Главная » Строительство » Бесконтактный способ определения скорости жидкости в трубе
Бесконтактный способ определения скорости жидкости в трубе
Содержание
Содержание
Расход – это объем жидкости протекающий в единицу времени через поперечное сечение трубопровода. Измерение расхода жидкости является одной из задач при производственных испытаниях оборудования.
Методы измерения расхода жидкости
Наиболее простые и вместе с тем точные методы измерения расхода жидкости являются объемный и массовый (весовой).
В соответствии с методами измерения, единицами расхода жидкости являются: – для объемного способа: кг/c, кг/ч, г/с – для массового способа: м 3 /с, м 3 /ч и т.д.
При объемном способе измерения протекающая в исследуемом потоке(например, в трубе) жидкость поступает в особый, тщательно протарированный сосуд (так называемый мерник), время наполнения которого точно фиксируется по секундомеру.
Если известен объем мерника – V и измеренное время его наполнения – T, то объемный расход будет
При весовом способе взвешиванием находят вес Gv = mv*g (где g – ускорение свободного падения) всей жидкости, поступившей в мерник за время T. Затем определяют её массу
и массовый расход
и по ней, зная плотность жидкости (ρ), вычисляют объемный расход
Но объемный и весовой методы измерения расхода жидкости пригодны только при сравнительно небольших значениях расхода жидкости, так как в противном случае размеры мерников получаются довольно громоздкими и, как следствие, замеры очень затруднительными.
Кроме того, этими способами невозможно измерить расход в произвольном сечении, например, длинного трубопровода или канала без нарушения их целостности. Поэтому, за исключением случаев измерения сравнительно небольших расходов жидкостей в коротких трубах и каналах, объемный и весовой способы, как правило, не применяются, а на практике пользуются специальными приборами, которые предварительно тарируются объемным или весовым способом.
Приборы для измерения расхода жидкости
Трубчатые расходомеры
Одним из таких приборов является трубчатый расходомер или расходомер Вентури. Большим достоинством этого расходомера является простота конструкции и отсутствие в нем каких-либо движущихся частей. Трубчатые расходомеры могут быть горизонтальными и вертикальными. Рассмотрим, к примеру, горизонтальный вариант.
Расходомер состоит из двух цилиндрических труб А и В диаметра d1, соединенных при помощи двух конических участков (патрубков) С и D с цилиндрической вставкой E меньшего диаметра d2. В сечениях 1-1 и 2-2 расходомера присоединены пьезометрические трубки a и b, разность уровней жидкости h в которых показывает разность давлений в этих сечениях.
Расход жидкости в этом случае определяется по тарировочным кривым, полученным опытным путем и дающим для данного расходомера прямую зависимость между показаниями манометра и измеряемыми расходами жидкости. Пример такой кривой на картинке рядом
Расходомерная шайба
Другим широко распространенным прибором для измерения расхода является расходомерная шайба (или диафрагма), обычно выполняемая в виде плоского кольца с круглым отверстием в центре, устанавливаемого между фланцами трубопровода
Края отверстия чаще всего имеют острые входные кромки под углом 45° или закругляются по форме втекающей в отверстие струи жидкости (сопло). Два пьезометра a и b (или дифференциальный манометр) служат для измерения перепада давления до и после диафрагмы.В основе метода положен принцип неразрывности Бернулли.
Расход в этом случае определяется по замеренной разности уровней в трубках. Трубки подсоединяют к датчикам, замеряющим перепад давления. Датчик перепада давления преобразует перепад в электрический сигнал, который отправляется на компьютер.
Крыльчатый расходомер
Расходы могут быть вычислены также в результате измерения скоростей течения жидкости и живых течений потока.
Одним из широко распространенных приборов, применяемых для этой цели является гидрометрическая вертушка. Современный турбинный расходомер устанавливают только на горизонтальном участке трубопровода. Лопасти крыльчатки колеса турбины изготавливают из не магнитного материала.
