СИСТЕМА И СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ НАРОСТА ОТЛОЖЕНИЙ В УЛЬТРАЗВУКОВОМ РАСХОДОМЕРЕ И МАШИНОЧИТАЕМЫЙ НОСИТЕЛЬ ИНФОРМАЦИИ Российский патент 2014 года по МПК G01F1/66 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к способу и системе обнаружения и отслеживания отложений, формирующихся внутри ультразвукового расходомера.

Уровень техники

После добычи углеводородов из недр, поток текучей среды (например, сырая нефть или природный газ) перемещается из пункта добычи к потребителям по системе трубопроводов. При этом желательно знать с точностью количество протекающей в потоке текучей среды, а при транспортировки текучей среды потребителям, или при так называемом откачивании углеводородов с промысла потребителю по закрытой системе, требуется особая точность при определении количества текучей среды. Если последнее не имеет места, точность измерений тем не менее желательна.

В подобных случаях, таких как откачивание углеводородов с промысла потребителю по закрытой системе, возможно применение ультразвуковых расходомеров. В ультразвуковом расходомере имеют место обмен акустическими сигналами, проходящими через поток текучей среды, с последующим выполнением измерений между одной или более парами преобразователей. Каждая пара преобразователей заключена внутри корпуса расходомера или муфты так, что проходящий от одного преобразователя к другому акустический сигнал пересекает под некоторым углом протекающую через расходомер текучую среду. Группа электронных устройств, расположенных внутри корпуса расходомера выполнены с возможностью измерения разности между временем распространения сигнала, которое требуется акустическому сигналу для его прохождения от преобразователя, расположенного ниже по потоку, до преобразователя, расположенного выше по потоку, и временем распространения сигнала, которое требуется акустическому сигналу для его прохождения от преобразователя, расположенного выше по потоку, до преобразователя, расположенного ниже по потоку. Разность времен распространения акустического сигнала впоследствии используют для вычисления средней скорости и объемного расхода текучей среды, протекающей через расходомер.

При эксплуатации ультразвукового расходомера в трубопроводе на внутренней поверхности данного прибора может иметь место нарост отложений. Например, указанные ультразвуковые приборы для измерения расхода текучих сред могут применяться для измерения расхода сырой нефти в составе которой нередко присутствуют парафины. Таким образом, на внутренних поверхностях прибора со временем образуются наросты парафиновых отложений. Нарост таких отложений приводит к ухудшению точности измерений времени распространения акустических сигналов и вызывает уменьшение эффективной площади поперечного проходного сечения расходомера, тем самым внося погрешность в расчетное значение объемного расхода текучей среды, протекающей через расходомер.

Раскрытие изобретения

Указанные выше проблемы могут быть по крайней мере частично решены с помощью способа и системы для обнаружения нароста отложений внутри ультразвукового расходомера. По крайней мере некоторые из приведенных в качестве иллюстраций вариантов осуществления изобретения представляют собой системы, содержащие ультразвуковой расходомер и группу электронных устройств. Ультразвуковой расходомер содержит муфту, выполненную с возможностью взаимодействия с потоком текучей среды, первую пару преобразователей, механически закрепленных на муфте и расположенных так, что они находятся в контакте с потоком текучей среды, и группу электронных устройств. При этом первая пара преобразователей содержит преобразователь, находящийся выше по потоку, и преобразователь, находящийся ниже по потоку, связанный с преобразователем, находящимся выше по потоку, и определяет первую хорду между указанными преобразователями. Группа электронных устройств выполнена с возможностью получения диагностических данных, на основе информации об акустических сигналах, которыми обмениваются преобразователи первой пары, где диагностические данные в ключают скорость распространения звука через текучую среду. Указанная группа электронных устройств дополнительно выполнена с возможностью определения нароста отложений на внутренней поверхности муфты на основании линии основного направления скорости распространения звука через текучую среду.

Прочие приведенные в качестве иллюстраций варианты осуществления изобретения представляют собой способы получения диагностических данных, на основе информации об акустических сигналах, которыми обмениваются преобразователи пары преобразователей ультразвукового расходомера, в том числе скорости распространения звука через текучую среду, протекающую через ультразвуковой расходомер.

Иные варианты осуществления изобретения, дополнительные к вариантам, приведенным выше для иллюстрации, представляют собой машиночитаемые носители информации, которые включают блок группы машинных команд, связанный с процессором для определения нароста отложений внутри ультразвукового расходомера посредством диагностических данных и акустических сигналов, которые передают преобразователи пары преобразователей, при этом одним из указанных диагностических данных является скорость распространения звука через текучую среду, протекающую через ультразвуковой преобразователь.

В раскрытых в данном описании системах и способах могут сочетаться признаки и преимущества, позволяющие устранить недостатки, свойственные предшествующему уровню техники. Различные характеристики, указанные выше, а также другие признаки и особенности изобретения станут очевидными для специалистов в данной области техники после чтения нижеследующего подробного описания изобретения и просмотра сопровождающих чертежей.

Краткое описание чертежей

Подробное описание различных вариантов изобретения содержит ссылки на следующие сопровождающие чертежи:

На Фиг.1 представлен вид сверху в разрезе ультразвукового расходомера;

На Фиг.2 представлен вид сбоку ультразвукового расходомера, соответствующего по крайней мере нескольким вариантам изобретения; показаны муфта и хорды А-D;

На Фиг.3 представлен вид сверху ультразвукового расходомера, соответствующего по крайней мере нескольким вариантам изобретения; показаны корпус муфты и несколько пар преобразователей;

На Фиг.4 представлена блок-схема, иллюстрирующая вариант осуществления способа определения нароста отложений;

На Фиг.5 и 6 схематически представлены виды поперечных сечений в радиальном и осевом направлениях ультразвукового расходомера с наростом отложений; и

На Фиг.7 представлена блок-схема, иллюстрирующая вариант осуществления способа количественного определения нароста отложений и корректировки объемного расхода текучей среды с учетом нароста отложений.

