Спосіб вимірювання витрати нестаціонарного потоку рідкого або газового середовища

УКРАЇНА (19) UA (11) 81042 (13) C2 (51) МПК (2006) G01F 1/68 G01P 5/10 МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ ДЕРЖАВНИЙ Д ЕПАРТАМЕНТ ІНТЕЛ ЕКТУАЛЬНОЇ ВЛАСНОСТІ ОПИС ДО ПАТЕНТУ НА ВИНАХІД (54) СПОСІБ ВИМІРЮВАННЯ ВИТРАТИ НЕСТАЦІОНАРНОГО ПОТОКУ РІДКОГО АБО ГАЗОВОГО СЕРЕДОВИЩА 1 d 2q 1 * dt 2 d постійну часу C термочутиливого DQ < (0,1K1) та співвідношення: елемента із C = ( 0,05K 0,2) DQ , де d 2q dt 2 - перша похідна від витрати потоку рідкого або газового середовища, л/с2 , m = ( 2K 3) L , d де L - інтервал змінювання параметрів потоку, л/с, а величину ви трати визначають, підсумовуючи частинні відліки параметрів за загальний час вимірювання. максимальна частота пульсацій, знаходження усередненого значення підкореневого виразу і вимірювання витрати газу з урахуванням коефіцієнта витрати. За цим способом неможливо визначити витрату потоку газ у, що має лінійний або експоненційний тренд, параметри якого випадковим чином змінюються, тому що за таких обставин неможливо точно вимірювати спектральний розподіл пульсацій. Найбільш близьким аналогом винаходу є спосіб [UA, патент № 49035, кл. G01F1/68, G01Р5/12, опубл. 16.09.2002р.] вимірювання витрати потоку рідкого або газового середовища, (19) Винахід відноситься до способів вимірювання витрат рідкого або газового середовища та може бути використаний для вимірювання витрати стаціонарних, а також нестаціонарних, у тому числі наростаючих та спадаючих по інтенсивності, потоків. Відомий спосіб [RU, заявка № 2002132839/28, кл. С01F1/34, опубл. 10.06.2004р.] визначення витрати пульсуючого потоку газу на магістральному газогоні, який включає вимірювання температури та тиску на діафрагмі, спектральний розподіл пульсацій газового потоку та вимірювання пульсацій газового потоку з частотою, принаймні, вдвічі більшою, ніж UA (11) 81042 часу DQ між суміжними відліками параметрів термочутливого елемента із співвідношення: C2 - відносна помилка вимірювання d параметра термочутливого елемента, л/с, визначають величину масиву відліків m вимірювання параметрів за формулою: (13) (21) a200512234 (22) 19.12.2005 (24) 26.11.2007 (72) БОКІЙ БОРИС ВСЕВОЛОДОВИЧ, UA, ДЕГЛІН БОРИС МОЙСЕЄВИЧ, UA, ЄФРЕМОВ ІГОР ОЛЕКСІЙОВИЧ, UA, МЄЛКОНЯН АШОТ АРКАДІЙОВИЧ, UA (73) ОРЕНДНЕ ПІДПРИЄМСТВО "ШАХТА ІМ. О.Ф. ЗАСЯДЬКА", UA, ТОВАРИСТВО З ОБМЕЖЕНОЮ ВІДПОВІДАЛЬНІСТЮ "ЗУА", U A (56) UA 49035 C2, 16.09.2002 RU 2002132839 A, 10.06.2004 EP 0072044 B1, 21.10.1987 (57) Спосіб вимірювання витрати нестаціонарного потоку рідкого або газового середовища, який включає вимірювання параметрів термочутливого елемента, що опосередковує контакт з потоком рідкого або газового середовища, фіксацію цих параметрів у часі та визначення по виміряних параметрах витрати потоку рідкого або газового середовища, який відрізняється тим, що попередньо визначають порядок величини першої похідної від витрати потоку рідкого або газового середовища, після чого визначають інтервали 2 3 81042 який включає нагрівання термочутливого елемента, що опосередкує контакт з потоком рідкого або газового середовища, охолодження його після нагрівання потоком середовища, вимірювання температури tcep середовища, фіксацію двох моментів часу в процесі охолодження термочутливого елемента, врахування двох значень температури t 1 и t 2 у вказані моменти часу та вимірювання інтервалу часу ДТ між вказаними моментами, при цьому врахування двох вказаних значень температури здійснюють вибором вказаних моментів часу на експоненційній ділянці функції охолодження термочутливого елемента, вимірюванням відношення: (t1 - tcp)/(t0 - tc p) та обчислюванням постійної часу т зкспоненційної ділянки функції охолодження термочутливого елемента за формулою: DT t= t1- tcp ln t2 - tcp , а витрату потоку рідкого або газового середовища визначають за виміряними значеннями температури середовища та постійної часу. Ознаки найближчого аналогу, що співпадають з суттєвими ознаками пропонованого винаходу: вимірювання параметрів термочутливого елемента, що опосередкуює контакт з потоком рідкого або газового середовища; фіксацію цих параметрів у часі; визначення по виміряним параметрам