 установлен на восходящей ветви 1, отборник давления 6 - на нисходящей ветви 2, а отборник давления 7 установлен на корпусе для термометра 9 датчика температуры «эталонной» жидкости 10. Два датчика разности давления 11 и 12 связаны с восходящей ветвью 1 и нисходящей ветвью 2 соответственно, а также с импульсными трубками 4, заполненными «эталонной» жидкостью. В месте контакта «эталонной» жидкости и рабочей средой в отборниках давления выполнены «миникамеры» для передачи давления.

Датчик абсолютного давления 13 рабочей среды «Q» установлен на прямом участке в начале восходящей ветви 1, а датчик температуры рабочей среды 14 установлен на выходе нисходящей ветви 2. Датчики разности давления 11 и 12, термометр 9 датчика температуры «эталонной» жидкости 10, датчик абсолютного давления рабочей среды 13 и датчик температуры рабочей среды 14 связаны с регистрирующим блоком 15 (БОИ - блок обработки информации), который по заложенной в нем программе рассчитывает плотность рабочей среды, ее массу и выдает на средство визуализации, например компьютер (не показано).

Плотномер жидких или газообразных сред работает следующим образом.

Рабочая жидкость или газообразная среда (рабочая среда «Q») поступает на вход восходящей ветви 1, где датчиком абсолютного давления рабочей среды 13 измеряется давление рабочей среды и передается на блок 15. Далее рабочая среда поднимается по восходящей ветви 1, при этом отборник давления 5 передает давление на датчик разности давления 11 в его минусовую камеру и поступает на горизонтальную линию 2, где через отборник давления 8 давление передается в плюсовые камеры датчиков разности давления 11 и 12, показания которых поступают в регистрирующий блок 15. Далее рабочая среда опускается по нисходящей ветви 3 и ее давление через отборник давления 6 передается в минусовую камеру датчика разности давления 12, показания которого поступают на блок 15. На выходе в нисходящей ветви температура рабочей среды измеряется датчиком температуры рабочей среды 14, показания которого поступают на блок 15.

В процессе измерения используется метод сравнения статических показателей «эталонной» жидкости с изменяющимися параметрами рабочей среды.

Сущность измерения раскрывается в нижеприведенном примере расчета плотности жидкости или газообразных сред. Исследуемый поток Q жидкости или газообразных сред поступает на вход вертикальной петли и, проходя через вертикальную петлю, поступает на выход.

При этом осуществляется измерение ΔP₁ - разность давлений, отобранных посредством отборников давлений, установленных на восходящей и горизонтальной ветвях петлеобразной трубы, и ΔР₂ - разность давлений, отобранных посредством отборников давлений, установленных на нисходящей и горизонтальной ветвях петлеобразной трубы, а также температуры t_эт «эталонной жидкости» в импульсной трубке и рабочей среды в трубопроводе и абсолютного давления рабочей среды Р в петле трубопровода. Перепады давлений ΔP₁ и ΔР₂ определяются по следующим формулам:

где ΔP₁ - разность давлений, отобранных посредством отборников давлений, установленных на восходящей и горизонтальной ветвях петлеобразной трубы. Па,

ΔР₂ - разность давлений, отобранных посредством отборников давлений, установленных на нисходящей и горизонтальной ветвях петлеобразной трубы, Па,

Давление Р_эт, создаваемое «эталонной» жидкостью, определяется по формуле

где - плотность «эталонной» жидкости, кг/м³,

g - ускорение свободного падения, м/с²,

h - расстояние (при измерении жидких сред) между точками «отбора давления», м.

Р_ж - гидростатическое давление столба жидкости, равное расстоянию h, Па

Так как трубопровод одного диаметра (труба из нержавеющей стали повышенной точности), то можно принять, что коэффициент шероховатости на восходящей ветви примерно равен коэффициенту шероховатости в нисходящей ветви (петля выполнена из одного участка трубы).

Тогда, складывая уравнения (1) и (2), получим формулу определения плотности жидких сред:

ΔР₁+ΔР₂=2Р_эт-2Р_ж

Р_1ТР≈Р_2ТР,

где Р_1ТР и Р_2ТР - потери давления на трение в восходящей и нисходящей ветвях, Па.

