流体微流量自动计量装置

摘要

本发明为一种流体微流量自动计量装置，包括一水平设置的测量管，测量管的第一端与第二端之间分别设有相隔一定距离的第一和第二环形电容传感器；第一和第二环形电容传感器均与一计时器电连接，计时器与控制电脑电连接；测量管、第一和第二环形电容传感器均位于压力舱内，测量管的第一端与第一中间容器连通，测量管第二端与压力舱内部空间连通；第一中间容器内容纳有水银，第二中间容器内容纳有氮气，两个中间容器通过控压管线与一压力泵连接。本发明能实现高压环境下流体微流量测量的自动化，且保证高压实验系统的压力平稳，精度高、操作简单。

权利要求

1.一种流体微流量自动计量装置，包括一水平设置的测量管，其特征在于：所述测量管的第一端与第二端之间分别设有相隔一定距离的一第一环形电容传感器和一第二环形电容传感器；所述第一环形电容传感器和第二环形电容传感器套设在所述测量管外部，且均与一计时器电连接，所述计时器与一控制电脑电连接；所述测量管、第一环形电容传感器和第二环形电容传感器均位于一压力舱内，所述测量管的第一端通过一穿过所述压力舱的第一管线与一第一中间容器连通，所述测量管的第二端与压力舱内部空间连通，该压力舱为一密闭空间，其一端通过一第二管线与一第二中间容器连通；所述第一中间容器内容纳有水银，所述第二中间容器内容纳有氮气，该第一中间容器和第二中间容器还分别连接第一控压管线和第二控压管线，所述第一控压管线和第二控压管线并联连接并与一压力泵连接，所述压力泵与所述控制电脑电连接；所述第一管线上并联一第三管线，该第三管线与一高压实验装置连接；所述第三管线上设有第一阀门，所述第一中间容器的出口处设有第二阀门，所述第一控压管线上设有第三阀门，所述第二管线上设有第四阀门，所述第二控压管线上设有第五阀门。

2.如权利要求1所述的流体微流量自动计量装置，其特征在于：所述第一中间容器和第二中间容器均竖直设置；所述第一中间容器为一缸体结构，该第一中间容器内通过活塞分为上部腔体和下部腔体，所述上部腔体内容纳水银、下部腔体内容纳泵压传递液体；该上部腔体连接第一管线、下部腔体连接第一控压管线；所述第二中间容器的结构与该第一中间容器结构相同，该第二中间容器的上部腔体内容纳氮气、下部腔体内容纳泵压传递液体；第二中间容器的上部腔体连接第二管线、下部腔体连接第二控压管线。

3.如权利要求2所述的流体微流量自动计量装置，其特征在于：所述压力舱、第一中间容器和第二中间容器均位于一恒温箱内。

4.如权利要求1至3中任一项所述的流体微流量自动计量装置，其特征在于：所述测量管的内径为0.01mm-2mm。

5.如权利要求4所述的流体微流量自动计量装置，其特征在于：所述压力舱内的压力范围为0.1MPa-150MPa。

6.如权利要求3所述的流体微流量自动计量装置，其特征在于：所述恒温箱内的温度控制精度为0.1℃。

说明书

流体微流量自动计量装置

技术领域

[0001] 本发明是关于流体流量计量领域，尤其涉及一种流体微流量自动计量装置。

背景技术

[0002] 在油气田开发物理模拟实验中，特别是致密油气储层开发物理模拟实验中，其实验压力很高，一般为几十甚至上百兆帕；另外，由于孔隙非常细小，实验流体的流量一般为纳升/分钟(nL/min)级。因此自动计量高压流体的超低流量，是致密油储层中流体渗流、扩散、驱油等实验亟待攻克的技术难点。另外，在微系统、微结构、微器件等的微尺度流动实验中，超低流量自动计量也是亟待解决的难点。

[0003] 目前工程上常用的电磁流量计、涡轮流量计、质量流量计等均因其量程过大不适用于实验室高压微流量计量；用于实验室的流量计量方法有试管计量、计量泵计量、天平称重法、毛细管测压法和可视化微流量法等。试管计量法、天平称重法和毛细管测压法只能在常压下进行测量，而且精度和量程有限。使用计量泵可以在泵的工作压力限制范围内进行流量计量，但是由于泵计量精度限制和泵体在高压下不可避免的漏失影响，导致高压和超低流量条件下的计量误差较大。毛细管测压法为通过测取压差反算流量的间接测量方法，要求计量液为标准的牛顿流体，而且对高压条件下微压差的计量精度要求很高，现有压力传感器不能满足这一要求。可视化微流量法可在不高于30MPa压力范围测量微流量，但是该方法是基于人工读取两相界面，难以避免人工读数误差；该方法用于测量的玻璃管内径较大(3mm-6mm)，不能准确计量纳升/分钟(nL/min)级流量；另外，由于采用回压阀控制实验系统的高压环境，不可避免地导致实验系统的压力波动。

