Способ измерения массы одного из компонентов двухкомпонентного вещества с коррекцией по температуре и устройство для его реализации Российский патент 2020 года по МПК G01F1/86 

Настоящее изобретение относится к измерению массы одного вещества в составе с другим веществом.

Данное техническое решение может быть использовано в различных отраслях промышленности, где необходимо измерять массу одного из компонентов двухкомпонентного технологического продукта.

В частности данное изобретение может быть использовано в оперативном контроле добычи нефти непосредственно на нефтяной скважине по результатам контроля скважинной жидкости с помощью данного устройства, что позволит оперативно оценивать эффективность работы данной скважины в реальном масштабе времени.

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.

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 прототипа является зависимость точности измерений от структуры потока и, в частности, от вида и степени присутствия газового компонента.

Кроме того, такое устройство сложное из-за применения радиационного датчика плотности с источником ионизирующего излучения и стоимость его очень высока.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности измерения массы одного компонента в двухкомпонентном веществе, транспортируемом по трубопроводу.

На фигуре представлено предлагаемое устройство, где:

1. Трубопровод с потоком контролируемого вещества.

2. Датчик скорости потока.

3. Элемент сопротивления потоку.

4. Пьезодатчик.

5. Вычислительное устройство.

6. Индикатор.

7. Датчик температуры.

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 пьезодатчиком 4. Под действием потока элемент сопротивления потоку 3 заставляет деформироваться пьезодатчик 4, сигнал с которого поступает на второй вход вычислительного устройства 5. Сигнал с датчика температуры 7, отражающий текущую температуру контролируемого вещества, поступает на третий вход вычислительного устройства.

Таким образом, из-за действия силы F на элемент сопротивления 3, а в конечном счете и на пьезодатчик 4, с последнего будет поступать сигнал F=κма=κмU/Δt,

где κ - коэффициент, который определяется конструктивными параметрами элемента сопротивления 3 и пьезодатчика 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 K - градуировочный коэффициент устройства, который определяется при его аттестации на расходомерном стенде.

Для случая, когда измеряется двухкомпонентное вещество с плотностями ρ_хи ρ_у компонентов «х» и «у», запишем массу этого вещества в виде:

М=ρ_хV_x+ρ_уV_y,

здесь V_x и V_y - объемы компонентов «х» и «у» в общем объеме V=V_x+V_y. Для определения, например, V_x с учетом последнего выражения запишем

М=ρ_xV_x-ρ_yV_x+ρ_yV,

откуда V_x=М/(ρ_х-ρ_у)-ρ_уV/(ρ_х-ρ_у),

учитывая, что V=USΔt и М=(KF/U)Δt, объем компонента «х», поступивший по трубопроводу за время Т определится как

V_x=1/(ρ_x-ρ_у)∫_T(КF/U-ρ_ySU)dt,

а масса компонента «х», поступившая по трубопроводу за время Т, выразится в виде

В предлагаемом техническом решении в формуле (2) вместо постоянных значений плотностей ρ_х и ρ_у вводятся функции зависимости этих плотностей от текущей температуры контролируемого вещества ρ_x(t°) и ρ_y(t°).

М_х=ρ_x(t°)/(ρ_x(t°)-ρ_y(t°))∫_T(КF/U-ρ_y(t°)SU)dt.

Эти зависимости определяются либо по известным физическим данным компонентов контролируемого вещества, либо по результатам лабораторных замеров плотностей компонентов при различных реально возможных температурах конкретных технологических процессов и вводятся в вычислительное устройство, например в виде таблиц, представляющих значения р при различных температурах.

Что касается измерения массы нефти, поступающей из нефтяной скважины, то периодически из каждой скважины берут пробы скважинной жидкости для анализа ее в лаборатории. Учитывая, что параметры скважинной жидкости на каждой скважине практически изменяются не так часто, представляется возможным периодически контролировать функции ρ_x(t°) и ρ_y(t°) в лаборатории и тем самым вести оперативный учет добычи нефти непосредственно на скважине, т.е. постоянно контролировать эффективность работы каждой скважины, чего в настоящее время нет.

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 такие смеси, как «газ + жидкость» или «газ + твердое вещество» и множество других двухкомпонентных веществ, используемых в промышленности, где необходимо контролировать расход одного из компонентов двухкомпонентных веществ.