Осуществление изобретения

Некоторые термины используются везде в следующих далее описании и формуле изобретения для ссылок на конкретные компоненты системы. В данном документе компоненты, отличные друг от друга по наименованию, но не по функциям, различаться не будут.

В следующем далее обсуждении и в формуле изобретения термин "включает" используется не в ограничительном смысле, и таким образом, должен пониматься как означающий "включая (но перечень не является ограничительным)…". Термин "соединять" и ему подобные означают как непосредственное, так и опосредованное соединение, подключение или связь. Таким образом, если говорится, что первое устройство соединено со вторым устройством, то соединение может быть как непосредственным, так и таким, которое опосредовано соединениями через другие устройства и соединители. Далее, термин "установлен" будет служить для обозначения как непосредственного, так и опосредованного соединения. Таким образом, если говорится, что первое устройство установлено на втором устройстве, то соединение установленного устройства может быть как непосредственным, так и опосредованным соединениями через другие устройства и соединители.

На Фиг.1 показан ультразвуковой расходомер, служащий для измерения расхода текучей среды, в соответствии с вариантами изобретения. Муфта 100, которая может быть установлена между двумя участками трубопровода, имеет предопределенные размеры, которыми определяется геометрия области, в которой проводятся измерения. Пара преобразователей 120 и 130 устанавливается в соответствующих держателях 125 и 135, разнесенных по длине муфты 100. Преобразователи 120 и 130 являются ультразвуковыми приемопередатчиками, то есть генерируют и принимают ультразвуковые сигналы. Термин "ультразвуковые сигналы" в данном контексте относится к акустическим сигналам, частота которых в некоторых вариантах превышают примерно 20 килогерц. В некоторых вариантах ультразвуковые сигналы могут иметь частоту приблизительно 125 килогерц (для газовых расходомеров) и 1 мегагерц (для жидкостных расходомеров). Ультразвуковые сигналы любой из этих частот могут генерироваться и приниматься пьезоэлектрическими элементами каждого преобразователя. Для генерации ультразвукового сигнала осуществляется воздействие электрического сигнала на пьезоэлектрический элемент, который отвечает вибрацией на это воздействие. При вибрации пьезоэлектрического элемента возбуждается ультразвуковой сигнал, который распространяется в продольно-поперечном направлении внутри муфты 100 через текучую среду, достигая соответствующего преобразователя, принадлежащего той же паре преобразователей. Ультразвуковой сигнал, достигший принимающего пьезоэлектрического элемента, заставляет его вибрировать, генерируя электрический сигнал, который детектируется, преобразуется в цифровую форму и анализируется группой электронных устройств, связанной с расходомером.

Пусть отрезок 110, который называют хордой, соединяет два преобразователя 120 и 130 и направлен под некоторым углом θ к оси 105. Длина хорды 110 это расстояние между передней поверхностью преобразователя 120 и передней поверхностью преобразователя 130. Точки 140 и 145 являются местами, где акустические сигналы, генерируемые преобразователями 120 и 130, входят в или выходят из текучей среды, протекающей через муфту 100. Положение преобразователей 120 и 130 может быть определено углом θ, первым расстоянием L, измеренным между преобразователями 120 и 130, вторым расстоянием X, представляющим собой расстояние между точками 140 и 145, измеренное вдоль оси, и третьим расстоянием D, соответствующим диаметру трубопровода или муфты. В большинстве случаев расстояния D, Х и L точно определяются при изготовлении расходомера. Кроме того, такие преобразователи как 120 и 130 обычно размещаются на определенном расстоянии от точек 140 и 145 соответственно; это расстояние не зависит от размеров расходомера, то есть от диаметра муфты.

Сначала нижний по потоку преобразователь 120 генерирует ультразвуковой сигнал, распространяющийся в направлении верхнего по потоку преобразователя 130 и достигающий его. Через некоторое время верхний по потоку преобразователь 130 генерирует ответный ультразвуковой сигнал, распространяющийся в направлении нижнего по потоку преобразователя 120 и достигающий его. Таким образом, обмен распространяющимися вдоль хорды 110 ультразвуковыми сигналами 115 между преобразователями 120 и 130 можно сравнить с подачей мяча и его захватом в ловушку. При работе расходомера каждая пара преобразователей может повторять такую последовательность действий тысячи раз в минуту.

Поток текучей среды в направлении 150 через муфту 100 характеризуется эпюрой 152 скоростей. Показанные на чертеже векторы скорости 153-158 демонстрируют тот факт, что скорость потока, проходящего через муфту 100, увеличивается при приближении к оси 105. Время прохождения ультразвукового сигнала 115 между преобразователями 120 и 130 зависит, в частности, от направления распространения (вверх или вниз по потоку) ультразвукового сигнала 115. Время прохождения ультразвукового сигнала 115 по потоку (то есть, в том же направлении, в котором движется поток) меньше, чем время прохождения сигнала в противоположном направлении (то есть, в направлении против потока). Значения времени прохождения сигнала в направлениях по потоку и против потока можно использовать для определения средней по всей хорде 110 скорости потока, а также для определения скорости звука в потоке текучей среды. При заданных размерах сечения расходомера, через который проходит текучая среда, и при известной средней скорости может быть рассчитан объем текучей среды, прошедшей через муфту 100 за заданное время.

Для более точного определения средней по всему сечению расходомера скорости в ультразвуковом расходомере могут использоваться несколько хорд; такие расходомеры называют многолучевыми. На Фиг.2 показан многолучевой ультразвуковой расходомер. В данных вариантах хорда А (обозначена как 225 на Фиг.2), хорда В (230), хорда С (235) и хорда D (240) в муфте 100 расположены в разных слоях потока. В альтернативных вариантах многолучевые расходомеры могут иметь разное число хорд. Каждая из хорд А-D соответствует двум преобразователям, работающим поочередно в качестве передатчика и в качестве приемника. Показана также группа электронных устройств 160 управления, которая получает и обрабатывает данные от пар преобразователей, соответствующих четырем хордам А-D. На Фиг.2 не показаны четыре пары преобразователей, соответствующие хордам А-D.

