RU2737243C1 - In-line instrument for measuring viscosity of newtonian and non-newtonian liquids using slit-type narrowing device - Google Patents

In-line instrument for measuring viscosity of newtonian and non-newtonian liquids using slit-type narrowing device Download PDF

Info

Publication number
RU2737243C1
RU2737243C1 RU2020106699A RU2020106699A RU2737243C1 RU 2737243 C1 RU2737243 C1 RU 2737243C1 RU 2020106699 A RU2020106699 A RU 2020106699A RU 2020106699 A RU2020106699 A RU 2020106699A RU 2737243 C1 RU2737243 C1 RU 2737243C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
viscosity
measuring
newtonian
flow
section
Prior art date
Application number
RU2020106699A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Анатолий Фёдорович Серов
Александр Дмитриевич Назаров
Валерий Николаевич Мамонов
Виктор Иванович Терехов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН)
Priority to RU2020106699A priority Critical patent/RU2737243C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2737243C1 publication Critical patent/RU2737243C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N11/00—Investigating flow properties of materials, e.g. viscosity, plasticity; Analysing materials by determining flow properties
    • G01N11/10—Investigating flow properties of materials, e.g. viscosity, plasticity; Analysing materials by determining flow properties by moving a body within the material
    • G01N11/16—Investigating flow properties of materials, e.g. viscosity, plasticity; Analysing materials by determining flow properties by moving a body within the material by measuring damping effect upon oscillatory body

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Measuring Volume Flow (AREA)

Abstract

FIELD: measurement.
SUBSTANCE: invention relates to measuring equipment. Flow device comprises slot-type narrowing device in form of flat channel of rectangular cross-section with ratio of sides of 1:5, not less, and degree of narrowing of 5, not less than, and an information collection and processing system comprising a differential pressure sensor on a control system with two sampling branch pipes, a system for measuring temperature of the flowing liquid with a temperature sensor and a computing device to determine fluid viscosity, dimensionless dependence of coefficient of resistance of said flow-through instrument on Reynolds number is used, which is obtained by calibrating the instrument on a hydraulic bench with calibrating fluid, having a known viscosity dependence on temperature.
EFFECT: creation of a fluid-flow universal device for continuous measurement of the "acting" value of kinematic (dynamic) viscosity of liquid transported via a pipeline, including a Newtonian, non-Newtonian or multicomponent mixture.
1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике. Изобретение относится к устройствам для непрерывного (поточного) измерения вязкости протекающей по трубопроводу несжимаемой жидкости (ньютоновской, неньютоновской или многокомпонентной смеси). Изобретение относится к встроенному измерительному прибору для измерения с помощью установленного на трубопроводе сужающего устройства (СУ) текущего значения кинематической (динамической) вязкости транспортируемой по этому трубопроводу несжимаемой жидкости.The invention relates to measuring technology. The invention relates to a device for continuous (flow) measurement of the viscosity of an incompressible fluid flowing through a pipeline (Newtonian, non-Newtonian or multicomponent mixture). The invention relates to a built-in measuring device for measuring the current value of the kinematic (dynamic) viscosity of an incompressible fluid transported through this pipeline using a restriction device (SC) installed on a pipeline.

Одним из важных контролируемых параметров нефти при ее добыче и транспортировке по трубопроводам является вязкость [патенты SU 427260, 10.08.1968, G01L 27/00; SU 1500909, 29.12.1986, G01N 11/08; SU 1205001, 12.09.1958, B01D 24/48, B01D 21/02; SU 1413481, 02.02.1987, G01N 11/08; RU 2390733; 07.09.2006, G01F 1/84, G01F 1/74, G01F 25/00, G01F 1/34; RU 2414686, 19.07.2007, G01F 1/32, G01F 15/00; RU 2521721, 31.01.2013, G01F 1/00; RU 2451911, 22.12.2008, G01F 15/18]. Такие измерения необходимы, в частности, для непрерывного контроля вязкости многокомпонентной смеси, выходящей из нефтяной скважины.One of the important controlled parameters of oil during its production and transportation through pipelines is viscosity [patents SU 427260, 08/10/1968, G01L 27/00; SU 1500909, 29.12.1986, G01N 11/08; SU 1205001, 12.09.1958, B01D 24/48, B01D 21/02; SU 1413481, 02.02.1987, G01N 11/08; RU 2390733; 09/07/2006, G01F 1/84, G01F 1/74, G01F 25/00, G01F 1/34; RU 2414686, 19.07.2007, G01F 1/32, G01F 15/00; RU 2521721, 31.01.2013, G01F 1/00; RU 2451911, 22.12.2008, G01F 15/18]. Such measurements are necessary, in particular, to continuously monitor the viscosity of a multicomponent mixture exiting an oil well.

В настоящее время контроль вязкости продукции нефтяных скважин выполняют периодическим отбором проб для поведения регулярного измерения вязкости этих проб в лабораторных условиях.Currently, oil well production viscosity control is performed by periodic sampling to conduct regular measurement of the viscosity of these samples in laboratory conditions.

В автоматизированных системах измерения физических параметров таких, к примеру, как объемный расход, плотность или вязкость протекающей в трубопроводе среды, часто используют встроенные в систему измерительные приборы, работающие с установленными в трубопроводе различного типа датчиками. Эти датчики вызывают в протекающей среде силы реакции, соответствующие объемному расходу, скорости потока, плотности или вязкости среды. На основе этих сил реакции система вырабатывает измерительный сигнал, соответствующий измеряемому физическому параметру.In automated systems for measuring physical parameters, such as, for example, volumetric flow rate, density or viscosity of a medium flowing in a pipeline, measuring instruments built into the system are often used, which work with various types of sensors installed in the pipeline. These sensors induce reaction forces in the flowing medium corresponding to volumetric flow rate, flow rate, density or viscosity of the medium. Based on these reaction forces, the system generates a measurement signal corresponding to the measured physical parameter.

