一種超臨界二氧化碳流量測(cè)量方法及流量計(jì)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于石油、化工、食品、環(huán)保等使用超臨界二氧化碳領(lǐng)域的流量檢測(cè)與控制 領(lǐng)域，尤其涉及一種超臨界二氧化碳流量測(cè)量方法及流量計(jì)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著工藝技術(shù)的發(fā)展，超臨界的二氧化碳在石油、化工等領(lǐng)域使用場(chǎng)所越來(lái)越多。
[0003] 由于其廉價(jià)、消除碳排放、綜合利用與回收以及它具有的超強(qiáng)滲透性和各種化學(xué) 特性，對(duì)采油、鉆井、化工工藝等新的應(yīng)用極其廣泛并帶來(lái)很好的經(jīng)濟(jì)效益。
[0004] 對(duì)于使用部門的計(jì)量問(wèn)題一直未得到解決，無(wú)論是計(jì)量收費(fèi)還是控制工藝參數(shù)等 重要環(huán)節(jié)都需要準(zhǔn)確計(jì)量，以便進(jìn)行其它工作。
[0005] 計(jì)量困難的原因是該物質(zhì)在超臨界狀態(tài)的品相不定，可以在氣體、固體、液體狀態(tài) 相互轉(zhuǎn)變，壓縮系數(shù)、密度和粘度均隨溫度和壓力改變具有非線性變化，工作溫度在-30° 到150°寬范圍，工作壓力在3-60MPa范圍，從而給計(jì)量帶來(lái)很大困難。另外。由于呈液態(tài) 的二氧化碳與水可生成碳酸，對(duì)管線及運(yùn)動(dòng)部件產(chǎn)生腐蝕并破壞，因此流量計(jì)內(nèi)不得有運(yùn) 動(dòng)部件切需要耐腐蝕。由于常規(guī)的質(zhì)量、容積流量計(jì)的原理所規(guī)定的計(jì)量方式已不適應(yīng)該 種物質(zhì)的計(jì)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種質(zhì)量法超臨界二氧化碳流量計(jì)，使用方 便、操作簡(jiǎn)單、精度高，使用時(shí)與以往的流量連接相同，使其可在任何現(xiàn)場(chǎng)和任合場(chǎng)所進(jìn)行 有效檢測(cè)，解決了超臨界二氧化碳的準(zhǔn)確計(jì)量問(wèn)題。
[0007] 本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0008] 一種超臨界二氧化碳流量測(cè)量方法，
[0009] 通過(guò)壓力傳感器測(cè)量管道內(nèi)的壓力P，通過(guò)溫度傳感器測(cè)量管道內(nèi)的液體溫度T， 并通過(guò)射流反沖力傳感器測(cè)量檢測(cè)氣、液、固態(tài)流體流動(dòng)時(shí)對(duì)傳感器的反沖力，通過(guò)反沖 力、沖擊角度、射流擴(kuò)散曲線測(cè)量，通過(guò)壓力P、溫度T測(cè)量計(jì)算其質(zhì)量流量，具體包括如下 的步驟：
[0010] 1)計(jì)算在壓力、溫度可變情況下流體的密度：
[0011] A= (P*Mco2) / (Z*T*Rco2) (I)
[0012] 式⑴中：A為密度，單位為Kg/m3;P為壓力，單位為MPa;
[0013] T為溫度，單位為K;Z為壓縮因子，無(wú)量綱；Mco2為二氧化碳分子量，為44. 01 ;Rco2 為二氧化碳的氣體常數(shù)，取值〇. 008257,A的單位為：MPa*m3/Kmol*k;
[0014] 整理得：A= 5329. 83*P/Z*(t+273. 15)式中t為溫度，單位為攝氏度；
[0015] 2)通過(guò)壓力P以及溫度T計(jì)算壓縮因子；
[0016] 3)將步驟2)計(jì)算的壓縮因子代入公式⑴中，計(jì)算得出流體密度A;
[0017] 4)質(zhì)量流量Q的計(jì)算：Q=K*(F*S/A) ~0. 5，
[0018] 式中：Q為流量公斤/每秒；S為射孔面積，單位為平方分米；F為測(cè)得反沖力，單位 為牛頓；A為流體密度單位為：公斤/立方分米；K為射流擴(kuò)散曲線系數(shù)；射流擴(kuò)散曲線系數(shù) 是使用質(zhì)量計(jì)量后的氣體進(jìn)入流量計(jì)，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)出流量計(jì)檢測(cè)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行多次試驗(yàn)后 將誤差回歸成線性求出系數(shù)K即為射流擴(kuò)散曲線系數(shù)，射流擴(kuò)散曲線系數(shù)為本領(lǐng)域技術(shù)人 員通過(guò)上述的介紹可以得知的系數(shù)。沖擊角度為0度。