где

где - плотность «эталонной» жидкости при нормальных условиях (t=20°С, Р=0,103 МПа);

β_t - коэффициент объемного расширения «эталонной» жидкости при изменении температуры, 1°С;

t - температура «эталонной» жидкости, измеряемая датчиком температуры, °С;

k_p - коэффициент объемного сжатия «эталонной» жидкости, 1/МПа;

Р - абсолютное давление, МПа.

β_t и k_p берутся из государственной системы стандартных данных.

Для выбора диапазона измерения плотности газа необходимо ввести компенсацию высоты столба «эталонной» жидкости:

Складывая уравнения (7) и (8), получим:

разделим обе части уравнения на 2gh:

найдем значение плотности газа в рабочих условиях:

где ρ_г - плотность газа,

h_k - высота столба эталонной жидкости для выбора диапазона измерения плотности газа, м.

При вычитании из уравнения (1) уравнения (2) получим:

ΔP₁-ΔР₂=-2Р_ТР,

умножим на -1 обе части уравнения

где Р_ТРОБ есть потери давления на длине участка симметричной петли от нижнего датчика восходящей петли до нижнего датчика нисходящей петли, Па.

Для нахождения величины Р_ТР применим уравнение Бернулли для вязкой жидкости [3], т.е. в нашем случае:

.

Для предлагаемого плотномера жидких и газовых сред диаметр петлеобразной трубы везде одинаковый (труба из нержавеющей стали повышенной точности), следовательно, площади сечения трубы на всей длине одинаковые и скорости одинаковые, т.е. , расстояния h₁=h₂, так как отборники давления находятся на одном уровне.

При равенстве скоростей потока коэффициент Кориолиса α=1

α₁=α₂

Тогда уравнение (12) запишется в следующем виде:

Из формулы (13) найдем среднюю скорость потока вязкой жидкости, м/с

для нашего варианта конструкции. ΔР₂ - возрастает, ΔP₁ - убывает.

Формула (14) справедлива для скоростей потока вязкой жидкости, не превышающих V_кр, т.е в области ламинарных потоков.

Зная среднюю скорость потока при ламинарном движении жидкости, диаметр петли трубопровода, плотность жидкости (газа), можно определить массу жидкости или газа по следующей формуле:

При турбулентном потоке жидкости (газа) скорость потока жидкости находится из формулы [3].

где λ - коэффициент гидравлического сопротивления;

l_ср - длина средней линии петли, м,

d - внутренний диаметр петли, м,

τ₀ - касательное напряжение, Па.

Известно, что потери напора на трение определяются по следующей формуле [3]:

Умножим обе части уравнения на pg, получим:

где а - радиус трубы. Заменим радиус трубы на диаметр трубы d. Тогда формула (18) запишется в следующем виде:

Из формулы (19) найдем

В свою очередь, известно [3], что , где u_x - скорость касательного напряжения.

Из формулы (20) найдем :

Известно, что

где V - средняя линейная скорость.

Формулу (16) запишем в следующем виде:

В формулу (23) подставим значение из формулы (22):

Из формулы (24) найдем линейную скорость потока:

Определим скорость потока без учета

По известной линейной скорости V и касательной скорости из формулы (22) определим λ:

Значение λ, из формулы (26) подставим в формулу (25):

Зная скорость турбулентного движения жидкости, можно определить массу жидкости или газа по формулам:

М_ж=α 0,785d²V_жρ_ж, кг/с

М_г=α 0,785d²V_гρ_г, кг/с,

где ρ_г - в рабочих условиях (при давлении Р и температуре

Т=273+t°C

Использование предлагаемого изделия позволяет измерять плотность жидких или газообразных сред, определять количество массы жидкости или газа.

По данному изделию разработаны рабочие чертежи, изготовлен экспериментальный образец, проведены лабораторные испытания на воде, получены положительные результаты, подтверждающие правильность расчетных линейных скоростей и количества массы жидкости в области ламинарных и турбулентных потоков.