Схему расположения четырех пар преобразователей можно легко понять, обратившись к Фиг.3. Четыре пары входов/выходов преобразователей, или отверстий, расположены на муфте 100. Каждая пара отверстий преобразователей соответствует одной из хорд 110, показанных на Фиг.2. На муфте 100 расположена первая пара отверстий 125 и 135 преобразователей и соответствующие им преобразователи. Другая пара отверстий преобразователей, состоящая из отверстий 165 и 175 (видны частично), и соответствующие им преобразователи установлены таким образом, чтобы соединяющая их хорда была расположена, в общих чертах, Х-образно по отношению к хорде 110, соединяющей отверстия 125 и 135 преобразователей. Точно так же отверстия 185 и 195 преобразователей расположены параллельно отверстиям 165 и 175 преобразователей, но в других плоскостях (то есть, на разных радиальных расстояниях от оси трубопровода или муфты расходомера). На Фиг.3 не показаны явно четвертая пара отверстий преобразователей и соответствующие им преобразователи. Рассматривая совместно Фиг.2 и 3, можно видеть, что пары преобразователей размещены таким образом, что две верхние пары преобразователей, соответствующие хордам А и В, расположены Х-образно, и две нижних две пары преобразователей, соответствующих хордам С и D, также расположены Х-образно. На основе данных о времени прохождения сигналов может быть определена скорость потока текучей среды для каждой из хорд А-D, благодаря чему можно получить средние вдоль хорд скорости потока (далее - "скорости по хордам"); комбинируя скорости по хордам, можно определить скорость потока, среднюю по всему сечению трубопровода или муфты 100 расходомера. Объемный расход текучей среды, проходящей через муфту 100 расходомера, может быть далее определен как произведение средней скорости потока на площадь поперечного сечения муфты 100 расходомера.

Скорости потока, измеряемые вдоль хорд, получают по наборам значений времени распространения сигнала, получаемым от четырех пар преобразователей. Для хорды i набор значений времени распространения сигнала включает набор разностей ΔT_i между значениями времени распространения сигнала Т_1,i в направлении против потока и времени распространения сигнала T_2,i в направлении по потоку, получаемых, в основном, из следующего уравнения:

$$\Delta T=T_{\mathrm{1,}i}-T_{\mathrm{2,}i}\left(1\right)$$

Набор, состоящий из 20 значений ΔT_i, может использоваться для определения среднего значения ΔT_i. В альтернативных вариантах число значений ΔT_i может изменяться.

На основании среднего значения ΔT_i, может быть определена средняя вдоль хорды скорость V_i, потока, в основном, из следующего уравнения:

$$V_i=\frac{L_i^2}{2X_i}\cdot \frac{\Delta T_i}{T_{\mathrm{1,}i}{T}_{\mathrm{2,}i}}\left(2\right)$$

где i - номер конкретной хорды, V_i - определяемая вдоль хорды скорость потока (то есть, V_A, V_B, V_C и V_D для хорд А-D соответственно), L_i - расстояние, или длина хорды, между преобразователями, и X_i - расстояние в потоке, измеряемое вдоль оси. Далее на основе средних определяемых вдоль хорд скоростей V_i может быть определена средняя скорость V потока текучей среды, проходящего через трубу или муфту 100 расходомера, в основном, с помощью следующего уравнения:

$$V={\displaystyle \sum _i{W}_i{V}_i}\left(3\right)$$

где W_i - весовой множитель, зависящий от номера i хорды.

Используя среднюю скорость V потока, следующим образом можно определить объемный расход Q текучей среды, проходящей через муфту 100 расходомера:

$$Q=V{A}_C\left(4\right)$$

где A_C - площадь поперечного сечения муфты 100 расходомера. Площадь поперечного сечения A_C определяется:

$$A_c=\frac{\pi D^4}{4}\left(5\right)$$

где D - внутренний диаметр муфты 100 расходомера, который обычно определяется при изготовлении муфты 100.

При работе ультразвукового расходомера группа электронных устройств, связанная с расходомером, выполняет группу функций, которые могут включать инициализацию работы преобразователя, получение выходного сигнала от одного или группы преобразователей и вычисление средней измеряемой вдоль хорды скорости V_i для каждой из хорд, средней скорости V потока и объемного расхода Q потока, проходящего через расходомер. Параметры, вычисленные группой электронных устройств могут затем передаваться электронной системе, удаленной от расходомера, например, системе диспетчерского управления и сбора данных (SCADA) и использоваться как входная информация для дальнейших вычислений. Альтернативно, все вычисления могут выполняться группой электронных устройств, связанной с расходомером, или электронными устройствами, удаленными от него.

При прохождении текучей среды через муфту расходомера на его внутренних поверхностях может начаться образование нароста отложений. Через некоторое время рост отложений может стать причиной возникновения погрешностей при вычислении средних вдоль хорд скоростей V_i, функций, зависящих от измеренных значений Т_1,i, T_2,i времени распространения сигнала, площади поперечного сечения A_C расходомера и, следовательно, к погрешностям в вычисленном значении объемного расхода Q потока текучей среды через расходомер. При образовании отложений акустический сигнал, генерируемый преобразователем, проходит через материал отложений, прежде чем быть принятым другим преобразователем. Таким образом, формирование нароста отложений влияет на измеряемые значения Т_1,i, Т_2,i времени распространения сигнала, приводя к погрешностям в вычисляемых значениях средней измеренной вдоль хорды скорости V_i. Отложения, далее, уменьшают эффективную площадь поперечного сечения A_C расходомера. Обе эти погрешности приводят к погрешностям при вычислении объемного расхода Q потока через расходомер.