[0004] 由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种流体微流量自动计量装置，以克服现有技术的缺陷。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种流体微流量自动计量装置，实现高压环境下流体微流量测量的自动化，能耐高压，流量精度能达到纳升/分钟(nL/min)级别，而且可保证高压实验系统的压力平稳。

[0006] 本发明的目的是这样实现的，一种流体微流量自动计量装置，包括一水平设置的测量管，所述测量管的第一端与第二端之间分别设有相隔一定距离的一第一环形电容传感器和一第二环形电容传感器；所述第一环形电容传感器和第二环形电容传感器套设在所述测量管外部，且均与一计时器电连接，所述计时器与一控制电脑电连接；所述测量管、第一环形电容传感器和第二环形电容传感器均位于一压力舱内，所述测量管的第一端通过一穿过所述压力舱的第一管线与一第一中间容器连通，所述测量管的第二端与压力舱内部空间连通，该压力舱为一密闭空间，其一端通过一第二管线与一第二中间容器连通；所述第一中间容器内容纳有水银，所述第二中间容器内容纳有氮气，该第一中间容器和第二中间容器还分别连接第一控压管线和第二控压管线，所述第一控压管线和第二控压管线并联连接并与一压力泵连接，所述压力泵与所述控制电脑电连接；所述第一管线上并联一第三管线，该第三管线与一高压实验装置连接；所述第三管线上设有第一阀门，所述第一中间容器的出口处设有第二阀门，所述第一控压管线上设有第三阀门，所述第二管线上设有第四阀门，所述第二控压管线上设有第五阀门。

[0007] 在本发明的一较佳实施方式中，第一中间容器和第二中间容器均竖直设置；所述第一中间容器为一缸体结构，该第一中间容器内通过活塞分为上部腔体和下部腔体，所述上部腔体内容纳水银、下部腔体内容纳泵压传递液体；该上部腔体连接第一管线、下部腔体连接第一控压管线；所述第二中间容器的结构与该第一中间容器结构相同，该第二中间容器的上部腔体内容纳氮气、下部腔体内容纳泵压传递液体；第二中间容器的上部腔体连接第二管线、下部腔体连接第二控压管线。

[0008] 在本发明的一较佳实施方式中，压力舱、第一中间容器和第二中间容器均位于一恒温箱内。

[0009] 在本发明的一较佳实施方式中，测量管的内径为0.01mm-2mm。

[0010] 在本发明的一较佳实施方式中，压力舱内的压力范围为0.1MPa-150MPa。

[0011] 在本发明的一较佳实施方式中，恒温箱内的温度控制精度为0.1℃。

[0012] 由上所述，本发明的流体微流量自动计量装置能实现高压环境下流体微流量测量的自动化，不仅能在高压条件下进行微流量测量，其压力舱的压力范围为0.1MPa-150MPa，而且保证高压实验系统的压力平稳，获得的实验结果能用于渗流特性的定量化研究。该流体微流量自动计量装置的精度高，计量范围可从nL/min级至mL/min级，且操作简单。

附图说明

[0013] 以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

[0014] 图1：为本发明流体微流量自动计量装置的结构示意图。

具体实施方式

[0015] 为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

[0016] 如图1所示，本发明提供一种流体微流量自动计量装置100，适用于高压条件下流体流动、渗流、扩散等实验中微流量的计量。该自动计量装置100包括一水平设置的测量管1，测量管1的材料为耐高压的玻璃、碳纤维等非金属材料，测量管1的内径为0.01mm-2mm。该测量管1的第一端101与第二端102之间分别设有相隔一定距离的一第一环形电容传感器2和一第二环形电容传感器3；第一环形电容传感器2和第二环形电容传感器3套设在测量管1外部，且均与一计时器4电连接，计时器4与一控制电脑5电连接。第一环形电容传感器2和第二环形电容传感器3之间的距离预先进行精确的设置，例如可以采用光栅尺来精确测量。测量管1、第一环形电容传感器2和第二环形电容传感器3均位于一压力舱6内，压力舱6内的压力上限为150MPa。测量管1的第一端101通过一穿过压力舱6的第一管线7与一第一中间容器
8连通，测量管1的第二端102与压力舱内部空间连通(即测量管1的第二端敞开在压力舱6内)，该压力舱6为一密闭空间，其一端通过一第二管线9与一第二中间容器10连通。第一中间容器8内容纳有水银，第二中间容器10内容纳有氮气，该第一中间容器8和第二中间容器
10还分别连接第一控压管线11和第二控压管线12，第一控压管线11和第二控压管线12并联连接并与一压力泵13连接，压力泵13与控制电脑5电连接，该压力泵13为高精度数字控制压力泵(例如采用RUSKA 7615高压泵)，可以通过控制电脑5来控制，其压力精度可以达到量程的0.02％。第一管线7上并联一第三管线14，该第三管线14与高压实验装置(图中未标出)连接，以测量高压实验装置中的流体流量，本发明即可测量气体，也可测量液体。第三管线14上设有第一阀门15，第一中间容器8的出口处设有第二阀门16，即第一管线7上位于第一中间容器8与第一、第三管线连接点a之间设有第二阀门16，第一控压管线11上设有第三阀门
17，第二管线9上设有第四阀门18，第二控压管线12上设有第五阀门19。

