МНОГОФАЗНЫЙ РАСХОДОМЕР КОРИОЛИСА Российский патент 2011 года по МПК G01F1/74 G01F1/84 G01F1/86 G01F15/02 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ НАСТОЯЩЕЕ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к расходомерам.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Расходомеры дают информацию о материалах, переносимых через трубопровод или расходомерную трубку. Например, массовые расходомеры обеспечивают индикацию массы материала, переносимой через трубопровод. Аналогичным образом, плотномеры или денситометры обеспечивают индикацию плотности материала, поток которого проходит через трубопровод. Массовые расходомеры также могут обеспечивать индикацию плотности материала и, следовательно, индикацию объемного расхода.

Например, массовые расходомеры типа Кориолиса основаны на эффекте Кориолиса, в соответствии с которым материал, проходящий через трубопровод, становится массой, проходящей в радиальном направлении под действием силы Кориолиса, и, следовательно, испытывает ускорение. Многие массовые расходомеры типа Кориолиса возбуждают силу Кориолиса посредством синусоидальных колебаний трубопровода вокруг основной оси, перпендикулярной длине трубопровода. В таких массовых расходомерах сила реакции Кориолиса, испытываемая массой проходящей текучей среды, передается самому трубопроводу, проявляется как отклонение или смещение трубопровода в направлении вектора силы Кориолиса в плоскости вращения.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

В соответствии с одним общим аспектом расходомер содержит поддающуюся колебаниям расходомерную трубку, генератор колебаний, соединенный с расходомерной трубкой и поддающийся управлению для сообщения движения расходомерной трубке, датчик, соединенный с расходомерной трубкой и поддающийся управлению для измерения движения расходомерной трубки и генерирования сигнала датчика, и контроллер, соединенный для приема сигнала датчика, причем контроллер поддается управлению для определения первого расхода первой фазы в двухфазном потоке через расходомерную трубку и определения второго расхода второй фазы в двухфазном потоке.

Варианты осуществления могут содержать один или более следующих элементов. Например, первая фаза может включать в себя газ, а вторая фаза может включать в себя жидкость.

Контроллер может поддаваться управлению для ввода кажущейся плотности двухфазного потока, определяемой расходомером, и вывода скорректированной плотности двухфазного потока. Контроллер может поддаваться управлению для коррекции кажущейся плотности на основе теоретической зависимости между кажущейся плотностью и скорректированной плотностью или на основе эмпирической зависимости между кажущейся плотностью и скорректированной плотностью (например, на основе таблицы, хранящей зависимости между кажущейся плотностью и скорректированной плотностью).

Контроллер может поддаваться управлению для ввода кажущегося удельного массового расхода двухфазного потока, определяемого расходомером, и вывода скорректированного удельного массового расхода двухфазного потока. Контроллер может поддаваться управлению для коррекции кажущегося удельного массового расхода на основе теоретической или эмпирической зависимости, например, табличной зависимости, между кажущимся удельным массовым расходом и скорректированным массовым расходом.

Контроллер может поддаваться управлению для ввода кажущейся фракции первой фазы двухфазного потока, определяемой расходомером, который определяет количество первой фазы в двухфазном потоке, и вывода скорректированной фракции первой фазы двухфазного потока. Котроллер может поддаваться управлению для ввода фракции первой фазы двухфазного потока, определяемой датчиком фракции фазы, который находится вне расходомера.

Контроллер может поддаваться управлению для определения первого расхода и второго расхода на основе скорректированных значений определяемой плотности и определяемого удельного массового расхода двухфазного потока. Контроллер может поддаваться управлению для определения первого расхода и второго расхода на основе скорректированного значения определяемой фракции первой фазы, которая определяет количество первой фазы в двухфазном потоке. Контроллер может поддаваться управлению для определения первого расхода и второго расхода на основе плотностей первой фазы и второй фазы, соответственно.

Контроллер может поддаваться управлению для определения первой приведенной скорости первой фазы и второй приведенной скорости второй фазы на основе первого расхода и второго расхода, соответственно. Контроллер может поддаваться управлению для определения режима потока двухфазного потока на основе первой приведенной скорости и второй приведенной скорости. Контроллер может поддаваться управлению для определения скорости проскальзывания между первой фазой и второй фазой на основе средней скорости первой фазы и средней скорости второй фазы. Контроллер может поддаваться управлению для обеспечения коррекций первого расхода и второго расхода на основе первой и второй приведенных скоростей, определенного режима потока или скорости проскальзывания для получения в соответствии с этим скорректированного первого расхода и скорректированного второго расхода.

В соответствии с другим общим аспектом способ предусматривает определение объемной плотности двухфазного потока через расходомерную трубку, причем двухфазный поток включает в себя первую фазу и вторую фазу, определение объемного удельного массового расхода двухфазного потока и определение первого удельного массового расхода первой фазы на основе объемной плотности и объемного удельного массового расхода.

Варианты осуществления могут предусматривать один или более следующих элементов. Например, второй удельный массовый расход второй фазы может быть определен на основе объемной плотности и объемного удельного массового расхода. При определении объемной плотности может определяться кажущаяся объемная плотность двухфазного потока, и кажущаяся объемная плотность может корректироваться для получения объемной плотности.

При коррекции кажущейся объемной плотности кажущаяся объемная плотность может вводиться в теоретическую зависимость, которая соотносит кажущуюся объемную плотность со скорректированной объемной плотностью, или может вводиться в эмпирическую зависимость, которая соотносит кажущуюся объемную плотность со скорректированной объемной плотностью.

При коррекции кажущейся объемной плотности может вводиться первая плотность первой фазы. Фракция первой фазы двухфазного потока может определяться на основе объемной плотности, первой плотности первой фазы и второй плотности второй фазы. При определении первого удельного массового расхода первой фазы первый удельный массовый расход может определяться на основе фракции первой фазы и первой плотности.

Первая приведенная скорость первой фазы и вторая приведенная скорость второй фазы может быть определена на основе первого удельного массового расхода и второго удельного массового расхода, соответственно. Режим потока двухфазного потока может быть определен на основе первой приведенной скорости и второй приведенной скорости. Скорость проскальзывания между первой фазой и второй фазой может определяться на основе средней скорости первой фазы и средней скорости второй фазы. Для первого расхода и второго расхода могут быть предусмотрены коррекции на основе первой и второй приведенных скоростей, определенного режима потока или скорости проскальзывания.

Первая фаза может включать в себя газ, а вторая фаза может включать в себя жидкость.

В соответствии с другим общим аспектом контроллер расходомера содержит систему коррекции плотности, поддающуюся управлению для ввода кажущейся плотности двухфазного потока и вывода скорректированной плотности двухфазного потока, причем двухфазный поток включает в себя первую фазу и вторую фазу, систему коррекции удельного массового расхода, поддающуюся управлению для ввода кажущегося удельного массового расхода двухфазного потока и вывода скорректированного удельного массового расхода двухфазного потока, и систему определения удельного массового расхода компонентов потока, поддающуюся управлению для определения первого удельного массового расхода первой фазы на основе скорректированной плотности и скорректированного удельного массового расхода.

Варианты осуществления могут предусматривать один или более из следующих элементов. Например, система определения удельного массового расхода компонентов потока может поддаваться управлению для определения второго удельного массового расхода второй фазы на основе скорректированной плотности и скорректированного массового расхода.

Первая фаза может включать в себя жидкость, а вторая фаза может включать в себя газ. Может быть предусмотрена система определения фракции фазы, причем указанная система поддается управлению для определения скорректированной фракции фазы двухфазного потока, при этом система определения удельного массового расхода компонентов потока может поддаваться управлению для определения первого расхода и второго расхода на основе скорректированной фракции фазы. Система определения фракции фазы может быть системой определения объемного паросодержания, которая определяет количество газа в двухфазном потоке.

Может быть предусмотрена система определения приведенной скорости, которая поддается управлению для определения первой приведенной скорости первой фазы и второй приведенной скорости второй фазы. Контроллер расходомера может включать в себя систему определения режима потока, поддающуюся управлению для определения режима потока двухфазного потока.

Система определения режима потока может дополнительно поддаваться управлению для определения скорости проскальзывания фазы относительно средней скорости первой фазы и средней скорости второй фазы. Система определения удельного массового расхода компонентов потока может поддаваться управлению для улучшения определения первого удельного массового расхода и второго удельного массового расхода не основе первой и второй приведенных скоростей, режима потока или скорости проскальзывания фазы.

Детали одного или более вариантов осуществления описываются ниже со ссылкой на сопроводительные чертежи. Другие элементы станут очевидными из описания, чертежей и формулы изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1А - иллюстрация расходомера Кориолиса, в котором используется изогнутая расходомерная трубка.

Фиг.1В - иллюстрация расходомера Кориолиса, в котором используется прямолинейная расходомерная трубка.

Фиг.2 - блок-схема расходомера Кориолиса.

Фиг.3 - блок-схема, иллюстрирующая функционирование расходомера Кориолиса, иллюстрируемого на фиг.2.

Фиг.4 - блок-схема, иллюстрирующая методологию определения расходов жидкости и газа двухфазного потока.

Фиг.5А и фиг.5В - графики, иллюстрирующие относительную погрешность в измерении объемного паросодержания и жидкой фракции, соответственно.

Фиг.6 - график, иллюстрирующий погрешность массового расхода как функции перепада плотности для расходомерной трубки, имеющей конкретную ориентацию и в выбранной области потока.

