Ультразвуковой расходомер-плотномер

Принцип действия рассматриваемого типа анемометров основан на том, что если от излучателя к приемнику передаются звуковые колебания по какой-то движущейся среде, то фаза колебаний, принятых приемником будет отличаться от фазы излученных колебаний на время, пропорциональное вектору скорости перемещения среды, направленному по направлению «излучатель-приемник«.
Практически для измерения скорости среды используются короткие ультразвуковые импульсы, которые посылают в обоих направлениях потока, измеряя при этом время их прохождения. Для этого либо используют две пары измерительных элементов «излучатель-приемник«, либо (это чаще бывает) используют дуальные элементы, которые, в зависимости от управляющих сигналов, подаваемых на них, выполняют функции либо излучателя либо приемника.
Информационным сигналом при таких измерениях является разность времен прохода ультразвукового импульса вдоль и навстречу потока. Эта разность пропорциональна скорости потока и его плотности.

Точность измерений потока идеального флюида определяется точностью определения значений, используемых при расчете: расстояние между излучателем и приемником и время пробега импульсов.
Обычно расстояние между излучателем и приемником выбирается не более 0,5 м, которое может быть измерено с точностью +1мм (0,2%).
Время пробега импульсов.
Скорость звука в жидкости примерно 1500 м/с. Значит время пробега между датчиками равно 0,5/1500 = 300 мкс.  Частоту ультразвуковых колебаний на рабочую длину 0,5 м примем 500 кГц (период = 2 мкс). Отсюда, если ошибка определения первого вступления ультразвуковой пачки будет составлять 10% от четверти периода, то погрешность измерения времени пробега составит примерно 0,02% =100%*(0,1*2/4)/300. И измерение плотности флюида будет происходить с такой же погрешностью, что достаточно для четкого разделения воды и нефти.

А будет ли этого достаточно для определения состава стабильной водонефтяной эмульсии?
Рассмотрим
По предварительной оценке — достаточно также и для проведения измерений в случае, если в стволе скважины происходит всплывание нефти в воде.

Скорость потока рассчитывается, исходя из двойного значения изменения времени пробега.
Проведем расчет для значения расхода скважины 100 м3/сут.
При внутреннем диаметре трубы 120 мм скорость потока составит 0,1 м/с. Откуда двойное значение изменения времени пробега составит 0,04 мкс = 2*300*(0,1/1500). При этом погрешность измерения расхода скважины в 100 м3/сут составит 5% = 100*0,002/0,04.
Поскольку время измерений — мало, то в данном случае применение методов статистики может уменьшить погрешность до 2-3 %.
Таким образом рассмотренный ультразвуковой расходомер позволяет провести измерения скорости потока, проходящего в зоне чувствительности ультразвукового анемометра в диапазоне от 20 м3/сут и выше с погрешностью менее +5 м3/сут.
Правда, потребуется еще учет уменьшения проходного сечения за счет установки измерительного прибора. И ввод корректировок, учитывающих эпюру скоростей потока по радиусу скважины, к тому же искажаемую измерительным прибором…
Кроме того, расчет проводился для однокомпонентного потока, где не учитывались искажения в измерениях, возникающих в смеси воды и нефти.