Вертушка состоит из крыльчатки А, представляющей собой колесо с винтовыми лопастями, насаженное на горизонтальный вал С. Когда она установлена в потоке, крыльчатка под действием протекающей жидкости вращается, причем число её оборотов прямо пропорционально скорости течения. Число импульсов за один оборот крыльчатки равно числу лопастей, а значит частота импульсов пропорциональна расходу.
При вращении лопасти поочередно пересекают магнитное поле, которое наводит электродвижущую силу в катушке в виде импульса. От вертушки вверх выводятся провода В, подающему сигнал к специальному счетчику, автоматически записывающему число оборотов и время.
Приборы для измерения расхода жидкости в этом случае называют турбинными расходомерами
Ультразвуковой метод измерения расхода
Ультразвуковой расходомер работает по принципу использования разницы по времени прохождения ультразвукового сигнала в направлении потока и против него.
Расходомер формирует электрический импульс, поступающий на пьезоэлемент П1, который излучает электромеханические колебания в движущуюся среду. Эти колебания воспринимаются через некоторое время пьезоэлементом П2, преобразуются им в электрический импульс, попадающий в электронное устройство и снова направляемый им на пьезоэлемент П1 и т.д.
Такой контур П1-П2 характеризуется частотой f1 повторений импульсов, прямо пропорциональной расстоянию между пьезоэлементами и обратно пропорциональной разности между скоростью распространения звука в контролируемой среде и скоростью самой среды.
Аналогично электронное устройство подает импульсы в обратном направлении, т.е. от пьезоэлемента П2 к пьезоэлементу П1. Контур П2-П1 характеризуется своей частотой f2 повторений импульсов, прямо пропорциональной расстоянию между пьезоэлементами и обратно пропорциональной сумме скоростей распространения звука в среде и самой среды.
Следующим шагом является определение разности Δf указанных частот, которая пропорциональна расходу среды. Приборы для измерения расхода жидкости называются ультразвуковые расходомеры.
Вихревой метод измерения расхода
В основу работы вихревых расходомеров положена зависимость между расходом и частотой возникновения вихрей за твердым телом (например, металлическим прямоугольным стержнем), которое расположено в потоке жидкости или газа.
Принцип действия преобразователя основан на ультразвуковом детектировании вихрей, образующихся в потоке жидкости, при обтекании жидкостью специальной призмы, расположенной поперек потока.
В зависимости от конструкции датчика чувствительные тепловые элементы устанавливаются непосредственно в теле датчика или вихревой дорожке.
Если в тело образующее вихри, установить магнит, то он может служить датчиком. Реакция, возникающая при срыве вихрей, заставляет помещённый в поток цилиндр колебаться с частотой вихреобразования. Достоинством вихревых расходомеров является, обеспечение низкой зависимости качества измерений от физико-химических свойств жидкости, состояния трубопровода, распределения скоростей по сечению потока и от точности монтажа первичных преобразователей на трубопроводе. Приборы для измерения расхода жидкости называются вихревые расходомеры.
Видео о измерении расхода
При проведении измерения расхода, в некоторых случая используется понятие количества вещества – это количество жидкости или другой среды, проходящей через поперечное сечение трубопровода в течении определенного промежутка времени(за час, месяц, рабочую смену и т.д.)
Приборы для измерения количества вещества по аналогии с измерением расхода монтируются на – на трубопроводе, с выводом вторичного прибора к оператору.
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
Д. С. Гринберг и Э. И. Макушев
СПОСОБ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕН ИЯ СКОРОСТИ ПОТОКА
ЖИДКОСТИ В ТРУБОПРОВОДЕ
Заявлено 7 июля 1958 г. за Ко 603461/26 в Ко.нптет по гелани изобретений н открытий при Совете Министров СССР
Опубликовано в «Бюллетене изобретений» М 21 за 1959 г.
Способы измерения скорости жидко.ти, протекающей по трубопроводу, по удельному весу пульпы и величине деформации стенки трубопровода не обеспечивают достаточно высокой точности измерения.