Если нет возможности выявить и количественно оценивать рост отложений на внутренних поверхностях ультразвукового расходомера, то расходомер требует регулярного технического обслуживания, которое часто оказывается длительным и дорогостоящим дополнительным обслуживанием. Отметим также, что в данной области техники отсутствует какой-либо способ внесения достоверных поправок в вычисляемые значения объемного расхода, которые учитывали бы образование нароста отложений в периоды между техническим обслуживанием. Раскрываемое изобретение направлено на создание способов и систем обнаружения и количественной оценки формирования нароста отложений в ультразвуковых расходомерах. Раскрываемые способы и системы позволяют получать диагностические данные, как измеренные, так и вычисленные, позволяющие проводить техническое обслуживание, необходимое для устранения отложений, в основном, когда это действительно необходимо, а не в соответствии с жестким графиком. Если техническое обслуживание в данное время не выполняется, раскрытые здесь способы и системы позволят скорректировать вычисляемый объемный расход с учетом образования нароста отложений.

В соответствии с некоторыми вариантами, погрешности в значениях времени распространения сигнала Т_1,i, Т_2,i и, следовательно, формирование нароста отложений, можно обнаружить, используя функцию η. Уровень техники и способ получения индикатора погрешности η представлены в патенте US No 6,816,808, который включается сюда по ссылке. Для двух хорд А и В, длины которых, равные соответственно L_A и L_B, значительно отличаются, индикатор погрешности η_AB рассчитывается:

$${\eta }_{AB}=\frac{L_B{L}_A}{L_B-L_A}\cdot \frac{c_B-c_A}{c_B{c}_A}\left(6\right)$$

где c_A - вычисленная скорость звука, проходящего через текучую среду, измеренная вдоль хорды A, c_B - вычисленная скорость звука, проходящего через текучую среду вдоль хорды В. Аналогичные выражения можно написать для других пар хорд со значительно отличающимися длинами, например, хорд В и D, хорд С и А и хорд С и D, показанных на Фиг.2.

Скорость звука c_A для хорды А определяется:

$$c_A=\frac{L_A}{2}\cdot \frac{T_{\mathrm{1,}A}+T_{\mathrm{2,}A}}{T_{\mathrm{1,}A}{T}_{\mathrm{2,}A}}\left(7\right)$$

где Т_1,A - время распространения сигнала в направлении против потока вдоль хорды А и Т_2,A - время распространения сигнала в направлении потока вдоль хорды А. Скорость звука, относящаяся к хорде В, как и скорости, относящиеся к другим хордам, могут быть выражены аналогичным образом.

Если скорость распространения звука через текучую среду в расходомере является однородной, и отсутствуют погрешности при измерении значений Т_1,A, Т_2,A, Т_1,B и T_2,B времени распространения сигнала, то значение η_AB равно нулю. Однако в случае погрешностей при измерении любого из значений времени распространения сигнала значение η_AB будет отличным от нуля. Как обсуждалось выше, наросты отложения могут вызывать погрешности в измеренных значениях времени распространения сигнала, и, таким образом, вызывать отклонение η_AB от нуля. Поэтому при отслеживании через некоторые промежутки времени значений η_AB может быть обнаружен рост отложений внутри ультразвукового расходомера.

При вычислении η_AB через некоторые промежутки время с целью обнаружения формирования отложений, следует учитывать режим, в котором происходит движение текучей среды. Могут образовываться слои, имеющие различные температуры, то есть, может возникать неоднородность поля температур внутри расходомера, когда скорость потока текучей среды мала или равна нулю. Например, текучая среда вблизи верхней части расходомера может иметь более высокую температуру, чем текучая среда вблизи нижней части расходомера. Так как скорость распространения звука через текучую среду зависит от температуры, скорость звука в объеме текучей среды не будет однородной функцией при неравномерном распределении температур. Различия в скорости прохождения звука через текучую среду вызовут, далее, отличия в значениях η_AB при переходе от одной хорды к следующей.

Но неоднородность поля температур может быть уменьшена, если текучая среда хорошо перемешивается, например, если при прохождении текучей среды через расходомер возникает турбулентность. Поэтому при вычислении η_AB через некоторые промежутки времени с целью обнаружить сформировавшиеся отложения предпочтительно измерять значения Т_1,A, Т_2,A, T_1,B и Т_2,B времени распространения сигнала, когда текучая среда движется через расходомер.

На Фиг.4 показана блок-схема, иллюстрирующая способ обнаружения сформировавшихся наростов отложений внутри ультразвукового расходомера. Алгоритм 400 для этого способа начинает работу с периодического измерения группой электронных устройств значений Т_1,i, Т_2,i времени распространения сигнала по крайней мере между двумя парами преобразователей, установленных в расходомере (блок 405). В некоторых вариантах значения T_1,i, T_2,i времени распространения могут измеряться для всех пар преобразователей, а в других вариантах значения Т_1,i, T_2,i времени распространения могут измеряться лишь для некоторых выбранных пар преобразователей.

Индикатор погрешности η может быть рассчитан для любых двух пар преобразователей, для которых производятся измерения значений Т_1,i, Т_2,i времени распространения сигнала, у которых длины хорд значительно отличаются. Пусть, например, имеются четыре пары преобразователей, находящихся внутри ультразвукового расходомера, показанного на Фиг.2. Если значения Т_1,i, T_2,i времени распространения сигнала измеряются для каждой пары преобразователей, то значение η можно рассчитывать для пар преобразователей, связанных с хордами А и В, В и D, А и С, С и D.

В некоторых вариантах значения Т_1,i, Т_2,i времени распространения сигнала измеряются многократно в течение некоторого промежутка времени, а затем усредняются по этому промежутку времени, и таким образом формируются средние значения T_1,i,avg, T_2,i,avg (блок 410). Средние значения T_1,i,avg, T_2,i,avg времени распространения сигнала могут далее использоваться для вычислений скорости звука, при которых в уравнении (7) значения переменных заменяются средними значениями Т_1,i,avg, Т_2,i,avg времени распространения сигнала и длины хорды L_i (блок 415). В свою очередь, значения скорости звука c_i и соответствующие значения длин хорд далее подставляются в уравнение (6) с целью вычисления η (блок 420). В некотором смысле вычисленное значение η является средним значением η, или η_avg, так как оно определяется с использованием средних значений T_1,i,avg, T_2,i,avg времени распространения сигнала.