[0017] 本发明的流体微流量自动计量装置100通过压力泵13向第二中间容器10增压，使第二中间容器10内的氮气进入到压力舱6中，进而进入到测量管1的第二端102，在压力舱6及测量管1的第二端102内形成高压，实现与被测高压流体的压力稳定。第一中间容器8中预置有水银，待自动计量装置100压力稳定后，压力泵13向第一中间容器8增压，使第一中间容器8内的水银进入第一管线7中，高压实验装置中的高压流体通过第三管线14进入第一管线7中，推动水银进入压力舱6的测量管1中；由于测量管1的内径很小，极低的流体流量也能在该测量管1中有可测量的流速。被测量流体推动水银在测量管1中移动，水银界面通过第一环形电容传感器2时，第一环形电容传感器2发出信号启动计时器4(可以为数字秒表)，水银界面通过第二环形电容传感器3时，第二环形电容传感器3发出信号停止计时器4，计时器4记录下流体(即水银)在第一环形电容传感器2和第二环形电容传感器3之间的流动时间，利用流动时间，结合预先设置的第一环形电容传感器2和第二环形电容传感器3之间的距离以及测量管1的内径数据，最终计算出高压流体的微流量。

[0018] 具体的，第一中间容器8和第二中间容器10均竖直设置，第一中间容器8为一缸体结构，该第一中间容器8内通过活塞81分为上部腔体82和下部腔体83，上部腔体82内容纳水银、下部腔体83内容纳泵压传递液体，该泵压传递液体可以采用水。该上部腔体82连接第一管线7、下部腔体83连接第一控压管线11。第二中间容器10的结构与该第一中间容器8结构相同，即第二中间容器10为一缸体结构，该第二中间容器10内通过活塞111分为上部腔体112和下部腔体113，该第二中间容器的上部腔体112内容纳氮气、下部腔体113内容纳泵压传递液体；第二中间容器的上部腔体112连接第二管线9、下部腔体113连接第二控压管线
12。

[0019] 进一步，为了保证测量系统的温度稳定性，压力舱6、第一中间容器8和第二中间容器10均位于一恒温箱30内，相应的管线及连接线穿过该恒温箱30进行布置。该恒温箱30内的温度控制精度为0.1℃，保证了高压系统中实验温度的稳定。

[0020] 由上所述，本发明的流体微流量自动计量装置100利用高精度压力泵13控制系统压力，在第二中间容器10和压力舱6内形成稳定的高压环境；实验流体进入压力舱6，将第一中间容器8内的水银推入测量管1中；通过两个间隔设置的环形电容传感器2、3记录测量管1中水银界面的位移，同时记录相应的时间，据此确定实验流体的流量。另外，恒温箱30的温度控制精度为0.1℃，保证了高压系统中实验温度的稳定。

[0021] 本发明的测量使用过程为：来自高压实验系统的流体通过第一阀门15、第三管线14、第一管线7进入到高压舱6的测量管1中，打开第三阀门17、第四阀门18和第五阀门19，通过高精度压力泵13向第二中间容器10下部注水或是吸水来保持压力舱6内及测量管1中的压力平衡。计量时，先关闭第五阀门19，打开第二阀门16，并少许提升压力泵13的压力，几秒后，关闭第二阀门16，恢复压力泵13的压力，此时完成了向第一管线7中注入少量水银的目的，此时水银位于第一管线7内并有部分水银位于第三管线14内，即水银流到a点的左侧。此后，等待被测量流体推动水银依次通过第一环形电容传感器2和第二环形电容传感器3，测量得到时间t，计量结束。利用测量管1的内径数据，第一环形电容传感器2和第二环形电容传感器3的距离及时间t，计算出流量。当得到分析结果后，关闭第三阀门17和第一阀门15，打开第五阀门19，少许提升压力泵13的压力，将水银退至第一中间容器8中，可进行下一次测量。在测量中，被测流体位于第一管线7和第三管线14交汇点a的左侧，因此在退回水银时不会将被测流体退回到第一中间容器8内。

[0022] 以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。