В предлагаемом способе этот недостаток устранен. Сущность изобретения заключается в измерении механического напряжения в стенках трубопровода на двух различных по диаметру участках.
На чертеже показана схема устройства для осуществления описываемого способа.
На трубопроводе 1 в двух его участках с разными диаметрами с помощью тензометров 2 и 8, включенных в электроизмерительныс мостовые схемы 4 и 5, измеряют механические напряжения в стенках.
С мостовых схем напряжение тока через усилители 6 и 7 поступает на электроизмерительный показывающий прибор 8.
Способ бесконтактного измерения скорости потока жидкости в трубопроводе с применением установленных на различных участках трубопровода двух тензодатчиков, измеряющих механическое напряжение в стенках трубопровода, пропорциональное скорости жидкости, присоединенных в качестве плеч к двум мостовым схемам, включенным последовательно и встречно и нагруженным на стрелочный измерительный прибор или другой индикатор, проградупровапный непосредственно в единицах скорости потока жидкости, отличающийся тем, что, с целью повышения точности способа, измерение механического напряжения в стенках трубопровода производят на двух различных по диаметру участках трубопровода с равным . или различными по толщине стенками. № 123771.
Комитет по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР
Редактор Н. С. Кутафина Гр. 17б.
Типография Комитета по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР
Классы МПК:
E21B47/10 определение места оттока, притока или колебаний жидкости G01P5/10 путем измерения тепловых величин
Патентообладатель(и):
Назаров Василий Фёдорович (RU)
Приоритеты:
Группа изобретений относится к области исследования скважин и может быть использована при контроле разработки нефтяных месторождений. Способ определения скорости потока жидкости в скважине включает регистрацию термодебитограммы в работающей скважине с последующим сопоставлением ее с градуировочной характеристикой, полученной на модели. Проводят вдоль ствола в работающей скважине измерение термодебитомером по направлению потока с положительным ускорением, если на начальном участке регистрации термодебитограммы Т/ v больше нуля, а измерение проводят до получения «колоколообразной» зависимости T=f(v). Затем проводят измерение термодебитомером по направлению потока с отрицательным ускорением до получения «колоколообразной» зависимости T=f(v). По этим зависимостям определяют кажущиеся скорости v a и v В , которые соответствуют максимальному показанию соответствующей зависимости T=f(v), истинную скорость потока определяют по зависимости v=(v a +v в )/2. Возможен вариант осуществления способа путем проведения вдоль ствола в работающей скважине измерения термодебитомером по направлению потока с отрицательным ускорением, если на начальном участке регистрации термодебитограммы Т/ v меньше нуля. Измерение проводят до получения «колоколообразной» зависимости T=f(v). Затем проводят измерение термодебитомером по направлению потока с положительным ускорением до получения «колоколообразной» зависимости T=f(v). По этим зависимостям определяют кажущиеся скорости v в и v c , которые соответствуют максимальному показанию соответствующей зависимости T=f(v). Истинную скорость потока определяют по зависимости v=(v в +v c )/2. Техническим результатом является повышение точности определения скорости потока жидкости. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Рисунки к патенту РФ 2399760
Изобретение относится к области исследования скважин и может быть использовано для определения скорости потока жидкости в скважинах при контроле разработки нефтяных месторождений.
Известен способ градуировки механических расходомеров «на месте» (см. Абрукин А.Л. Потокометрия скважин. М., «Недра», 1978, 253 с. с ил., с.180-184). По этому способу определяют скорость потока жидкости в скважине Суть этой методики заключается в следующем. Прибор перемещается вдоль ствола в эксплуатационной колонне с различными, но постоянными скоростями в остановленной скважине. При этом регистрируются показания расходомера и скорость его перемещения. По этим данным строится график градуировочной характеристики прибора. Используя эту зависимость, по расходограмме, зарегистрированной в работающей скважине, определяют скорость потока жидкости в колонне.
