Плотномер жидких или газообразных сред
Предложение относится к области измерения параметров жидкости или газа непосредственно в потоке и может найти применение в нефтегазодобывающей, нефтехимической, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности. Полезная модель позволяет решать задачу повышения точности измерения плотности жидких или газообразных сред методом сравнения плотности «эталонной» жидкости с плотностью рабочей среды. Плотномер содержит петлеобразную трубу, состоящую из восходящей 1, горизонтальной 2 и нисходящей 3 ветвей, отборники давления 5, 6 и 7, расположенные на одном уровне, и отборник давления 8, расположенный на горизонтальной ветви на расстоянии h от отборников давления 5, 6 и 7, импульсные трубки с «эталонной» жидкостью. 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. 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, 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.
Предполагаемая полезная модель 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, публ.. 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, установленные 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 заявляемой полезной модели 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 -образную 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 давления, датчик абсолютного давления, датчик температуры рабочей среды, импульсные трубки с «эталонной» жидкостью, воспринимающей давление рабочей среды непосредственно контактным методом, и регистрирующий блок. Для решения указанной задачи он снабжен дополнительным датчиком температуры «эталонной» жидкости, залитой в импульсные трубки и дополнительным отборником давления, расположенным на корпусе для термометра. В качестве «эталонной» жидкости использована жидкость, контактирующая с рабочей средой, но не смешивающаяся с ней. Кроме того, отборники давления, установленные на восходящей, нисходящей ветвях петлеобразной трубы и отборник давления, расположенный на корпусе для термометра, находятся на одном уровне в нижней части петли, а плотность жидкости или газообразных сред определяется соответственно по формулам
где 
ж, г - плотности соответственно жидкости и газа, кг/м 3,
- плотность эталонной жидкости, приведенная к рабочим условиям, кг/м 3,
1 - разность давлений между столбом эталонной жидкости и суммой гидростатического давления, измеряемой жидкости (газа) и потерями давления на восходящей ветви, Па,
2 - разность давлений между столбом эталонной жидкости и разностью гидростатического столба измеряемой жидкости (газа) и потерями давления на нисходящей ветви, Па,
g - ускорение свободного падения, м/ с2,
h - расстояние между верхней и нижней точками отбора давления, м,
hк - высота компенсации столба эталонной жидкости, м.
Кроме того, датчик абсолютного давления, два датчика разности давления, датчики температуры рабочей среды и температуры «эталонной» жидкости связаны с регистрирующим блоком.
На фиг.1 изображено заявляемое устройство.
Плотномер жидких или газообразных сред содержит -образную 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 с датчиком температуры 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 «мини» камеры 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, 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 (на фиг. 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 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 поступает 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 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.
Изделие работает следующим образом.
Исследуемый поток Q жидкости или газообразных сред поступает на вход вертикальной петли и, проходя через вертикальную петлю, поступает на выход. При этом осуществляется измерение перепадов давления на восходящей P1 и нисходящей ветвях Р2, а также температуры t эт «эталонной жидкости» в импульсной трубке и рабочей среды в трубопроводе и абсолютного давления Р в петле трубопровода. Перепады давлений P1 и Р2 определяются по следующим формулам:
где P1 - разность давлений между столбом «эталонной» жидкости и суммой давлений гидростатического столба жидкости (газа) и потерями давления на трение в восходящей ветви,
Р2 - разность давлений между столбом «эталонной» жидкости и разностью гидростатического давления столба измеряемой жидкости (газа) и потерей давления на трение в нисходящей ветви
Давление, создаваемое «эталонной» жидкостью определяется по формуле
где - плотность «эталонной» жидкости, кг/м 3,
g - ускорение свободного падения, м/с 2,
h - расстояние (при измерении жидких сред) между точками «отбора давления», м.
Рж - 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:
где: P1ТР и P2ТР - 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);
t - коэффициент объемного расширения «эталонной» жидкости при изменении температуры, 1°С;
t - температура «эталонной» жидкости, измеряемая датчиком температуры, °С;
kp - коэффициент объемного сжатия «эталонной» жидкости, 1/Мпа;
Р - абсолютное давление, МПа.
t и kp берутся из государственной системы стандартных данных.
Для выбора диапазона измерения плотности газа, необходимо ввести компенсацию столба давления «эталонной» жидкости:
складывая уравнения (7) и (8) получим:
разделим обе части уравнения на 2gh:
найдем значение плотности газа в рабочих условиях:
где: г - плотность газа,
h k - высота столба эталонной жидкости для выбора диапазона измерения плотности газа, м.
При вычитании из уравнения (1) уравнения (2) получим:
P1-Р2=-2РТР умножим на -1 обе части уравнения:
где РТРОБ есть потери давления на длине участка симметричной петли от нижнего датчика восходящей петли до нижнего датчика нисходящей петли, Па.
Для нахождения величины РТР применим уравнение Бернулли для вязкой жидкости [3], т.е. в нашем случае:
Для предлагаемого плотномера жидких и газовых сред диаметр -образной трубы везде одинаковый (труба из нержавеющей стали повышенной точности), следовательно, площади сечения трубы на всей длине одинаковые и скорости одинаковые, т.е. 
, расстояния h1=h 2, так как отборники давления находятся на одном уровне.
При равенстве скоростей потока коэффициент Кориолиса 
=1
1=2
Тогда уравнение (12) запишется в следующем виде:
Из формулы (13) найдем среднюю скорость потока вязкой жидкости м/с:
для нашего варианта конструкции. Р2 - возрастает, P1 - убывает.
Формула (14) справедлива для скоростей потока вязкой жидкости не превышающих Vкр, 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 
- коэффициент гидравлического сопротивления;
l ср - длина средней линии петли, м,
d - внутренний диаметр петли, м,
0 - касательное напряжение, Па.
Известно, что потери напора на трение определяются по следующей формуле [3]:
Умножим обе части уравнения на g, 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 ux - скорость касательного напряжения.
Из формулы (20) найдем 
:
Известно, что 
где V - средняя линейная скорость.
Формулу (16) напишем 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 :
Значение из формулы (26) подставим в формулу (25):
Зная скорость турбулентного движения жидкости, можно определить массу жидкости или газа по формулам:
где 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, МКИ 7 G01N 9/26, опубл. Бюл. №31, 2000 г.
2. Плотномер для жидких сред. Авт. свид. СССР №1325328, МКИ 4 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.
1. Плотномер жидких или газообразных сред, содержащий 
-образную 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 давления, датчик абсолютного давления, 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, а плотность жидкости или газа определяется соответственно по формулам:
где ж, г - плотности соответственно жидкости и газа, кг/м3;
- плотность эталонной жидкости, приведенная к рабочим условиям, кг/м3;
1 - разность давлений между столбом эталонной жидкости и суммой гидростатического давления, измеряемой жидкости (газа) и потерями давления на восходящей ветви, Па;
2 - разность давлений между столбом эталонной жидкости и разностью гидростатического столба измеряемой жидкости (газа) и потерями давления на нисходящей ветви, Па;
g - ускорение свободного падения, м/с2 ;
h - расстояние между верхней и нижней точками отбора давления, м;
hрк - высота компенсации столба эталонной жидкости, м.
2. Плотномер по п.1, отличающийся тем, что датчик абсолютного давления, два датчика разности давлений, датчик температуры рабочей среды и датчик температуры «эталонной» жидкости связаны с регистрирующим блоком.