Фиг.7 - блок-схема, иллюстрирующая методологию корректировки измерений плотности.

Фиг.8 - таблица, иллюстрирующая зависимость между перепадом теоретической плотности и очевидным удельным массовым расходом двухфазного потока.

Фиг.9 - блок-схема, иллюстрирующая методологию определения измерений объемного паросодержания.

Фиг.10 - блок-схема, иллюстрирующая методологию определения скорректированных измерений удельного массового расхода.

Фиг.11 - таблица, иллюстрирующая зависимость между кажущимся удельным массовым расходом и перепадом скорректированной плотности двухфазного потока.

Фиг.фиг.12-14 - графики, иллюстрирующие примеры коррекций плотности для ряда расходомерных трубок.

Фиг.15-20 - графики, иллюстрирующие примеры коррекций удельного массового расхода для ряда расходомерных трубок.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Типы расходомеров включают в себя цифровые расходомеры. Например, в патенте США №6311136, включенном в эту заявку в качестве ссылки, описано использование цифрового расходомера и соответствующего способа, предусматривающего обработку сигнала и методологии измерений. Такие цифровые расходомеры могут быть очень точными в их измерениях, с небольшим или незначительным шумом, и могут быть способными давать возможность широкого диапазона положительных и отрицательных коэффициентов усиления в схемотехнике генератора колебаний для возбуждения трубопровода. Таким образом, такие цифровые расходомеры являются предпочтительными во множестве установочных параметров. Например, в обычно переданном патенте США №6505519, который включен в эту заявку в качестве ссылки, описывается использование широкого диапазона коэффициента усиления и/или использование отрицательного коэффициента усиления для предотвращения срыва потока и для более точного осуществления управления расходомерной трубкой, даже в течение тяжелых условий, например, двухфазного потока (например, потока, содержащего смесь жидкости и газа).

Хотя цифровые расходомеры специально описываются ниже со ссылкой, например, на фиг.1 и фиг.2, должно быть очевидным, что также существуют аналоговые расходомеры. Хотя такие аналоговые расходомеры могут иметь типичные недостатки, характерные для аналоговой схемотехники, например, измерения низкой точности и высокого шума по сравнению с цифровыми расходомерами, они также могут быть совместимы с различными методологиями и вариантами осуществления, описываемыми в этой заявке. Таким образом, в следующем описании используемый термин "расходомер" или "измерительный прибор" относится к любому типу устройства и/или системе, в которой система расходомера Кориолиса использует различные системы управления и соответствующие элементы для измерения массового расхода, плотности и/или других параметров материала (материалов), движущегося через расходомерную трубку или другой трубопровод.

На фиг.1А приведена иллюстрация цифрового расходомера, в котором используется изогнутая расходомерная трубка 102. В частности, изогнутая расходомерная трубка 102 может быть использована для измерения одной или более физических характеристик, например, движущейся текучей среды, как указано выше. Как показано на фиг.1А, цифровой передатчик 104 обменивается сигналами датчика и генератора колебаний с изогнутой расходомерной трубкой 102, так чтобы измерять колебания изогнутой расходомерной трубки 102 и возбуждать колебания изогнутой расходомерной трубки 102, соответственно. Благодаря быстрому и точному определению сигналов датчика и возбуждения, цифровой передатчик 104, как указано выше, обеспечит быстрое и точное функционирование изогнутой расходомерной трубки 102. Примеры цифровых передатчиков 104, используемых с изогнутой расходомерной трубкой, приведены, например, в обычно переданном патенте США №6311136.

На фиг.1В приведена иллюстрация цифрового расходомера, в котором используется прямолинейная расходомерная трубка 106. Более конкретно, на фиг.1В иллюстрируется взаимодействие прямолинейной расходомерной трубки 106 с цифровым передатчиком 104. Такая прямолинейная расходомерная трубка на концептуальном уровне функционирует аналогично изогнутой расходомерной трубке 102 и имеет различные преимущества/недостатки по сравнению с изогнутой расходомерной трубкой 102. Например, прямолинейная расходомерная трубка 106 может проще (полностью) наполняться и опорожняться, чем изогнутая расходомерная трубка 102, просто вследствие геометрии ее конструкции. При эксплуатации изогнутая расходомерная трубка 102 может функционировать при частоте, например, 50-110 Гц, тогда как прямолинейная расходомерная трубка 106 может функционировать при частоте, например, 300-1000 Гц. Изогнутая расходомерная трубка 102 представляет расходомерные трубки, имеющие множество диаметров, и может функционировать во множестве ориентации, например, в вертикальной или горизонтальной ориентации.

Как показано на фиг.2, цифровой массовый расходомер 200 содержит цифровой передатчик 104, один или более датчиков 205 движения, один или более генераторов 210 колебаний, расходомерную трубку 215 (которая также может быть указана как трубопровод и которая может представлять либо изогнутую расходомерную трубку 102, либо прямолинейную расходомерную трубку 106, или некоторый другой тип расходомерной трубки) и датчик температуры 220. Цифровой передатчик 104 может быть реализован при использовании одного или более устройств для обработки данных, например, при использовании цифрового процессора сигналов (DSP), программируемой пользователем вентильной матрицы (FPGA), проблемно-ориентированной специализированной интегральной микросхемы (ASIC), других программируемых логических или вентильных матриц, или программируемой логики с процессорным ядром. Должно быть очевидным, что, как описано в патенте США №6311136, для управления генераторами 210 колебаний могут быть включены соответствующие цифроаналоговые преобразователи, тогда как аналого-цифровые преобразователи могут быть предусмотрены для преобразования сигналов датчиков от датчиков 205 для использования цифровым передатчиком 104.

Цифровой передатчик 104 генерирует измерение, например, плотности и/или массового расхода материала, поток которого проходит через расходомерную трубку 215, на основе, по меньшей мере, сигналов, принимаемых от датчиков 205 движения. Цифровой передатчик 104 также управляет генераторами 210 колебаний для возбуждения движения в расходомерной трубке 215. Это движение измеряется датчиками 205 движения.

Измерения плотности материала, поток которого проходит через расходомерную трубку, относятся, например, к частоте движения расходомерной трубки 215, которая возбуждается в расходомерной трубке 215 движущей силой, прикладываемой генераторами 210 колебаний, или к температуре расходомерной трубки 215. Аналогичным образом, массовый расход через расходомерную трубку 215 относится к фазе и частоте движения расходомерной трубки, а также к температуре расходомерной трубки 215.

Температура в расходомерной трубке 215, которую измеряют при использовании датчика 220 температуры, влияет на некоторые свойства расходомерной трубки, например, на ее жесткость и размеры. Цифровой передатчик 104 может компенсировать эти температурные эффекты. Как также показано на фиг.2, датчик 225 давления находится во взаимодействии с передатчиком 104 и соединен с расходомерной трубкой 215 так, чтобы поддаваться управлению для измерения давления в материале, поток которого проходит через расходомерную трубку 215.

Должно быть очевидным, что давление текучей среды, входящей в расходомерную трубку 215, и перепад давления в соответствующих точках на расходомерной трубке могут быть индикаторами определенных состояний потока. Также, хотя внешние датчики температуры могут быть использованы для измерения температуры текучей среды, такие датчики могут быть использованы помимо внутреннего датчика расходомера, предназначенного для измерения характерной температуры, для калибровок расходомерной трубки. В некоторых расходомерных трубках используется также множество датчиков температуры с целью корректирующих измерений дифференциальной температуры между технологической текучей средой и окружающей средой (например, температура кожуха корпуса расходомерной трубки). Как описывается более подробно ниже, одним потенциальным использованием измерений температуры и давления текучей среды на входе является вычисление истинных плотностей жидкости или газа в двухфазном потоке, основываясь на предварительно определенных формулах.

Зонд 230 жидкой фракции относится к прибору для измерения объемной фракции жидкости, например, воды, если жидкость в расходомерной трубке 215 содержит воду и другую текучую среду, например, нефть. Такой зонд или подобные зонды, безусловно, могут быть использованы для измерения объемной фракции другой текучей среды, чем вода, если такое измерение является предпочтительным или если жидкость не содержит воды. В описании, приводимом ниже, измеряемая жидкость, в общем, допускается быть водой для целей примера, так что зонд 230 жидкой фракции, в общем, называют зондом 230 водной фракции или зондом 230 обводнения.

Датчик 235 объемного паросодержания измеряет процент материала в расходомерной трубке 215, который находится в газообразном виде. Например, вода, проходящая через расходомерную трубку 215, может содержать воздух, возможно, в виде пузырей. Такое состояние, в котором материал, проходящий через расходомерную трубку 215, содержит более одного материала, в общем, называют "двухфазным потоком". В частности, термин "двухфазный поток" может относиться к жидкости и газу; однако термин "двухфазный поток" может относиться также к другим комбинациям материалов, например, к двум жидкостям (например, нефти и воде).