Ограничением как этого, так и многих других способов определения скорости потока жидкости в скважине, основанных на использовании измерений механическими расходомерами, является то, что трущиеся части чувствительного элемента (это подпятник и ось, а также турбинка) засоряются механическими частицами, содержащимися в потоке жидкости. В результате имеем то, что скорость вращения турбинки не соответствует относительной скорости потока и прибора.
Известен также способ определения скорости потока жидкости в скважине, основанный на проведении измерений термодебитомером вдоль ствола эксплуатационной колонны, а также в гидродинамическом стенде (см. И.Г.Жувагин, С.Г.Комаров, В.Б.Черный. Скважинный термокондуктивный дебитомер СТД. М., «Недра», 1973, 81 с. с ил., с.12-13). Недостатком этого способа является то, что условия измерения в скважине и в гидродинамическом стенде существенно отличаются между собой. В первую очередь это относится к составу, а также к температуре жидкости в скважине и в гидродинамической трубе на стенде.
Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения при определении скорости потока жидкости является устройство, в котором в качестве основной посылки принято положение о том, что минимальная теплоотдача возможна только при равенстве скоростей потока и данного термочувствительного элемента. В момент, когда это достигнуто, экстремальный регулятор выдает на вход электронного ключа командный импульс и на выходе устройства получается мгновенное значение скорости. Однако это устройство невозможно опустить в работающую скважину через насосно-компрессорные трубы. Максимально допустимый диаметр прибора при исследовании скважины через НКТ составляет 42 мм. С другой стороны, не приведен способ проведения измерений этим устройством для определения скорости потока жидкости. Совершенно очевидно, что термочувствительный элемент должен перемещаться в потоке жидкости с ускорением g. Если начальная скорость термочувствительного элемента v 0 меньше скорости потока v пот , то при g 0, если v 0 >v пот . Также невозможно определить скорость потока жидкости, если v 0 =v пот (см. Авторское свидетельство СССР № 1247758, Кл. G01P 5/10. Устройство для определения скорости потока / М.В.Караштин и Е.Л.Панкратова (СССР). – 3858777/24-10. Заявлено 27.11.1984. Опубл. 30.07.1986. Бюл. № 28)
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение точности определения скорости потока жидкости в скважине.
Технический результат достигается тем, что проводят вдоль ствола в работающей скважине измерение термодебитомером по направлению потока до получения колоколообразной зависимости T=f(z) с положительным ускорением, если на начальном участке регистрации термодебитограммы T/ z>0, затем продолжают измерение термодебитомером по направлению потока с отрицательным ускорением до получения колоколообразной зависимости T=f(z), по этим зависимостям определяют кажущиеся скорости потока жидкости v a и v в , равные скоростям движения прибора с положительным и отрицательным ускорениями, при которых отмечаются максимальные показания на соответствующей зависимости T=f(z), а скорость потока жидкости определяют по зависимости v=(v a +v в )/2.
Технический результат достигается также тем, что проводят измерение термодебитомером по направлению потока до получения колоколообразной зависимости T=f(z) с положительным ускорением, если на начальном участке регистрации термодебитограммы Т/ z>0, а также с отрицательным ускорением, если на начальном участке регистрации термодебитограммы Т/ z исп =f(z), скорость потока жидкости равна скорости прибора, при которой отмечается максимум на исправленной колоколообразной зависимости.
Технический результат достигается также тем, что проводят вдоль ствола в работающей скважине измерение термодебитомером по направлению потока до получения колоколообразной зависимости T=f(z) с отрицательным ускорением, если на начальном участке регистрации термодебитограммы Т/ z a и v c , равные скоростям движения прибора с отрицательным и положительным ускорениями, при которых отмечаются максимальные показания на соответствующей зависимости T=f(z), а скорость потока жидкости определяют по зависимости V=(v в +V c )/2.