Одним из традиционных инструментов, используемых для измерения расхода жидкостей и газов является сужающее устройство (СУ). Метод измерения расхода жидкости или газа с помощью СУ основан на измерении перепада давления, возникающего в результате преобразования в СУ части потенциальной энергии потока в кинетическую энергию.One of the traditional instruments used to measure the flow of liquids and gases is a constriction device (VD). The method for measuring the flow rate of a liquid or gas using a CS is based on measuring the pressure drop arising from the conversion of a part of the potential energy of the flow into kinetic energy in the CS.

Часто используемые разновидности СУ - это стандартные диафрагмы и стандартные сопла. Теория и методики применения СУ в настоящее время хорошо проработаны [Кремлевский. П.П. Расходомеры и счетчики количества вещества / Справочник. Кн. 2. Санкт-Петербург: Изд-во «Политехника», 2004. 412 с], геометрия, типоразмеры и диапазоны измерения расходов с помощью СУ, используемых в технологических и в коммерческих целях, жестко регламентированы различными ГОСТ и ТУ.Commonly used SU varieties are standard diaphragms and standard nozzles. The theory and methods of using SU are currently well developed [Kremlevsky. P.P. Flowmeters and counters of the amount of substance / Handbook. Book. 2. St. Petersburg: Publishing house "Polytechnic", 2004. 412 s], geometry, standard sizes and ranges of flow measurement using control systems used for technological and commercial purposes are strictly regulated by various GOST and TU.

В общем случае можно показать, что зависимость массового расхода жидкости через СУ зависит от перепада давления ΔР на СУ, геометрии проточной части СУ и свойств жидкости (плотности и вязкости).In the general case, it can be shown that the dependence of the mass flow rate of liquid through the CS depends on the pressure drop ΔР across the CS, the geometry of the CS flow path, and the properties of the liquid (density and viscosity).

Традиционные СУ используют в таких диапазонах расходов измеряемой среды, когда потери на трение малы по сравнению с потерями давления на преобразование потенциальной энергии потока в кинетическую энергию. В этом случае в уравнении, описывающем процесс, членом, содержащим вязкость текущей жидкости, пренебрегают, и для СУ получается универсальная зависимость, из которой следует, что перепад давления ΔР на СУ зависит только от расхода G и плотности ρ протекающей через СУ жидкости. Эти диапазоны расходов измеряемой среды, когда силами трения (вязкостью жидкости ν) можно пренебречь, реализуются при достаточно больших числах Рейнольдса Re=VD/ν, где V - характерная скорость течения жидкости(например, средняя скорость по сечению трубопровода), D - характерный размер (например, диаметр трубопровода), ν - кинематическая вязкость жидкости. В справочной литературе по СУ для каждого типа СУ всегда указывается рабочий диапазон чисел Рейнольдса (когда справедливо допущение о пренебрежении силами трения).Traditional CS are used in such ranges of flow rates of the measured medium when frictional losses are small compared to pressure losses for converting the potential energy of the flow into kinetic energy. In this case, in the equation describing the process, the term containing the viscosity of the flowing liquid is neglected, and a universal dependence is obtained for the CS, from which it follows that the pressure drop ΔР across the CS depends only on the flow rate G and the density ρ of the liquid flowing through the CS. These ranges of flow rates of the measured medium, when frictional forces (fluid viscosity ν) can be neglected, are realized at sufficiently large Reynolds numbers Re = VD / ν, where V is the characteristic fluid flow rate (for example, the average velocity over the pipeline cross section), D is the characteristic size (for example, pipeline diameter), ν is the kinematic viscosity of the fluid. In the reference literature on SU, for each type of SU, the working range of Reynolds numbers is always indicated (when the assumption of neglect of friction forces is valid).

При работе с вязкими жидкостями (например, с нефтью и нефтепродуктами) в общем случае пренебрегать силами трения нельзя, так как их вязкость может быть достаточно высока, а расходы весьма умеренны (малые числа Рейнольдса).When working with viscous fluids (for example, with oil and oil products), in the general case, friction forces cannot be neglected, since their viscosity can be quite high, and the costs are very moderate (low Reynolds numbers).

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому поточному прибору является прибор со схемой сужающего устройства, описанной в статье авторов заявляемого поточного прибора [Серов А.Ф., Мамонов В.Н. Поточный метод измерения вязкости жидкости с помощью сужающего устройства. ИНТЕРЭКСПО ГЕО-СИБИРЬ. Том. 2. №3. 2014. Стр. 51-56].The closest in terms of the set of essential features to the claimed flow device is a device with a narrowing device scheme described in the article by the authors of the claimed flow device [AF Serov, VN Mamonov. In-line method for measuring the viscosity of a liquid using a restriction device. INTEREXPO GEO-SIBERIA. Tom. 2. No. 3. 2014. p. 51-56].

В указанной статье не завершена серия экспериментов для подтверждения заявленного ниже технического результата, а именно универсальности прибора по жидкостям.This article does not complete a series of experiments to confirm the technical result stated below, namely, the versatility of the device for liquids.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание универсального по жидкости поточного прибора для непрерывного измерения «действующего» значения кинематической (динамической) вязкости транспортируемой по трубопроводу жидкости, в том числе ньютоновской, неньютоновской или многокомпонентной смеси.The problem to be solved by the present invention is to create a universal flow device for liquid for continuous measurement of the "effective" value of the kinematic (dynamic) viscosity of a fluid transported through a pipeline, including Newtonian, non-Newtonian or multicomponent mixtures.

