СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ЖИДКОСТИ

Настоящее изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения расхода жидкостей, в том числе для оценки производительности погружных нефтяных насосов в процессе эксплуатации.

Хорошо известен способ измерения расхода однородной жидкости с помощью шарикового тахометрического расходомера (см, например, патент РФ №2278969 С1, МПК E21B 47/10, G01F 1/06, опубл. 27.06.2006), при котором формируют кольцевой канал для вращения чувствительного элемента, на уровне которого устанавливают датчик и фиксируют частоту вращения с последующей обработкой результатов, при этом в качестве чувствительного элемента используют шарик, изготовленный из материала с плотностью, близкой к плотности жидкости. Для последующей обработки результатов расходомер предварительно в лабораторных условиях калибруют на жидкости, расход которой будут замерять.

Способ определения расхода по частоте вращения шарика в любом тахометрическом расходомере довольно прост. Частота зависит от двух групп параметров: к первой группе относятся параметры, определяющие геометрию расходомера - это размеры проточных каналов, радиус шарика и его масса (или плотность материала шарика), размер канала, в котором вращается шарик, радиус орбиты шарика; ко второй группе относятся параметры, непосредственно характеризующие жидкость: ее объемный расход, вязкость и плотность. Зафиксировав параметры первой группы конкретным исполнением расходомера, можно получить зависимость частоты вращения шарика от объемного расхода жидкости с заданными свойствами (вязкостью и плотностью). Обычно в этом случае диапазон измеряемых расходов ограничен линейным участком зависимости расхода от частоты, т.е. имеет место простая функциональная связь между объемным расходом Q и частотой вращения шарика f:Q=a₁f+A₂. Коэффициенты a₁ и а₂ определяют в стендовых условиях на стадии калибровки расходомера. По измеренной частоте вращения шарика и известным а₁ и а₂ и вычисляют объемный расход жидкости. Известный способ характеризуется максимальной простотой съема и обработки информационного электрического сигнала, пропорционального расходу.

Однако существенным недостатком способа является низкая достоверность результатов при измерении расхода жидкости с неизвестными или изменяющимися свойствами, которые не могут быть учтены при калибровке расходомера. Поэтому его использование в качестве универсального датчика, в частности при измерении расхода добываемой скважинной жидкости, невозможно.

Предлагаемый способ позволяет с высокой точностью в широком диапазоне измерять расход жидкостей с разными, в том числе, изменяющимися в известном интервале в процессе эксплуатации свойствами.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе измерения расхода жидкости, включающем измерение скорости вращения чувствительного элемента и последующую обработку результатов, согласно изобретению измеряют скорость вращения, по меньшей мере, двух чувствительных элементов, вращающихся на разных уровнях, причем чувствительные элементы используют с разным размером и/или массой.

При этом соотношение масс чувствительных элементов, вращающихся на разных уровнях, может находиться в интервале 1-4, а соотношение их характерных размеров - в интервале 1-1.5.

Такое соотношение массы и размеров чувствительных элементов дает возможность обеспечивать значимую разницу в частотах их вращения и снизить влияние погрешности определения самих частот на точность измерения расхода.

В том случае, когда плотность жидкости известна и остается неизменной или изменяется незначительно в процессе замеров, а расходомер откалиброван в лабораторных условиях на жидкостях с разной вязкостью, способ может быть реализован с помощью тахометрического расходомера, в котором используют два чувствительных элемента. Если же в процессе замеров меняется как вязкость, так и плотность жидкости, скорость вращения следует измерять с помощью трех чувствительных элементов, вращающихся на разных уровнях.

Функциональная зависимость частот вращения каждого из трех чувствительных элементов f₁, f₂ и f₃ от параметров задачи имеет следующий общий вид:

f1=F(Q, ν, ρ, gs, m₁, r₁)

f2=F(Q, ν, ρ, gs, m₂, r₂))

f3=F(Q, ν, ρ, gs, m₃, r₃))

где Q - объемный расход жидкости, ν - вязкость жидкости, ρ - плотность жидкости, геометрические параметры расходомера обозначены как gs, m₁, m₂, m₃ - массы чувствительных элементов, r₁, r₂, r₃ - характерные размеры чувствительных элементов (для шариков, например, это радиусы). В полученной системе трех уравнений неизвестными являются три величины: Q, gs, ν, ρ, поэтому данная система уравнений разрешима при проведении замеров на трех орбитах вращения чувствительных элементов.

Способ реализуется следующим образом.

Перед использованием расходомер калибруют в лабораторных условиях с целью получения зависимости расхода жидкости от частоты вращения каждого чувствительного элемента при различных вязкостях и плотностях испытуемой жидкости.

Далее выбирают математическую процедуру, позволяющую по двум частотам однозначно определить как расход, так и вязкость жидкости, либо по трем частотам - расход, вязкость и плотность жидкости. Эта процедура может быть реализована разными способами, например, с помощью построения прямых функциональных зависимостей Q=Q(f₁, f₂, f₃), ν=ν(f₁, f₂, f₃), ρ=ρ(f₁, f₂, f₃) по измеренным данным или с использованием технологии обучаемой нейросети с входными параметрами - f₁, f₂, f₃ и выходными - Q, ν, ρ без построения явных зависимостей; возможны также любые другие численные алгоритмы пересчета частот вращения чувствительных элементов в расход жидкости.

В качестве примера покажем реализацию способа измерения расхода жидкости, плотность которой в процессе замеров не меняется, т.е. в случае, когда достаточно использовать два чувствительных элемента.

На стадии калибровки строим набор зависимостей расхода жидкости от частоты вращения каждого чувствительного элемента Q(f₁), Q(f₂) при различных вязкостях из предлагаемого диапазона. В качестве чувствительных элементов использованы феррорезиновые шарики радиусом r₁=3,25 мм с массой m₁=0,63 г и радиусом r₂=2,5 мм с массой m₂=0,23 г. На фиг.1 приведена часть линейных зависимостей Q=a₁f+a₂, полученных при следующих значениях вязкости: 1-7 сСт; 2-48 сСт, 3-126 сСт, 4 -303 сСт, по которым определяют коэффициенты a₁ и a₂ для каждой экспериментально найденной линейной функции.

Необходимо отметить, что изменение размера и/или массы чувствительного элемента приводит к изменению наклона линейной функции Q(f), т.е. к изменению коэффициента a₁.

Значения коэффициентов вводят в контроллер устройства, обрабатывающего сигнал от расходомера, формируя таким образом исходное пространство возможных решений.

После измерения частот вращения f₁ и f₂ двух чувствительных элементов для одной из измеренных частот вращения, например второго чувствительного элемента f_2, определяют по полученным ранее зависимостям Q(f₂) набор расходов, каждый из которых соответствует своей вязкости (см. правую часть фиг.1). По данному набору расходов с использованием обратных линейных зависимостей для первого чуствительного элемента f₁(Q) находят соответствующий возможный набор частот вращения первого чувствительного элемента для каждой измеренной вязкости (см. левую часть фиг.1). Из полученного набора частот выбирают частоту , наиболее близкую по величине к реально измеренной f₁ и по ней определяют ближайший расход Q'?? а также ближайшую вязкость, для которой получена зависимость Q(f₁). С учетом линейной связи между расходом и частотой, реальный расход жидкости Q вычисляют из уравнения

.

Таким образом, применение заявленного способа позволяет при определении объемного расхода жидкости по частотам вращения чувствительных элементов, отличающихся размером и/или массой, автоматически учитывать вязкость и плотность измеряемой жидкости.