Возможность достижения технического результата обусловлена тем, что в независимом п.1 скорость v a завышена, а скорость v в занижена, а в независимом п.3 скорость v в занижена, а скорость v c завышена относительно истинной скорости потока жидкости в скважине, в то время как средняя арифметическая величина этих скоростей позволит уменьшить погрешность определения скорости потока жидкости в скважине. Кроме того, погрешность определения скорости потока жидкости в скважине уменьшается также вследствие того, что нивелируется влияние различных величин инерционности канала термодебитомера и канала скорости регистрации при определении скорости потока жидкости в скважине за счет проведения серии измерений термодебитомером с различными постоянными скоростями, которые выбирают на участке колоколообразной зависимости T=f(z), где отмечается наибольшая крутизна как слева, так и справа от максимального значения этой зависимости. Показания термодебитомера через небольшое время после начала регистрации с постоянной скоростью по направлению потока жидкости остаются постоянными, наступает стабилизация теплообмена между датчиком прибора и жидкостью. На такие термодебитограммы влияние инерционности прибора не сказывается. Поэтому скорость потока жидкости в скважине, определенная по зависимому п.2, будет правильной.
Из научно-технической литературы и патентной документации не известны: 1) способ проведения измерения термодебитомером по направлению потока с положительным ускорением, если на начальном участке регистрации термодебитограммы Т/ v больше нуля, а измерение проводят до получения колоколообразной зависимости T=f(v), затем продолжают измерение термодебитомером по направлению потока с отрицательным ускорением до получения колоколообразной зависимости T=f(v); 2) способы проведения серии измерений термодебитомером с постоянными, но различными скоростями, а скорости выбираются на участке первоначально зарегистрированной термодебитограммы колоколообразной формы, где отмечается наибольшая крутизна как слева, так и справа от максимального значения этой зависимости; 3) способ проведения измерения термодебитомером по направлению потока с отрицательным ускорением, если на начальном участке регистрации термодебитограммы T/ v меньше нуля, а измерение проводят до получения колоколообразной зависимости T=f(v), затем продолжают измерение термодебитомером по направлению потока с положительным ускорением до получения колоколообразной зависимости T=f(v).
На фиг.1, 2 приведены зависимости показаний термодебитомера Т от скорости v его перемещения в скважине.
На фиг.1 приведены графики, иллюстрирующие определение скорости потока жидкости по измерениям термодебитомером в нагнетательной скважине с использованием способов 1 и 3. Здесь представлены: в первой колонке – глубины в скважине; во второй – скорость перемещения термодебитомера при спуске, кр.1, а также показания термодебитомера в потоке при закачке воды в скважину при переменной скорости перемещения прибора вдоль ствола, кр. 2. Регистрацию термодебитограммы начали с положительным ускорением. При этом было отмечено максимальное показание прибора в точке «а». Этой точке соответствует скорость движения прибора v a =286 м/час. Однако скорость движения потока жидкости в стволе скважины будет меньше, чем скорость движения прибора, так как постоянная времени термодебитомера больше, чем в канале скорости регистрации термодебитограммы.
На глубине 2676,9 м продолжили регистрацию термодебитограммы при спуске прибора с отрицательным ускорением. При этой был зарегистрирован максимум в точке «в». Соответствующая этому максимуму скорость движения прибора v в =222 м/час, а скорость потока жидкости будет меньше этой величины по причине того, что постоянная времени термодебитомера больше, чем в канале скорости регистрации термодебитограммы. Согласно способу 1 скорость потока v=(v a +v в )/2=254 м/час.
На глубине 2678,5 м продолжили регистрацию термодебитограммы при спуске прибора с положительным ускорением. При этом был зарегистрирован максимум в точке «с». Соответствующая этому максимуму скорость движения прибора Vc=242 м/час, а скорость потока жидкости будет больше этой величины по причине, приведенной выше. Согласно способу 3 скорость потока v=(v в +v c )/2=232 м/час. То, что получились различные величины скорости движения потока жидкости в скважине, определенные по способам 1 и 3, объясняется различным ускорением движения прибора по абсолютной величине. Осуществить на практике движение прибора с положительным и отрицательным ускорениями так, чтобы эти ускорения были равны между собой по абсолютной величине, затруднительно. Поэтому разработан следующий способ определения скорости потока жидкости в скважине, в котором исключается влияние инерционности прибора на показания термодебитомера.