Для решения указанной задачи предлагается поточный прибор с щелевым (плоским) сужающим устройством (далее - СУ) для непрерывного измерения вязкости протекающей по трубопроводу жидкости, в основе работы которого лежит использование универсальной калибровочной кривой при наличии следующих данных: диаметра трубопровода D, плотности жидкости ρ, перепада давления ΔР на СУ и характерной скорости потока V.To solve this problem, an in-line device with a slotted (flat) narrowing device (hereinafter referred to as CS) is proposed for continuous measurement of the viscosity of a liquid flowing through a pipeline, which is based on the use of a universal calibration curve in the presence of the following data: pipeline diameter D, liquid density ρ, differential pressure ΔР across the control system and characteristic flow rate V.

Исходя из принципов анализа размерностей и физического подобия гидродинамических процессов [Кутателадзе С.С.. Анализ подобия в теплофизике / Новосибирск: Издательство «Наука», Сибирское отделение, 1982. 280 с], СУ, имеющее определенную геометрию проточной части, можно характеризовать универсальной для любых жидкостей зависимостью:Based on the principles of the analysis of dimensions and physical similarity of hydrodynamic processes [Kutateladze S.S .. Analysis of similarity in thermal physics / Novosibirsk: Publishing house "Nauka", Siberian Branch, 1982. 280 s], the SU, which has a certain geometry of the flow path, can be characterized as universal for any liquids addiction:

Figure 00000001
Figure 00000001

Здесь величина λ=ΔP/(ρV2/2) представляет собой безразмерное отношение сил давления потока к силам инерции (ΔР - перепад давления на СУ, V - средняя скорость во входном сечении СУ диаметром D, ρ - плотность жидкости) и называется коэффициентом сопротивления СУ, а безразмерный параметр Re=VD/ν - традиционное число Рейнольдса.Here, the value λ = ΔP / (ρV 2/2) is the dimensionless ratio of the pressure forces to inertial forces (? P - pressure drop across the SU, V - average speed in the inlet section SU diameter D, ρ - fluid density) and is called resistance factor SU, and the dimensionless parameter Re = VD / ν is the traditional Reynolds number.

Безразмерная зависимость (1) индивидуальна для каждого СУ, так как в нее входят параметры, описывающие геометрию СУ.Dimensionless dependence (1) is individual for each CS, since it includes parameters that describe the geometry of the CS.

Но эта индивидуальная с точки зрения геометрии СУ зависимость универсальна для любых жидкостей (в том числе и для многокомпонентных смесей) во всем доступном для практики диапазоне расходов, так как она учитывает кинематику потока (скорость V) и свойства жидкости (плотность ρ и вязкость μ).But this dependence, individual from the point of view of the CS geometry, is universal for any liquids (including multicomponent mixtures) in the entire flow rate range available for practice, since it takes into account the flow kinematics (velocity V) and the properties of the liquid (density ρ and viscosity μ) ...

Можно использовать и обратную универсальную зависимость:You can also use the inverse universal dependency:

Figure 00000002
Figure 00000002

В этом случае, если известны диаметр трубопровода D и плотность жидкости ρ, измерены перепад давления ΔР на СУ и характерная скорость V, то, пользуясь универсальной кривой (2), можно определить вязкость жидкости μ: μ=ρVD/Re.In this case, if the diameter of the pipeline D and the density of the liquid ρ are known, the pressure drop ΔР across the CS and the characteristic velocity V are measured, then, using the universal curve (2), we can determine the viscosity of the liquid μ: μ = ρVD / Re.

Поставленная задача решается тем, что поточный прибор для измерения вязкости ньютоновских и неньютоновских жидкостей с помощью щелевого сужающего устройства, представляющий собой измерительный участок (секцию) трубопровода, установленный с помощью фланцевых соединений в разрыв трубопровода с протекающей жидкостью, содержит щелевое сужающее устройство в виде плоского канала прямоугольного сечения с соотношением сторон 1:5, и более, и степенью сужения по площади по отношению к входному/выходному сечению прибора 5, и более, плавно сопрягающееся с круглыми входным и выходным сечениями измерительного участка, систему сбора и обработки информации, содержащую датчик перепада давления на СУ с установленными в начале и в конце измерительного участка двумя отборными патрубками, систему измерения температуры протекающей жидкости со встроенным в конце измерительного участка датчиком температуры, ультразвуковой измеритель скорости потока жидкости с двумя излучателями/приемниками для определения плотности и средней скорости потока жидкости во входном сечении измерительного участка, установленными на противоположных узких сторонах плоского канала со смещением по длине канала, и вычислительное устройство.The problem is solved by the fact that the flow device for measuring the viscosity of Newtonian and non-Newtonian fluids using a slotted narrowing device, which is a measuring section (section) of the pipeline, installed using flange connections into a pipeline rupture with a flowing liquid, contains a slotted narrowing device in the form of a flat channel rectangular section with an aspect ratio of 1: 5 or more, and a degree of narrowing in area in relation to the inlet / outlet section of the device 5 or more, smoothly mating with the circular inlet and outlet sections of the measuring section, an information collection and processing system containing a differential sensor pressure at the CS with two sampling pipes installed at the beginning and at the end of the measuring section, a system for measuring the temperature of a flowing liquid with a temperature sensor built-in at the end of the measuring section, an ultrasonic meter for the fluid flow rate with two emitters / receivers for determining the the density and average velocity of the liquid flow in the inlet section of the measuring section, installed on opposite narrow sides of the flat channel with an offset along the channel length, and a computing device.

