Классификация способов и средств измерения расхода жидкости

В практике сооружения скважин требуется измерять и количество жидкости, расходуемой за определенный промежуток времени или потребной, например, для заполнения скважины при тампонировании, цементировании, доливе при подъеме инструмента и т. д. (в этих целях используются счетчики количества — объемные и скоростные), и мгновенный расход при промывке скважины в процессе бурения.

В технике используются расходомеры различного принципа работы: электромагнитные, обтекания, переменного перепада давления, тахометрические, шариковые, ультразвуковые, тепловые, оптические, вихревые, калориметрические, поляризационные, парциальные, ионизационные, расходомеры, основанные на контроле движения «меток» потока и др. На рис. 3.21 приведены схемы датчиков расхода жидкости различного принципа работы.

/. Счетчики количества определяют расход жидкости в весовых единицах за определенный промежуток времени, расходомеры — в объемных единицах, отнесенные к единице времени (м³/ч, л/с, л/мин). В зависимости от способа измерения счетчики количества подразделяются на объемные (расход определяется с помощью объемных устройств: мерных баков, поршневых устройств, счетчиков с овальными шестернями), скоростные (расход определяется по скорости потока) и весовые.

Рис. 3.21. Схемы датчиков расхода жидкости: а — электромагнитный датчик: б — датчики расходомеров обтекания; в — датчики турбинных расходомеров; г — датчики расходомеров переменного перепада давления; д — датчик расходомера переменного уровня.

2. Электромагнитные (индукционные) расходомеры. Электромагнитные (или индукционные) расходомеры основаны на измерении ЭДС, индуктируемой в потоке электропроводной жидкости, пересекающей при своем движении магнитное поле (рис. 3.21, а). Преобразователь расхода (датчик расхода) состоит из трубопровода, вмонтированных в него в диаметрально противоположных точках двух электродов и электромагнитной системы. Магнитное поле перпендикулярно оси трубопровода и оси электродов.

Индуктируемая ЭДС определяется путем измерения разности потенциалов двух электродов, введенных в жидкость, и она пропорциональна скорости движения жидкости, т. е. при постоянстве сечения трубопровода характеризует расход:

где Е — разность потенциалов; В — магнитная индукция; / - расстояние между электродами; v — средняя скорость движения жидкости; Q — объемный расход жидкости; S — сечение трубопровода.

При круглом сечении трубопровода (/ = d) имеем где d- диаметр трубопровода; к — коэффициент пропорциональности.

Трубопровод изготавливается из неферромагнитной нержавеющей стали и изнутри футеруется электроизоляционным материалом. В действительности.

где коэффициенты к и к₂ соответственно учитывают неравномерность магнитного поля и шунтирующее действие металлической трубы, соприкасающейся с футеровкой.

3. Расходомеры обтекания. У расходомеров обтекания введенное в поток тело (поплавок, диск, крыло, поршень, шар и т. п.) воспринимает динамическое давление обтекающего его потока и перемещается в зависимости от величины расхода. Помещенное в поток тело совместно с трубопроводом является первичным преобразователем расхода в линейное или угловое перемещение. Величина перемещения является мерой величины расхода. Противодействующей силой потоку является вес тела, усилие упругой подвески или усилие пружины.

По степени свободы тела расходомеры обтекания подразделяются на две группы: у одних обтекаемое тело свободно и перемещается вдоль оси датчика на величину, пропорциональную расходу; у других обтекаемое тело закреплено на оси, и мерой расхода является угол поворота.

Расходомеры первой группы подразделяются на расходомеры постоянного перепада давления (ротаметры, поплавковые, поршневые) и расходомеры с изменяющимся перепадом давления (поплавковопружинные).

К расходомерам второй группы относятся расходомеры с поворотной лопастью.

На рис. 3.21, б приведены схемы основных типов датчиков расходомеров обтекания: ротаметр, поплавковый датчик, поршневой датчик.