Альтернативно, скорость звука c_i может быть рассчитана при подстановке измеренных значений Т_1,i, T_2,i времени распространения сигнала и длин L_i хорд в уравнение (7) (блок 425). В свою очередь, скорость звука c_i и соответствующие длины хорд могут далее подставляться в уравнение (6) для вычисления η (блок 430). Эти вычисления могут повторяться в течение некоторого промежутка времени, а вычисленные значения η усредняться, формируя, таким образом, среднее значение η, или η_avg (блок 435).

Затем каждое вычисленное значение η_avg может быть оценено с целью определить, обнаруживаются ли внутри ультразвукового расходомера сформировавшиеся наросты отложения (блок 440). Одним из оснований для вывода о том, что происходит рост отложений, является предположение о том, что каждое из вычисленных значений η_avg постепенно изменяется, в общем, на одну и ту же величину и превышает некоторое заранее заданное пороговое значение.

Если не обнаружено формирования отложений, то техническое обслуживание в данное время не требуется. Группа электронных устройств, связанная с ультразвуковым расходомером, может продолжать измерять изменения значений T_i,1, T_i,2 времени распространения сигнала и вычислять η_avg для двух или большего числа пар преобразователей без какого-либо вмешательства, пока не будет обнаружен рост отложений. При обнаружении в некоторый момент времени роста отложений может потребоваться техническое обслуживание. В зависимости от ситуации, работа ультразвукового расходомера может быть приостановлена для выполнения технического обслуживания с целью уменьшения или удаления отложений (блок 445). Альтернативно, группа электронных устройств может выполнять дополнительные вычисления, позволяющие определять скорректированное значение объемного расхода текучей среды, проходящей через расходомер, учитывающее рост отложений (блок 450).

Возможность обнаруживать формирование нароста отложений, в соответствии с раскрытыми здесь способами, включая алгоритм 400, позволяет выполнять обслуживание ультразвукового расходомера, когда это необходимо, а не по жесткому графику. Кроме того, возможность количественно определять рост отложений и учитывать его путем корректировки вычисляемого значения объемного расхода потока через расходомер позволяет отложить техническое обслуживание на некоторое время, которое не задается заранее. По крайней мере в некоторых вариантах величина η дает основу для количественного определения роста отложений и корректировки значений объемного расхода текучей среды, проходящей через расходомер.

Вернемся к уравнению (6), где η_AB - функция от скорости звука c_A и скорости звука c_B. Предположим, что возникла погрешность ΔT_A в измеренном значении Т_1,A или Т_1,B времени распространения сигнала, обусловленная ростом отложений; тогда результирующая погрешность Δc_A вычисленной скорости звука c_A равна:

$$\Delta c_A=-\frac{c^2}{L_A}\Delta T_A\left(8\right)$$

Таким образом, скорость звука c_A для хорды А может быть записана в виде:

$$c_A=c+\Delta c_A=c-\frac{c^2}{L_A}\Delta T_A\left(9\right)$$

Аналогичные выражения могут быть написаны для других хорд, например хорд В, С и D, показанных на Фиг.2.

Подставляя выражение (9) и аналогичное выражение для хорды В в уравнение (6) и пренебрегая членами более высокого порядка, представляющими собой произведения ΔT_A и ΔT_B, можно представить η_AB таким образом:

$${\eta }_{AB}=\frac{L_B\Delta T_A-L_A\Delta T_B}{L_B-L_A}\left(10\right)$$

Если образование нароста отложений происходит на поверхностях преобразователей, находящихся на противоположных концах хорды, то они отложения вызовут погрешности в значении скорости с распространения звука в текучей среде. Один из способов количественного определения этой погрешности состоит в предположении, что отложения вызывают погрешность в измеренном значении Т времени распространения сигнала. Предположив, что материал отложений характеризуется скоростью звука c_deposit, и что толщина нароста отложений на каждой из поверхностей преобразователей равна t_deposit, можно определить погрешность ΔТ для времени распространения сигнала, обусловленную отложениями, по формуле:

$$\Delta T=2t_{deposit}\left(\frac{1}{c_{deposit}}-\frac{1}{c}\right)\left(11\right)$$

Как показывает уравнение (11), погрешность ΔТ для времени распространения сигнала, обусловленная отложениями, зависит от толщины t_deposit нароста отложений, скорости звука с в текучей среде и скорости звука c_deposit в материале отложений, но не от длины хорды. Кроме того, если предположить, что рост отложений происходит внутри ультразвукового расходомера равномерно, то погрешность ΔT в значении времени распространения сигнала, обусловленная отложениями, не зависит от хорды. Таким образом, величины ΔT_A и ΔT_B в уравнении (10) не зависят от хорд А и В соответственно и могут быть обозначены просто через ΔT. Уравнение (10) тогда упрощается следующим образом:

$${\eta }_{AB}=\Delta T\left(12\right)$$

Комбинируя уравнения (11) и (12), можно выразить η_AB и погрешность ΔТ в значении времени распространения сигнала, обусловленную отложениями, через толщину t_deposit нароста отложений:

$${\eta }_{AB}=\Delta T=2t_{deposit}\left(\frac{1}{c_{deposit}}-\frac{1}{c}\right)\left(13\right)$$

Алгебраически преобразуя уравнение (13), можно выразить толщину t_deposit нароста отложений в виде:

$$t_{deposit}=\frac{\Delta T}{2}\cdot \frac{c{c}_{deposit}}{c-c_{deposit}}\left(14\right)$$

Как описано выше со ссылками на Фиг.4, величина η_AB может быть вычислена с использованием измеренных значений Т_1,i, Т_2,i времени распространения сигнала. Определив η_AB и зная из уравнения (13), что величина η_AB равна погрешности ΔT в значении времени распространения сигнала, можно определить далее толщину t_deposit нароста отложений, используя уравнение (14). Таким образом, уравнение (14) позволяет количественно определять рост отложений внутри ультразвукового расходомера.