Для определения вязкости жидкости в память вычислительного устройства системы сбора и обработки информации введена программа расчета вязкости жидкости на основе универсальной безразмерной зависимости коэффициента сопротивления этого поточного прибора от числа Рейнольдса, которую получают с помощью калибровки прибора на гидравлическом стенде с калибровочной жидкостью, имеющей известную зависимость вязкости от температуры.To determine the viscosity of a liquid, a program for calculating the viscosity of a liquid based on the universal dimensionless dependence of the drag coefficient of this flow device on the Reynolds number, which is obtained by calibrating the device on a hydraulic bench with a calibration fluid with a known dependence of viscosity on temperature.

Суть предлагаемого поточного прибора для непрерывного измерения вязкости потока с помощью особого щелевого сужающего устройства (СУ), поясняется чертежами.The essence of the proposed flow device for continuous measurement of flow viscosity using a special slotted orifice device (SC) is illustrated by drawings.

Фиг. 1 - общая схема поточного прибора для измерения вязкости ньютоновских и неньютоновских жидкостей с помощью щелевого сужающего устройства.FIG. 1 is a general diagram of an in-line device for measuring the viscosity of Newtonian and non-Newtonian fluids using a slot orifice device.

Фиг. 2 - вид прибора для измерения вязкости в разрезе С-С.FIG. 2 is a view of a device for measuring viscosity in the section C-C.

Где: 1 - система сбора и обработки информации (ССОИ); 2 - сужающее устройство (измерительный участок) (СУ); 3 - датчик перепада давления на СУ (ΔР); 4 - отборный патрубок датчика перепада давления на СУ (Р1); 5 - отборный патрубок датчика перепада давления на СУ (Р2); 6 - датчик температуры жидкости (Т); 7 - система измерения температуры (СИТ); 8 - ультразвуковой измеритель плотности и средней скорости потока жидкости (УЗИС); 9 - излучатель/приемник УЗИС (А); 10 - излучатель/приемник УЗИС (В); 11 - входное сечение СУ (Вх); 12 - выходное сечение СУ (Вых); V - средняя скорость потока жидкости во входном сечении СУ; ν - вязкость жидкости. Поточный прибор представляет собой измерительный участок (секцию) трубопровода, устанавливаемый с помощью фланцевых соединений в разрыв трубопровода с протекающей жидкостью.Where: 1 - information collection and processing system (SSOI); 2 - constriction device (measuring section) (CS); 3 - differential pressure sensor on the control system (ΔР); 4 - selection pipe of the differential pressure sensor at the control system (P1); 5 - selection pipe of the differential pressure sensor at the control system (P2); 6 - liquid temperature sensor (T); 7 - temperature measurement system (SIT); 8 - ultrasonic meter of density and average fluid flow rate (UZIS); 9 - emitter / receiver UZIS (A); 10 - emitter / receiver UZIS (V); 11 - inlet section of the CS (Bx); 12 - outlet section of the CS (Out); V is the average fluid flow rate in the CS inlet section; ν is the viscosity of the liquid. A flow device is a measuring section (section) of a pipeline installed by means of flange connections into a pipeline rupture with a flowing liquid.

Основой поточного прибора является СУ, представляющее собой плоский канал прямоугольного сечения с соотношением сторон не менее, чем 1:5, плавно сопрягающийся с круглыми входным и выходным сечениями СУ. Входное и выходное сечения оканчиваются круглыми плоскими фланцами, предназначенными для установки СУ в трубопроводе. Степень сужения СУ по площади по отношению к входному/выходному сечению прибора не менее, чем 5.The basis of the flow device is the CS, which is a flat rectangular channel with an aspect ratio of not less than 1: 5, smoothly mating with the circular inlet and outlet sections of the CS. The inlet and outlet sections are terminated with round flat flanges intended for the installation of the CS in the pipeline. The degree of CS narrowing by area in relation to the inlet / outlet section of the device is not less than 5.

Поточный прибор содержит систему сбора и обработки информации (ССОИ) с датчиком перепада давления (ΔР) на СУ, системой измерения температуры (СИТ), ультразвуковым измерителем скорости (УЗИС) и вычислительным устройством (на фигурах не показано).The flow device contains a system for collecting and processing information (SSOI) with a differential pressure sensor (ΔP) on the control system, a temperature measurement system (SIT), an ultrasonic velocity meter (UZIS) and a computing device (not shown in the figures).

Датчик перепада давления на СУ соединен с установленными в начале и в конце измерительного участка отборными патрубками Р1 и Р2 для измерения перепада давления на СУ. Система измерения температуры включает установленный в конце измерительного участка датчик температуры Т для измерения температуры потока жидкости. Ультразвуковой измеритель скорости (УЗИС) соединен с установленными на противоположных узких сторонах плоского канала со смещением по длине канала излучатели/приемники А и В для определения плотности и средней скорости потока жидкости V во входном сечении измерительного участка.The differential pressure sensor at the CS is connected to the selection pipes P1 and P2 installed at the beginning and at the end of the measuring section to measure the differential pressure at the CS. The temperature measuring system includes a temperature sensor T installed at the end of the measuring section to measure the temperature of the fluid flow. An ultrasonic velocity meter (UZIS) is connected to emitters / receivers A and B installed on opposite narrow sides of the flat channel with an offset along the length of the channel to determine the density and average fluid flow velocity V in the inlet section of the measuring section.