поплавково-пружинный датчик с горизонтальным перемещением поплавка, датчик с поворотной лопастью.

Ротаметр включает коническую трубку и поплавок, устанавливается в вертикальном положении; высота подъема поплавка является мерой расхода. Поплавковый датчик также устанавливается в вертикальном положении. В поршневом датчике преобразователем расхода является поршень, вертикально перемещающийся во втулке с боковыми окнами. В поплавковых и поршневых датчиках ход поплавка и поршня передаются для дальнейшего преобразования скрепленному с ними штоку. У всех рассмотренных датчиков при изменении расхода жидкости изменяется площадь проходного отверстия, поэтому перепад давления остается практически постоянным.

В поплавково-пружинных датчиках с изменяющимся перепадом давления с горизонтальным перемещением поплавка, нагруженного пружиной, площадь проходного отверстия не изменяется. Перепад давления у таких датчиков возрастает с увеличением расхода.

Расходомеры постоянного перепада давления. Расходомеры постоянного перепада давления представляют собой вертикально установленный корпус конической формы, к нижней части которого подводится жидкость, газ или пар. Внутри корпуса свободно размещен поплавок. Чем больше расход вещества, тем больше скорость его движения и подъемная сила, увлекающая поплавок вверх до тех пор, пока вес поплавка не уравновесится разностью давлений до и после поплавка: Ар = р — /?2, где р и р₂ — соответственно давление снизу и сверху поплавка.

Расход вещества определяют по высоте расположения поплавка.

Для измерения расходов жидкостей под большим давлением используются металлические конические трубки и сложная конструкция датчика в целом, обусловленная, в частности, необходимостью преобразования и передачи показаний.

Основными частями датчика поплавкового типа является поплавок 1 и конусная трубка 2 (рис. 3.22). Жидкость, проходя через датчик, приподнимает поплавок на высоту Я, пропорциональную расходу Q. Движение поплавка с помощью ферромагнитного штока 3, индуктивной (L) катушки 4, надетой на трубку 5 из неферромагнитного материала, и измерительной схемы преобразуется в электрический сигнал Яд, который пропорционален величине вхождения сердечника в катушку Я, т. с. и расходу Q.

Для ротаметров и с определенным допуском для поплавковых датчиков расходомеров теоретическая зависимость между расходом жидкости (2т и высотой подъема поплавка Я может быть определена формулой где (р — коэффициент расхода поплавка; для поплавка, по своим характеристикам занимающего место между тарельчатым и дисковым, может быть принят равным 0,65 и неизменным для всех значений расхода; а — центральный угол конической трубки, град.; d — диаметр поплавка по кромке рабочей части, м; g — ускорение силы тяжести, g = 9,81 м/с²; Gпж — эффективный вес поплавка, т. е. вес поплавка в жидкости, кге:

У_п — объем поплавка, м³; у_п — удельный вес материала поплавка, кге/м³; у_ж — удельный вес жидкости, кге/м³; S — миделево сечение, т. е. наибольшее поперечное сечение поплавка, м²: S = тгс?№.

Рис. 3.22. Датчик поплавкового типа.

Расходомеры с поворотной лопастью относятся к расходомерам обтекания. Расходомеры включают трубопровод и помещенную в нем лопасть, посаженную на ось. Мерой расхода является угол поворота лопасти а; противодействующей силой является все лопасти, упругие силы подвески или реакция пружины.

Угол поворота лопасти для измерения расходов жидкостей выбирается до 70°. При больших углах поворота резко снижается чувствительность датчика. Связь между расходом Q и углом поворота лопасти с грузовым уравновешиванием определяется формулой

где К — коэффициент, зависящий от конструкции и геометрии датчика, веса лопасти и плотности жидкости.

4. Большую группу составляют расходомеры переменного перепада давления. Принцип действия расходомеров переменного перепада давления основан на замере перепада давления, образующегося в месте сужения сечения трубопровода.