Различные технологии, представленные, в общем, на фиг.2 с помощью датчика 235 объемного паросодержания, существуют для измерения объемного паросодержания в двухфазном потоке жидкости и газа. Например, существуют различные датчики и зонды, которые могут быть введены в поток для определения объемного паросодержания. В качестве другого примера, трубка Вентури (то есть трубка с суженной горловиной, которая определяет давления и скорости текучей среды путем измерения перепадов давлений, генерируемых в горловине при прохождении текучей среды через трубку), основываясь на том факте, что газ, в общем, движется с более высокой скоростью, чем жидкость (жидкости) через сужение, может быть использована для определения градиента давления и в соответствии с этим для обеспечения возможности определения объемного паросодержания. Измерения объемного паросодержания также могут быть получены при использовании аппаратуры, которая полностью находится вне расходомерной трубки. Например, для определения объемного паросодержания могут быть использованы гидроакустические измерения. В качестве характерного примера такой гидроакустической системы может быть использована система текущего контроля объемного паросодержания типа SONARtrac TM, выпускаемая компанией GiDRA Corporation of Wallingford, Connecticut.

В этом описании количество газа в проходящей текучей среде, измеряемое с помощью датчика объемного паросодержания или определяемого иначе, называется объемным паросодержанием или α, и определяется как α = объем газа/общий объем = объем газа/(объем жидкости + объем газа). В соответствии с этим величину, называемую в этой заявке жидкой фракцией, определяют как 1-α.

Во многих случаях применения, где требуются измерения массового расхода, объемное паросодержание потока может составлять 20, 30, 40% или более. Однако даже при очень небольших объемных паросодержаниях, составляющих 0,5%, фундаментальная теория вне пределов расходомера Кориолиса становится менее применимой.

Кроме того, наличие газа в потоке текучей среды может повлиять на измерение плотности потока текучей среды, в общем, занижая результаты измерения плотности. То есть, должно быть очевидным, что плотность ρ_liquid жидкости, которая сама проходит через расходомерную трубку, будет выше истинной плотности ρ_true двухфазного потока, содержащего жидкость и газ, поскольку плотность газа (например, воздуха) будет, в общем, ниже плотности жидкости (например, воды) в двухфазном потоке. Другими словами, имеет место уменьшение плотности при введении газа в поток жидкости, который ранее содержал только жидкость.

Вне этого физического явления, расходомер Кориолиса, измеряющий двухфазный поток текучей среды, содержащий газ, может выдавать данные ρ_apparent плотности, которые являются мнимым измерением объемной плотности двухфазного потока (например, воды и воздуха). Это грубое измерение ρ_apparent будет, в общем, отличаться (ниже) от истинной объемной плотности ρ_true двухфазного потока. Например, резонансная частота, используемая расходомером, может стать искусственно выше вследствие относительного движения газа в потоке текучей среды, которое вызовет занижение измерения плотности. Должно быть очевидным, что многие стандартные расходомеры, соответствующие предшествующему уровню техники, индифферентны к этой проблеме, поскольку большинство таких измерительных устройств перестают продолжать работу (например, останавливаются или дают неточные измерения) при даже незначительных количествах объемного паросодержания.

В патенте США №6505519, который включен в эту заявку в качестве ссылки, указано, что такое отклонение ρ_apparent (то есть номинальные грубые данные или данные объемной плотности двухфазного потока, выдаваемые расходомером Кориолиса) от ρ_true (то есть истинной грубой или объемной плотности двухфазного потока) может характеризоваться благодаря множеству технологий. Как результат, измеренная ρ_apparent плотность может быть скорректирована для получения истинной объемной плотности ρ_corrected, которая, по меньшей мере, приблизительно равна истинной плотности ρ_true.

До некоторой степени подобным образом, номинальный грубый или объемный удельный массовый расход MF_apparent (то есть, удельный массовый расход всего двухфазного потока), измеренный с помощью расходомера Кориолиса, может отличаться на прогнозируемую или характеризуемую величину от истинного объемного удельного массового расхода MF_true. Должно быть очевидным, что технологии коррекции для скорректированного объемного удельного массового расхода MF_true могут отличаться от технологий коррекции плотности. Например, различные технологии коррекции номинального MF_apparent для получения истинного MF_true (или, по меньшей мере, MF_corrected) описаны в патенте США №6505519.

Примеры подробных технологий коррекции ρ_apparent и MF_apparent более подробно описаны ниже. Вообще говоря, хотя со ссылкой на фиг.2 цифровой передатчик иллюстрируется как содержащий систему 240 коррекции плотности, которая имеет доступ к базе данных 245 коррекции массового расхода, и систему 250 коррекции удельного массового расхода, которая имеет доступ к базе данных 255 массового расхода. Как более подробно описано ниже, базы данных 245 и 255 могут содержать, например, алгоритмы коррекции, которые получены теоретически или эмпирически, и/или таблицы коррекции, которые обеспечивают скорректированные значения плотности и массового расхода для данного набора входных параметров. Базы данных 245 и 255 могут также хранить различные другие виды данных, которые могут оказаться полезными при выполнении коррекций плотности и массового расхода. Например, база данных коррекции плотности может хранить ряд плотностей p_liquid, соответствующих конкретным жидкостям (например, воде или нефти).

Как дополнительно показано на фиг.2, система 260 определения/коррекции объемного паросодержания поддается управлению для определения объемного паросодержания двухфазного потока, включающего в себя жидкость и газ. Например, в одном варианте осуществления система 260 определения/коррекции объемного паросодержания может определять истинное объемное паросодержание α_true из скорректированной плотности ρ_true. В другом варианте осуществления система 260 определения/коррекции объемного паросодержания может вводить измерение кажущегося или номинального объемного паросодержания, получаемого с помощью датчика 235 объемного паросодержания, и может скорректировать это измерение, основываясь на характеризации погрешности, аналогично тому, как это описано выше для технологий плотности и массового расхода. В другом варианте осуществления датчик 235 объемного паросодержания может поддаваться управлению для прямого измерения истинного объемного паросодержания α_true, причем в этом случае система 260 определения/коррекции объемного паросодержания просто вводит это измерение.

Как только факторы ρ_true, MF_true и α_true определены и, возможно, в связи с другими известными или определяемыми величинами, система 265 определения удельного массового расхода компонентов потока работает для одновременного определения удельного массового расхода компонента жидкой фазы и удельного массового расхода компонента газовой фазы. То есть, передатчик 104 поддается управлению для определения отдельных расходов MF_liquid и MF_gas компонентов потока, в противоположность определению только объемного расхода комбинированного и общего двухфазного потока MF_true. Хотя, как только что указано, такие измерения могут быть определены и/или выданы одновременно, они также могут быть определены отдельно и независимо друг от друга.

Как только расходы MF_liquid и MF_gas компонентов были определены так, как, в общем, описано выше, эти первоначальные определения могут быть улучшены, благодаря процессу, который учитывает приведенные скорости компонентов потока, скорости скольжения между компонентами и/или идентифицированный режим течения потока. В этом случае могут быть получены улучшенные значения расходов MF_liquid и MF_gas или могут быть получены со временем, по мере того как эти расходы изменяются.

Приведенные скорости указаны в этой заявке как скорости, которые были бы, если бы подобные массовые расходы данной фазы проходили как одна фаза через расходомерную трубку 215. Система 270 определения/коррекции приведенной скорости включена в передатчик 104, например, для определения кажущейся или скорректированной приведенной скорости газа или жидкости в двухфазном потоке.

Скорости скольжения относятся к состоянию, в котором фазы газа и жидкости в двухфазном потоке имеют разные средние скорости. То есть, средняя скорость газа AV_gas отличается от средней скорости жидкости AV_liquid. В таком случае проскальзывание S может быть определено как S=AV_gas/AV_liquid.

Режим потока является термином, который относится к характеризации образа действия, с помощью которого поток двух фаз проходит через расходомерную трубку 215 относительно друг друга и/или расходомерной трубки 215, и может быть выражен, по меньшей мере, частично на основе только что определенных приведенных скоростей. Например, один режим потока известен как "пузырьковый режим", в котором газ захватывается (увлекается) жидкостью в виде пузырьков. В качестве другого примера, "снарядный режим" относится к серии "пробок" или "снарядов" жидкости, отделенных относительно большими газовыми пакетами. Например, в вертикальном потоке газ в снарядном режиме может занимать почти всю площадь поперечного сечения расходомерной трубки 215, так что результирующий поток чередуется между композицией, содержащей большое количество жидкости, и композицией, содержащей большое количество газа. Известно существование других режимов потока, которые имеют некоторые определенные характеристики, включая, например, кольцевой режим (двухфазного) потока, дисперсный режим (двухфазного) потока и пенистый режим (двухфазного) потока и другие.

Известно, что на существование конкретного режима потока могут оказывать влияние различные факторы, включая, например, объемное парогазосодержание в потоке текучей среды, ориентацию расходомерной трубки 215 (например, горизонтальное или вертикальное), диаметр расходомерной трубки 215, материалы, входящие в состав двухфазного потока и скорости (и относительные скорости) материалов в двухфазном потоке. В зависимости от этих и других факторов поток конкретной текучей среды может переходить между несколькими режимами потока в течение данного периода времени.

Информация о проскальзывании фазы может быть получена, по меньшей мере, частично из знания режима потока. Например, в пузырьковом режиме потока, допуская равномерное распределение пузырьков, может иметься небольшое относительное движение между фазами. Там, где пузырьки скапливаются и комбинируются для образования менее равномерного распределения газовой фазы, между фазами может иметь место некоторое проскальзывание, причем газ склонен просачиваться через жидкую фазу.

На фиг.2 показано, что имеется система 275 определения режима потока, которая имеет доступ к базе данных 280 карт режимов потока. В этом случае информация о существующем режиме потока, включая информацию о проскальзывании фаз, может быть получена, сохранена и доступна для использования при одновременном определении удельных массовых расходов жидкости и газа в двухфазном потоке.