Датчик перепада давления на СУ (ΔР) в объявленной интерпретации является проточным вискозиметром, так как по величине его сигнала (с учетом значений параметров V и D) по калибровочной кривой СУ вычислительным устройством вычисляется значение кинематической вязкости ν протекающей через СУ среды.The pressure drop sensor at the CS (ΔР) in the announced interpretation is a flow viscometer, since the value of the kinematic viscosity ν of the medium flowing through the CS is calculated by the magnitude of its signal (taking into account the values of the parameters V and D) by the calibration curve of the CS.

Авторы применили ультразвуковой измеритель плотности и средней скорости (УЗИС) потока в плоском прямоугольном канале, излучатели которого, создают акустические колебания по всему поперечному сечению потока в щелевом пространстве. Такой вариант ультразвукового расходомера был реализован и исследован на гидродинамическом стенде [Сертификат об утверждении типа средств измерений «ТРИТОН-М» №20775 от 15 июня 2005 г.; Серов А.Ф. Принцип построения двухкомпонентного счетчика-расходомера для нефтяной скважины / А.Ф. Серов, А.Д. Назаров, В.Н. Мамонов, М.В. Бодров // Научный вестник НГТУ. 2012. Вып. 4. С. 176-182; Серов А.Ф. Аппаратура и алгоритм для определения содержания нефти в смеси у скважины / А.Ф. Серов, А.Д. Назаров, В.Н. Мамонов, М.В. Бодров // Сборник материалов Международного научного конгресса Гео-Сибирь-2007 (25-27 апреля 2007, Россия, Новосибирск). Новосибирск, СГГА. 2007. Т. 5, С. 218-224]. Соответственно, подходящие типы измерительных ультразвуковых сенсоров и их размещение описаны, к примеру, в WO-A 03/076879, в WO-A 03/021202, в WO-A 01/65213, в WO-A 00/57141, в US-B 6776052, в US-B 67119 58, в US-A 6044715, в US-A 5301557, ЕР - А 1001254.The authors used an ultrasonic meter for density and average velocity (USIS) of the flow in a flat rectangular channel, the emitters of which create acoustic vibrations over the entire cross-section of the flow in the slotted space. This version of the ultrasonic flow meter was implemented and tested on a hydrodynamic stand [Type approval certificate for measuring instruments "TRITON-M" No. 20775 dated June 15, 2005; Serov A.F. The principle of building a two-component flow meter for an oil well / A.F. Serov, A.D. Nazarov, V.N. Mamonov, M.V. Bodrov // Scientific Bulletin of NSTU. 2012. Issue. 4.S. 176-182; Serov A.F. Equipment and algorithm for determining the oil content in the mixture near the well / A.F. Serov, A.D. Nazarov, V.N. Mamonov, M.V. Bodrov // Collection of materials of the International Scientific Congress Geo-Siberia-2007 (April 25-27, 2007, Russia, Novosibirsk). Novosibirsk, SSGA. 2007. T. 5, S. 218-224]. Accordingly, suitable types of ultrasonic measuring sensors and their placement are described, for example, in WO-A 03/076879, in WO-A 03/021202, in WO-A 01/65213, in WO-A 00/57141, in US- B 6776052, in US-B 67119 58, in US-A 6044715, in US-A 5301557, EP-A 1001254.

Поточный прибор устанавливают по ходу трубопровода таким образом, чтобы через него протекала вязкая среда. Данные в систему сбора и обработки информации поступают от датчика перепада давления (ΔР), ультразвукового измерителя плотности и средней скорости потока (УЗИС) и датчика температуры (Т).The flow device is installed along the pipeline so that a viscous medium flows through it. Data in the system for collecting and processing information comes from a differential pressure sensor (ΔP), an ultrasonic meter for density and average flow rate (UZIS) and a temperature sensor (T).

Система сбора и обработки информации с частотой от 10 до 200 измерений в секунду определяет текущие значения следующих величин: V - средней скорости потока жидкости во входном сечении измерительного участка, ΔР - перепада давления на СУ, ρ - плотности жидкости для измеренной температуры Т, и по заложенной в память вычислительного устройства системы сбора и обработки информации универсальной калибровочной кривой для СУ вычисляет текущие значения динамической и кинематической вязкости жидкости μ и ν и формирует временные архивы всех измеренных и вычисленных величин.The system for collecting and processing information with a frequency of 10 to 200 measurements per second determines the current values of the following quantities: V is the average fluid flow rate in the inlet section of the measuring section, ΔР is the pressure drop across the CS, ρ is the fluid density for the measured temperature T, and The universal calibration curve for the control system stored in the memory of the computing device of the information collection and processing system calculates the current values of the dynamic and kinematic viscosity of the liquid μ and ν and forms time archives of all measured and calculated values.

Информация от датчиков поступает в систему сбора и обработки информации в реальном режиме времени, что позволяет считать, что все первичные данные привязаны к одному моменту времени и, соответственно, к одному состоянию потока, протекающего через измерительный участок в данный момент.The information from the sensors enters the system for collecting and processing information in real time, which makes it possible to consider that all primary data are tied to one moment in time and, accordingly, to one state of the flow flowing through the measuring section at the moment.

Таким образом, основой алгоритма определения вязкости жидкости μ (μ=ρVD/Re) является использование универсальной калибровочной кривой при наличии следующих данных: заданных: диаметра трубопровода D и плотности жидкости ρ; измеренных: перепада давления ΔР и характерной скорости потока V.Thus, the basis of the algorithm for determining the viscosity of a liquid μ (μ = ρVD / Re) is the use of a universal calibration curve in the presence of the following data: given: the diameter of the pipeline D and the density of the liquid ρ; measured: differential pressure ΔР and characteristic flow velocity V.

Изобретение обеспечивает высокую точность измерения вязкости двух- или многофазной среды в условиях синхронного снятия данных в щелевом пространстве измерительного участка.The invention provides high accuracy in measuring the viscosity of a two- or multiphase medium under conditions of synchronous data collection in the slotted space of the measuring section.