Сужение сечения трубопровода искусственно производят диафрагмами, соплами или специальной трубой (Вентури), а перепад давления замеряют дифференциальными манометрами (дифманометрами) различных конструкций. В месте измерения давлений движущаяся по трубопроводу жидкость встречает устройство, создающее сужение потока жидкости. Это вызывает увеличение его скорости, так как количество протекающего вещества в различных участках трубопровода одинаково. А с изменением скоростей в сечениях — изменяются и давления.

Зависимость между перепадом давления Ар и расходом О определяется выражением

где F — сечение диафрагмы; у — удельный вес жидкости; к — коэффициент, зависящий от параметров датчика и жидкости.

Для измерения перепада давления используется дифференциальный манометр (дифманометр), проградуированный в единицах расхода (рис. 3.21, г).

Общими недостатками расходомеров данного типа являются: квадратичная зависимость между расходом и перепадом сильно сужает диапазон измерения расхода; неравномерность деления шкалы (как следствие квадратичной зависимости); затруднительность их применения при измерении малых и пульсирующих потоков; ограниченная точность.

Расходомеры переменного перепада давления в силу своей исключительной простоты изготовления могут найти применение для измерения больших расходов промывочной жидкости и когда нс требуется высокая точность измерения.

5. Тахометрическне расходомеры. В тахометрических расходомерах в качестве преобразователя расхода чаще всего выступают турбинки (см. рис. 3.21, в), ротор, шарик, мерные вращающиеся элементы (камеры) и т. п., скорость вращения которых определяется скоростью потока или его объемным расходом. Отсюда, в зависимости от конструкции преобразователя, тахомстричсскис расходомеры подразделяются на турбинные, шариковые и камерные. Тахометрическне расходомеры, кроме основного преобразователя, включают преобразователь частоты вращения вала, шарика в частоту следования импульсов, чаще всего электрических. Таким образом, частота импульсов является функцией расхода. Для измерения количества подключается счетчик импульсов.

Турбинные расходомеры выполняются двух разновидностей: с тангенциальной (ось турбинки перпендикулярна направлению потока) и аксиальной (ось турбинки совпадает с направлением потока) турбинкой. Тангенциальная турбинка чаще имеет прямые лопасти, расположенные радиально по отношению к оси. Аксиальная турбинка имеет обычно загнутые по винтовой линии лопасти. Турбинные расходомеры получили широкое распространение в технике для измерения количества жидкости.

У шариковых тахометрических расходомеров шарик движется вокруг оси трубопровода в одной плоскости. Круговое движение шарику придает предварительно закрученный поток жидкости. Преобразование частоты вращения шарика вокруг оси трубопровода в полезный сигнал (импульс) обычно производится с помощью индуктивного преобразователя.

Весьма разнообразны по своей конструкции камерные тахометричсские расходомеры и счетчики с камерными преобразователями расхода: барабанные, поршневые, ротационные, зубчатые, ковшовые, лопастные и др.

Из тахомстрических расходомеров наибольшее распространение в практике сооружения скважин получили турбинные при проведении исследований в скважине (определение перетоков) и при определении дебита скважин при откачке воды. Шариковые расходомеры промывочной жидкости в силу неудовлетворительной их работы с загрязненной жидкостью не нашли применения.

Принцип работы шариковых и камерных расходомеров может быть использован при разработке дебитомеров.

6. Расходомеры переменного уровня, основанные на измерении высоты уровня жидкости в сосуде, в который непрерывно поступает жидкость и вытекает через отверстие в дне или боковой стенке. В основном данные расходомеры применяются для измерения расхода жидкости, вытекающей из трубопроводов в сосуды, работающие без давления.

Основными узлами расходомера являются емкость с профилированным отверстием в дне или боковой стенке и измеритель уровня. При определенной конфигурации щели в боковой стенке можно добиться линейной зависимости уровня жидкости от расхода (рис. 3.21, <)):

где с — постоянный коэффициент, определяемый конкретной конфигурацией расходомера.