Должно быть очевидным, что различные компоненты цифрового передатчика 104, как иллюстрируется на фиг.2, находятся во взаимодействии друг с другом, хотя для ясности изображения детально не показаны каналы связи. Кроме того, должно быть очевидным, что, хотя на фиг.2 не показаны стандартные компоненты цифрового передатчика 104, но допускается их существование или доступность для цифрового передатчика 104. Например, цифровой передатчик 104 будет, как правило, включать в себя системы измерения (объемной) плотности и удельного массового расхода, а также схемотехнику для возбуждения генератора 210 колебаний.

На фиг.3 приведена блок-схема 300, иллюстрирующая функционирование расходомера 200 Кориолиса, иллюстрируемого на фиг.2. В частности, на фиг.3 иллюстрируется методика, с помощью которой расходомер 200, иллюстрируемый на фиг.2, поддается управлению для одновременного определения расходов MF_liquid и MF_gas жидкости и газа, соответственно, для двухфазного потока.

В соответствии с фиг.3 определяется, что двухфазный поток газ-жидкость существует в расходомерной трубке 215 (302). Это может быть сделано оператором в течение конфигурации массового расходомера/денситометра для потока газ-жидкость. В качестве другого примера, это определение может быть сделано автоматически путем использования элемента измерителя Кориолиса для определения того, что существует состояние двухфазного потока газ-жидкость. В последнем случае, такая методика описана более подробно, например, в патенте США №631136 и в патенте США №6505519, включенных в эту заявку в качестве ссылки.

Как только установлено существование двухфазного потока, определяют 304 скорректированную объемную плотность ρ_true с помощью системы 240 коррекции плотности при использовании базы данных 245 коррекции плотности передатчика 104. То есть, номинальную плотность ρ_apparent корректируют для получения ρ_true. Методика выполнения этой коррекции более подробно описана ниже.

Как только определена ρ_true, может быть определено 306 истинное объемное парогазосодержание α_true с помощью системы 260 определения/коррекции объемного паросодержания. Также определяют 308 скорректированный объемный удельный массовый расход MF_true с помощью системы 250 коррекции удельного массового расхода. Как и в случае с определением плотности, методология получения скорректированного объемного паросодержания α_true и удельного массового расхода MF_true более подробно описывается ниже.

Из блок-схемы 300, приведенной на фиг.3, должно быть очевидно, что определения α_true, MF_true, ρ_true могут выполняться в ряде последовательностей. Например, в одном варианте осуществления скорректированное объемное паросодержание α_true определяют на основе предварительно вычисленной скорректированной плотности ρ_true, после чего определяют скорректированный удельный массовый расход MF_true, основываясь на α_true. В другом варианте осуществления α_true и ρ_true могут быть вычислены независимо друг от друга, и/или независимо друг от друга могут быть вычислены ρ_true и MF_true.

Как только стали известными скорректированная плотность ρ_true, скорректированное объемное паросодержание α_true и скорректированный удельный массовый расход MF_true, то определяют 310 удельные массовые расходы газового и жидкого компонентов с помощью системы 265 определения удельных массовых расходов компонентов потока. Методология определения расходов жидкого и газового компонентов описана более подробно ниже со ссылкой на фиг.4.

Будучи определенными, расходы жидкого и газового компонентов могут быть выведены или визуально отображены 312 для использования оператором расходомера. В этом случае оператор обеспечивается, возможно, одновременно, информацией об удельном массовом расходе MF_liquid жидкости и удельном массовом расходе MF_gas газа двухфазного потока.

В некоторых случаях это определение может быть достаточным 314, причем в этом случае выход расходов жидкого/газового компонентов завершает технологический маршрут. Однако в других вариантах осуществления определение удельных массовых расходов отдельных компонентов может быть улучшено разложением на множители информации о приведенных скоростях газового/жидкого компонентов, режима (режимов) потока и проскальзывания фазы, если оно имеется между компонентами.

В частности, приведенные скорости газа и жидкости, SV_gas и SV_liquid определяют следующим образом. Приведенную скорость газа SV_gas определяют как

Где величина А_Т представляет площадь поперечного сечения расходомерной трубки 215, которая может быть определена в точке, где измеряют объемное паросодержание потока. Аналогичным образом, приведенную скорость жидкости SV_liguid определяют как

Как показано в уравнениях 1 и 2, определение приведенных скоростей в этом контексте относится к более раннему определению MF_gas и MF_liquid. Из вышеприведенного описания и из фиг.3 должно быть очевидным, что MF_gas и MF_liguid представляют скорректированные или истинные удельные массовые расходы и поскольку эти факторы вычислены на основе α_true, ρ_true и MF_true. Как результат, приведенные скорости SV_gas и SV_liquid представляют скорректированные значения и Кроме того, значения плотности ρ_gas и ρ_liquid нужны, как указано выше, для получения данных плотностей жидкости и газа, которые могут храниться в базе данных 245 коррекции плотности. Как более подробно описано ниже в отношении методологии вычисления скорректированной плотности ρ_true, значения плотности ρ_gas и ρ_liquid могут быть известны как функция существующих температуры или давления, определенных посредством соответствующих датчика 220 температуры и датчика 225 давления.

При использовании приведенных скоростей и других известных или расчетных факторов, некоторые из которых могут храниться в базе данных 280 карт режимов потока, посредством системы 275 определения/коррекции режима потока могут быть определены 318 соответствующие режим потока и/или проскальзывание фазы. Как только становятся известными приведенные скорости, режим потока и проскальзывание фазы, могут быть сделаны дополнительные коррекции скорректированной объемной плотности ρ_true, скорректированного удельного массового расхода MF_true и/или скорректированного объемного паросодержания α_true. В этом случае, как иллюстрируется на фиг.3, могут быть определены расходы MF_gas и MF_liquid компонентов.

Режим (режимы) потока в двухфазном потоке жидкость-газ может быть описан контурами на графике, на котором приведены приведенные скорости жидкости в зависимости от приведенных скоростей газа. Как было только что описано, улучшение в определении ρ_true, α_true и MF_true может быть получено путем установления сначала приблизительного значения расходов жидкости и газа, а затем применения более подробной модели для идентифицированного режима потока. Например, при относительно низком объемном паросодержании и относительно высоком потоке существует режим потока, в котором аэрированная текучая среда ведет себя как гомогенная текучая среда с небольшими погрешностями или без погрешностей в плотности и массовом расходе. Он может быть определен как гомогенный поток, не требующий коррекции, просто при использовании наблюдения усиления возбуждения, которое увеличивается немного или не увеличивается, несмотря на значительный перепад измеряемой плотности.

На фиг.4 приведена блок-схема 400, иллюстрирующая методологию определения расходов MF_gas и MF_liquid газа и жидкости, соответственно, для двухфазного потока. То есть, блок-схема 400, в общем, представляет один пример методологии определения массовых расходов 310 жидкости и газа, как описано выше со ссылкой на фиг.3.

В соответствии с фиг.4, определение расходов 310 жидкости и газа начинается с ввода факторов скорректированной плотности, объемного паросодержания и удельного массового расхода ρ_true, α_true и MF_true (402). В первом случае, 404, расходы жидкости и газа определяют 406 при использовании уравнений 3 и 4:

Уравнения 3 и 4 допускают, что отсутствует скорость проскальзывания (то есть, проскальзывание фазы) между жидкой и газовой фазами (то есть, средняя скорость газовой фазы, AV_gas, и средняя скорость жидкой фазы AV_liquid, равны). Это допущение совместимо с тем фактом, что в первом случае приведенные скорости и режимы потока (и, следовательно, проскальзывание фазы) не определялись.

Во втором случае и, следовательно, 404, определение делают, возможно, с помощью системы 275 определения/коррекции режима потока в отношении того, существует ли 408 проскальзывание фазы. Если проскальзывания нет, то снова 406 используют уравнения 3 и 4 или завершают процесс.

Если проскальзывание фазы существует 408, определенное выше как S=AV_gas/AV_liquid, то вычисляют члены MF_gas и MF_liquid при использовании площади A_T поперечного сечения расходомерной трубки 215, которая также используется при вычислении приведенных скоростей в уравнениях 1 и 2 в позиции 410. При использовании определения проскальзывания определяют

Поскольку MF_true=MF_gas+MF_liquid, уравнения 5 и 6 могут быть решены для AV_liquid для получения уравнения 7

Как результат, расходы жидкости и газа определяют 406 при использовании уравнений 8 и 9

Как описано выше, газ, захваченный жидкостью, образует двухфазный поток. Измерения такого двухфазного потока с помощью расходомера Кориолиса приводят в результате к получению номинальных параметров ρ_apparent, α_apparent, MF_apparent для определения плотности, объемного паросодержания и удельного массового расхода, соответственно, двухфазного потока. Вследствие природы двухфазного потока в отношении функционирования расходомера Кориолиса, эти номинальные параметры являются некорректными благодаря прогнозируемому фактору. Как результат, номинальные параметры могут быть скорректированы для получения истинных параметров ρ_true, α_true, MF_true. В свою очередь, истинные скорректированные значения могут быть использованы для одновременного определения отдельных расходов двух компонентов (жидкости и газа).