Для проверки работоспособности способа и устройства для измерения текущего значения вязкости жидкости авторами было изготовлено СУ, для которого экспериментально была получена безразмерная калибровочная зависимость λ=f(Re).To test the operability of the method and device for measuring the current value of the viscosity of a liquid, the authors made a CS, for which a dimensionless calibration dependence λ = f (Re) was experimentally obtained.

На фиг. 3 приведена безразмерная калибровочная зависимость изготовленного СУ, построенная в координатах Re=g(λ). Калибровка была проведена на специальном экспериментальном калибровочном стенде Института теплофизики СО РАН [Серов А.Ф., Мамонов В.Н. Поточный метод измерения вязкости жидкости с помощью сужающего устройства. ИНТЕРЭКСПО ГЕО-СИБИРЬ. Том. 2. №3. 2014. Стр. 51-56], позволяющем осуществлять циркуляцию калибровочной жидкости с различными фиксированными значениями динамической (кинематической) вязкости при различных температурах циркулирующей жидкости.FIG. 3 shows the dimensionless calibration dependence of the manufactured CS, plotted in the coordinates Re = g (λ). Calibration was carried out on a special experimental calibration bench of the Institute of Thermophysics SB RAS [Serov AF, Mamonov V.N. In-line method for measuring the viscosity of a liquid using a restriction device. INTEREXPO GEO-SIBERIA. Tom. 2. No. 3. 2014. p. 51-56], which allows the circulation of the calibration fluid with different fixed values of the dynamic (kinematic) viscosity at different temperatures of the circulating fluid.

СУ представляло собой плоское сужение высотой 5 мм, шириной 50 мм и длиной 250 мм плавно сопрягающееся на входе и выходе измерительного участка с круглой тубой диаметром 50 мм. Измерительный участок на концах имел фланцы для присоединения к трубе диаметром 50 мм.The CS was a flat constriction 5 mm high, 50 mm wide and 250 mm long, smoothly mating at the inlet and outlet of the measuring section with a round tube 50 mm in diameter. The measuring section at the ends had flanges for connection to a pipe with a diameter of 50 mm.

В контуре проливного стенда в качестве рабочей жидкости циркулировало индустриальное масло И-50А ГОСТ 20799-88. На капиллярном вискозиметре с шагом 1°С была получена зависимость кинематической вязкости этого масла от температуры. Проливной стенд позволял осуществлять циркуляцию рабочей жидкости с различными контролируемыми значениями ее расхода и температуры, что позволяло знать в каждый момент проведения эксперимента текущие значения средней скорости потока во входном сечении СУ и температуру жидкости, а, значит, и текущее значение кинематической вязкости рабочей жидкости.Industrial oil I-50A GOST 20799-88 circulated in the contour of the pouring stand as a working fluid. The dependence of the kinematic viscosity of this oil on temperature was obtained on a capillary viscometer with a step of 1 ° C. The pouring stand made it possible to circulate the working fluid with various controlled values of its flow rate and temperature, which made it possible to know at each moment of the experiment the current values of the average flow rate in the CS inlet section and the temperature of the liquid, and, hence, the current value of the kinematic viscosity of the working fluid.

Калибровочная характеристика СУ была построена в диапазоне изменения температуры рабочей жидкости (индустриальное масло И-50А) от 21°С до 45°С, что соответствовало изменению ее кинематической вязкости от 7⋅10-6 м2/с до 16⋅10-6 м2/с. Средняя скорость потока во входном сечении СУ изменялась в диапазоне от 0,16 м/с до 0,38 м/с. Из фиг. 3 видно, что все экспериментальные данные, полученные в процессе проведения калибровочных измерений, хорошо обобщаются безразмерной универсальной зависимостью. Это обстоятельство подтверждает все вышеприведенные рассуждения о возможности измерения кинематической (динамической) вязкости жидкости с помощью СУ предложенной конструкции.The calibration characteristic of the CS was plotted in the range of change in the temperature of the working fluid (industrial oil I-50A) from 21 ° C to 45 ° C, which corresponded to a change in its kinematic viscosity from 7⋅10 -6 m 2 / s to 16⋅10 -6 m 2 / s. The average flow velocity in the CS inlet section varied in the range from 0.16 m / s to 0.38 m / s. From FIG. 3 that all the experimental data obtained in the course of the calibration measurements are well generalized by the dimensionless universal dependence. This circumstance confirms all the above reasoning about the possibility of measuring the kinematic (dynamic) viscosity of a liquid using the CS of the proposed design.

На фиг. 4 приведены результаты экспериментов по измерению вязкости индустриального масла И-30А с помощью калиброванного СУ в виде зависимости измеренного значения вязкости рабочей жидкости, ν(изм)*106 м2/с от табличного значения вязкости, ν(t)*106 м2/с, определенного по температурной зависимости вязкости рабочей жидкости.FIG. 4 shows the results of experiments on measuring the viscosity of industrial oil I-30A using a calibrated SU in the form of the dependence of the measured value of the viscosity of the working fluid, ν (meas) * 10 6 m 2 / s on the tabular value of viscosity, ν (t) * 10 6 m 2 / s, determined from the temperature dependence of the viscosity of the working fluid.

Эксперименты проводились на том же проливном стенде, на котором калибровалось СУ. Вязкость масла изменялась за счет изменения его температуры. В процессе проведения экспериментов регистрировались температура рабочей жидкости, перепад давления на СУ, средняя скорость рабочей жидкости во входном сечении СУ.The experiments were carried out on the same pouring stand on which the control system was calibrated. The viscosity of the oil changed by changing its temperature. In the course of the experiments, the temperature of the working fluid, the pressure drop across the BC, and the average velocity of the working fluid in the inlet section of the BC were recorded.