витрати потоку рідкого або газового середовища. Відомий спосіб призначений для вимірювання витрати стаціонарного потоку рідкого або газового середовища, що звужує область його використання із наступних причин: - неможливо вимірювати витрату потоку рідкого або газового середовища, параметри якого змінюються швидше, ніж постійна часу термочутливого елемента, тому, що точність цього способу залежить від точності вимірювання параметрів, що відображають охолодження термочутливого элемента стаціонарним потоком рідкого або газового середовища; - оскільки постійна часу t визначається з формули із логарифмічною точністю, тому для забезпечення задовільної точності витрати навіть стаціонарного потоку необхідно вимірювати різниці температур на відносно великих інтервалах часу DT (порівняних з постійною часу термочутливого елемента або перевищуючи х її) та температуру датчиків t1 и t 2 з високою точністю. Інакше кажучи, це спосіб з принципово високою інерційністю вимірювань, прийнятний виключно для стаціонарних потоків. В основу заявляємого винаходу поставлена задача удосконалення способу вимірювання витрати нестаціонарного потоку рідкого або газового середовища, в якому за рахунок нових технологічних операцій досягається швидкодійність вимірювання окремих відліків, та зменшення часу між окремими вимірами, що 4 забезпечує універсальність та точність способу вимірювання. Поставлена задача вирішується тим, що в способі вимірювання витрати нестаціонарного потоку рідкого або газового середовища, який включає вимірювання параметрів термочутливого елемента, що опосередкує контакт з потоком рідкого або газового середовища, фіксацію цих параметрів у часі та визначення по виміряним параметрам витрати потоку рідкого або газового середовища, згідно винаходу попередньо визначають порядок величини першої похідної від витрати потоку рідкого або газового середовища, після чого визначають інтервали часу DQ між суміжними відліками параметрів термочутливого елемента із співвідношення: d2 q 1 d, dt та постійну часу С термочутиливого елемента із співвідношення: С = (0,05-0,2) DQ, DQ < (0,1- 1) 2 * d2 q 2 де dt перша похідна від витрати потоку рідкого або газового середовища, л/с2; d - відносна помилка вимірювання параметра термочутливого елемента, л/с, визначають величину масиву відліків m вимірювання параметрів за формулою: L m = (2 ¸ 3 ) d, де L - інтервал змінювання параметрів потоку, л/с, а величину витрати визначають підсумовуючи частинні відліки параметрів за загальний час вимірювання. Попередня оцінка першої похідної від витрати потоку рідкого або газового середовища дозволяє узгодити порядки величини швидкодійності датчиків, які застосовуються для вимірів, зі швидкістю процесу, що належить вимірювати. Залежність інтервалу часу між окремими вимірюваннями від помилки вимірювання параметра термочутливого елемента позбавляє від необхідності марної роботи. Таким чином кожний окремий вимір супроводжується мінімально можливими похибками. Зменшення часу окремого виміру разом з застосуванням використання масиву вимірів, який має об'єм, не менший ніж обчислений за формулою L m (2 - 3 ) = d - забезпечує узгодження вимоги детального опису нестаціонарного потоку у кожну мить на протязі часу вимірювання, що дозволяє зробити точні обчислення витрати потоку рідкого або газового середовища. Інтервал часу між суміжними відліками параметрів ДО визначається з урахуванням першої похідної від витрати потоку рідкого або газового середовища та помилки вимірювання параметра термочутливого елемента, що опосередкує контакт із потоком середовища. Таким чином, узгоджується порядок швидкості 5 81042 змінювання параметрів потоку та умови вимірювання. Визначення об'єму масиву відліків m, необхідного для визначення витрати із необхідною точністю враховує природу нестаціонарного потоку. Коли інтервал змінювання параметрів потоку L незначний (потік приблизно стаціонарний), то вимірювання може бути здійснено швидше - вимоги до об'єму масиву стають простішими. Таким чином, процедура вимірювань адаптується до природи нестаціонарності. Визначення постійної часу С термочутливого элементу із наведеного співвідношення та використання датчиків саме з такою постійною