В некоторых вариантах решение о выполнении технического обслуживания ультразвукового расходомера с целью удаления отложений может зависеть от толщины t_deposit нароста отложений. Например, может быть выбрано некоторое пороговое значение, такое что обслуживание должно производиться, когда толщина t_deposit нароста отложений превысит это значение. Если обслуживание с целью уменьшения или устранения отложений не выполняется, то значение объемного расхода текучей среды через расходомер может быть скорректировано с учетом роста отложений.

Объемный расход текучей среды через расходомер определяется по формуле:

$$Q=V{A}_c\left(15\right)$$

где A_c - площадь поперечного сечения, V - средняя скорость потока. Как обсуждалось выше, формирование отложений ведет к погрешностям как в значении средней скорости V потока, так и в значении площади поперечного сечения A_c. Таким образом, относительная неопределенность ΔQ/Q объемного расхода может выражаться, как:

$$\frac{\Delta Q}{Q}=\frac{\Delta V}{V}+\frac{\Delta A_c}{A_c}\left(16\right)$$

Здесь ΔV/V и ΔA_c/A_c - относительные неопределенности значений средней скорости потока V и площади поперечного сечения A_c соответственно. Чтобы определить относительную неопределенность объемного расхода ΔQ/Q и, таким образом, погрешность ΔQ в значении объемного расхода Q, обусловленную отложениями, оцениваются относительные неопределенности средней скорости потока и площади поперечного сечения, то есть, соответственно, ΔV/V, ΔA_c/A_c.

Площадь поперечного сечения A_c:

$$A_c=\frac{\pi D^2}{4}\left(17\right)$$

где D - внутренний диаметр муфты расходомера, измеренный при отсутствии отложений. Формирование отложений уменьшает эффективный внутренний диаметр муфты расходомера. Таким образом, относительная неопределенность ΔA_c/A_c площади поперечного сечения может быть выражена так:

$$\frac{\Delta A_c}{A_c}=\frac{1}{A_c}\cdot \frac{\partial A_c}{\partial D}\Delta D\left(18\right)$$

Выражая A_c через D с помощью уравнения (17) и замечая, что ΔD равно -2t_deposit , получим, что относительная неопределенность ΔA_c/A_c площади поперечного сечения равна:

$$\frac{\Delta A_c}{A_c}=-\frac{4t_{deposit}}{D}\left(19\right)$$

Средняя скорость V потока задается выражением:

$$V={\displaystyle \sum _i{W}_i{V}_i}\left(20\right)$$

где W_i - весовой множитель для хорды i. Таким образом, относительная неопределенность ΔV/V средней скорости потока может быть выражена в виде:

$$\frac{\Delta V}{V}={\displaystyle \sum _i{W}_i\frac{\Delta V_i}{V_i}\left(21\right)}$$

Средняя скорость V_i потока вдоль хорды i задается выражением:

$$V_i=\frac{L_i^2}{2X_i}\cdot \frac{T_{\mathrm{1,}i}-T_{\mathrm{2,}i}}{T_{\mathrm{1,}i}{T}_{\mathrm{2,}i}}\left(22\right)$$

где L_i - длина хорды i, X_i - продольная составляющая L_i, Т_1,i - время распространения сигнала против потока (то есть, значение времени распространения акустического сигнала вдоль хорды i от преобразователя, находящегося ниже по потоку, к преобразователю, находящемуся выше по потоку), и T_2,i - время распространения сигнала в направлении потока. Таким образом, относительная неопределенность ΔV_i/V скорости потока для хорды i может быть выражена следующим образом:

$$\frac{\Delta V_i}{V_i}=\frac{1}{V_i}\left(\frac{\partial V_i}{\partial X_i}\Delta X_i+\frac{\partial V_i}{T_{\mathrm{1,}i}}\Delta T+\frac{\partial V_i}{\partial T_{\mathrm{2,}i}}\Delta T\right)\left(23\right)$$

где погрешности в значениях Т_1,i, Т_2,i времени распространения сигнала равны ДТ, как обсуждалось выше. С помощью уравнения (22) данное выше выражение может быть упрощено:

$$\frac{\Delta V_i}{V_i}=\frac{\Delta X_i}{X_i}-\frac{2c}{L_i}\Delta T\left(24\right)$$

где с - скорость звука для текучей среды.

Продольная составляющая X_i дается выражением:

$$X_i=\frac{D\sqrt{1-f_i^2}}{\tan \theta }\left(25\right)$$

где θ - угол, образуемый хордой i с направлением потока и f_i - относительное расстояние, на которое измерительная плоскость хорды i удалена от центральной плоскости расходомера. На Фиг.5 и 6 схематично показаны относительные расстояния f_i и протяженность X_i вдоль оси для хорды i, имеющей длину L_i. Рост отложений влечет к погрешностям в значениях среднего диаметра расходомера и относительного расстояния f_i, на котором измерительная плоскость хорды i находится от центральной плоскости расходомера. Таким образом, относительная неопределенность ΔX_i/X_i в протяженности хорды вдоль оси может быть выражена в виде:

$$\frac{\Delta X_i}{X_i}=\frac{1}{X_i}\left(\frac{\partial X_i}{\partial D}\Delta D+\frac{\partial X_i}{\partial f_i}\Delta f_i\right)\left(26\right)$$

Как и выше, ΔD можно выразить через толщину t_deposit нароста отложений:

$$\Delta D=-2t_{deposit}\left(27\right)$$

Кроме того, погрешность в значении относительного расстояния Δf_i/f_i равна:

$$\frac{\Delta f_i}{f_i}=\frac{2t_{deposit}}{D}\left(28\right)$$

Подставляя выражения для ΔD и Δf_i/f_i из уравнений (27) и (28) в уравнение (26), получаем относительную неопределенность ΔX_i/X_i в протяженности хорды вдоль оси в таком виде:

$$\frac{\Delta X_i}{X_i}=-\frac{2t_{deposit}}{D\left(1-f_i^2\right)}\left(29\right)$$