На основании проведенных измерений с помощью калибровочной характеристики СУ (см. фиг. 3) определялись значения вязкости рабочей жидкости ν(изм) для реализованных в экспериментах значений температуры.Based on the measurements carried out using the calibration characteristic of the control system (see Fig. 3), the values of the working fluid viscosity ν (meas) were determined for the temperature values realized in the experiments.

Из фиг. 4 следует, что относительная погрешность результатов измерения кинематической вязкости индустриального масла И-50А с помощью СУ, отнесенная к верхней границе выбранного диапазона измерения кинематической вязкости (3-30)10-6 м2/с, в указанных выше условиях не превышает величины ±2%.From FIG. 4 it follows that the relative error of the results of measuring the kinematic viscosity of industrial oil I-50A using the SU, referred to the upper limit of the selected range for measuring the kinematic viscosity (3-30) 10 -6 m 2 / s, under the above conditions does not exceed ± 2 %.

Очевидно, что, если с помощью предлагаемого устройства будет измеряться вязкость не обычной ньютоновской жидкости, а, например, жидкости, имеющая ярко выраженные неньютоновские свойства, то СУ по описанной выше методике будет регистрировать так называемое «действующее» значение вязкости потока. Это действующее значение равно вязкости калибровочной жидкости, протекающей через СУ при той же температуре, которую имеет неньютоновская жидкость и вызывающей такой же перепад давления на СУ, как неньютоновская жидкость.Obviously, if the proposed device measures the viscosity of not an ordinary Newtonian fluid, but, for example, a fluid with pronounced non-Newtonian properties, then the SU according to the method described above will record the so-called "effective" value of the flow viscosity. This effective value is equal to the viscosity of the calibration fluid flowing through the BC at the same temperature as the non-Newtonian fluid and causing the same pressure drop across the BC as the non-Newtonian fluid.

Claims (2)

1. Поточный прибор для измерения вязкости ньютоновских и неньютоновских жидкостей с помощью щелевого сужающего устройства, представляющий собой измерительный участок (секцию) трубопровода, установленный с помощью фланцевых соединений в разрыв трубопровода с протекающей жидкостью, содержащий щелевое сужающее устройство в виде плоского канала прямоугольного сечения, плавно сопрягающегося с круглыми входным и выходным сечениями измерительного участка, систему сбора и обработки информации, включающую датчик перепада давления на СУ с установленными в начале и в конце измерительного участка двумя отборными патрубками, систему измерения температуры протекающей жидкости со встроенным в конце измерительного участка датчиком температуры и вычислительное устройство, отличающийся тем, что плоский канал прямоугольного сечения щелевого сужающего устройства имеет соотношение сторон 1:5 и более и степень сужения по площади по отношению к входному/выходному сечению прибора 5 и более, система сбора и обработки информации дополнительно содержит ультразвуковой измеритель скорости потока жидкости с двумя излучателями/приемниками для определения плотности и средней скорости потока жидкости во входном сечении измерительного участка, которые установлены на противоположных узких сторонах плоского канала со смещением по длине канала, а в память вычислительного устройства для вычисления текущих значений динамической и кинематической вязкости жидкости заложена универсальная безразмерная зависимость коэффициента сопротивления этого поточного прибора от числа Рейнольдса, которую получают с помощью калибровки прибора на гидравлическом стенде с калибровочной жидкостью, имеющей известную зависимость вязкости от температуры.1. In-line device for measuring the viscosity of Newtonian and non-Newtonian fluids using a slotted orifice device, which is a measuring section (section) of a pipeline installed by means of flange connections into a rupture of a pipeline with a flowing liquid, containing a slotted narrowing device in the form of a flat rectangular channel, smoothly interfacing with circular inlet and outlet sections of the measuring section, a system for collecting and processing information, including a differential pressure sensor at the control system with two sampling pipes installed at the beginning and at the end of the measuring section, a system for measuring the temperature of the flowing liquid with a temperature sensor integrated at the end of the measuring section and a device characterized in that a flat rectangular channel of a slotted narrowing device has an aspect ratio of 1: 5 or more and a degree of narrowing in area with respect to the inlet / outlet section of the device 5 or more, a collection system and information processing additionally contains an ultrasonic fluid flow rate meter with two emitters / receivers for determining the density and average fluid flow rate in the inlet section of the measuring section, which are installed on opposite narrow sides of the flat channel with an offset along the channel length, and in the memory of the computing device for calculating current values of the dynamic and kinematic viscosity of the liquid, a universal dimensionless dependence of the resistance coefficient of this flow device on the Reynolds number is laid, which is obtained by calibrating the device on a hydraulic stand with a calibration fluid having a known dependence of viscosity on temperature. 2. Поточный прибор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве вычислительного устройства системы сбора и обработки информации поточного прибора используют программируемый контроллер или персональный компьютер.2. The flow device according to claim 1, characterized in that a programmable controller or a personal computer is used as a computing device of the data collection and processing system of the flow device.
RU2020106699A 2020-02-12 2020-02-12 In-line instrument for measuring viscosity of newtonian and non-newtonian liquids using slit-type narrowing device RU2737243C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020106699A RU2737243C1 (en) 2020-02-12 2020-02-12 In-line instrument for measuring viscosity of newtonian and non-newtonian liquids using slit-type narrowing device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020106699A RU2737243C1 (en) 2020-02-12 2020-02-12 In-line instrument for measuring viscosity of newtonian and non-newtonian liquids using slit-type narrowing device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2737243C1 true RU2737243C1 (en) 2020-11-27