[0019] 傳感器安裝架為倒U型結(jié)構(gòu)，傳感器安裝在倒U型結(jié)構(gòu)中，與流量計(jì)管道平行形成 被測(cè)物質(zhì)通道，垂直于被測(cè)物質(zhì)通道設(shè)置混合射流通孔，射流通孔出口設(shè)置垂直于射流通 孔的射流反沖力測(cè)量板，測(cè)量板下方安裝射流反沖力傳感器，通過(guò)射流反沖力傳感器測(cè)量 出流體對(duì)射流反沖力測(cè)量板的沖力大小。
[0020] 進(jìn)一步地，采用多維收縮法計(jì)算壓縮因子：
[0021] Z= 0. 274X[(P/7. 366)/(T/304. 2)]X{0. 7937X[-G+(GXG+4XHXHXH) ~1/ 2] ~l/3-(l. 2599XH)/[-G+(GXG+4XHXHXH) ~1/2] ~l/3+[(P/7. 366)+8X(T/304. 2)]/ [9X(P/7. 366)]} (2)
[0022] 式⑵中：Z為壓縮因子，無(wú)量綱且恒小于I;
[0023] P為檢測(cè)壓力，單位Mpa，T為檢測(cè)溫度，單位K ;
[0024]式（2)中H=lAP/7. 366)-[(P/7. 366)+8X(T/304. 2)/[9X(P/7. 366)]~2G =-I/(P/7. 366)+ {[(P/7. 366)+8X(T/304. 2)]/[3X(P/7. 366) ~2]}+2X{-[(P/7. 366)+8 X(T/304. 2) ] /3X(P/7. 366)} ~3 ；
[0025] 采用生物化學(xué)遺傳方式計(jì)算法計(jì)算壓縮因子：
[0026]Z=KOXZ0+K1XZ1+K2XZ2+K3XZ3 (3)
[0027] 式中：2為壓縮因子，無(wú)量綱且恒小于1;1(0、1(1、1(2、1(3為20、21、22、23的相應(yīng)系 數(shù)；
[0028]其中：KO= (u-ul)X(u_u2)X(1-u)AulXu2);
[0029]Kl =uX(u_u2)X(u_l)/[ulX(ul-1)X(ul_u2)];
[0030]K2 =uX(u-ul)X(u_l)/[u2X(u2_l)X(u2_ul)];
[0031]K3 =uX(u_ul)X(u_u2) /[ (ul_l)X(u2_l)];
[0032] u= (P~0. 03-7. 5~0. 03V(60~0. 03-7. 5~0. 03)P為檢測(cè)壓力，單位為MPa;
[0033]ul= (16~0. 03-7. 5~0. 03)/(60~0. 03-7. 5~0. 03)
[0034]u2 = (30~0. 03-16~0. 03)/(60~0. 03-7. 5~0. 03)
[0035]ZO=I. 0151-0. 2873Xt~-3. 33-0. 0855Xt~-6. 66-0. 2077Xt~-9. 99
[0036]Zl =I. 0387-1. 3784Xt~-4. 66+0. 58Xt~-9. 32+0. 09Xt~-13. 98
[0037]Z2 =I. 0677-1. 6632Xt~-4. 06+1. 86Xt~-8. 92-0. 7218Xt~-13. 38
[0038]Z3 =I. 1541-0. 8172Xt~-4. 04+1. 1726Xt~-8. 08-0. 5099Xt~-12. 12
[0039] 式中t=T/304. 2 T為檢測(cè)溫度，單位為K，
[0040] 式中：攝氏溫度+273. 15 =K氏溫度。式中fa為B的a次冪；B-_a= 1/B-a;
[0041] 本發(fā)明還提供一種超臨界二氧化碳流量計(jì)，該流量計(jì)包括兩端設(shè)置安裝法蘭的管 段，在管段內(nèi)設(shè)置有射流反沖力傳感器，所述射流反沖力傳感器的安裝架為倒U型結(jié)構(gòu)，安 裝架的開口朝向流體流向，安裝架與管段平行形成被測(cè)物質(zhì)通道，垂直于被測(cè)物質(zhì)通道設(shè) 置混合射流通孔，倒U型安裝架內(nèi)射流通孔出口下方設(shè)置垂直于射流通孔的射流反沖力測(cè) 量板，測(cè)量板下方安裝傳感器體，通過(guò)傳感器體測(cè)量出流體對(duì)射流反沖力測(cè)量板的沖力大 小，在管段上進(jìn)口側(cè)與射流反沖力傳感器設(shè)置壓力傳感器，在管段上出口側(cè)與射流反沖力 傳感器設(shè)置有溫度傳感器。
[0042] 進(jìn)一步地，該流量計(jì)還包括微處理器，射流反沖力傳感器、溫度傳感器以及壓力傳 感器采集的數(shù)據(jù)傳遞至微處理器，微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。
[0043] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果在于：
[0044] 1、解決了超臨界二氧化碳多相混合、相互轉(zhuǎn)變等狀態(tài)的流量質(zhì)量計(jì)量問(wèn)題；
[0045] 2、可以在寬范圍壓力、溫度、密度和壓縮系數(shù)變化狀況下進(jìn)行檢測(cè)；
[0046] 3、首次采用遺傳算法、多維收索算法進(jìn)行數(shù)學(xué)模型建立，計(jì)算準(zhǔn)確性高；
[0047] 4、由于采取了技術(shù)措施，提高和達(dá)到了流量計(jì)的需要檢測(cè)精度；