На фиг.5А и фиг.5В приведены графики, иллюстрирующие относительную погрешность в измерении объемного паросодержания и жидкой фракции, соответственно. На фиг.5А относительной погрешностью является относительная погрешность плотности, которая является зависимой от различных конструктивных и функциональных параметров, и, в общем, относится к отклонению кажущейся (номинальной) плотности от истинной комбинированной плотности, которая была бы ожидаемым данным процентом (%) газа в жидкости.

На фиг.5В иллюстрируется зависимость истинной жидкой фракции от номинальной жидкой фракции. На фиг.5В приведены результаты для соответствующей конструкции расходомера, нескольких линейных размеров и расходов. В более общем случае функциональная зависимость может быть более сложной и зависимой от линейного размера и расхода. На фиг.5В показана простая полиномиальная подгонка, которая может быть использована для коррекции кажущейся жидкой фракции.

Может быть использована другая графическая методология; например, истинное объемное паросодержание может быть нанесено против номинального объемного паросодержания. Например, на фиг.6 приведен график, иллюстрирующий погрешность массового расхода в функции от перепада плотности для расходомерной трубки, имеющей особую ориентацию и в выбранном диапазоне потока.

На Фиг.7 приведена блок-схема 700, иллюстрирующая методологию коррекции измерений плотности (304 на фиг.3). На фиг.7 процесс начинается с ввода 702 используемого типа расходомерной трубки 215, который может включать в себя, например, информацию того, является ли расходомерная трубка 215 изогнутой или прямолинейной, а также другие уместные факты, например, размер или ориентацию расходомерной трубки 215.

Затем определяют 704 плотность жидкости без газа. Эта величина может оказаться полезной в следующем вычислении (вычислениях), а также гарантировать то, что другие факторы, которые могут повлиять на измерение плотности ρ_apparent, например, температура, не ошибочно истолкованы как эффекты объемного паросодержания. В одном варианте осуществления пользователь может непосредственно ввести плотность жидкости ρ_liquid вместе с температурной зависимостью плотности. В другом варианте осуществления известные текучие среды (и их температурные зависимости) могут храниться в базе данных 245 коррекции плотности, причем в этом случае пользователь может ввести текучую среду по имени. В еще одном варианте осуществления расходомер 200 может определять плотность жидкости в течение времени одной фазы, потока жидкости, и хранить это значение для будущего использования.

Номинальный удельный массовый расход MF_apparent считывается 706 из расходомера Кориолиса, а затем из расходомера Кориолиса считывается 708 номинальная плотность ρ_apparent. После этого, система 240 коррекции плотности осуществляет либо теоретическую, алгоритмическую коррекцию 710, либо эмпирическую, табличную коррекцию 712 для определения истинной плотности ρ_true смеси газ-жидкость. Величина ρ_true может быть затем выведена как скорректированная плотность 714.

Алгоритмическая коррекция 710 плотности может быть определена, основываясь на знании того, что нормальное функционирование расходомера Кориолиса не повлияет на двухфазный поток при измерении плотности, а номинальная плотность упадет на величину, полученную из уравнения, описывающего объемное паросодержание, как описано выше для объемного потока и повторяется в данном случае для плотности в виде уравнения 10

Это может быть использовано для определения величины "перепада плотности" или Δρ, как показано в уравнении 11

Следует отметить, что в уравнении 11 величина Δρ показана как положительная, однако эта величина может быть показана как отрицательный перепад простым умножением правой стороны уравнения на - 1, давая в результате уравнение 12

величина ρ_gas может быть небольшой по сравнению с ρ_liquid, причем в этом случае уравнение 12 может быть упрощено до уравнения 13

Как подробно описано выше, измерения плотности, сделанные с помощью расходомера Кориолиса или другого вибрационного денситометра, в общем, дают заниженные данные и требуют коррекции. В соответствии с этим в соответствии с двухфазным потоком уравнения 12 или 13 могут, следовательно, быть использованы для определения следующих двух величин: перепада скорректированной или истинной плотности Δρ_true и перепада номинальной или кажущейся плотности Δρ_арр. Использование уравнения 13 в качестве одного примера приводит в результате к получению уравнений 14 и 15

Может быть получена или эмпирически определена зависимость между Δρ_true и Δρ_арр и кажущимся удельным массовым расходом MP_apparent, а также другими параметрами, например, усилением возбуждения, сенсорным балансом, температурой, режимом фазы и так далее. Эта зависимость может быть выражена как Δρ_true=f(MF_apparent, усиление возбуждения, сенсорный баланс, температура, режим фазы и/или другие факторы).

Как результат, эта зависимость может быть получена или, по меньшей мере, доказана для каждой расходомерной трубки в каждой настройке. Для расходомерной трубки одной модели, известной и указанной ниже как расходомерная трубка модели Foxboro/Invensys CFS10, было эмпирически определено, что для некоторых условий вышеуказанная функциональная зависимость может быть упрощена только до функции Δρ_apparent и имеет вид, соответствующий уравнению 16

Для побуждения условия для обеих сторон уравнения 16 к нулю, когда нет перепада кажущей плотности, зависимость в результате выражается уравнением 17

М, в общем, зависит от сложности эмпирической зависимости, но во многих случаях может быть равно 2 или 3.

Как только перепад истинной плотности определен, возвращаясь назад к приведенным выше уравнениям, непосредственно получаем истинную плотность смеси ρ_true, а также истинную жидкую фракцию и объемное парогазосодержание (последнее более подробно описано со ссылкой на фиг.9).

Табличная коррекция плотности 712 может быть использована, когда, например, функциональная зависимость слишком сложна или неудобна для реализации. В таких случаях знание величин ρ_apparent и ΔMF_apparent могут быть использованы для определения Δρ_true путем использования таблицы, имеющей вид таблицы 800, иллюстрируемой на фиг.8.

Таблица 800 может быть, например, таблицей табличного поиска, которая может храниться, например, в базе данных 245 или в другом запоминающем устройстве для использования в разных случаях применения таблицы. Помимо всего прочего, таблица может быть заполнена в течение установки в исходное положение для хранения в базе данных 245 для индивидуального применения таблицы.

Должно быть очевидным, что алгоритмический и/или табличный виды могут быть расширены для включения множества размеров, например, усиления, температуры, баланса или режима потока. Алгоритмическая или табличная коррекция также может быть расширена для включения других методологий подгонки поверхностей, например, нейронную сеть, радикальные базовые функции, анализ импульса или принципиальный факторный анализ.

Как результат, должно быть очевидно, что такие расширения могут быть реализованы в контексте фиг.3 в течение осуществления способа, описываемого выше. Тогда во втором случае, когда идентифицирован режим потока, плотность может быть дополнительно скорректирована при использовании информации о режиме потока.

На фиг.9 приведена блок-схема 900, иллюстрирующая методологию определения измерений (306 на фиг.3) объемного паросодержания. Как показано на фиг.9, процесс начинается с ввода 902 с помощью системы 240 определения объемного паросодержания предварительно определенных плотности жидкости ρ_liquid и объемной (скорректированной) плотности ρ_true.

Затем определяют 904 плотность ρ_gas газа. Как и в определении плотности ρ_liquid жидкости, имеется несколько методологий определения ρ_gas. Например, ρ_gas можно просто принять равной плотности воздуха, в общем, при известном давлении, или она может быть фактически известной плотностью конкретного газа. В качестве другого примера эта известная плотность ρ_gas может быть одной из вышеуказанных факторов (то есть, плотностью воздуха или специального газа) при фактическом или расчетном давлении, определенном датчиком 225 давления, и/или при фактической или расчетной температуре, определенной датчиком 220 температуры. Температура и давление могут определяться в течение текущего контроля при использовании внешней аппаратуры, как показано на фиг.2, включающей в себя датчик 220 температуры и датчик 225 давления.

Кроме того, может быть известно, что газ имеет специальные характеристики по отношению к факторам, включающим в себя давление, температуру или способность к сжатию. Эти характеристики могут быть введены вместе с идентификацией газа и использоваться при определении текущей плотности ρ_gas газа. Как и в случае информации о жидкостях, в запоминающем устройстве может храниться информация о множестве газов, возможно, вместе с только что описанными характеристиками, так что пользователь может получить доступ к характеристикам плотности конкретного газа простым выбором газа по имени из перечня.

Как только стали известными факторы ρ_liquid, ρ_gas и ρ_true, то должно быть очевидным, что из уравнения 10 может быть просто определено 906 объемное паросодержание α_true. В таком случае при необходимости может быть просто определена 908 жидкая фракция вычислением 1-α_true.

Хотя выше описаны методологии определения объемного паросодержания α_true на основе плотности, должно быть очевидно, что объемное паросодержание может быть определено с помощью других методологий. Например, номинальное объемное паросодержание α_apparent может быть непосредственно определено посредством расходомера Кориолиса, возможно, в связи с другими системами определения объемного паросодержания (представленными на фиг.2 датчиком 235 объемного паросодержания), и скорректировано на основе эмпирических или выведенных уравнений для получения α_true. В других вариантах осуществления такие внешние системы определения объемного паросодержания могут быть использованы для обеспечения непосредственного измерения α_true.

На фиг.10 приведена блок-схема 1000, иллюстрирующая методологии определения измерений (308 на фиг.3) скорректированного удельного массового расхода. Как показано на фиг.10, система 250 коррекции удельного массового расхода сначала вводит 1002 предварительно вычисленный перепад скорректированной плотности Δρ_true, а затем вводит 1004 измеренный кажущийся удельный массовый расход MF_apparent.