Заменяя далее ΔX_i/X_i в уравнении (24) на выражение, взятое из уравнения (29), можно упростить выражение для относительной неопределенности ΔV_i/V_i скорости потока для хорды i:

$$\frac{\Delta V_i}{V_i}=2t_{deposit}\left(\frac{1}{D\left(1-f_i^2\right)}-\frac{2}{L_i}\cdot \frac{c-c_{deposit}}{c_{deposit}}\right)\left(30\right)$$

Как было описано выше со ссылками на Фиг.4, величина η_AB может быть вычислена с использованием измеренных значений Т_1,i, Т_2,i времени распространения сигнала. Используя уравнение (13), можно определить толщину t_deposit нароста отложений как функцию от η_AB. Толщина отложений t_deposit используется как известная величина ("вход") в уравнениях (19) и (30) для определения ΔA_c/A_c и ΔV_i/V_i соответственно. Наконец, относительная погрешность ΔQ/Q в значении объемного расхода может быть оценена при помощи уравнения (16).

С учетом сформировавшихся отложений скорректированное значение объемного расхода Q_c текучей среды, проходящей через расходомер, равно:

$$Q_c=Q+\Delta Q\left(31\right)$$

где Q - объемный расход текучей среды, проходящей через расходомер, при отсутствии отложений, величина которого может быть определена с использованием уравнения (15).

На Фиг.7 приведена блок-схема, иллюстрирующая алгоритм 500 данного способа, служащий для количественного определения нароста отложений внутри ультразвукового расходомера и корректировки значений объемного расхода текучей среды, проходящей через расходомер, с учетом отложений. Алгоритм 500 начинает работу с выявления и отслеживания нароста отложений, выполняемых в соответствии с алгоритмом 400, который обсуждался выше со ссылками на Фиг.4 (блок 505). Одним из результатов алгоритма 400 является значение η_avg которое может быть далее подставлено в уравнение (13), что позволяет вычислять толщину нароста отложений (блок 510).

Далее в алгоритме 500 выполняются шаги для вычисления скорректированного значения Q_c объемного расхода текучей среды, проходящей через расходомер, с использованием значения t_deposit толщины нароста отложений. Относительная неопределенность ΔV_i/V_i площади поперечного сечения определяется с помощью уравнения (19) (блок 515). Относительная неопределенность ΔV_i/V_i средней измеряемой вдоль хорды скорости потока для каждой хорды i вычисляется с использованием уравнения (30) (блок 520). Вычисленные значения ΔV_i/V_i для всех хорд i затем подставляются в уравнение (21), чтобы вычислить относительную неопределенность ΔV/V средней скорости потока (блок 525). Относительная неопределенность значения ΔQ/Q объемного расхода определяется по вычисленным значениям ΔA_c/A_c и ΔV/V с помощью уравнения (16) (блок 530).

Объемный расход О текучей среды, проходящей через расходомер при отсутствии отложений, может быть определен с помощью уравнения (15) (блок 535). Вычисленные значения ΔQ/Q могут быть далее скомбинированы так, чтобы получить величину ΔQ погрешности в значении объемного расхода, обусловленной ростом отложений (блок 540). Наконец, скорректированное значение объемного расхода Q_c текучей среды, проходящей через расходомер, может быть определено с использованием уравнения (31) (блок 545).

Специалист в данной области может, исходя из представленного здесь описания, комбинировать описанные способы для создания программного обеспечения, которое, в сочетании с соответствующими универсальными или специальными аппаратными средствами, может использоваться для создания компьютерной системы и/или компьютерных блоков, реализующих данное изобретение, для создания компьютерной системы и/или компьютерных блоков, выполняющих действия, предлагаемые в данном изобретении, и/или для создания машиночитаемых носителей информации с хранящейся на них информацией, связанных с процессором, реализующим некоторые из аспектов способа, предлагаемого в изобретении. При использовании указанного машиночитаемого носителя информации описанные здесь способы могут применяться периодически или же по мере надобности.

Приведенное выше обсуждение, как предполагается, лишь иллюстрирует принципы и различные варианты данного изобретения. Многочисленные варианты и модификации станут очевидными специалистам в данной области после оценки в полной мере раскрытия изобретения. Предполагается, что следующая далее формула изобретения будет интерпретироваться как охватывающая все такие варианты и модификации.

Группа изобретений относится к измерительной технике и, в частности, к способу и системе обнаружения и отслеживания отложений. Система обнаружения нароста отложений в ультразвуковом расходомере включает ультразвуковой расходомер, муфту, пару преобразователей, закрепленных на муфте. Причём каждая пара преобразователей содержит преобразователь, установленный ниже по потоку, и связанный с ним преобразователь, расположенный выше по потоку, и задает хорду, проходящую между ними. Также система содержит группу электронных устройств, электрически связанных с парами преобразователей и выполненных с возможностью получения диагностических данных посредством акустических сигналов, передаваемых каждой парой преобразователей. При этом диагностические данные включают расчетную скорость распространения звука через текучую среду для каждой пары преобразователей, а электронные устройства выполнены с возможностью обнаружения нароста отложений на внутренней поверхности муфты на основании разницы длин хорд и изменения скорости распространения звука через текучую среду во времени для пар преобразователей. Способ обнаружения нароста отложений предполагает определение диагностических данных посредством акустических сигналов, которые передаются между каждой из пар преобразователей ультразвукового расходомера. При этом диагностические данные включают расчетную скорость распространения звука через текучую среду, проходящую через ультразвуковой расходомер для каждой пары преобразователей, изменение во времени скорости распространения звука через текучую среду для каждой из пар преобразователей, разницу длин хорд пар преобразователей, изменение скорости распространения звука через текучую среду.