Предлагаемые способ и устройство измерения массы вещества в трубопроводе фактически аналогичен измерению массы вещества с помощью тензодатчика в статике, нашедшему в настоящее время широкое применение в повседневной практике. В предлагаемом решении измерение массы вещества производится также с помощью тензодатчика, но в динамике, т.е. непосредственно в потоке вещества в трубопроводе. Для этого дополнительно вводится измерение скорости потока.

Помимо этого, данное предложение позволяет измерять массу одного из компонентов контролируемого двухкомпонентного вещества непосредственно в динамике в действующем трубопроводе.

Предлагаемое изобретение может найти широкое применение в самых различных отраслях промышленности, где необходимо контролировать массу или объем одного из компонентов двухкомпонентных вещества, не измеряемых или трудно измеряемых существующими средствами.

Настоящее изобретение относится к измерению массы одного вещества в составе с другим веществом. Предлагаемый способ измерения массы М_х одного из компонентов «х» двухкомпонентного вещества («x» и «y»), поступающего по трубопроводу с внутренним сечением S за время Т, с коррекцией по температуре (t°) этого вещества, состоящий из измерения температуры вещества (t°), скорости потока (U) и в определении силы (F), с которой поток действует на элемент сопротивления и в вычислении массы М_х по формуле М_х=ρ_x(t°)/(ρ_x(t°)-ρ_y(t°))∫_T(KF/U-ρ_y(t°)SU)dt, где М_х - масса измеряемого вещества компонента «x» за время Т, K - градуировочный коэффициент, ρ_x(t°) и ρ_y(t°) - известные зависимости плотностей ρ_х и ρ_у двух компонентов соответственно «x» и «y» от температуры t° контролируемого вещества. Устройство, реализуемое предлагаемый способ, состоит из трубопровода с внутренним диаметром S, датчика температуры контролируемого вещества, датчика скорости потока в трубе, пьезодатчика, преобразующего действие силы F в эквивалентный электрический сигнал, который, как и сигналы от других датчиков, поступает на вычислительное устройство для определения М_х по приведенной выше формуле. Технический результат - повышение точности измерения массы одного компонента в двухкомпонентном веществе, транспортируемом по трубопроводу. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ измерения массы одного из компонентов двухкомпонентного вещества с коррекцией по температуре контролируемого вещества, поступающей по трубопроводу сечением S за время Т, состоящий в определении скорости потока вещества U в трубопроводе, в определении силы F, с которой поток контролируемого вещества воздействует на элемент сопротивления потоку в трубопроводе, в определении температуры t° вещества в потоке и в вычислении массы одного компонента двухкомпонентного измеряемого вещества, прошедшего по трубопроводу за время Т, по формуле

М_х=ρ_x(t°)/(ρ_x(t°)-ρ_y(t°))∫_T(KF/U-ρ_y(t°)SU)dt,

где M_x - масса измеряемого вещества компонента «х» за время Т,

K - градуировочный коэффициент,

ρ_x(t°) и ρ_y(t°) - известные зависимости плотностей ρ_х и ρ_у двух компонентов соответственно «х» и «у» от температуры t° контролируемого вещества.

2. Устройство для реализации способа измерения массы одного из компонентов двухкомпонентного вещества по п. 1, содержащее трубопровод с внутренним сечением S, по которому движется контролируемое вещество, датчик скорости (U) потока вещества в трубопроводе, элемент сопротивления потоку, реагирующий на силу (F), с которой поток действует на этот элемент, установленный в трубопроводе по ходу потока и жестко связанный с пьезодатчиком, преобразующим значение этой силы в эквивалентный электрический сигнал, датчик температуры контролируемого вещества, при этом сигналы от датчика скорости, от пьезодатчика и от датчика температуры поступают на входы вычислительного устройства, которое по известным зависимостям плотностей ρ_х и ρ_у компонентов соответственно «х» и «у» контролируемого вещества от его температуры t°-ρ_x(t°) и ρ_y(t°) и градуировочного коэффициента K реализует вычисление массы компонента «х» М_х по формуле

М_х=ρ_x(t°)/(ρ_x(t°)-ρ_y(t°))∫_T(KF/U-ρ_y(t°)SU)dt.