Система 250 коррекции удельного массового расхода применяет либо табличную 1006, либо алгоритмическую 1008 коррекцию для определения истинного удельного массового расхода MF_true смеси газ-жидкость. Величина MF_true может быть затем выведена 1010 как скорректированный удельный массовый расход.

При применении табличной 1006 коррекции удельного массового расхода может быть использовано знание величин Δρ_true и ΔMF_apparent для определения MF_true, благодаря использованию таблицы, имеющей вид таблицы 1100, приведенной на фиг.11.

Таблица 1100, также как и таблица 800, может быть, например, таблицей табличного поиска, которая может храниться, например, в базе данных 245 или в другом запоминающем устройстве для использования в разных случаях применения таблицы. Помимо всего прочего, таблица может быть заполнена в течение установки в исходное положение для хранения в базе данных 255 для индивидуального применения таблицы.

Нормализованные значения MF_{norm_app} и MF_{norm_true} могут быть использованы вместо истинных значений, описанных выше, чтобы быть использованными с расходомерной трубкой более чем одного размера. Вводы также могут быть на основе коррекции, где коррекция определяется уравнением 18

Понятно, что значения в уравнении 18 представляют истинные или нормализованные значения.

В алгоритмическом методе, также как в алгоритмической коррекции плотности, коррекция массового расхода может быть реализована с помощью теоретической или эмпирической функциональной зависимости, которая, как, в общем, очевидно, должна быть в виде ΔMF=f(ΔMF_apparent, объемное паросодержание, усиление возбуждения, баланса датчиков, температуры, режима фазы и/или других факторов).

Для некоторых случаев эта функция может быть просто полиномиальной, например, как показано в уравнении 19

Для некоторого набора условий функциональная связь может быть полиномиальной и экспоненциальной комбинацией, как показано в уравнении 20

В уравнении 20, d=Δρ_true, a m=f(MF_apparent)

В одном примере, m в уравнении 20 может быть заменено кажущейся приведенной скоростью жидкости SV_liquid, которая дается, как описано выше, уравнением 2 как SV_liquid=MF_liquid/(ρ_liquid*A_T).

В этом случае ρ_liquid и поперечное сечение A_T расходомерной трубки являются известными или вводимыми параметрами и могут быть в реальном масштабе времени скорректированы для температуры при использовании, например, встроенного устройства 220, предназначенного для измерения температуры, цифрового контроллера/передатчика 104.

Должно быть очевидным, что также как и в случае коррекций плотности, описанных выше, алгоритмические и/или табличные виды коррекции могут быть расширены для включения множества размеров, например, усиления, температуры, баланса или режима потока. Алгоритмическая или табличная коррекция также может быть расширена для включения других методологий подгонки поверхностей, например, нейронную сеть, радикальные базовые функции, анализ импульса или принципиальный факторный анализ.

Как результат, должно быть очевидно, что такие расширения могут быть реализованы в контексте фиг.3 в течение осуществления способа, описанного выше. Например, в первом случае удельный массовый расход может быть определен, как описано выше. Тогда во втором случае, когда идентифицирован режим потока, удельный массовый расход может быть дополнительно скорректирован при использовании информации о режиме потока.

Все вышеуказанные функциональные зависимости удельного массового расхода могут быть сформулированы по-другому при использовании газовой фракции α или жидкой фракции (1-α) вместо перепада плотности, как отражается в таблице 1100, иллюстрируемой на фиг.11. Хотя вышеописанные способы являются зависимыми от знания перепада скорректированной плотности Δρ_true, должно быть очевидным, что коррекции номинального удельного массового расхода могут быть использованы другие методологии. Например, различные методологии коррекции измерений удельного массового расхода двухфазного потока описаны в патенте США №6505519, описание которого включено в эту заявки в качестве ссылки.

После описания коррекций плотности, объемного паросодержания и удельного массового расхода в общем виде для цели, например, одновременного вычисления отдельных расходов компонентов (фаз) в двухфазном потоке, ниже приведено описание и соответствующие иллюстрации характерных вариантов осуществления этих методологий.

На фиг.12-14 приведены графики, иллюстрирующие примеры коррекций плотности для ряда расходомерных трубок. В частности, эти примеры основаны на данных, полученных из трех вертикальных расходомерных трубок для измерения расхода воды, причем расходомерные трубки имеют диаметр ¹/₂ дюйма (12,7 мм), ³/₄ дюйма (19 мм) и 1 дюйм (25,4 мм).

Более конкретно, данные для расходомерной трубки диаметром ¹/₂ дюйма (12,7 мм) были получены при расходе 0,15 кг/сек и 0,30 кг/сек, данные для расходомерной трубки диаметром 3/4 дюйма (19 мм) были получены при расходе 0,5 кг/сек и 1,0 кг/сек, а данные для расходомерной трубки диаметром 1,0 дюйма (25,4 мм) были получены при расходе 0,5 кг/сек, 0,9 кг/сек и 1,2 кг/сек. На фиг.12 иллюстрируется погрешность e_d кажущейся плотности смеси жидкость-газ (двухфазного потока) в зависимости от истинного перепада плотности смеси жидкость-газ Δρ_true

где, как и выше, ρ_liquid - плотность жидкости без газа, ρ_true - плотность смеси жидкость-газ, a ρ_apparent - кажущаяся или номинальная плотность смеси жидкость-газ.

Как показано на фиг.12, коррекцию выполняли на основе кажущегося перепада плотности смеси ρ_apparent в соответствии с уравнением 23

Как показано на фиг.12, при подгонке данных, кажущийся и истинный перепад плотности смеси нормализовался до значений между 0 и 1 путем деления их на 100, где эта нормализация предназначена для гарантии цифровой стабильности алгоритма оптимизации. Другими словами, нормализованный кажущийся и истинный перепад плотности смеси является кажущимся и истинным перепадом плотности смеси, определяемым как отношение, а не процент плотности жидкости ρ_liquid, как показано в уравнении 24

Формулу модели, основанную на уравнении 17, обеспечивает уравнение 25

В этом случае коэффициентами являются a₁=-0,51097664273685, а₂=1,26939674868129, а а₃=0,24072693119420. На фиг.13А и фиг.13В иллюстрируется модель с показанными экспериментальными данными и остаточными погрешностями. На фиг.14А и фиг.14В дается подобная информация, но с каждым расходом, нанесенным отдельно.

Подводя итог, перепад в коррекции плотности осуществляется в передатчике 104 путем вычисления перепада кажущейся плотности Δρ_apparent при использовании значения кажущейся плотности ρ_apparent и плотности жидкости ρ_liquid. Значение кажущегося перепада плотности нормализуют для получения , так что, как указано выше, перепад плотности вычисляют как отношение, а не как процент. Модель (модели) коррекции плотности может быть затем применена для получения нормализованного скорректированного перепада плотности смеси . В конечном счете, это значение не нормализуют для получения скорректированного перепада плотности . Конечное вычисление, безусловно, не является обязательным, если скорректированный перепад плотности смеси Δρ_true определен как отношение, а не как процент.

На фиг.15-20 приведены графики, иллюстрирующие примеры коррекций удельного массового расхода для ряда расходомерных трубок. В частности, эти примеры основаны на данных, полученных из трех вертикальных расходомерных трубок для измерения расхода воды, причем расходомерные трубки имели диаметр ¹/₂ дюйма (12,7 мм), ³/₄ дюйма (19 мм) и 1 дюйм (25,4 мм). Более конкретно, данные для расходомерной трубки диаметром ¹/₂ дюйма (12,7 мм) были получены при расходе 0,15 кг/сек и 0,30 кг/сек, данные для расходомерной трубки диаметром 3/4 дюйма (19 мм) были получены при расходе 0,5 кг/сек и 1,0 кг/сек, а данные для расходомерной трубки диаметром 1,0 дюйм (25,4 мм) были получены при расходе 0,5 кг/сек, 0,9 кг/сек и 1,2 кг/сек; расходомерные трубки диаметром 1 дюйм (25,4 мм) использовали для измерения 18 расходов в диапазоне расходов 0,30-3,0 кг/сек при максимальном перепаде плотности, составляющем приблизительно 30%.

На фиг.15А и фиг.15В иллюстрируются погрешности кажущегося массового расхода для данных, используемых для подгонки модели в зависимости от скорректированного перепада плотности смеси Δρ_true и нормализованной истинной приведенной скорости жидкости; то есть кривые погрешности кажущегося массового расхода на трубку вместе с графиком рассеяния погрешности кажущегося массового расхода в зависимости от скорректированного перепада плотности Δρ_true и нормализованной истинной приведенной скорости жидкости ν_tn, как показано в уравнении 26

где m_t - истинный массовый расход жидкости, то есть значение массового расхода, измеренного независимо, Δρ_liquid - плотность жидкости, A_T - площадь поперечного сечения расходомерной трубки, a ν_max - максимальное значение приведенной скорости жидкости (в этом случае принимаемое равным 12), так что ν_tn дает отношение истинной приведенной скорости жидкости из всего диапазона расходомерной трубки 215. В этих примерах перепад плотности жидкости и приведенную скорость жидкости нормализуют между 0 и 1 до подгонки модели с целью гарантирования цифровой стабильности для алгоритма оптимизации модели.