Источники информации

1. Плотномер для жидких сред. Свидетельство на полезную модель RU № 15787, МКИ⁷ G01N 9/26, опубл. Бюл. № 31, 2000 г.

2. Плотномер для жидких сред. Авт. свид. СССР № 1325328, МКИ⁴ G01N 9/26, опубл. Бюл. № 27, 1987 г.

3. Альтшуль А.Д., Животовский Л.С., Иванов Л.П. Гидравлика и аэродинамика. - М.: Стройиздат, 1985 г.

Использование: для измерения плотности жидких или газообразных сред. Сущность: заключается в том, что плотномер жидких или газообразных сред содержит петлеобразную трубу равного сечения, состоящую из восходящей, горизонтальной и нисходящей ветвей, три отборника давления, установленных соответственно на восходящей, горизонтальной и нисходящей ветвях петлеобразной трубы, два датчика разности давлений, датчик абсолютного давления рабочей среды, датчик температуры рабочей среды, импульсные трубки с «эталонной» жидкостью, воспринимающие давление рабочей среды непосредственно контактным методом, и регистрирующий блок, при этом он снабжен датчиком температуры «эталонной» жидкости и дополнительным отборником давления, размещенным на корпусе термометра датчика температуры «эталонной» жидкости, при этом отборники давления, установленные на восходящей, нисходящей ветвях петлеобразной трубы, и отборник давления, размещенный на корпусе термометра датчика температуры «эталонной» жидкости, расположены на одном уровне в нижней части петли, причем отборник давления, установленный на восходящей ветви, передает давление на датчик разности давлений в его минусовую камеру, отборник давления, расположенный на горизонтальной ветви, передает давление в плюсовые камеры датчиков разности давлений, отборник давления, установленный на нисходящей ветви, передает давление в минусовую камеру другого датчика разности давлений, при этом датчики разности давлений, термометр датчика температуры «эталонной» жидкости датчик абсолютного давления рабочей среды и датчик температуры рабочей среды связаны с регистрирующим блоком. Технический результат: повышение точности измерения плотности жидких или газообразных сред. 1 ил.

Плотномер жидких или газообразных сред, содержащий петлеобразную трубу равного сечения, состоящую из восходящей, горизонтальной и нисходящей ветвей, три отборника давления, установленные соответственно на восходящей, горизонтальной и нисходящей ветвях петлеобразной трубы, два датчика разности давлений, датчик абсолютного давления рабочей среды, датчик температуры рабочей среды, импульсные трубки с «эталонной» жидкостью, воспринимающие давление рабочей среды непосредственно контактным методом, и регистрирующий блок, отличающийся тем, что он снабжен датчиком температуры «эталонной» жидкости и дополнительным отборником давления, размещенным на корпусе термометра датчика температуры «эталонной» жидкости, при этом отборники давления, установленные на восходящей, нисходящей ветвях петлеобразной трубы и отборник давления, размещенный на корпусе термометра датчика температуры «эталонной» жидкости, расположены на одном уровне в нижней части петли, причем отборник давления, установленный на восходящей ветви, передает давление на датчик разности давлений в его минусовую камеру, отборник давления, расположенный на горизонтальной ветви, передает давление в плюсовые камеры датчиков разности давлений, отборник давления, установленный на нисходящей ветви, передает давление в минусовую камеру другого датчика разности давлений, при этом датчики разности давлений, термометр датчика температуры «эталонной» жидкости, датчик абсолютного давления рабочей среды и датчик температуры рабочей среды связаны с регистрирующим блоком, а плотность жидкости или газа определяется соответственно по формулам

,

где ρ_ж, ρ_г - плотности соответственно жидкости и газа, кг/м³;

- плотность эталонной жидкости, приведенная к рабочим условиям, кг/м³;

ΔP₁ - разность давлений, отобранных посредством отборников давлений, установленных на восходящей и горизонтальной ветвях петлеобразной трубы, Па;

ΔР₂ - разность давлений, отобранных посредством отборников давлений, установленных на нисходящей и горизонтальной ветвях петлеобразной трубы, Па;

g - ускорение свободного падения, м/с²;

h - расстояние между верхней и нижней точками отбора давления, м;

h_k - высота столба эталонной жидкости, м.