На Фиг.2 приведены графики, иллюстрирующие определение скорости потока жидкости с использованием способа 2. На фиг.2а) приведены термодебитограммы: кр.4 зарегистрирована с положительным ускорением в направлении, совпадающем с направлением потока жидкости в колонне; кр.3 – это исправленная термодебитограмма, которая построена по результатам серии измерений термодебитомером в интервале исследований с различными, но постоянными скоростями в направлении, совпадающем с направлением потока жидкости в колонне, а скорости выбирались из кр.4 на участке, где отмечается наибольшая крутизна как слева, так и справа от точки, где отмечается максимум на этой кривой. На фиг.2б) приведены термодебитограммы: кр.5 зарегистрирована с отрицательным ускорением в направлении, совпадающем с направлением потока жидкости в колонне; кр.6 – это исправленная термодебитограмма, которая построена по результатам серии измерений термодебитомером в интервале исследований с различными, но постоянными скоростями в направлении, совпадающим с направлением потока жидкости в колонне, а скорости выбирались из кр.5 на участке, где отмечается наибольшая крутизна как слева, так и справа от точки, где отмечается максимум на этой кривой.
Кр.3 и кр.5 построены по результатам серии измерений термодебитомером с постоянными скоростями по направлению, совпадающему с направлением потока жидкости. Так как на эти измерения не оказывает влияние различие постоянной времени канала термодебитомера и канала скорости регистрации, то и на кр.3 и кр.5 это влияние отсутствует. Следовательно, скорость, определенная по исправленным кр.3 и кр.5, будет равна скорости потока жидкости в скважине.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ определения скорости потока жидкости в скважине, включающий регистрацию термодебитограммы в работающей скважине с последующим сопоставлением ее с градуировочной характеристикой, полученной на модели, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения скорости потока жидкости, проводят вдоль ствола в работающей скважине измерение термодебитомером по направлению потока с положительным ускорением, если на начальном участке регистрации термодебитограммы Т/ v больше нуля, а измерение проводят до получения «колоколообразной» зависимости T=f(v), затем проводят измерение термодебитомером по направлению потока с отрицательным ускорением до получения «колоколообразной» зависимости T=f(v), по этим зависимостям определяют кажущиеся скорости v a и v в , которые соответствуют максимальному показанию соответствующей зависимости T=f(v), истинную скорость потока определяют по зависимости v=(v a +v в )/2.
2. Способ определения скорости потока жидкости в скважине по п.1, отличающийся тем, что дополнительно проводят серию измерений термодебитомером с постоянными, но различными скоростями в интервале глубин, где надо определить скорость потока, скорости выбирают на участке «колоколообразной» зависимости T=f(v), где отмечается наибольшая крутизна как слева, так и справа от максимального значения этой зависимости, по полученным данным строят исправленную «колоколообразную» зависимость Т исп =f(v), искомая скорость потока жидкости равна скорости прибора, при которой отмечается максимум на исправленной «колоколообразной» зависимости.
3. Способ определения скорости потока жидкости в скважине, включающий регистрацию термодебитограммы в работающей скважине с последующим сопоставлением ее с градуировочной характеристикой, полученной на модели, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения скорости потока жидкости, проводят вдоль ствола в работающей скважине измерение термодебитомером по направлению потока с отрицательным ускорением, если на начальном участке регистрации термодебитограммы T/ v меньше нуля, а измерение проводят до получения «колоколообразной» зависимости T=f(v), затем проводят измерение термодебитомером по направлению потока с положительным ускорением до получения «колоколообразной» зависимости T=f(v), по этим зависимостям определяют кажущиеся скорости v в и v c , которые соответствуют максимальному показанию соответствующей зависимости T=f(v), истинную скорость потока определяют по зависимости v=(v в +v c )/2.