На фиг.16 иллюстрируются погрешности кажущегося массового расхода в зависимости от скорректированного перепада плотности смеси и нормализованной кажущейся приведенной скорости жидкости с границами безопасности для режима коррекции. То есть, на фиг.16 дается график рассеяния ошибок кажущегося массового расхода в зависимости от скорректированного перепада плотности, и в это время нормализованная кажущаяся приведенная скорость текучей среды

, где m - кажущийся массовый расход жидкости (то есть измеряемый передатчиком 104). На график наложены границы, ограничивающие зону безопасности модели, то есть зону, для которой ожидается, что модель даст точность, подобную точности данных подгонки. При использовании этой номенклатуры погрешность е кажущегося массового расхода дается уравнением

Формула модели для этой ситуации показана в виде уравнения 27

где

где в уравнениях 27 и 28, dd_cn - нормализованный скорректированный перепад плотности смеси, a ν_n - нормализованная кажущаяся приведенная скорость жидкости.

В этом случае коэффициенты равны: a₁=-4,7899878570465, a₂=4,20395000016874, а₃=-5,93683498873342, a₄=12,03484566235777, a₅=-7,70049487145104, а₆=0,69537907794202, а₇=-0,52153213037389, а₈=0,36423791515369 и а₉=-0,16674339233364.

На фиг.17 иллюстрируется график рассеяния остаточных погрешностей модели вместе с формулой и коэффициентами модели, то есть, показаны остаточные погрешности модели в зависимости от скорректированного перепада плотности смеси и нормализованной истинной скорости текучей среды. На фиг.18A-18D и фиг.19A-19D приведены остаточные погрешности модели для всего набора данных, используемого для подгонки и одних истинных данных, соответственно. Наконец, на фиг.20А и фиг.20В иллюстрируется интерполяция и экстраполяция поверхности модели вне зоны безопасной подгонки. Из фиг.16, 20А и 20В должны быть очевидны кажущийся массовый расход (приведенная скорость жидкости) и перепад в пределах плотности для этой модели.

Подводя итог, в этом примере коррекция массового расхода в передатчике 104 осуществляется путем вычисления кажущегося перепада плотности, причем при этой коррекции используется способ (способы), описанный выше, и нормализации получаемого в результате значения путем деления на 100 (или использования полученного нормализованного скорректированного перепада плотности из модели плотности). После этого вычисляют нормализованную приведенную скорость текучей среды, ν_n, и эту модель применяют для получения оценки погрешности e_n нормализованного массового расхода, где это значение дает погрешность кажущегося массового расхода, как отношение истинного массового расхода. Полученное значение может быть сделано ненормализованным благодаря умножению его на 100, чтобы в соответствии с этим получить погрешность массового расхода как процент истинного массового расхода. Наконец, кажущийся массовый расход может быть скорректирован с помощью погрешности ненормализованного массового расхода

.

Как очевидно, вышеприведенное описание имеет широкий диапазон применений для увеличения точности измерения и коррекции расходомера Кориолиса в условиях двухфазного потока. В частности, методологии, описанные выше, особенно полезны в тех случаях измерений, в которых массовый расход жидкой фазы и массовый расход газовой фазы должны быть измерены и/или скорректированы до высокого уровня точности. Одним примером применения является измерение массового потока жидкой фазы и измерение газовой фазы в условиях добычи нефти и газа.

Вышеприведенное описание предусмотрено в контексте цифрового расходомера, иллюстрируемого на фиг.2. Однако должно быть очевидным, что может быть использован любой вибрационный или колебательный денситометр или расходомер, аналоговый или цифровой, который способен измерять многофазный поток, содержащий определенную долю газовой фазы. То есть, некоторые расходомеры способны только измерять технологические текучие среды, содержащие газовую фазу, если эта газовая фаза ограничена небольшим процентным содержанием от всей технологической текучей среды, например, менее 5%. Другие расходомеры, например, цифровой расходомер (расходомеры), указанный выше, способен функционировать даже, если объемное парогазосодержание достигает 40% или более.

Многие из вышеприведенных уравнений и вычислений описаны на основе плотности, удельного массового расхода и/или объемного паросодержания. Однако должно быть очевидным, подобные или похожие результаты могут быть получены при использовании разновидностей этих параметров. Например, вместо массового расхода может быть использован объемный расход. Помимо всего прочего, вместо объемного паросодержания может быть использована жидкая фракция.

Было описано несколько вариантов осуществления. Тем не менее, должно быть очевидно, что могут быть сделаны различные модификации. В соответствии с этим другие варианты осуществления находятся в пределах объема нижеследующей формулы изобретения.

Изобретение предназначено для использования в условиях двухфазного потока, содержащего смесь жидкости и газа. В цифровом расходомере контроллер, соединенный с датчиком и генератором колебаний, соединенными с расходомерной трубкой, выполнен с возможностью управления для ввода кажущейся плотности двухфазного потока, определяемой расходомером, и вывода скорректированной плотности двухфазного потока. Контроллер также выполнен с возможностью управления для ввода кажущегося массового расхода двухфазного потока, определяемого расходомером, и вывода скорректированного массового расхода, для ввода кажущейся фракции первой фазы двухфазного потока, определяемой расходомером, и вывода скорректированной фракции первой фазы, и для определения массового расхода первой фазы и массового расхода второй фазы, а также для определения приведенной скорости первой фазы и приведенной скорости второй фазы на основе массового расхода первой фазы и массового расхода второй фазы, соответственно, и для определения скорости скольжения первой фазы относительно второй фазы на основе средней скорости первой фазы и средней скорости второй фазы. Изобретение повышает точность измерения. 5 н. и 40 з.п. ф-лы, 32 ил.

1. Расходомер, содержащий
расходомерную трубку,
генератор колебаний, соединенный с расходомерной трубкой и выполненный с возможностью сообщения колебаний расходомерной трубке при протекании по ней двухфазного потока,
датчик, соединенный с расходомерной трубкой и выполненный с возможностью измерения движения расходомерной трубки и генерирования сигнала датчика, и
контроллер, соединенный с датчиком и генератором колебаний, причем контроллер выполнен с возможностью управления
для ввода кажущейся плотности двухфазного потока, определяемой расходомером, и вывода скорректированной плотности двухфазного потока,
для ввода кажущегося массового расхода двухфазного потока, определяемого расходомером, и вывода скорректированного массового расхода двухфазного потока,
для ввода кажущейся фракции первой фазы двухфазного потока, определяемой расходомером, которая характеризует количество первой фазы в двухфазном потоке, и вывода скорректированной фракции первой фазы в двухфазном потоке,
и для определения массового расхода первой фазы в двухфазном потоке через расходомерную трубку и определения массового расхода второй фазы в двухфазном потоке, а также
для определения приведенной скорости первой фазы и приведенной скорости второй фазы на основе массового расхода первой фазы и массового расхода второй фазы, соответственно,
для определения скорости скольжения первой фазы относительно второй фазы на основе средней скорости первой фазы и средней скорости второй фазы.

2. Расходомер по п.1, в котором контроллер выполнен с возможностью управления для коррекции кажущейся плотности на основе теоретической зависимости между кажущейся плотностью и скорректированной плотностью.

3. Расходомер по п.1, в котором контроллер выполнен с возможностью управления для коррекции кажущейся плотности на основе эмпирической зависимости между кажущейся плотностью и скорректированной плотностью.

4. Расходомер по п.1, в котором контроллер выполнен с возможностью управления для коррекции кажущейся плотности на основе таблицы, хранящей зависимости между кажущейся плотностью и скорректированной плотностью.

5. Расходомер по п.1, в котором контроллер выполнен с возможностью управления для коррекции кажущегося массового расхода на основе теоретический зависимости между кажущимся массовым расходом и скорректированным массовым расходом.

6. Расходомер по п.1, в котором контроллер выполнен с возможностью управления для коррекции кажущегося массового расхода на основе эмпирической зависимости между кажущимся массовым расходом и скорректированным массовым расходом.

7. Расходомер по п.1, в котором контроллер выполнен с возможностью управления для ввода фракции первой фазы двухфазного потока, определяемой датчиком фракции фазы, который находится вне расходомера.

8. Расходомер по п.1, в котором контроллер выполнен с возможностью управления для определения расхода первой фазы и расхода второй фазы на основе скорректированных значений определяемой плотности и определяемого массового расхода двухфазного потока.

9. Расходомер по п.1, в котором контроллер выполнен с возможностью управления для определения расхода первой фазы и расхода второй фазы на основе скорректированного значения определяемой фракции первой фазы, которая характеризует количество первой фазы в двухфазном потоке.

10. Расходомер по п.1, в котором контроллер выполнен с возможностью управления для определения расхода первой фазы и расхода второй фазы на основе плотностей первой фазы и второй фазы, соответственно.

11. Расходомер по п.10, в котором контроллер выполнен с возможностью управления для определения режима потока двухфазного потока на основе приведенной скорости первой фазы и приведенной скорости второй фазы.

12. Расходомер по п.11, в котором контроллер выполнен с возможностью управления для обеспечения коррекций расхода первой фазы и расхода второй фазы на основе приведенных скоростей, определенного режима потока или скорости скольжения для получения в соответствии с этим скорректированного расхода первой фазы и скорректированного расхода второй фазы.

13. Расходомер по любому из пп.1-12, в котором первая фаза включает в себя газ, а вторая фаза включает в себя жидкость.