часу дозволяє забезпечити незалежність кожного окремого відліку параметра, що вимірюється, від нестаціонарного потоку, що забезпечує точність вимірювання. Приклад. Контролювали виток потоку газу із свердловини, що була зроблена у вугільному пласті m 3. Оцінювали швидкість змінювання витрати газу із свердловини та установили, що за дві хвилини витрата газу змінюється приблизно на 4літри/хв. Таким чином знаходили, що величина d2 q dt 2 дорівнює приблизно 2,0літри/хв. Відносна помилка термочутливого елемента d при абсолютній величині витрати біля 20літрів/хв дорівнює приблизно 0,5 літри/хв. Таким чином, d2 q 1 * dt 2 d визначили із співвідношення інтервал часу між суміжними відліками, він дорівнює хвилини. Практично важливий інтервал змінювання витрати газу знаходиться в діапазоні від 5 до 25літрів/хвилин у, тобто інтервал змінювання параметрів потоку L дорівнює приблизно 20літрів/хв. Визначали величину масиву відліків т, яка дорівнює приблизно 80 - 120 відліків. Оцінювали постійну часу термочутливого елементу, прийнятного для вимірювань за даним способом, за формулою: С = (0,05 - 0,2) DQ та отримали для зазначених умов вимірювань (середніх значень діапазонів змінювання DQ и С) оцінку постійної часу датчика, рівну приблизно 0,05 хвилини (тобто не більше 3 секунд). Після коректування параметрів процедури вимірювань та з застосуванням датчиків з технічними даними, що відповідають розрахованим, отримали значення вимірів витрати нестаціонарного потоку з експоненційним трендом, які наведені в таблиці. Підсумовуючи дані таблиці отримали оцінку витрати газу із свердловини. За час вимірювань, 200 секунд, загальна кількість газу дорівнює 10,03 літри. Повторними вимірами встановлено, що відносна помилка вимірів не перевищує 5 відсотків, що приблизно в чотири рази краще, ніж вимірювання за найближчим аналогом. Таким чином за рахунок збільшення швидкодійності вимірювання окремих відліків потоку та підсумовування масиву окремих відліків за весь час вимірювання досягнуто збільшення DQ < (0,1- 1) 6 точності вимірів витрати нестаціонарного потоку газу. Таблиця 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 Час, с Х100 0 0,0125 0,025 0,0375 0,05 0,0625 0,075 0,0875 0,1 0,1125 0,125 0,1375 0,15 0,1625 0,175 0,1875 0,2 0,2125 0,225 0,2375 0,25 0,2625 0,275 0,2875 0,3 0,3125 0,325 0,3375 0,35 0,3625 0,375 0,3875 0,4 0,4125 0,425 0,4375 0,45 0,4625 0,475 0,4875 0,5 0,5125 0,525 0,5375 0,55 0,5625 0,575 0,5875 0,6 0,6125 0,625 0,6375 0,65 0,6625 0,675 Витрата, л/хв 23 22,90 22,59 22,30 21,84 21,47 21,39 21,01 20,72 20,54 20,20 19,95 19,96 19,42 19,29 18,95 18,69 18,66 18,50 18,29 18,11 17,71 17,29 17,31 17,17 16,65 16,75 16,27 16,07 15,83 15,82 15,42 15,36 15,26 15,07 14,89 14,63 14,32 14,30 14,03 13,96 13,97 13,48 13,38 13,23 13,23 12,84 12,87 12,52 12,41 12,44 12,17 12,17 12,02 11,61 7 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 0,6875 0,7 0,7125 0,725 0,7375 0,75 0,7625 0,775 0,7875 0,8 0,8125 0,825 0,8375 0,85 0,8625 0,875 0,8875 0,9 0,9125 0,925 0,9375 0,95 0,9625 0,975 0,9875 1 1,0125 1,025 1,0375 1,05 1,0625 1,075 1,0875 1,1 1,1125 1,125 1,1375 1,15 1,1625 1,175 1,1875 1,2 1,2125 1,225 1,2375 1,25 1,2625 1,275 1,2875 1,3 1,3125 1,325 1,3375 1,35 1,3625 1,375 1,3875 1,4 1,4125 1,425 1,4375 81042 11,45 11,24 11,12 11,25 11,16 10,97 10,86 10,70 10,49 10,34 10,18 10,15 9,90 9,78 9,54 9,71 9,32 9,34 9,25 9,24 8,82 8,88 8,89 8,82 8,66 8,45 8,39 8,38 8,08 8,05 8,07 7,73 7,91 7,63 7,37 7,45 7,18 7,20 7,37 6,98 6,91 7,12 6,77 6,71 6,54 6,62 6,58 6,49 6,35 6,34 6,01 6,26 5,87 5,92 5,87 5,96 5,56 5,62 5,73 5,34 5,58 8 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 160 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 1,45 1,4625 1,475 1,4875 1,5 1,5125 1,525 1,5375 1,55 1,5625 1,575 1,5875 1,6 1,6125 1,625 1,6375 1,65 1,6625 1,675 1,6875 1,7 1,7125 1,725 1,7375 1,75 1,7625 1,775 1,7875 1,8 1,8125 1,825 1,8375 1,85 1,8625 1,875 1,8875 1,9 1,9125 1,925 1,9375 1,95 1,9625 1,975 1,9875 2 5,44 5,21 5,07 5,18 5,14 5,21 4,88 5,13 5,06 4,70 4,93 4,78 4,47 4,43 4,45 4,27 4,40 4,34 4,50 4,26 4,16 4,27 4,27 4,01 4,14 3,92 4,04 3,94 3,99 3,85 3,71 3,73 3,57 3,63 3,72 3,30 3,29 3,50 3,53 3,15 3,19 3,39 3,09 3,24 3,27