Технический результат изобретения - повышение точности измерений. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Система обнаружения нароста отложений в ультразвуковом расходомере, включающая
ультразвуковой расходомер, содержащий муфту, выполненную с возможностью ее введения в поток текучей среды, пары преобразователей, закрепленных на муфте и связанных текучей средой, причем каждая пара преобразователей содержит преобразователь, установленный ниже по потоку, и связанный с ним преобразователь, расположенный выше по потоку, и задает хорду, проходящую между ними, а указанная система дополнительно содержит
группу электронных устройств, электрически связанных с парами преобразователей и выполненных с возможностью получения диагностических данных посредством акустических сигналов, передаваемых каждой парой преобразователей, причем диагностические данные включают расчетную скорость распространения звука через текучую среду для каждой пары преобразователей, а электронные устройства дополнительно выполнены с возможностью обнаружения нароста отложений на внутренней поверхности муфты на основании разницы длин хорд и изменения скорости распространения звука через текучую среду во времени для пар преобразователей.

2. Система по п.1, в которой по меньшей мере одно электронное устройство расположено внутри расходомера.

3. Система по п.1, в которой по меньшей мере одно электронное устройство расположено на расстоянии от расходомера.

4. Система по п.1, в которой группа электронных устройств дополнительно выполнена с возможностью определения толщины нароста отложений.

5. Система по п.4, в которой группа электронных устройств дополнительно выполнена с возможностью генерирования сигнала при толщине нароста отложений, превышающей пороговое значение.

6. Система по п.1, в которой группа электронных устройств дополнительно выполнена с возможностью определения изменения объемного расхода текучей среды, проходящей через расходомер, вызванного отложениями.

7. Система по п.1, в которой группа электронных устройств дополнительно выполнена с возможностью вычисления скорости распространения звука через текучую среду, при этом диагностическими данными дополнительно являются значения времени распространения сигнала между каждой из пар преобразователей.

8. Система по п.1, в которой группа электронных устройств дополнительно выполнена с возможностью сохранения диагностических данных.

9. Способ обнаружения нароста отложений, включающий определение диагностических данных посредством акустических сигналов, которые передаются между каждой из пар преобразователей ультразвукового расходомера, причем диагностические данные включают расчетную скорость распространения звука через текучую среду, проходящую через ультразвуковой расходомер, для каждой пары преобразователей, а способ дополнительно включает
отслеживание изменения во времени скорости распространения звука через текучую среду для каждой из пар преобразователей и обнаружение нароста отложений на внутренней поверхности ультразвукового расходомера посредством данных о разнице длин хорд пар преобразователей и об изменении скорости распространения звука через текучую среду.

10. Способ по п.9, который дополнительно включает определение толщины нароста отложений.

11. Способ по п.10, который дополнительно включает генерацию сигнала при толщине нароста отложений, превышающей пороговое значение.

12. Способ по п.10, в котором толщину нароста отложений определяют, по существу, следующим уравнением:
$$t_{deposit}=\frac{\Delta T}{2}\cdot \frac{c_{fluid}{c}_{deposit}}{c_{fluid}-c_{deposit}}$$
где ΔT - погрешность в значении времени, обусловленная отложениями, c_deposit - скорость распространения звука через отложения и c_fluid - скорость распространения звука через текучую среду.

13. Способ по п.9, который дополнительно включает вычисление изменений объемного расхода текучей среды.

14. Способ по п.13, в котором изменения объемного расхода определяют, по существу, следующим уравнением:
ΔQ/Q=ΔV/V+ΔA_c/A_c
где Q, V и A_c - объемный расход, средняя скорость потока, связанная с первой парой преобразователей, и площадь поперечного сечения, соответственно, измеренные при отсутствии отложений, и ΔQ, ΔV и ΔA_c - погрешности в значениях объемного расхода, средней скорости потока, связанной с первой парой преобразователей, и площади поперечного сечения, соответственно, обусловленные отложениями.

15. Способ по п.14, в котором ΔA_c/A_c определяют, по существу, следующим уравнением:
ΔA_c/A_c=-4t_deposit/D
где D - внутренний диаметр ультразвукового расходомера при отсутствии отложений.

16. Способ по п.14, в котором ΔV/V определяют, по существу, следующим уравнением:
$$\frac{\Delta V}{V}={\displaystyle \sum _{i}2W_i{t}_{deposit}}\left(\frac{1}{D\left(1-f_i^2\right)}-\frac{2}{L_i}\cdot \frac{c-c_{deposit}}{c_{deposit}}\right)$$
где i относится к хорде, проходящей между расположенным выше по потоку и расположенным ниже по потоку преобразователями, t_deposit - толщина нароста отложений, D - внутренний диаметр ультразвукового расходомера при отсутствии отложений, W_i - весовой множитель, зависящий от хорды i, L_i - длина хорды i при отсутствии отложений, f - относительное расстояние между плоскостью с хордой i и плоскостью, проходящей через центр ультразвукового расходомера, с - скорость распространения звука через текучую среду и c_deposit - скорость распространения звука через отложения.

17. Машиночитаемый носитель информации, содержащий машинные команды, которые при выполнении процессором обеспечивают то, что процессор определяет диагностические данные посредством акустических сигналов, которые передаются между каждой из пар преобразователей ультразвукового расходомера, причем диагностические данные включают расчетную скорость распространения звука через текучую среду, проходящую через ультразвуковой расходомер, для каждой пары преобразователей;
а процессор дополнительно
отслеживает изменение во времени скорости распространения звука через текучую среду для каждой из пар преобразователей и
обнаруживает нарост отложений внутри ультразвукового расходомера посредством данных о разнице длин хорд пар преобразователей и об изменении скорости распространения звука.

18. Машиночитаемый носитель по п.17, в котором блок группы машинных команд выполнен с возможностью определения нароста толщины отложений.

19. Машиночитаемый носитель по п.18, в котором блок группы машинных команд выполнен с возможностью генерирования сигнала посредством процессора при толщине нароста отложений, превышающей пороговое значение.

20. Машиночитаемый носитель по п.17, в котором блок группы машинных команд выполнен с возможностью вычисления объемного расхода текучей среды как функции от толщины нароста отложений.