[0048] 5、大大減少了傳感器維修、保養(yǎng)成本及使用成本；
[0049] 6、合理使用了進(jìn)口元器件，使系統(tǒng)的可靠性大大提高。
[0050] 7.消除了普通流量計(jì)中的運(yùn)動(dòng)部件、采用射流反沖力傳感器、增加了射流控制等 固定部件，由于反沖力傳感器的低端特性線性度高使流量計(jì)低端測(cè)量可比常規(guī)流量計(jì)高的 很多。由于被測(cè)物質(zhì)的密度是溫度、壓縮系數(shù)和壓力的非線性函數(shù)，這是常規(guī)流量計(jì)是根本 無(wú)法測(cè)量的。
[0051] 8.由于密度是壓力、溫度、壓縮系數(shù)的非線性函數(shù)關(guān)系，必須使用發(fā)沖力測(cè)量使用 間接法計(jì)量物質(zhì)的質(zhì)量，而變量范圍很廣，采用常規(guī)查表計(jì)算單片機(jī)的內(nèi)存不足，因此需要 建立數(shù)學(xué)模型在單片機(jī)采用后通過(guò)數(shù)學(xué)模型計(jì)算得出測(cè)量數(shù)據(jù)，這樣可以是有效的內(nèi)存得 到可靠使用達(dá)到目的。
【附圖說(shuō)明】
[0052] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖；
[0053] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的電路的結(jié)構(gòu)框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0054] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。
[0055] 參見圖1結(jié)合圖2, 一種超臨界二氧化碳流量計(jì)，該流量計(jì)包括兩端設(shè)置安裝法蘭 的管段1，在管段1內(nèi)設(shè)置有射流反沖力傳感器，射流反沖力傳感器的安裝架14為倒U型結(jié) 構(gòu)，安裝架14的開口朝向流體流向，安裝架14與管段1平行形成被測(cè)物質(zhì)通道4,垂直于被 測(cè)物質(zhì)通道設(shè)置混合射流通孔6,倒U型安裝架14內(nèi)射流通孔6出口下方設(shè)置垂直于射流 通孔的射流反沖力測(cè)量板8,測(cè)量板8下方安裝傳感器體7,通過(guò)傳感器體7測(cè)量出流體對(duì) 射流反沖力測(cè)量板的沖力大小，在倒U型的開口端設(shè)置有管段蓋5,管段蓋5中間有孔，液體 通過(guò)孔流出。在管段1上進(jìn)口側(cè)與射流反沖力傳感器設(shè)置壓力傳感器2,在管段上出口側(cè)與 射流反沖力傳感器設(shè)置有溫度傳感器3。管段4通過(guò)兩側(cè)的法蘭10與設(shè)備連接，各傳感器 的引線13通過(guò)管道連接在電路11上。
[0056] 該射流反沖力傳感器采用射流通孔檢測(cè)氣、液、固態(tài)流體流動(dòng)時(shí)對(duì)傳感器的反沖 力，通過(guò)反沖力、沖擊角度、射流擴(kuò)散曲線參數(shù)測(cè)量通過(guò)壓縮系數(shù)、壓力、溫度測(cè)量計(jì)算其質(zhì) 量流量
[0057] 該流量計(jì)還包括微處理器，射流反沖力傳感器、溫度傳感器以及壓力傳感器采集 的數(shù)據(jù)傳遞至微處理器，微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。在電路連接上，包括變送器、微處理器、 溫度傳感器、電源適配器，壓力傳感器、射流反沖力傳感器，射流反沖力傳感器的輸出端連 接變送器，溫度傳感器、壓力傳感器的輸出端直接連接在微處理器上，變送器將射流反沖力 變化信號(hào)轉(zhuǎn)換成1-5V穩(wěn)定直流信號(hào)，變送器的輸出端連接微處理器，直流信號(hào)傳遞至微處 理器，通過(guò)微處理器連接的液晶顯示器12進(jìn)行顯示。變送器以及微處理器通過(guò)連接電源 穩(wěn)壓器供電，電源穩(wěn)壓器連接DC電源或者電池，本實(shí)施例中變送器通過(guò)使用美國(guó)產(chǎn)專用變 送集成電路芯片將毫伏量級(jí)的力輸出變化量轉(zhuǎn)換成1-5V穩(wěn)定直流信號(hào)。微處理器使用美 國(guó)產(chǎn)12位字長(zhǎng)C8051F微處理器，片內(nèi)24位AD轉(zhuǎn)換器，通過(guò)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，傳口輸出 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)彩色觸摸液晶顯示器予以顯示文字、圖片和數(shù)據(jù)。液晶顯示器采用臺(tái)灣產(chǎn)3,5英 寸中文彩色觸摸液晶顯示器，工作溫度范圍為-10-50°。電源穩(wěn)壓器：供給傳感器、變送器 24VDC和微處理器3. 3VDC。
[0058] -種超臨界二氧化碳流量測(cè)量方法，