Family

ID=73543589

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020106699A RU2737243C1 (en) 2020-02-12 2020-02-12 In-line instrument for measuring viscosity of newtonian and non-newtonian liquids using slit-type narrowing device

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2737243C1 (en)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1500909A1 (en) * 1986-12-29 1989-08-15 Октябрьский Филиал Всесоюзного Научно-Исследовательского И Проектно-Конструкторского Института Комплексной Автоматизации Нефтяной И Газовой Промышленности Viscometer
SU1702249A1 (en) * 1989-05-31 1991-12-30 Тверской политехнический институт Method for measuring viscosity of flow in pipeline
RU2065146C1 (en) * 1992-03-12 1996-08-10 Могилевское производственное объединение "Химволокно" им.В.И.Ленина Method of determination of viscosity of liquids in pipe-lines
DE69713074T2 (en) * 1996-03-06 2002-10-17 Micro Motion Inc VISCOSIMETER WITH PARALLEL SWITCHED MASS FLOW METERS ACCORDING TO THE CORIOLISPRIZIP
RU66029U1 (en) * 2007-03-19 2007-08-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева INTEGRATED DEVICE FOR MEASURING FLOW, DENSITY AND VISCOSITY OF OIL PRODUCTS
DE102013210952A1 (en) * 2013-06-12 2014-12-31 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Method and device for determining undissolved particles in a fluid
RU2674128C1 (en) * 2015-06-08 2018-12-04 Ляйстритц Экструзионстехник Гмбх Measuring nozzle for measuring shear viscosity of polymer melts

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1500909A1 (en) * 1986-12-29 1989-08-15 Октябрьский Филиал Всесоюзного Научно-Исследовательского И Проектно-Конструкторского Института Комплексной Автоматизации Нефтяной И Газовой Промышленности Viscometer
SU1702249A1 (en) * 1989-05-31 1991-12-30 Тверской политехнический институт Method for measuring viscosity of flow in pipeline
RU2065146C1 (en) * 1992-03-12 1996-08-10 Могилевское производственное объединение "Химволокно" им.В.И.Ленина Method of determination of viscosity of liquids in pipe-lines
DE69713074T2 (en) * 1996-03-06 2002-10-17 Micro Motion Inc VISCOSIMETER WITH PARALLEL SWITCHED MASS FLOW METERS ACCORDING TO THE CORIOLISPRIZIP
RU66029U1 (en) * 2007-03-19 2007-08-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева INTEGRATED DEVICE FOR MEASURING FLOW, DENSITY AND VISCOSITY OF OIL PRODUCTS
DE102013210952A1 (en) * 2013-06-12 2014-12-31 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Method and device for determining undissolved particles in a fluid
RU2674128C1 (en) * 2015-06-08 2018-12-04 Ляйстритц Экструзионстехник Гмбх Measuring nozzle for measuring shear viscosity of polymer melts

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
А.Ф.СЕРОВ и В.Н.МАМОНОВ. "Поточный метод измерения вязкости жидкости с помощью сужающего устройства" // ИНТЕРЭКСПО ГЕО-СИБИРЬ, Том 2, N 3, 2014, стр. 51 - 56. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kaji et al. The effect of pipe diameter on the structure of gas/liquid flow in vertical pipes
Niezgoda-Żelasko et al. Momentum transfer of ice slurry flows in tubes, experimental investigations
Abdulkadir et al. Experimental study of the hydrodynamic behaviour of slug flow in a horizontal pipe
US20110296911A1 (en) Method and apparatus for measuring the density of a flowing fluid in a conduit using differential pressure
Aliyu et al. Upward gas–liquid two-phase flow after a U-bend in a large-diameter serpentine pipe
US20100138168A1 (en) Apparatus and a method of measuring the flow of a fluid
Wang et al. Interfacial wave velocity of vertical gas-liquid annular flow at different system pressures
Wang et al. Slug flow identification using ultrasound Doppler velocimetry
Shi et al. A CFD study on horizontal oil-water flow with high viscosity ratio
Zhu et al. Intermittent gas-liquid two-phase flow in helically coiled tubes
de Oliveira et al. Pressure drop and gas holdup in air–water flow in 180 return bends
Guo et al. Temperature fluctuation on pipe wall induced by gas–liquid flow and its application in flow pattern identification
RU2743511C1 (en) Flow method for measuring viscosity of newtonian and non-newtonian liquids using slit-type narrowing device
Guo et al. Flowrate measurement of vertical oil-gas-water slug flow based on basic temperature and differential pressure signals
Zhang et al. Effect of gas density and surface tension on liquid film thickness in vertical upward disturbance wave flow
Cai et al. Experimental investigation on spatial phase distributions for various flow patterns and frictional pressure drop characteristics of gas liquid two-phase flow in a horizontal helically coiled rectangular tube
Kalotay Density and viscosity monitoring systems using Coriolis flow meters
Kiambi et al. Measurements of local interfacial area: application of bi-optical fibre technique
Garcia et al. Hydrodynamic forces in a horizontal-horizontal elbow in a gas-liquid system
RU2348918C2 (en) Density gauge for liquid or gaseous mediums
RU2737243C1 (en) In-line instrument for measuring viscosity of newtonian and non-newtonian liquids using slit-type narrowing device
Cascetta et al. Field test of a swirlmeter for gas flow measurement
Vicencio et al. An experimental characterization of horizontal gas-liquid slug flow
Tam et al. The effect of inner surface roughness and heating on friction factor in horizontal mini-tubes
RU2359247C1 (en) Density metre-flow metre for liquid and gaseous media