Способ измерения массы одного из компонентов двухкомпонентного вещества с коррекцией по температуре и устройство для его реализации

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.

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.