14. Способ измерения расхода двухфазного потока, включающий
определение объемной плотности двухфазного потока через расходомерную трубку, причем двухфазный поток включает в себя первую фазу и вторую фазу,
определение массового расхода двухфазного потока,
определение массового расхода первой фазы на основе объемной плотности и массового расхода, а также
определение массового расхода второй фазы на основе объемной плотности и массового расхода,
определение приведенной скорости первой фазы и приведенной скорости второй фазы на основе массового расхода первой фазы и массового расхода второй фазы, соответственно,
при этом определение плотности включает определение кажущейся объемной плотности двухфазного потока и коррекцию кажущейся объемной плотности для получения объемной плотности двухфазного потока, а определение массового расхода включает определение кажущегося массового расхода двухфазного потока и коррекцию кажущегося массового расхода для получения массового расхода двухфазного потока.

15. Способ по п.14, в котором коррекция кажущейся объемной плотности включает ввод кажущейся объемной плотности в теоретическую зависимость, которая соотносит кажущуюся объемную плотность со скорректированной объемной плотностью.

16. Способ по п.15, в котором коррекция кажущейся объемной плотности включает ввод кажущейся объемной плотности в эмпирическую зависимость, которая соотносит кажущуюся объемную плотность со скорректированной объемной плотностью.

17. Способ по п.16, в котором коррекция кажущейся объемной плотности включает ввод плотности первой фазы.

18. Способ по п.17, включающий определение фракции первой фазы двухфазного потока на основе объемной плотности, плотности первой фазы и плотности второй фазы.

19. Способ по п.14, в котором определение массового расхода первой фазы включает определение массового расхода на основе фракции первой фазы и плотности первой фазы.

20. Способ по п.14, включающий определение режима потока двухфазного потока на основе приведенной скорости первой фазы и приведенной скорости второй фазы.

21. Способ по п.20, включающий определение скорости скольжения первой фазы относительно второй фазы на основе средней скорости первой фазы и средней скорости второй фазы.

22. Способ по п.21, включающий обеспечение коррекции расхода первой фазы и расхода второй фазы на основе приведенных скоростей, определенного режима потока или скорости скольжения.

23. Способ по любому из пп.14-22, в котором первая фаза включает в себя газ, а вторая фаза включает в себя жидкость.

24. Контроллер расходомера, содержащий
систему коррекции плотности, выполненную с возможностью управления для ввода кажущейся плотности двухфазного потока и вывода скорректированной плотности двухфазного потока, причем двухфазный поток включает в себя первую фазу и вторую фазу,
систему коррекции массового расхода, выполненную с возможностью управления для ввода кажущегося массового расхода двухфазного потока и вывода скорректированного массового расхода двухфазного потока, и
систему определения массового расхода компонентов потока, выполненную с возможностью управления для определения массового расхода первой фазы на основе скорректированной плотности и скорректированного массового расхода и с возможностью управления для определения массового расхода второй фазы на основе скорректированной плотности и скорректированного массового расхода.

25. Контроллер расходомера по п.24, в котором первая фаза включает в себя жидкость, а вторая фаза включает в себя газ.

26. Контроллер расходомера по п.25, содержащий систему определения фракции фазы, выполненную с возможностью управления для определения скорректированной фракции фазы двухфазного потока, при этом система определения массового расхода компонентов потока выполнена с возможностью управления для определения расхода первой фазы и расхода второй фазы на основе скорректированной фракции фазы.

27. Контроллер расходомера по п.26, в котором система определения фракции фазы является системой определения газосодержания, которая определяет количество газа в двухфазном потоке.

28. Контроллер расходомера по п.27, содержащий систему определения приведенной скорости, выполненную с возможностью управления для определения приведенной скорости первой фазы и приведенной скорости второй фазы.

29. Контроллер расходомера по п.28, содержащий систему определения режима потока, выполненную с возможностью управления для определения режима потока двухфазного потока.

30. Контроллер расходомера по п.29, в котором система определения режима потока дополнительно выполнена с возможностью управления для определения скорости скольжения фазы относительно средней скорости первой фазы и средней скорости второй фазы.

31. Контроллер расходомера по п.30, в котором система определения массового расхода компонентов потока дополнительно выполнена с возможностью управления для определения первого массового расхода и второго массового расхода на основе приведенных скоростей, режима потока или скорости скольжения фазы.

32. Способ определения расходов текучей среды, содержащей газовую фазу и жидкую фазу, предусматривающий
прохождение текучей среды через поддающуюся колебаниям расходомерную трубку, причем текучая среда включает в себя газовую и жидкую фазы;
сообщение расходомерной трубке колебаний во время прохождения через нее текучей среды, используя генератор колебаний, соединенный с расходомерной трубкой и поддающийся управлению для сообщения движения расходомерной трубке;
прием сигнала датчика во время колебаний расходомерной трубки, причем датчик связан с расходомерной трубкой и конфигурирован для измерения движения расходомерной трубки и генерирования сигнала датчика;
организацию доступа данных, относящихся к истинному объемному газосодержанию текучей среды;
определение плотности смеси текучей среды, основанное на доступных данных, относящихся к истинному объемному газосодержанию, и
определение первого расхода газовой фазы на основе определенной плотности смеси и принятого сигнала датчика или второго расхода жидкой фазы на основе определенной плотности смеси и принятого сигнала датчика.

33. Способ по п.32, в котором расходомерная трубка, датчик и генератор колебаний образуют часть расходомера Кориолиса, а организация доступа данных, относящихся к истинному объемному газосодержанию текучей среды, предусматривает организацию доступа данных об объемном газосодержании, измеренном измерителем объемного газосодержания, находящимся за пределами расходомера Кориолиса.

34. Способ по п.32, в котором плотность смеси, определенная на основе доступных данных, относящихся к истинному объемному газосодержанию, является скорректированной плотностью смеси.

35. Способ по п.34, в котором данные, относящиеся к истинному объемному газосодержанию, включают в себя перепад кажущейся плотности, а определение скорректированной плотности смеси предусматривает определение кажущейся плотности смеси текучей среды, основанное на принятом сигнале датчика;
определение перепада кажущейся плотности, основанное на кажущейся плотности смеси;
корректирование перепада кажущейся плотности для генерирования скорректированного перепада плотности, а также
определение скорректированной плотности смеси на основе скорректированного перепада плотности.

36. Способ по п.35, в котором корректирование перепада кажущейся плотности предусматривает ввод перепада кажущейся плотности в теоретическую зависимость, которая соотносит перепад кажущейся плотности со скорректированным перепадом плотности.

37. Способ по п.35, в котором корректирование перепада кажущейся плотности предусматривает ввод перепада кажущейся плотности в эмпирическую зависимость, которая соотносит перепад кажущейся плотности со скорректированным перепадом плотности.

38. Способ по п.32, в котором данные, относящиеся к истинному объемному газосодержанию, включают в себя данные, представляющие собой истинное объемное газосодержание.

39. Расходомер, содержащий
расходомерную трубку, через которую протекает поток текучей среды, включающий в себя газовую фазу и жидкую фазу;
генератор колебаний, соединенный с расходомерной трубкой и конфигурированный для сообщения колебаний расходомерной трубке,
датчик, соединенный с расходомерной трубкой и конфигурированный для измерения движения расходомерной трубки и генерирования сигнала датчика;
контроллер, конфигурированный для сообщения колебаний расходомерной трубке во время прохождения текучей среды через расходомерную трубку, используя генератор колебаний; приема сигнала датчика во время колебаний расходомерной трубки; доступа данных, относящихся к истинному объемному газосодержанию текучей среды; определения плотности смеси текучей среды, основанного на доступных данных, относящихся к истинному объемному газосодержанию; определения массового расхода газовой фазы на основе определенной плотности смеси и принятого сигнала датчика или массового расхода жидкой фазы на основе определенной плотности смеси и принятого сигнала датчика.

40. Расходомер по п.39, в котором для доступа данных, относящихся к истинному объемному газосодержанию текучей среды, контроллер конфигурирован для доступа данных, представляющих истинное объемное газосодержание, измеренное посредством измерителя, находящегося за пределами расходомера Кориолиса.

41. Расходомер по п.39, в котором плотность смеси, определенная на основе доступных данных, относящихся к истинному объемному газосодержанию, является скорректированной плотностью смеси.

42. Расходомер по п.39, в котором данные, относящиеся к истинному объемному газосодержанию, включают в себя перепад кажущейся плотности, а для определения скорректированной плотности смеси текучей среды, основанного на доступных данных, относящихся к истинному объемному газосодержанию, контроллер конфигурирован для определения кажущейся плотности смеси текучей среды, основанного на принятом сигнале датчика; определения перепада кажущейся плотности, основанного на кажущейся плотности смеси; корректирования перепада кажущейся плотности для генерирования скорректированного перепада плотности, а также определения скорректированной плотности смеси на основе скорректированного перепада плотности.

43. Расходомер по п.42, в котором контроллер конфигурирован для корректирования перепада кажущейся плотности, основанного на теоретической зависимости между перепадом кажущейся плотности и скорректированным перепадом плотности.

44. Расходомер по п.42, в котором контроллер конфигурирован для корректирования перепада кажущейся плотности, основанного на эмпирической зависимости между перепадом кажущейся плотности и скорректированным перепадом плотности.

45. Расходомер по п.42, в котором контроллер конфигурирован для корректирования перепада кажущейся плотности, основанного на таблице, хранящей зависимости между перепадом кажущейся плотности и скорректированным перепадом плотности.